关于工程图学发展史的科学模式探讨
摘要：回顾工程图学理论发展的历史过程，用辩证唯物主义的观点分析图学的科学发展模式。
关键词：工程图学 计算机辅助绘图（CAD）技术发展
一、工程图学发展的前科学阶段
自从劳动开创人类文明史以来，图形与语言、文字一样，是人类认识自然、表达和交流思想的基本工具。远古时代，人类从制造简单工具和营造建筑物，就开始使用图形来表达意图，但都是以直观写真的方法来画图。据出土文物考证，早在一万多年前的新石器时代，我国人民就能够绘制一些简单的几何图形。西安半坡出土的仰韶期彩盆上有人面形和鱼形图案；甘肃省出土的彩陶罐的表面画有剖视表示的捕获野兽的陷阱图等。可以这样认为：图样的产生和发展是紧密的围绕人类的诞生和技术的进步进行的，用图来表达技术思想的时间和人类的历史等长。
当一些图形无法清晰地表达更具体的事物时，人们对绘图提出了规定。也就是当旧的技术无法去适应新的要求时，适应社会需求的新技术新要求将应运而生。三千多年前，我国劳动人民就创造了“规、矩、绳、墨、悬、水”等绘图工具。“没有规矩，不成方圆”，反映了中国古代对尺规作图已有深刻的理解和认识。宋代刊印的《营造法式》是我国较早的建筑典籍之一，书中印有大量的建筑图样，这些图样与近代工程制图表示方法基本相似。但他们还没有形成一个体系，也没有被规范化。此阶段从事同类学科的研究者对共同研究的问题基本观点很不一致，各种理论长期争辩和竞争，没有为大家所接受的公认的理论，也就是没有形成该学科的“范式”。即该学科此时还处于原始科学阶段。可以想象在当时的社会，以“绳、墨、悬、水”等绘图工具来进行作图是什么样的效率？并且当时的图样没有完整的尺寸，只有用文字注释的尺寸，也就是图样的直观性很好，但度量性却很差。当工业革命到来时，它能适应社会的发展么？因此，社会的进步和发展急需科学家们通过研究，形成公认的“范式”，并依靠共同信仰的“范式”把大家统一为一个科学的共同体。此时，基础规律的新发现，新理论的建立都成为必然。
二、工程图学发展的常规科学阶段（形成范式）
18世纪欧洲的工业革命促使一些科学技术的迅速发展，对图样的度量性能要求越来越高，改变图样的表达方式势在必行。法国著名科学家盟日（Gaspard Monge 1746-1818）总结前人经验，根据平面图形表示空间图形的规律，应用投影法创建了《画法几何学》（1789年出版），奠定了图形理论基础，将工程图的表达与绘制规范化。虽然现代画法几何的理论并不都是盟日的首创，我国和世界上很多科学家在盟日之前就有了画法几何方面许多内容的应用和实践，但是，是盟日的《画法几何学》把数学和图学紧密地联系到了一起，使人们能够用准确的方式表达出物体的形状，这不仅在科学上有着重大的意义，同时也奠定了工程图学的理论基础，促进工程图学技术的飞速发展。此门学科已形成了公认的范式，但在此阶段的科学活动的任务是不断验证和发展范式，促使范式不断自我完善和自我发展。比如，20世纪50年代，中国著名学者赵学良教授简明而通俗地总结了三视图的投影规律为“长对正、高平齐、宽相等”，从而使制图易学易懂。近20年来，工程图学的内容日渐扩展，除“图示”的理论、技术和标准日益完善外，“图解”、“图算”、“图表”的内容也不断增加。两百多年来，经过不断完善和发展，逐步形成了一门独立的学科——《工程图学》。
三、反常及危机阶段
传统的产品设计基本过程是设计人员先在头脑中设想好机件的三维实体形状，然后利用机件的表达方法把设想好的三维实体形状转换为二维视图，形成机件的图样，接着加工人再经过分析图样中的二维视图，想象出该机件的三维实体形状。这种常规的工程图学的应用过程较为复杂。如何提高图样的直观性？如何提高手工绘图的效率，图样的质量？能否甩掉了图板？这又给图学研究的科学家们提出了新的问题。新的问题的出现，推动更多的科学家去探索解决这些问题和矛盾的方法，人们便进行猜测，试探作出解答，提出理论。用三维图样代替二维图样，用机器代替手工，这将是科学家们将解决的问题。
四、科学革命阶段
科学革命就是用新范式战胜和取代旧范式，冲破旧理论建立新理论。科学不是停留在已有的知识体系上，而是不断地探求新知识、放弃旧范式、旧理论、接受新范式、新理论的创造性活动。20世纪50年代，世界上第一架平台式自动绘图机诞生，计算机技术的广泛应用，大大地促进了图形学的发展；也促使工程图学涉及到其他学科，大大地扩展了工程图学的理论研究和应用范围，使这门古老而适用的科学技术焕发出新的青春活力。以前繁重的手工绘图已不再适应社会发展的需求，其速度、保存、修改都严重地影响了工作效率和质量；三维图样的形成，使人们对空间形体的把握更为直观，三维CAD设计过程省去了三维实体形状和二维视图之间的转换过程；因此，我们甩掉了图板。计算机技术的发展使得工程图学的应用发生了巨大的变化：过去，人们把工程图纸作为表达零件形状，传递零件分析和制造的各种数据的唯一方法。现在，应用高性能的计算机绘图软件生成的实体模型可以清晰而完整的描述零件的几何形状、并且可以基于特征造型的实体模型直接生成该零件的工程图或数据代码，完成零件的工程分析和制造。
为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。目前，计算机辅助产品的设计绘图（CAD）、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效。随着计算机图形学、人工智能、计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制造、并行工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究，使得CAD系统也由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，参数化设计向变量化和VGX(超变量化)方向发展，几何造型、曲面造型、实体造型向特征造型以及语义特征造型等方向发展都取得了巨大成绩。作为CAD技术核心的几何建模，由最初的线筐模型、表面模型发展到实体模型、特征模型经历了由几何信息模型、拓扑信息模型、到产品的发展过程，实现了设计、制造、测试一体化。
五、新常规规科学阶段
科学革命以后，科学家即转入新的常规科学阶，进入了在新范式指导下的渐进式发展。目前图学理论研究方面，三维CAD设计软件有3DstudioMAX Pro/Engineer，Solidworks UG等等已广泛用于工程设计与制造中。在图学应用方面，由于计算机绘图技术和电子技术的迅猛发展，使图学中的画法几何、轴测投影、透视原理、扑拓变换、四维空间等实用技术在其它行业中也得到了广泛地应用和实践。在科学不断发展的今天，如果三维空间也无法解决的问题时，人们将会向更高维数的画法几何的研究方法进军，不断地开拓图学理论研究的新领域。
科学技术是人类社会的重要活动方式，科学技术的进步和发展直接推动人类文明的进步和发展。从工程图学的发展历程看出，科学史是常规科学和科学革命不断交替的过程，循环往复、永无止境。
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