基于圖學教育的學科分類研究

楊道富 ，楊 鵬 ，楊鑫鑫

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院 國際工程項目管理研究中心，河南 開封 475004；2.武漢大學，湖北 武漢 430072；3.黃河水利委員會 河南河務(wù)局，河南 鄭州 450003；4.中國葛洲壩集團公司 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

圖乃源于萬物之形，圖與宇宙同生并存。文字源于圖，數(shù)也源于圖。建設(shè)創(chuàng)新型國家、世界強國、文化大國離不開圖學教育，更需要構(gòu)建由圖學、文學、數(shù)學［1］三足鼎立的科學基礎(chǔ)［1］，文學、數(shù)學、圖學三者的學科功能分別為：文學是形象化地反映客觀現(xiàn)實的藝術(shù)，表達思想、交流意圖的理念化工具［2］；數(shù)學是研究事物數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化以及空間模型等的量化工具［3］；圖學是表達形態(tài)、展示結(jié)構(gòu)、核定尺度、推理計算的形象化和量化的工具。由此看來，缺失圖學的文學和數(shù)學是不完備的科學，在圖學、文學、數(shù)學3個基礎(chǔ)學科中，圖學是文化的起源。生命不息，圖學教育不止，圖學教育應(yīng)該不斷改革創(chuàng)新和發(fā)展，圖學描述、記載、儲存信息的途徑、方法、手段的演變，使圖學如核裂變一樣迅速擴展到各類學科專業(yè)，輻射到每一個學科系統(tǒng)的神經(jīng)末端。研究圖學教育的基礎(chǔ)創(chuàng)新功能，探討各類專業(yè)圖形科學的應(yīng)用手段非常必要。所以，要讓圖學教育真正承擔起認識世界、傳承文明、創(chuàng)新理論、咨政育人、服務(wù)社會的神圣職責，確立圖學一級學科地位，具有重要意義。

1 圖學的定義及學科地位

1．1 研究回歸圖學科學的定義

定義的概念在現(xiàn)代漢語詞典第六版（簡稱現(xiàn)漢6版）308頁中的解釋是：“對于一種事物的本質(zhì)特征或一個概念的內(nèi)涵和外延的確切而簡要的說明。”［1］沿著這個概念分析圖學科學的定義，應(yīng)該從已經(jīng)確定的數(shù)學和文學定義開始分析。現(xiàn)代漢語詞典第六版1212頁對數(shù)學的定義是：“研究現(xiàn)實世界的空間形式和數(shù)量關(guān)系的學科。”現(xiàn)代漢語詞典第六版1364頁對文學的定義是：“以語言文字為工具形象化地反映客觀現(xiàn)實的藝術(shù)?！北M管數(shù)學定義的“現(xiàn)實世界的空間形式”和文學定義的“形象化地反映客觀現(xiàn)實”都與圖和形有關(guān)，都起源于圖而沒有圖形直觀，但現(xiàn)代漢語詞典和百度百科并沒有列入關(guān)于“圖學”的定義。進一步推論圖學定義應(yīng)該是：“研究展示宇宙空間事物形象、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺度、工藝、程序、運動規(guī)律的學科。”分析新的圖學定義，可以得出結(jié)論：“圖學支撐著數(shù)學和文學，數(shù)學和文學的起源來自圖學，圖學的地位是數(shù)學和文學無法替代的，建立以圖為關(guān)鍵路線的學科體系是必要的”。分析文學、數(shù)學、圖學的學科定義和功能頻率，如表1所示。

1．2 建議確立圖學一級學科地位

通過以上比較分析，圖學是科學的中流砥柱，具有核心、基礎(chǔ)價值。現(xiàn)代漢語詞典第六版734頁對科學的定義是：“反映自然、社會、思維等的客觀規(guī)律的分科的知識體系。”［1］將科學分自然科學和社會科學?，F(xiàn)代漢語詞典第六版1727頁對自然科學的定義是“研究自然界各種物質(zhì)和現(xiàn)象的科學。”［1］現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典1732頁對自然科學的定義是 “研究自然界的物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運動規(guī)律的科學。”［4］現(xiàn)代漢語詞典第六版1148頁和現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典1152頁對社會科學的定義都是“研究各種社會現(xiàn)象的科學。”

表1 文學、數(shù)學、圖學的學科定義和功能比較Table 1 Subject definition and function comparison of Literature,Mathematics and Graphics

由此證明，不僅自然科學定義中的 “物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運動規(guī)律”和社會科學定義中的“社會現(xiàn)象”都與圖學有關(guān)，而且科學定義中的“自然、社會、思維等的客觀規(guī)律”也離不開圖學。分析結(jié)果是應(yīng)該回歸科學的本源，推理圖學科學比較理想的定義是：“研究展示自然界各種物質(zhì)和社會現(xiàn)象形態(tài)的科學”。

圖學應(yīng)用科學的定義應(yīng)該是：“應(yīng)用圖學科學的基礎(chǔ)理論，為解決展示生產(chǎn)和生活中的各項實踐問題而提供理論形態(tài)指導與技術(shù)、實踐說明的圖學學科”。圖學幾乎支撐著所有的學科，要打通圖學發(fā)展的瓶頸，確立圖學的應(yīng)有學科地位，吸引高職稱、高水平的圖學專家學者從教，設(shè)立培養(yǎng)圖學碩士、博士的學位授予點，補充社會急需高層次圖學人才的缺口。相關(guān)基礎(chǔ)科學的定義比較如表2所示。

2 分析圖學教育的相關(guān)科學概念

研究分析圖學教育的定義，就是要對圖學教育的本質(zhì)特征，或圖學教育概念的內(nèi)涵和外延做出確切而簡要的說明。

2．1 教育定義的分析

現(xiàn)代漢語詞典第六版656頁對教育的定義是：“①［名］按一定要求培養(yǎng)人的工作，主要指學校培養(yǎng)人的工作；②［動］按一定要求培養(yǎng)；③［動］用道理說服人使照著（規(guī)則、指示或要求等）做。”

表2 相關(guān)基礎(chǔ)科學的定義和功能比較Table 2 Related basic science definition and function comparison

現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典662頁對教育的定義是：“①［名］指以影響人的身心發(fā)展為直接目的的社會活動，主要指學校對學生進行培養(yǎng)的過程；②［動］教導教育，啟發(fā)、使明白道理。相比之下，通過調(diào)查，現(xiàn)代漢語詞典第六版656頁對教育的定義具有廣泛性。

2．2 教育和圖學教育詞性的分析

教育屬于上位詞，上位詞是指概念上外延更廣的主題詞。上位詞是相對某主題詞的，也有它自己的等同詞、上位詞、下位詞、同類詞。例如：“花”是“鮮花”的上位詞，“植物”是“花、蔬菜”的上位詞。圖學教育屬于下位詞，下位詞是指概念上內(nèi)涵更窄的主題詞。下位詞也是相對某主題詞的，也有它自己的等同詞、上位詞、下位詞、同類詞。例如：“鮮花”是“花”的下位詞，“花、蔬菜”是“植物”的下位詞?！皥D學教育”屬于“教育”的下位詞，所以，就應(yīng)該根據(jù)“教育”的定義規(guī)范內(nèi)涵更窄的主題詞——“圖學教育”。

2．3 圖學教育定義的分析研究

根據(jù)現(xiàn)代漢語詞典關(guān)于教育一詞的含義，得出第一種圖學教育的定義是：“①［名］按圖學要求培養(yǎng)人的工作，主要指學校培養(yǎng)人的工作；②［動］按圖學要求培養(yǎng)；③［動］用圖學理論說服人使其照著（圖學規(guī)則、圖學標準或圖學要求等）做?！备鶕?jù)現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典教育一詞的含義，得出第二種圖學教育的定義是：“①［名］指以圖學影響人的身心發(fā)展為直接目的的社會活動，主要指學校對學生進行圖學培養(yǎng)教育的過程；②［動］圖學教導教育，圖學啟發(fā)、使明白圖學道理”。通過綜合分析，選擇第一種圖學教育的定義比較科學。

2．4 現(xiàn)代圖學教育定義的分析研究

現(xiàn)代漢語詞典第六版1415頁對現(xiàn)代的定義是：“［名］現(xiàn)在這個時代。”［名］現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典1414頁對現(xiàn)代的定義是：“現(xiàn)今這個時代?！痹谖覈鴼v史分期上特指公元1919年五四運動到現(xiàn)今這個時期。

根據(jù)歷史對現(xiàn)代的時段劃分［5］，現(xiàn)代圖學教育的定義是：“公元1919年到當今這個時代的圖學教育”?，F(xiàn)代圖學教育理論和成就的研究應(yīng)該有近百年的歷史?，F(xiàn)代圖學教育是教育、圖學教育的下位詞。

2．5 圖學教育與其他學科的教育比較

相關(guān)基礎(chǔ)學科教育的定義和內(nèi)容比較如表3所示。

3 圖學支撐學科門類的相關(guān)依據(jù)

3．1 高校學科層次分析

我國高等學校本科教育專業(yè)按3個層次設(shè)置,分別為：“學科門類”、“學科大類（一級學科）”、“專業(yè)（二級學科）”。

按照國家1997年頒布《授予博士、碩士學位和培養(yǎng)研究生的學科、專業(yè)目錄》［6］，將學科分為哲學、經(jīng)濟學、法學、教育學、文學、歷史學、理學、工學、農(nóng)學、醫(yī)學、軍事學、管理學12大門類，每大門類下設(shè)若干一級學科。如理學門類下設(shè)數(shù)學、物理、化學等12個一級學科。在2011年8月下旬，藝術(shù)學首次從文學門類中獨立出來，單列為一個學科門類，考研學科門類將從原先的12個增加到13個。圖學在建設(shè)創(chuàng)新型國家中具有更重要的作用，希望國家學位委員會支持，也盡快獨立出來，成為一個學科門類并具有相應(yīng)的一級學科和二級學科。

3．2 高校學科等級分類分析

高等院校首先確定學科門類，然后進行學科等級分類。一級學科是學科大類，二級學科是其下的學科小類或稱為專業(yè)。一級學科下可以再下設(shè)若干個二級學科，也可以不設(shè)二級學科獨立存在。如數(shù)學下設(shè)基礎(chǔ)數(shù)學、計算數(shù)學等5個二級學科。而工學中的光學工程、冶金工程、生物醫(yī)學、工程、城鄉(xiāng)規(guī)劃學、風景園林學、軟件工程、生物工程、安全科學與工程、公安技術(shù)等，其下邊沒有設(shè)二級學科，屬于獨立的一級學科。博士、碩士學位就授至二級學科，一般意義上的博、碩士點數(shù)，指的就是可以授予博士和碩士學位的二級學科的數(shù)目。

3．3 高校圖學學科歸屬的研究

根據(jù)我國高等學校“學科門類”、“學科大類（一級學科）”、“專業(yè) （二級學科）”3個層次來分析，圖學應(yīng)該成為已經(jīng)存在的第13個“學科門類”后的第14個［6］。 研究學科的歸屬建議如下：“學科門類”定義為圖學；圖學的學科大類（一級學科）可以初步分為幾何圖學、數(shù)字圖學、形態(tài)圖學、工程圖學、創(chuàng)意圖學等。例如工程圖學根據(jù)專業(yè)特點可以設(shè)置二級學科，機械工程圖學、土建工程圖學、電器工程圖學、水利水電工程圖學等”。圖學學科分類建議如表4所示。

4 圖學教育學科的手段和發(fā)展趨勢

現(xiàn)代圖學教育和技術(shù)，以其先進的技術(shù)、強大的功能、高端的研究成果等，在教育中得到迅速開發(fā)和應(yīng)用，是當今教育技術(shù)手段的世界性熱點，將帶來教育教學的重大變革。

4．1 科學計算可視化教學手段

科學計算可視化 （Visualization in Scientific Computing）［7］是對科學計算取得的數(shù)據(jù)進行可視化加工或三維圖形顯示，并可通過交互地改變參數(shù)來觀察計算結(jié)果的全貌及其變化。科學計算可視化涉及標量、矢量、張量的可視化，流場的可視化，數(shù)值模擬及計算的交互控制，海量數(shù)據(jù)的存儲、處理及傳輸，圖形及圖像處理的向量及并行算法等，現(xiàn)已廣泛用于現(xiàn)代化教學中。

表3 相關(guān)基礎(chǔ)學科教育的定義和內(nèi)容比較Table 3 Related basic subject education definition and content comparison

4．2 虛擬現(xiàn)實教學手段

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality［8］，簡稱 VR）也稱靈境技術(shù)，是一門融合了多種科學技術(shù)而發(fā)展起來的計算機領(lǐng)域的最新技術(shù)，它被應(yīng)用到軍事、醫(yī)學、教育、科研等多個領(lǐng)域，利用計算機生成一個關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的三維空間的虛擬世界，讓參與者身臨其境一般，產(chǎn)生沉浸感。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它利用計算機模擬產(chǎn)生逼真的三維空間，以人們習慣的能力和方法，對這個虛擬世界進行客觀的觀察、體驗、控制甚至分析，讓使用者通過感應(yīng)裝置，自然地參與到虛擬環(huán)境中，進行逼真體驗，與之交互。

4．3 建筑模型（BIM）教學手段

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡化為BIM）［9］是近年來在建筑業(yè)出現(xiàn)的數(shù)字化建模新技術(shù)。BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和實用性5大特點。這些建筑模型的數(shù)據(jù)在建筑信息模型中的存在是以多種數(shù)字技術(shù)為依托，從而以這個數(shù)字信息模型為各個建筑項目的基礎(chǔ)，去規(guī)劃、組織、進行各個相關(guān)工作。

4．4 同步建模教學手段

同步建模技術(shù)［10］是在參數(shù)化、特征化建模技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興的、非常靈活的三維建模技術(shù)。同步建模技術(shù)合并了尺寸驅(qū)動和約束驅(qū)動技術(shù)的精華，實現(xiàn)全面控制和可重復(fù)性，具有直接建模的靈活性。同步建模技術(shù)不僅可以應(yīng)用于零件建模還可應(yīng)用于裝配建模。同步建模是設(shè)計過程的一種改革，目的是使設(shè)計的對象與設(shè)計過程無關(guān)，設(shè)計中草圖無需尺寸，可在模型中直接標注，模型中的面、幾何體可以隨時更改，并保證他們之間的幾何關(guān)系，用于方案設(shè)計和隨時修改缺陷。

4．5 裸眼三維圖形教學手段

裸眼三維圖形給人以真實感的圖形顯示。真實感圖形顯示技術(shù)［11］是計算機圖形學的一個重要組成部分，它綜合利用數(shù)學、物理學、計算機科學和其他科學知識在計算機圖形設(shè)備上生成具有真實感的圖形。一般說來，用計算機在圖形設(shè)備上生成真實感圖形必須完成以下4個步驟：一是建模；二是將三維幾何模型經(jīng)過一定變換轉(zhuǎn)為二維平面透視投影圖；三是確定場景中所有可見面，運用隱藏面消隱算法將視域外或被遮擋住的不可見面消去；四是計算場景中可見面的顏色，從而確定投影畫面上每一像素的顏色，最終生成圖形，用于各類教學。

4．6 制造業(yè)3D打印教學手段

制造業(yè)的3D打印技術(shù)［12］與三維CAD技術(shù)密切相關(guān)，其基本原理是圖形學的掃描線生成算法和層疊控制技術(shù)。三維快速打印制造技術(shù)的出現(xiàn)，改變了生產(chǎn)加工產(chǎn)品的方式，特別是要求工期短、質(zhì)量高、特殊產(chǎn)品、需求量少的高精度配件通過3D打印制造，將提高市場的競爭力和戰(zhàn)爭快速反應(yīng)的需求。例如：科學實驗和運載火箭上的某些零部件，需求緊急，量少精度高，用傳統(tǒng)的模具制造方法生產(chǎn)不能解決，而通過3D打印技術(shù)則可大大節(jié)約成本，提高速度。

表4 高校圖學學科歸屬分類的研究Table 4 Research of Graphics subject category of universities and colleges

5 圖學教育的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代圖學教育的地位要提高，對圖學學科體系進行系統(tǒng)的、科學的分類，進行專業(yè)模塊教學［13］，以便適應(yīng)社會的科學創(chuàng)新和發(fā)展。

（1）圖學教育是鑄造世界文化靈魂的教育。歷史證明世界文化是以圖為靈魂的精髓傳承。圖學教育伴隨著人類文明的過去、現(xiàn)在和未來，生命不息，圖學教育不止。圖學的功能是表達事物變化規(guī)律、記錄社會發(fā)展信息、展示科技創(chuàng)新成果?，F(xiàn)在和將來都在持續(xù)不斷地記錄著人類社會文明發(fā)展的軌跡。

（2）繼續(xù)提高圖學教育的基礎(chǔ)學科地位。圖學、文學、數(shù)學是3個基礎(chǔ)學科，確立圖學的3個級別學科地位是圖學教育的根，根深方可葉茂。研究現(xiàn)代圖學教育的創(chuàng)新功能和應(yīng)用進展，探討各類專業(yè)圖學正確、清晰、完整、簡潔的應(yīng)用表達手段非常必要［14］。如果不提高圖學教育的基礎(chǔ)學科地位，那么要培養(yǎng)具有碩士、博士學歷的高端的圖學人才將會更加困難。

（3）建立以圖學為核心的創(chuàng)新教育體系。圖學教育的地位不可磨滅和取代，要消除傳統(tǒng)小圖學、是工具、為專業(yè)服務(wù)的錯誤觀點。建立以圖學為核心的創(chuàng)新平臺，象裝配圖體系一樣囊括項目化需要的學科專業(yè)。解決“書不盡言，言不盡意，然則圣人之意其不可見乎？子曰：圣人立象以盡意”［15］問題。大圖學不僅用來表達正常視覺的物體形態(tài)，而且用來表達某種宏觀、微觀、抽象的形象（觀念、意象）。志在“一圖勝千言”。

（4）建設(shè)未來創(chuàng)新國家，圖學教育是關(guān)鍵。隨著計算機技術(shù)及數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代圖學產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。計算機圖形學、科學計算可視化、真實感圖形技術(shù)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、圖形圖像融合技術(shù)、先進建模及仿真技術(shù)、計算機藝術(shù)及動漫制作系統(tǒng)、材料增成制造技術(shù)（也叫3D打印技術(shù)）等在尖端科學領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用。特別是材料增成制造技術(shù)，也叫3D打印技術(shù)，可以快速打印機械零件、武器裝備、人體器官等，從傳統(tǒng)的去除材制造到增加材料制造方法，將是制造業(yè)的一次快速、高效、環(huán)保、節(jié)能的綠色革命，材料增成制造技術(shù)的數(shù)字化圖形是關(guān)鍵，要想吸引更多高水平的人參與研究，重要的途徑是必須確立和提高圖學學科地位級別。隨著國際科技文化的交流，還要提高圖學的快速翻譯水平［16］。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著時間的推移，相關(guān)科學技術(shù)的不斷發(fā)展和新技術(shù)的改進。可以預(yù)料，現(xiàn)代圖學教育和技術(shù)裝備必將臻于完善，圖學教育隨著社會的發(fā)展而不斷發(fā)展。大圖學的研究成果被廣泛地運用到科學研究、航海航天、軍事裝備、工程設(shè)計、藝術(shù)動漫、生產(chǎn)實踐等各個領(lǐng)域之中，圖學成為人類征服自然、探索未來、建設(shè)創(chuàng)新國家和世界強國的核心技術(shù)和關(guān)鍵途徑。圖學教育事業(yè)理應(yīng)或必將呈現(xiàn)出蓬勃的生機。

［1］中國社會科學院語言研究所詞典編輯室.現(xiàn)代漢語詞典第六版［M］.北京:商務(wù)印書館，2012.

［2］ 合作編輯者. 百度百科: 文學［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／8732.htm.

［3］ 合作編輯者. 百度百科: 文學［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／1284.htm.

［4］李行健.現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典 ［M］.北京:外語教學與研究出版社；語文出版社，2004.

［5］ 合作編輯者. 百度百科: 現(xiàn)代［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／35310.htm.

［6］合作編輯者.百度百科:授予博士、碩士學位和培養(yǎng)研究生的學科、 專業(yè)目錄 ［EB／OL］.［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com ／view ／2470727.htm.

［7］合作編輯者.百度百科:科學計算可視化［EB／OL］.［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／920778.htm

［8］ 合作編輯者. 百度百科:虛擬現(xiàn)實［EB／OL］. ［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／7299.htm.

［9］合作編輯者.百度百科:建筑信息模型［EB／OL］.［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／1788980.htm.

［10］ 合作編輯者. 百度百科:同步建模［EB／OL］. ［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／2170476.htm.

［11］ 合作編輯者.百度百科:裸眼 3D圖片 ［EB／OL］.［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／10376732.htm

［12］ 合作編輯者.百度百科:3D打印 ［EB／OL］. ［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／5403239.htm.

［13］ yang dao-fu，liu shen-li.VocationalTeaching Cube System of Engineering Graphics ［J］.CADDM（Computer Aided Drafting，Design and Manufacturing，2003 （1／2）:61-65.

［14］楊道富.圖學智能高職教學模塊體系研究［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報，2002（1）:53-55.

［15］ 合作編輯者.百度百科: 言意之辨［EB／OL］.［2013-11-10］.http:／／baike.baidu.com／view／178053.htm.

［16］楊道富.國際技術(shù)交流中圖紙快速翻譯研究［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報，2004（1）:34-36.