工程制图历史演变现状改革和未来发展的研究

林大钧

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

1 工程制图历史演变

语言、文字和图形是人们进行交流的主要方式，而在工程界，为准确表达一个物体的形状，主要用的工具就是图形。在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标准或有关规定，表示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。工程图样是人们表达和交流技术思想的重要工具，生产者需依据图样了解设计要求并组织、制造产品。因此，工程图样常被称为工程界的技术语言。

上述文字是200多年来工程界的基本认识。自蒙日创建画法几何以来多面正投影图在工程设计中被广泛采用。蒙日生活在18世纪后半叶的法国，人们公认他是“画法几何学”的创立者[1]。从1630年到19世纪，法国陷入一系列的战争之中。作为一个大陆沿海的军事强国，军事工程要塞是绝对重要的。当时法国在各个沿海城市都设立了许多海防要塞。筑城学对于法国国防有着重要的价值。当时法国在沃邦等人的努力下，发展了一种复杂的多角形、星形堡垒。使得对军事工程师的需要变得迫切起来。在18世纪中叶，法国开始设立了一些军事工程学校，这一切都直接导致了画法几何在法国创立。1765年蒙日进入梅济埃尔的皇家工程学校学习，在进行一项军事工程设计时，蒙日打破常规的设计方法，而采用了简便的几何法，迅速完成了设计，经审核，确认方法严密，结果正确。这是蒙日迈近画法几何的第1步，画法几何曾经成为法国军事秘密文件长达30年之久，而且在拿破仑统治时期，这门学科一出现就享有特殊的待遇，被认为是一切工程和建筑学的基础。蒙日在当时的教育年表上与拉普拉斯和拉格朗日齐名。以后蒙日留校担任教学工作，他的巨著《画法几何学》是他的学生根据他1795年在培养中学师资的师范学校的讲课笔录，整理后于1798年公开出版。此书以后不胫而走，传入各国。蒙日讲课和作业的辅导是他的学生——著名数学家穆斯尼、傅立叶等人。数学家高斯对蒙日画法几何有很高的评价：“近200年来，空间几何的考察越来越多地借助于解析法，这就使他们失去了基于直觉想象的几何思考机会。蒙日命名为《画法几何学》的几何学，清晰而简练，题目由易到难，安排有序，内容丰富。我为近十年来法国一些几何学者开动步伐，用特殊的几何法培植这门新的几何学感到高兴。因而我们应该建议学习这本书——能以活跃和维护真正几何精神的重要智慧滋养品，这种精神，现今数学里有时是缺少的。除纯科学考察方面外，我也考虑到与空间相关的一切人类劳动中，也就是设计、测量、建筑结构和工事中它们的应用”[2-3]。

我国系统地介绍蒙日《画法几何学》体系理论和方法的是时任厦门大学校长的萨本栋先生编译的《画法几何学》（1923年6月商务印书馆初版）。著名教育家清末翰林蔡元培先生于中华民国九年十一月一日为萨本栋编译的《画法几何学》写序如下：萨君本栋，勤敏好学。课余译安顿利氏及亚斯利氏之《画法几何学》一书，文笔条达，义理显豁，虽未照原文全译，然删繁避晦，颇便初学。学者由是熟加研究，将见科学上、工程上之各种物体，表现于纵面、横面、侧面或截面等，已能纤悉无遗，而泰西之学术工艺，或籍以广传于中土，是亦吾剂之所乐为介绍者也。（注：安顿利时为美国Tufts学院图学教授，亚斯利时为美国东北大学制图教授）。

当一门学科完全确立起来以后，在它形成时期明显存在的学术方面的刺激就会停息下来。画法几何就是这样一门学科。由于它未能保持住过去的学术威信，结果在许多工程和建筑学校的课程表中被其他课程所挤掉。随着科学技术的发展，特别是计算机图形学的产生，使蒙日《画法几何学》的基本概念的正确性发生动摇。到目前为止，国内外工程制图教科书都认为一个正投影图不能唯一地确定物体的空间形状和大小。国内诸多工程制图教材中对此概念描述为：“用一个投影图一般不能表达物体整体的大小和形状”。国外典型代表著作《Fundamentals of engineering drawing》第7版中对此概念描述为：“…… 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]。正因为如此，人们历来将由多面正投影图想象物体的空间形状看作是对空间想象能力的培养。然而，一个正投影图不能唯一地确定物体的空间形状和大小的描述是不严密的，可以通过一个正轴测投影图反求物体的形状和大小，而一个正轴测投影图就是一个单面正投影图。长期以来，虽然正轴测投影图具有良好的直观性，但由于其绘制不便，故被当作参考图形而处于从属地位，人们不得不要通过多面正投影图去想象物体的空间形状，这种强制性的思维训练，反而会阻碍人的空间思维和想象力。因为人本身是处于三维空间，看到的和触摸到的都是三维物体，头脑中存储的也是三维形象，只有将头脑中进行的三维思考用三维的形式加以表达才有利于培养空间思维能力，正轴测投影图因其有立体感，所以是将三维思考用三维形式加以表达的中间桥梁。但历史的发展并非如此，这使得人们对现状熟视无睹，习以为常，甚至极力研究如何通过几个二维视图想象物体的方法，可谓南辕北辙。

2 工程制图改革现状

2.1 基础内容改革

在工程制图基础内容改革方面，比较有代表性的是戴立玲、卢章平等的工作。他们编著的《图学基础教程》是一本体系完整、内容丰富、清晰易懂、特色鲜明的教材。主要体现在：第一，教材在体系上跳出了传统的框架[5]。全书由图与图学基础；计算机中的图形与图象；思维过程的图形化；意象性图形设计、表达与理解；空间有形物体的平面表达；空间形体的图形转换及阅读；数据与函数信息的图形化表达与应用等7章组成。每一章都可以自成体系，独立成篇。作者能通过长期研究和教学实践，以图为主线，把图学的主要基础都包含在一本书里，体现了体系的完整性。第二，教材内容丰富，但不繁杂，也不是简单罗列，而是紧紧抓住图在人类思想交流与科技发展中的作用这一核心，介绍了图的广义内涵，并从“意象类图源”、“空间有形物体”及“数据与函数”等方面作了基础性介绍，同时将计算机图形技术融入其中，使传统的图形表达方法与现代图形技术相结合，符合教学改革方向，适应现代教学需要。第三，教材内容宽泛且有高度。内容宽泛是指涉及到了各种各类图及表达方法。有高度是指分析了图在人思维中所起的作用 ，能引导读者打开思路，认清图的本质，从而达到对图的深刻理解和认识，以便更好的应用的目的。作者从日常所见所闻出发，将客观事件归纳整理，上升到理性，形成规范的表达形式，以引人入胜，而这些客观事件可能已经包含了读者的经验和技能 ，因此容易引起读者的共鸣和理解。比如将Word、Excel、Powerpoint等软件中的图形处理功能归结为思维过程图形化，使读者在自己熟悉的软件的基础上来理解思维过程图形化，把原本比较复杂的概念变得容易理解。

2.2 多门课程整合改革

在内容整合改革方面，比较有代表性的是马香峰编写的《机械设计制图》[6]。该教材为了突出工科类各专业机械工程基础知识、素质和能力的培养，以优化知识结构、加强应用性为指导从相关课程整体优化出发，将原工程制图、机械零件等课程整合为一门机械设计制图基础课，构筑了一个公共平台与综合提高相结合的新课程体系。整合后课程由一个教师从头至尾全面贯彻。从单门课程优化的初级阶段走向多门课程整合的综合阶段。根据新建的课程体系框架，在教学实践中构建了图形表达、图形思维、力学计算平台，从而形成机械设计基础的第1层次。这一层次的内容着重手工草图、仪器绘图、计算机绘图、力学计算能力的综合培养，注重形象思维方式的融合，兼顾工程意识启蒙。课程第2层次以基础知识在设计中的应用和突出工程意识为原则，以设计为线索安排课程内容。从知识的内在联系、衔接出发由设计这条主线按零件设计内容构造综合性知识单元，体现各种基础知识在该单元中的地位、作用及相互之间的联系以培养提出问题、分析问题、解决问题的能力。

2.3 精品课程建设

自2003年以来，全国已经有20多门工程制图类课程进入了国家级精品课程建设行列，它们在课程介绍、教学大纲、授课教案、教材建设、解题指导、学习方法、参考资料、授课录象、教学研究、课程网站等方面都在按照“五个一流”的目标进行建设，起到了很好的引领作用。

3 工程制图未来发展

虽然工程制图经过基础内容改革、多门课程整合改革、精品课程建设等阶段有了很大的发展，但总体来看，发展速度缓慢，缺乏系统的、可持续发展的动力，其根本原因是课程发展缺乏实验。纵观理、工类课程，凡是有实验的课程，发展快且可持续。因为，实验是认识客观的有效方法，它是通过观察、验证、试验、推理、推论、比较、选择等方法来认识客观事物。实验既需要理论指导，又能促使理论的发展。实验需要有实验条件、实验方法、实验结果，它与工程的联系更密切。下面列出的实验，有的是研究生毕业论文课题，有的是研究生课程论文研究内容，有的是本科生毕业设计课题，研究生有获得上海市优秀毕业论文，本科生每年都有优秀毕业论文产生。经过多年实践形成了实验体系，推动工程制图课程向深入发展，面向卓越工程师班开出了新的课程《实验工程制图》，编写出版立体化教材《实验工程制图》、《实验工程制图习题集》、《实验工程制图解题指导》、《实验工程制图程序包》，由化学工业出版社出版[7]。在学时不增加的条件下，大大拓展了工程制图内容的深广度。实验体系由15个模块组成：

1）计算机辅助读图实验；

2）轴测投影图反求建模实验；

3）应用拍照反求零件实验；

4）工程曲线设计实验；

5）工程曲面设计实验；

6）空间角度计算实验；

7）钣金展开实验；

8）零件图参数化实验；

9）装配图设计实验；

10）几何元素空间轨迹图形实验；

11）物理属性可视化实验；

12）零件加工动态仿真实验；

13）基于CAD的图形力学实验；

14）基于CAD的图形运动学实验；

15）零件装配动态仿真实验等。

综上所述，其结论是实验是工程图学本科教育阶段的实践基础，实验是工程图学研究生教育的必要载体，实验是工程图学应用于工程实际的有效方法，实验是有待于工程图学教师研究开发的领域，实验是工程图学可持续发展的重要途径。

[1]G蒙日著. 蒙日画法几何学[M]. 廖先庚译. 长沙: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]赵擎寰, 萨本栋编译. 画法几何学[J]. 工程图学丛刊, 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, 卢章平, 袁 浩. 图学基础教程[M]. 北京:机械工业出版社, 2008: 1-5.

[6]马香峰. 机械设计制图[M]. 北京: 高等教育出版社,1997: 1-8.

[7]林大钧. 实验工程制图[M]. 北京: 化学工业出版社,2009: 84-87.