工程制圖歷史演變現(xiàn)狀改革和未來發(fā)展的研究

林大鈞

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）

1 工程制圖歷史演變

語言、文字和圖形是人們進行交流的主要方式，而在工程界，為準確表達一個物體的形狀，主要用的工具就是圖形。在工程技術(shù)中為了正確表示出機器、設備的形狀、大小、規(guī)格和材料等內(nèi)容，通常將物體按一定的投影方法和技術(shù)規(guī)定表達在圖紙上，這種根據(jù)正投影原理、標準或有關(guān)規(guī)定，表示工程對象，并有必要的技術(shù)說明的圖就稱圖樣。工程圖樣是人們表達和交流技術(shù)思想的重要工具，生產(chǎn)者需依據(jù)圖樣了解設計要求并組織、制造產(chǎn)品。因此，工程圖樣常被稱為工程界的技術(shù)語言。

上述文字是200多年來工程界的基本認識。自蒙日創(chuàng)建畫法幾何以來多面正投影圖在工程設計中被廣泛采用。蒙日生活在18世紀后半葉的法國，人們公認他是“畫法幾何學”的創(chuàng)立者[1]。從1630年到19世紀，法國陷入一系列的戰(zhàn)爭之中。作為一個大陸沿海的軍事強國，軍事工程要塞是絕對重要的。當時法國在各個沿海城市都設立了許多海防要塞。筑城學對于法國國防有著重要的價值。當時法國在沃邦等人的努力下，發(fā)展了一種復雜的多角形、星形堡壘。使得對軍事工程師的需要變得迫切起來。在18世紀中葉，法國開始設立了一些軍事工程學校，這一切都直接導致了畫法幾何在法國創(chuàng)立。1765年蒙日進入梅濟埃爾的皇家工程學校學習，在進行一項軍事工程設計時，蒙日打破常規(guī)的設計方法，而采用了簡便的幾何法，迅速完成了設計，經(jīng)審核，確認方法嚴密，結(jié)果正確。這是蒙日邁近畫法幾何的第1步，畫法幾何曾經(jīng)成為法國軍事秘密文件長達30年之久，而且在拿破侖統(tǒng)治時期，這門學科一出現(xiàn)就享有特殊的待遇，被認為是一切工程和建筑學的基礎。蒙日在當時的教育年表上與拉普拉斯和拉格朗日齊名。以后蒙日留校擔任教學工作，他的巨著《畫法幾何學》是他的學生根據(jù)他1795年在培養(yǎng)中學師資的師范學校的講課筆錄，整理后于1798年公開出版。此書以后不脛而走，傳入各國。蒙日講課和作業(yè)的輔導是他的學生——著名數(shù)學家穆斯尼、傅立葉等人。數(shù)學家高斯對蒙日畫法幾何有很高的評價：“近200年來，空間幾何的考察越來越多地借助于解析法，這就使他們失去了基于直覺想象的幾何思考機會。蒙日命名為《畫法幾何學》的幾何學，清晰而簡練，題目由易到難，安排有序，內(nèi)容豐富。我為近十年來法國一些幾何學者開動步伐，用特殊的幾何法培植這門新的幾何學感到高興。因而我們應該建議學習這本書——能以活躍和維護真正幾何精神的重要智慧滋養(yǎng)品，這種精神，現(xiàn)今數(shù)學里有時是缺少的。除純科學考察方面外，我也考慮到與空間相關(guān)的一切人類勞動中，也就是設計、測量、建筑結(jié)構(gòu)和工事中它們的應用”[2-3]。

我國系統(tǒng)地介紹蒙日《畫法幾何學》體系理論和方法的是時任廈門大學校長的薩本棟先生編譯的《畫法幾何學》（1923年6月商務印書館初版）。著名教育家清末翰林蔡元培先生于中華民國九年十一月一日為薩本棟編譯的《畫法幾何學》寫序如下：薩君本棟，勤敏好學。課余譯安頓利氏及亞斯利氏之《畫法幾何學》一書，文筆條達，義理顯豁，雖未照原文全譯，然刪繁避晦，頗便初學。學者由是熟加研究，將見科學上、工程上之各種物體，表現(xiàn)于縱面、橫面、側(cè)面或截面等，已能纖悉無遺，而泰西之學術(shù)工藝，或籍以廣傳于中土，是亦吾劑之所樂為介紹者也。（注：安頓利時為美國Tufts學院圖學教授，亞斯利時為美國東北大學制圖教授）。

當一門學科完全確立起來以后，在它形成時期明顯存在的學術(shù)方面的刺激就會停息下來。畫法幾何就是這樣一門學科。由于它未能保持住過去的學術(shù)威信，結(jié)果在許多工程和建筑學校的課程表中被其他課程所擠掉。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機圖形學的產(chǎn)生，使蒙日《畫法幾何學》的基本概念的正確性發(fā)生動搖。到目前為止，國內(nèi)外工程制圖教科書都認為一個正投影圖不能唯一地確定物體的空間形狀和大小。國內(nèi)諸多工程制圖教材中對此概念描述為：“用一個投影圖一般不能表達物體整體的大小和形狀”。國外典型代表著作《Fundamentals of engineering drawing》第7版中對此概念描述為：“…… the front face is oriented to the projection plane so that the established view shows the true width and height of the house. It will be noted, however, that the depth dimension is not shown in this front view.Thus a single orthographic view in itself cannot fully describe an object. An additional view on a projection plane perpendicular to the first is needed to give the depth of the house.”[4]。正因為如此，人們歷來將由多面正投影圖想象物體的空間形狀看作是對空間想象能力的培養(yǎng)。然而，一個正投影圖不能唯一地確定物體的空間形狀和大小的描述是不嚴密的，可以通過一個正軸測投影圖反求物體的形狀和大小，而一個正軸測投影圖就是一個單面正投影圖。長期以來，雖然正軸測投影圖具有良好的直觀性，但由于其繪制不便，故被當作參考圖形而處于從屬地位，人們不得不要通過多面正投影圖去想象物體的空間形狀，這種強制性的思維訓練，反而會阻礙人的空間思維和想象力。因為人本身是處于三維空間，看到的和觸摸到的都是三維物體，頭腦中存儲的也是三維形象，只有將頭腦中進行的三維思考用三維的形式加以表達才有利于培養(yǎng)空間思維能力，正軸測投影圖因其有立體感，所以是將三維思考用三維形式加以表達的中間橋梁。但歷史的發(fā)展并非如此，這使得人們對現(xiàn)狀熟視無睹，習以為常，甚至極力研究如何通過幾個二維視圖想象物體的方法，可謂南轅北轍。

2 工程制圖改革現(xiàn)狀

2.1 基礎內(nèi)容改革

在工程制圖基礎內(nèi)容改革方面，比較有代表性的是戴立玲、盧章平等的工作。他們編著的《圖學基礎教程》是一本體系完整、內(nèi)容豐富、清晰易懂、特色鮮明的教材。主要體現(xiàn)在：第一，教材在體系上跳出了傳統(tǒng)的框架[5]。全書由圖與圖學基礎；計算機中的圖形與圖象；思維過程的圖形化；意象性圖形設計、表達與理解；空間有形物體的平面表達；空間形體的圖形轉(zhuǎn)換及閱讀；數(shù)據(jù)與函數(shù)信息的圖形化表達與應用等7章組成。每一章都可以自成體系，獨立成篇。作者能通過長期研究和教學實踐，以圖為主線，把圖學的主要基礎都包含在一本書里，體現(xiàn)了體系的完整性。第二，教材內(nèi)容豐富，但不繁雜，也不是簡單羅列，而是緊緊抓住圖在人類思想交流與科技發(fā)展中的作用這一核心，介紹了圖的廣義內(nèi)涵，并從“意象類圖源”、“空間有形物體”及“數(shù)據(jù)與函數(shù)”等方面作了基礎性介紹，同時將計算機圖形技術(shù)融入其中，使傳統(tǒng)的圖形表達方法與現(xiàn)代圖形技術(shù)相結(jié)合，符合教學改革方向，適應現(xiàn)代教學需要。第三，教材內(nèi)容寬泛且有高度。內(nèi)容寬泛是指涉及到了各種各類圖及表達方法。有高度是指分析了圖在人思維中所起的作用 ，能引導讀者打開思路，認清圖的本質(zhì)，從而達到對圖的深刻理解和認識，以便更好的應用的目的。作者從日常所見所聞出發(fā)，將客觀事件歸納整理，上升到理性，形成規(guī)范的表達形式，以引人入勝，而這些客觀事件可能已經(jīng)包含了讀者的經(jīng)驗和技能 ，因此容易引起讀者的共鳴和理解。比如將Word、Excel、Powerpoint等軟件中的圖形處理功能歸結(jié)為思維過程圖形化，使讀者在自己熟悉的軟件的基礎上來理解思維過程圖形化，把原本比較復雜的概念變得容易理解。

2.2 多門課程整合改革

在內(nèi)容整合改革方面，比較有代表性的是馬香峰編寫的《機械設計制圖》[6]。該教材為了突出工科類各專業(yè)機械工程基礎知識、素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，以優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)、加強應用性為指導從相關(guān)課程整體優(yōu)化出發(fā)，將原工程制圖、機械零件等課程整合為一門機械設計制圖基礎課，構(gòu)筑了一個公共平臺與綜合提高相結(jié)合的新課程體系。整合后課程由一個教師從頭至尾全面貫徹。從單門課程優(yōu)化的初級階段走向多門課程整合的綜合階段。根據(jù)新建的課程體系框架，在教學實踐中構(gòu)建了圖形表達、圖形思維、力學計算平臺，從而形成機械設計基礎的第1層次。這一層次的內(nèi)容著重手工草圖、儀器繪圖、計算機繪圖、力學計算能力的綜合培養(yǎng)，注重形象思維方式的融合，兼顧工程意識啟蒙。課程第2層次以基礎知識在設計中的應用和突出工程意識為原則，以設計為線索安排課程內(nèi)容。從知識的內(nèi)在聯(lián)系、銜接出發(fā)由設計這條主線按零件設計內(nèi)容構(gòu)造綜合性知識單元，體現(xiàn)各種基礎知識在該單元中的地位、作用及相互之間的聯(lián)系以培養(yǎng)提出問題、分析問題、解決問題的能力。

2.3 精品課程建設

自2003年以來，全國已經(jīng)有20多門工程制圖類課程進入了國家級精品課程建設行列，它們在課程介紹、教學大綱、授課教案、教材建設、解題指導、學習方法、參考資料、授課錄象、教學研究、課程網(wǎng)站等方面都在按照“五個一流”的目標進行建設，起到了很好的引領作用。

3 工程制圖未來發(fā)展

雖然工程制圖經(jīng)過基礎內(nèi)容改革、多門課程整合改革、精品課程建設等階段有了很大的發(fā)展，但總體來看，發(fā)展速度緩慢，缺乏系統(tǒng)的、可持續(xù)發(fā)展的動力，其根本原因是課程發(fā)展缺乏實驗。縱觀理、工類課程，凡是有實驗的課程，發(fā)展快且可持續(xù)。因為，實驗是認識客觀的有效方法，它是通過觀察、驗證、試驗、推理、推論、比較、選擇等方法來認識客觀事物。實驗既需要理論指導，又能促使理論的發(fā)展。實驗需要有實驗條件、實驗方法、實驗結(jié)果，它與工程的聯(lián)系更密切。下面列出的實驗，有的是研究生畢業(yè)論文課題，有的是研究生課程論文研究內(nèi)容，有的是本科生畢業(yè)設計課題，研究生有獲得上海市優(yōu)秀畢業(yè)論文，本科生每年都有優(yōu)秀畢業(yè)論文產(chǎn)生。經(jīng)過多年實踐形成了實驗體系，推動工程制圖課程向深入發(fā)展，面向卓越工程師班開出了新的課程《實驗工程制圖》，編寫出版立體化教材《實驗工程制圖》、《實驗工程制圖習題集》、《實驗工程制圖解題指導》、《實驗工程制圖程序包》，由化學工業(yè)出版社出版[7]。在學時不增加的條件下，大大拓展了工程制圖內(nèi)容的深廣度。實驗體系由15個模塊組成：

1）計算機輔助讀圖實驗；

2）軸測投影圖反求建模實驗；

3）應用拍照反求零件實驗；

4）工程曲線設計實驗；

5）工程曲面設計實驗；

6）空間角度計算實驗；

7）鈑金展開實驗；

8）零件圖參數(shù)化實驗；

9）裝配圖設計實驗；

10）幾何元素空間軌跡圖形實驗；

11）物理屬性可視化實驗；

12）零件加工動態(tài)仿真實驗；

13）基于CAD的圖形力學實驗；

14）基于CAD的圖形運動學實驗；

15）零件裝配動態(tài)仿真實驗等。

綜上所述，其結(jié)論是實驗是工程圖學本科教育階段的實踐基礎，實驗是工程圖學研究生教育的必要載體，實驗是工程圖學應用于工程實際的有效方法，實驗是有待于工程圖學教師研究開發(fā)的領域，實驗是工程圖學可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

[1]G蒙日著. 蒙日畫法幾何學[M]. 廖先庚譯. 長沙:湖南科技出版社, 1984: 9-11.

[2]Thomas J. Graphics in engineering design [M]. New York, US: Wiley. 1975: 83-88.

[3]趙擎寰, 薩本棟編譯. 畫法幾何學[J]. 工程圖學叢刊, 1980, (1): 47-48.

[4]Warren J L. Fundmentals of engineering drawing for design, product development, and numerical control [M].London, UK: Prenice Hall, 1980: 69-73.

[5]戴立玲, 盧章平, 袁 浩. 圖學基礎教程[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008: 1-5.

[6]馬香峰. 機械設計制圖[M]. 北京: 高等教育出版社,1997: 1-8.

[7]林大鈞. 實驗工程制圖[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,2009: 84-87.