劉青科, 舒 恬
(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000; 2. 機(jī)械工業(yè)出版社高等教育分社,北京 100037)
工程圖學(xué)課程是理工科院校的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程,旨在研究人與投影圖對(duì)話的規(guī)律和方法,培養(yǎng)用工程圖樣進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和交流的基本能力。此外,進(jìn)行空間思維能力訓(xùn)練,進(jìn)一步培養(yǎng)工程素質(zhì),也是該課程的重要任務(wù)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),圖學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系和教學(xué)方法都發(fā)生了較大變化[1]。首先是課程的基礎(chǔ)內(nèi)容向工程應(yīng)用方向發(fā)展,增加了較多計(jì)算機(jī)繪圖的內(nèi)容和方法。點(diǎn)線面的投影內(nèi)容在逐步消減,在形體及其投影部分,增加了少量形體造型設(shè)計(jì)的內(nèi)容。裝配圖部分,將部件裝配過(guò)程與繪圖過(guò)程結(jié)合得更為靈活和自然,使零部件的設(shè)計(jì)更符合設(shè)計(jì)和繪圖的要求[2]。
圖學(xué)課程中,圖學(xué)思維和表達(dá)是構(gòu)成圖學(xué)的基本成分?,F(xiàn)行各版本制圖教材,展現(xiàn)了一些不同特色,除了對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)容的取舍和題例選擇有所不同以外,更多特色表現(xiàn)在內(nèi)容的編排上,且充分考慮到了易學(xué)、易于掌握等方面[3]。習(xí)題集對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)制圖很重要,雖然在形式上不同于主教材,但筆者認(rèn)為,有時(shí)它比主教材所起的作用還要顯著。文獻(xiàn)[4]、[5]突出、強(qiáng)化了形體投影部分是很不錯(cuò)的。在教材中,投影基礎(chǔ)部分新的內(nèi)容、理論、方法增添較少。這正如很多基礎(chǔ)課程內(nèi)容變化較少(例如30 年前大學(xué)數(shù)學(xué)的微積分,今天仍在講),且比專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容的改變遲緩得多。基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步,對(duì)人類(lèi)自身的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起著較大影響力和推動(dòng)作用。
用工程圖樣表達(dá)設(shè)計(jì)意圖和交流技術(shù)思想的能力,是現(xiàn)代工程師、科技工作者的基本素質(zhì)之一。因此,培養(yǎng)理工科院校學(xué)生運(yùn)用工程圖學(xué)的原理、方法和制圖技能進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、交流的初步能力是工程教育的一項(xiàng)基礎(chǔ)性任務(wù)。圖學(xué)的基本原理、思維方法、表達(dá)方法、制圖技術(shù)和要求,空間思維能力等等,將對(duì)工科學(xué)生的未來(lái)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。工程圖學(xué)側(cè)重于形體表達(dá),一般教學(xué)中只給出基本方法,這些方法在諸教材中顯得千篇一律(如講形體分析和線面分析,主視圖的選擇原則等方面),而缺少生動(dòng)的、形式多樣的對(duì)各種規(guī)律和方法的探尋。形體投影的理論和方法尚有不夠完善的地方,里面有些內(nèi)容未能表達(dá)清楚;在形體表達(dá)方面,也尚存沒(méi)能更好言傳的部分。教材對(duì)形體投影理解能力、形體和零件表達(dá)能力的培養(yǎng)方面尚有待提高[6-7]。
全書(shū)分為兩篇:上篇為投影基礎(chǔ)基本學(xué)練,其中包括點(diǎn)、線、面的投影,投影變換,立體投影,組合體,機(jī)件表達(dá)方法等;下篇為形體投影和機(jī)件表達(dá)的探索與創(chuàng)新,其中包括投影造型、立體表面的相交結(jié)構(gòu)、多義投影、形體及投影結(jié)構(gòu)、組合體引申、視圖轉(zhuǎn)換和機(jī)件表達(dá)方案等。本書(shū)深入研究了人圖對(duì)話規(guī)律[6],使內(nèi)容具有創(chuàng)新性并且豐富多彩。
《工程圖學(xué)基礎(chǔ)與提高》的特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下:
全書(shū)以圖載字,充分發(fā)揮圖的核心作用。有些地方的文字為圖作點(diǎn)睛之筆,圖的可讀性較強(qiáng)。也有少數(shù)地方的圖為理解文字而設(shè),說(shuō)明原理和概念。但文字表述的理論與方法最終要回歸到指導(dǎo)圖的理解和應(yīng)用。本書(shū)寫(xiě)作難度較大,但易于學(xué)生閱讀吸收。全書(shū)以習(xí)題集形式編排,但不同于普通的習(xí)題集、習(xí)題解答,也不同于一般的教材和教學(xué)參考書(shū),而擇取了這些不同類(lèi)型書(shū)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)添加了較多學(xué)術(shù)成果和新內(nèi)容。全書(shū)以看圖、文為主,做題為輔,以少量的文字,形象具體地說(shuō)明更多圖的特質(zhì),便于高效、快速掌握這些內(nèi)容。工科學(xué)生可采用與制圖課程同步的方式學(xué)習(xí)本書(shū),在完成老師所留作業(yè)基礎(chǔ)上,對(duì)此書(shū)中基本學(xué)練部分的內(nèi)容采取看三練一的做法進(jìn)行學(xué)習(xí),會(huì)大大增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。時(shí)間緊張時(shí),僅同步閱讀本書(shū)相關(guān)內(nèi)容也會(huì)產(chǎn)生較好的效果。此外,本書(shū)還具有輔導(dǎo)答疑之作用。因此說(shuō),此書(shū)會(huì)有力地推動(dòng)投影基礎(chǔ)教學(xué)的開(kāi)展,提高投影基礎(chǔ)教育質(zhì)量。對(duì)于正在學(xué)習(xí)制圖課程的同學(xué)們,本書(shū)有利于掌握各知識(shí)點(diǎn),并引發(fā)思考;對(duì)于大學(xué)高年級(jí),學(xué)過(guò)制圖的學(xué)生,本書(shū)有利于領(lǐng)會(huì)投影基礎(chǔ)的經(jīng)典,更利于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中用圖表達(dá)零部件。對(duì)于學(xué)過(guò)制圖的人來(lái)說(shuō)可采用跳讀方法,重點(diǎn)閱讀本書(shū)下篇,領(lǐng)會(huì)其中新觀點(diǎn)和新方法。本著作有多處閃光點(diǎn),有些閃光點(diǎn),讀者可進(jìn)行發(fā)揮和潑墨,有些頁(yè)碼和圖文,若用文字展開(kāi)表述就是一篇文章,故留給讀者想象發(fā)揮。相信讀者至少在領(lǐng)會(huì)一兩個(gè)閃光點(diǎn)時(shí),會(huì)獲得形體表達(dá)或閱讀的一種新境界、新感受,進(jìn)一步提高投影基礎(chǔ)水平。
本書(shū)對(duì)理論及方法的創(chuàng)新和超越性內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:
1) 多義投影問(wèn)題。多義投影暴露了投影的局限或缺陷,過(guò)去有之,但對(duì)此有較多專(zhuān)門(mén)研究和舉例的不多見(jiàn)[8-9]。本書(shū)提出了巴倫線、巴倫圖、巴倫解、矩形根圖、U 字形迷形線等新概念以及給出諸多多解實(shí)例,給人們帶來(lái)有益的啟示,開(kāi)拓思路,開(kāi)闊眼界,增強(qiáng)了讀圖能力和投影表達(dá)能力,也為解決投影表達(dá)空間的唯一性指明了改進(jìn)方法。
2) 提出了立體相貫線結(jié)構(gòu)、軸線正交兩圓柱相貫線載體構(gòu)造等,為學(xué)習(xí)和研究工程制圖人員開(kāi)拓思路發(fā)現(xiàn)規(guī)律,為工程圖學(xué)教師把控考試命題范圍和命題形式提供了幫助。
3) 提出了形體結(jié)構(gòu)的一些新概念。主要包括形體結(jié)構(gòu)、體架、體形、面形、體素、分離共面結(jié)構(gòu)、分離共體結(jié)構(gòu)。本書(shū)還提出了柱林、柱集的新概念,進(jìn)而在機(jī)件表達(dá)方面,提出了典型零件的新劃分。
4) 在投影表達(dá)方面,提出較多的創(chuàng)新思維和方法。提出體疊投影、體展投影的新概念,并將其應(yīng)用于形體表達(dá)方法和視圖選擇。根據(jù)形體結(jié)構(gòu)概念,提出了整體投影網(wǎng)結(jié)構(gòu)和層結(jié)構(gòu),提出單體投影線點(diǎn)投影結(jié)構(gòu),并以此給出組合體的分析實(shí)例,給出視圖選擇中應(yīng)用方法和規(guī)則,這些規(guī)則結(jié)合上述多義投影(巴倫圖、矩形根圖、U 字形迷形線等)的規(guī)律性內(nèi)容,將對(duì)視圖選擇提供強(qiáng)有力的思維方法和工具。提出了視圖選擇更為具體的新原則,提出了形狀特征原則的具體內(nèi)容,這樣使讀者感到更充實(shí)。指出視圖選擇中面形特征掩蓋的體形特征問(wèn)題。提出了形體投影表達(dá)理論原則和應(yīng)用原則的具體要求,并指出,在學(xué)習(xí)工程制圖階段,首先應(yīng)重視視圖表達(dá)的理論原則,而在實(shí)踐中應(yīng)逐步體會(huì)其應(yīng)用原則。此外,還給出了滿足視圖選擇的理論原則和應(yīng)用原則的一些例子。
5) 探討了視圖轉(zhuǎn)換規(guī)律。提出了一些新概念(廣義三視圖、特征五基圖、模型正則體、角形三連圖、線形三連圖、兩連圖),指明投影的三大特征:投影的方向特征,投影的位置特征和投影的形狀特征。
6) 指出空間與投影關(guān)系的三大方面:空間特征,投影特征,(物與圖)轉(zhuǎn)化規(guī)律。
7) 給出14 種機(jī)件表達(dá)方案選擇實(shí)例,其中每一種機(jī)件均給出大量表達(dá)方案,并進(jìn)行點(diǎn)評(píng),這些內(nèi)容對(duì)提高讀者機(jī)件表達(dá)能力有較多幫助。
因《工程圖學(xué)基礎(chǔ)與提高》全書(shū)約50 萬(wàn)字(含圖),上述內(nèi)容和觀點(diǎn)對(duì)全書(shū)來(lái)說(shuō),算是提綱挈領(lǐng),或一鱗半爪。有許多新內(nèi)容、新概念、新理論、新方法難以表達(dá)清楚。下面僅舉幾例,以便使讀者窺一豹而見(jiàn)全身。
如圖1 所示,兩投影圖(按平面體考慮),圖1(a)側(cè)面投影有175 解;圖1(b)側(cè)面投影有1818 解。
圖1 多義投影問(wèn)題
1) 棱面臺(tái)的定義:如果平面立體的所有頂點(diǎn)均分布在甲、乙兩個(gè)平面上,這樣的平面立體稱為棱面臺(tái),甲、乙兩平面上的棱面均稱為棱面臺(tái)底面,其余棱面稱為棱面臺(tái)側(cè)棱面。當(dāng)棱面臺(tái)的兩底面平行時(shí),此棱面臺(tái)稱為平棱面臺(tái),否則稱為斜棱面臺(tái)。將不屬于棱面臺(tái)的平面立體稱為非棱面臺(tái)。
2) 平面立體有兩大類(lèi):棱面臺(tái)和非棱面臺(tái)。棱柱(長(zhǎng)方體、正方體均是棱柱的特例)、棱錐、棱臺(tái)均是特殊的棱面臺(tái)。
如圖2 所示,給出3 個(gè)不同的棱面臺(tái):
圖2 棱面臺(tái)
1) 柱的定義:平面圖形沿平面圖形以外的方向作定向平移,該平面圖形掃過(guò)的空間稱為柱。例如有棱柱、圓柱、直曲柱等。
2) 柱林、柱集的定義:由柱與柱的同向組合得到的形體稱為柱林。由柱與柱的非同向組合得到的形體稱為柱集。
3) 形體投影結(jié)構(gòu)的定義及說(shuō)明:形體投影結(jié)構(gòu)是形體結(jié)構(gòu)投影表達(dá)的規(guī)律性表述。形體投影結(jié)構(gòu)有整體投影結(jié)構(gòu)和單體投影結(jié)構(gòu)之分。整體投影結(jié)構(gòu)有網(wǎng)結(jié)構(gòu)和層結(jié)構(gòu)兩種。網(wǎng)結(jié)構(gòu)是形體各部軸線的線投影表達(dá),它表明軸線間的投影角度。層結(jié)構(gòu)是各軸線在與網(wǎng)結(jié)構(gòu)所在投影面的相鄰?fù)队懊嫔系耐队敖Y(jié)構(gòu),它表達(dá)了各軸線的層面。單體投影結(jié)構(gòu)是單一基本形體或組合體上面分離出的單一基本形體的投影結(jié)構(gòu)。反映形成柱體的平面圖形形狀特征的投影稱為點(diǎn)投影結(jié)構(gòu),反映平面圖形定向移動(dòng)距離的投影稱為線投影結(jié)構(gòu)。線結(jié)構(gòu)和點(diǎn)結(jié)構(gòu)的兩投影稱為線點(diǎn)投影結(jié)構(gòu);網(wǎng)結(jié)構(gòu)和層結(jié)構(gòu)的兩投影稱為網(wǎng)層結(jié)構(gòu)。
4) 形體表達(dá)的重要概括(形體表達(dá)的合理投影結(jié)構(gòu)):線點(diǎn)投影結(jié)構(gòu)是單體的合理兩投影結(jié)構(gòu);組合體的各組成部分均是線點(diǎn)投影結(jié)構(gòu)時(shí),則該組合體各部分的表達(dá)是合理的;兩視圖表達(dá)組合體時(shí),觀察、考慮各部分的投影結(jié)構(gòu)尤為重要,組合體合理的投影結(jié)構(gòu)應(yīng)包含網(wǎng)結(jié)構(gòu)和層結(jié)構(gòu)。
立體是由表面圍成的內(nèi)部連通的封閉空間。形體是體素(構(gòu)成形體的體、面、線、點(diǎn))及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的統(tǒng)一,形體投影是體素投影與關(guān)聯(lián)關(guān)系投影的統(tǒng)一。幾何形體的圖示實(shí)質(zhì)是表達(dá)形體的結(jié)構(gòu)形狀。
讀圖的最高境界是實(shí)現(xiàn)對(duì)形體結(jié)構(gòu)和形狀認(rèn)識(shí)的統(tǒng)一。形體的結(jié)構(gòu)和形狀共生相伴,相輔相成。結(jié)構(gòu)是形體的組成單元及其連接狀況,結(jié)構(gòu)體現(xiàn)形體的基本構(gòu)成和各部分的空間關(guān)系,是形體的骨架和支承,是人腦對(duì)視覺(jué)感覺(jué)之物進(jìn)一步提煉的幾何架構(gòu)關(guān)系。面是體的元素和邊界,是形體的外在直觀表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)表現(xiàn)面的走向和趨勢(shì),面能間接表達(dá)或可推知部分結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)與表面是骨與肉的關(guān)系。形狀是結(jié)構(gòu)的外衣,是視覺(jué)最直接的形象感知。依附于結(jié)構(gòu)的形,才是所謂的立體形狀。對(duì)于形體表面的平曲、凸凹,如果不去思考是什么樣、什么性質(zhì)、怎樣形成的平與曲,凸與凹,只能稱為對(duì)形的認(rèn)識(shí),而不能稱為對(duì)立體表面形狀的認(rèn)識(shí)。讀圖思維活動(dòng)也只有達(dá)到結(jié)構(gòu)與形狀二者的統(tǒng)一,才是完全意義上的讀圖。亦正因如此,在形體表達(dá)方面,首先要抓住結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其次考慮形狀,使表達(dá)由骨到肉,層次分明。從而實(shí)現(xiàn)形體表達(dá)的完美境界。
表達(dá)形體的原則有兩條:
1) 簡(jiǎn)約、唯一原則(形體表達(dá)的理論原則,簡(jiǎn)稱理論原則)。即用最少的投影數(shù)量,最簡(jiǎn)潔的投影,唯一確定形體的結(jié)構(gòu)形狀。此原則對(duì)投影的要求是:已給形體投影表達(dá)中,去掉任何一個(gè)投影,任何投影的一部分,或減少某些投影圖線,形體表達(dá)的唯一性便不能實(shí)現(xiàn)。
2) 簡(jiǎn)明易讀原則(形體表達(dá)的應(yīng)用原則,簡(jiǎn)稱應(yīng)用原則)。即投影圖形在尺寸標(biāo)注,文字或代號(hào)說(shuō)明條件下,能唯一確定形體的結(jié)構(gòu)形狀,且方便看圖,制圖簡(jiǎn)便。
下面的條件符合形體表達(dá)的應(yīng)用原則:在唯一表達(dá)形體前提下,當(dāng)增加或減少某投影,增大或減少某些投影圖形的范圍、增加或減少某些投影圖線后,會(huì)使表達(dá)更簡(jiǎn)明、易讀。理論原則具有較強(qiáng)的確定性,而應(yīng)用原則確定性減弱一些,靈活性增加一些。理論上求簡(jiǎn)約,應(yīng)用中求簡(jiǎn)明,知簡(jiǎn)約方能求簡(jiǎn)明。因此,學(xué)習(xí)階段應(yīng)強(qiáng)調(diào)和重視形體表達(dá)的理論原則。
一個(gè)機(jī)件在表達(dá)方面可有多種表達(dá)方案,而在多種方案中精選出最優(yōu)表達(dá)方案,是機(jī)件表達(dá)完美境界的追求。在選擇方案時(shí)應(yīng)考慮理論原則與應(yīng)用原則的獨(dú)立性和統(tǒng)一性,固有不確定因素在里面,而且往往表達(dá)方案不存在絕對(duì)的好與差。《工程圖學(xué)基礎(chǔ)與提高》中給出的一些方案選擇實(shí)例及其說(shuō)明,僅代表一家之言,不代表全部正確。
零件結(jié)構(gòu)可分為單向平行結(jié)構(gòu)和多向結(jié)構(gòu)。為此將零件分為軸套類(lèi)零件(共線結(jié)構(gòu))、盤(pán)蓋類(lèi)零件(單向平行結(jié)構(gòu))和散聚類(lèi)零件(多向結(jié)構(gòu))三種[6]。按以前分類(lèi)的叉架類(lèi)零件和箱體類(lèi)零件,在新的分類(lèi)中屬于散聚類(lèi)零件。將零件分為三大類(lèi)的合理性在于零件視圖表達(dá)考慮了其結(jié)構(gòu)形狀、加工位置和工作位置。從表達(dá)結(jié)構(gòu)形狀角度看,前者屬于視圖表達(dá)的本質(zhì)屬性,而后者為附屬非本質(zhì)屬性。另一方面,由于叉架類(lèi)零件常常以盤(pán)蓋類(lèi)零件或軸套類(lèi)零件再加連接結(jié)構(gòu)所構(gòu)成,因此叉架零件實(shí)際并不獨(dú)立。散聚類(lèi)零件將叉架零件和箱體類(lèi)零件合并的合理性在于:從幾何結(jié)構(gòu)看,叉架類(lèi)零件和箱體類(lèi)零件的共性在于它們同屬多體多向相交結(jié)構(gòu)。其差異是一個(gè)為散連,另一個(gè)為聚連。
投影基礎(chǔ)是制圖教學(xué)的核心內(nèi)容之一。作者在本書(shū)中,對(duì)于投影基礎(chǔ)方面的創(chuàng)新性工作概括起來(lái)有以下幾點(diǎn):
1) 設(shè)計(jì)自學(xué)與啟發(fā)相結(jié)合的內(nèi)容與版面,以提高學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思想引路,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高。
2) 設(shè)計(jì)以圖為中心,形象思維為靈魂的題設(shè),并配以點(diǎn)睛文字。
3) 精析形體投影,全面深入研究形體投影規(guī)律,構(gòu)建人圖對(duì)話的新內(nèi)容、新理論、新思路、新方法。該內(nèi)容具有雕刻形體及其表達(dá)方法的科學(xué)和藝術(shù)手法,增加了形體設(shè)計(jì)與投影表達(dá)的魅力。
4) 增加形體設(shè)計(jì)的新內(nèi)容,并逐步構(gòu)建設(shè)計(jì)制圖學(xué)。
5) 探討了視圖轉(zhuǎn)換規(guī)律,搭建了方便的視圖轉(zhuǎn)換的橋梁。
6) 演繹機(jī)件表達(dá),其方案之多前所未見(jiàn),并分析、品評(píng)表達(dá)方案,這些均可引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并逐步提高機(jī)件靈活、真切的表達(dá)能力。
展望:在制圖教學(xué)中加進(jìn)形體設(shè)計(jì),加強(qiáng)形體表達(dá)的引路與指導(dǎo),不僅會(huì)提高學(xué)生對(duì)形體和機(jī)件的識(shí)讀水平和表達(dá)能力,也必將提高他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平。
尚需探討和解決的問(wèn)題:(1)繼續(xù)深入探討、揭示形體與投影的思維轉(zhuǎn)換規(guī)律和方法;(2)形體的設(shè)計(jì)思路;(3)形體及機(jī)件的理想表達(dá)。
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