楊道富 ，楊 鵬 ，楊鑫鑫

（1.黃河水利職業(yè)技術學院 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，數也源于圖。建設創(chuàng)新型國家、世界強國、文化大國離不開圖學教育，更需要構建由圖學、文學、數學［1］三足鼎立的科學基礎［1］，文學、數學、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，表達思想、交流意圖的理念化工具［2］；數學是研究事物數量、結構、變化以及空間模型等的量化工具［3］；圖學是表達形態(tài)、展示結構、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學是不完備的科學，在圖學、文學、數學3個基礎學科中，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)的神經末端。研究圖學教育的基礎創(chuàng)新功能，探討各類專業(yè)圖形科學的應用手段非常必要。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特征或一個概念的內涵和外延的確切而簡要的說明?！保?］沿著這個概念分析圖學科學的定義，應該從已經確定的數學和文學定義開始分析?，F(xiàn)代漢語詞典第六版1212頁對數學的定義是：“研究現(xiàn)實世界的空間形式和數量關系的學科。”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?！北M管數學定義的“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，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于“圖學”的定義。進一步推論圖學定義應該是：“研究展示宇宙空間事物形象、狀態(tài)、結構、尺度、工藝、程序、運動規(guī)律的學科?！狈治鲂碌膱D學定義，可以得出結論：“圖學支撐著數學和文學，數學和文學的起源來自圖學，圖學的地位是數學和文學無法替代的，建立以圖為關鍵路線的學科體系是必要的”。分析文學、數學、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、基礎價值?，F(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?！保?］將科學分自然科學和社會科學。現(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和現(xiàn)象的科學?！保?］現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典1732頁對自然科學的定義是 “研究自然界的物質形態(tài)、結構、性質和運動規(guī)律的科學?！保?］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?！?/p>

表1 文學、數學、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 “物質形態(tài)、結構、性質和運動規(guī)律”和社會科學定義中的“社會現(xiàn)象”都與圖學有關，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。分析結果是應該回歸科學的本源，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和社會現(xiàn)象形態(tài)的科學”。

圖學應用科學的定義應該是：“應用圖學科學的基礎理論，為解決展示生產和生活中的各項實踐問題而提供理論形態(tài)指導與技術、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，確立圖學的應有學科地位，吸引高職稱、高水平的圖學專家學者從教，設立培養(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。相關基礎科學的定義比較如表2所示。

2 分析圖學教育的相關科學概念

研究分析圖學教育的定義，就是要對圖學教育的本質特征，或圖學教育概念的內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?！?/p>

表2 相關基礎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，就應該根據“教育”的定義規(guī)范內涵更窄的主題詞——“圖學教育”。

2．3 圖學教育定義的分析研究

根據現(xiàn)代漢語詞典關于教育一詞的含義，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F(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?！保勖莠F(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該有近百年的歷史。現(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

相關基礎學科教育的定義和內容比較如表3所示。

3 圖學支撐學科門類的相關依據

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、經濟學、法學、教育學、文學、歷史學、理學、工學、農學、醫(yī)學、軍事學、管理學12大門類，每大門類下設若干一級學科。如理學門類下設數學、物理、化學等12個一級學科。在2011年8月下旬，藝術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若干個二級學科，也可以不設二級學科獨立存在。如數學下設基礎數學、計算數學等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、公安技術等，其下邊沒有設二級學科，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，指的就是可以授予博士和碩士學位的二級學科的數目。

3．3 高校圖學學科歸屬的研究

根據我國高等學?！皩W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，圖學應該成為已經存在的第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。例如工程圖學根據專業(yè)特點可以設置二級學科，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，以其先進的技術、強大的功能、高端的研究成果等，在教育中得到迅速開發(fā)和應用，是當今教育技術手段的世界性熱點，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據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來觀察計算結果的全貌及其變化?？茖W計算可視化涉及標量、矢量、張量的可視化，流場的可視化，數值模擬及計算的交互控制，海量數據的存儲、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 相關基礎學科教育的定義和內容比較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，是一門融合了多種科學技術而發(fā)展起來的計算機領域的最新技術，它被應用到軍事、醫(yī)學、教育、科研等多個領域，利用計算機生成一個關于視覺、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，產生沉浸感。VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它利用計算機模擬產生逼真的三維空間，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)的數字化建模新技術。BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎，進行建筑模型的建立。它具有可視化，協(xié)調性，模擬性，優(yōu)化性和實用性5大特點。這些建筑模型的數據在建筑信息模型中的存在是以多種數字技術為依托，從而以這個數字信息模型為各個建筑項目的基礎，去規(guī)劃、組織、進行各個相關工作。

4．4 同步建模教學手段

同步建模技術［10］是在參數化、特征化建模技術基礎上發(fā)展起來的一種新興的、非常靈活的三維建模技術。同步建模技術合并了尺寸驅動和約束驅動技術的精華，實現(xiàn)全面控制和可重復性，具有直接建模的靈活性。同步建模技術不僅可以應用于零件建模還可應用于裝配建模。同步建模是設計過程的一種改革，目的是使設計的對象與設計過程無關，設計中草圖無需尺寸，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系，用于方案設計和隨時修改缺陷。

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［11］是計算機圖形學的一個重要組成部分，它綜合利用數學、物理學、計算機科學和其他科學知識在計算機圖形設備上生成具有真實感的圖形。一般說來，用計算機在圖形設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過一定變換轉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［12］與三維CAD技術密切相關，其基本原理是圖形學的掃描線生成算法和層疊控制技術。三維快速打印制造技術的出現(xiàn)，改變了生產加工產品的方式，特別是要求工期短、質量高、特殊產品、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不能解決，而通過3D打印技術則可大大節(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。現(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學科地位。圖學、文學、數學是3個基礎學科，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)新功能和應用進展，探討各類專業(yè)圖學正確、清晰、完整、簡潔的應用表達手段非常必要［14］。如果不提高圖學教育的基礎學科地位，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）建設未來創(chuàng)新國家，圖學教育是關鍵。隨著計算機技術及數碼技術的發(fā)展，現(xiàn)代圖學產生了質的飛躍。計算機圖形學、科學計算可視化、真實感圖形技術、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、圖形圖像融合技術、先進建模及仿真技術、計算機藝術及動漫制作系統(tǒng)、材料增成制造技術（也叫3D打印技術）等在尖端科學領域已經大量應用。特別是材料增成制造技術，也叫3D打印技術，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，材料增成制造技術的數字化圖形是關鍵，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 結語

綜上所述，隨著時間的推移，相關科學技術的不斷發(fā)展和新技術的改進?？梢灶A料，現(xiàn)代圖學教育和技術裝備必將臻于完善，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、工程設計、藝術動漫、生產實踐等各個領域之中，圖學成為人類征服自然、探索未來、建設創(chuàng)新國家和世界強國的核心技術和關鍵途徑。圖學教育事業(yè)理應或必將呈現(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.國際技術交流中圖紙快速翻譯研究［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2004（1）:34-36.