基于图学教育的学科分类研究

杨道富 ，杨 鹏 ，杨鑫鑫

（1.黄河水利职业技术学院 国际工程项目管理研究中心，河南 开封 475004；2.武汉大学，湖北 武汉 430072；3.黄河水利委员会 河南河务局，河南 郑州 450003；4.中国葛洲坝集团公司 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

图乃源于万物之形，图与宇宙同生并存。文字源于图，数也源于图。建设创新型国家、世界强国、文化大国离不开图学教育，更需要构建由图学、文学、数学［1］三足鼎立的科学基础［1］，文学、数学、图学三者的学科功能分别为：文学是形象化地反映客观现实的艺术，表达思想、交流意图的理念化工具［2］；数学是研究事物数量、结构、变化以及空间模型等的量化工具［3］；图学是表达形态、展示结构、核定尺度、推理计算的形象化和量化的工具。由此看来，缺失图学的文学和数学是不完备的科学，在图学、文学、数学3个基础学科中，图学是文化的起源。生命不息，图学教育不止，图学教育应该不断改革创新和发展，图学描述、记载、储存信息的途径、方法、手段的演变，使图学如核裂变一样迅速扩展到各类学科专业，辐射到每一个学科系统的神经末端。研究图学教育的基础创新功能，探讨各类专业图形科学的应用手段非常必要。所以，要让图学教育真正承担起认识世界、传承文明、创新理论、咨政育人、服务社会的神圣职责，确立图学一级学科地位，具有重要意义。

1 图学的定义及学科地位

1．1 研究回归图学科学的定义

定义的概念在现代汉语词典第六版（简称现汉6版）308页中的解释是：“对于一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延的确切而简要的说明。”［1］沿着这个概念分析图学科学的定义，应该从已经确定的数学和文学定义开始分析。现代汉语词典第六版1212页对数学的定义是：“研究现实世界的空间形式和数量关系的学科。”现代汉语词典第六版1364页对文学的定义是：“以语言文字为工具形象化地反映客观现实的艺术。”尽管数学定义的“现实世界的空间形式”和文学定义的“形象化地反映客观现实”都与图和形有关，都起源于图而没有图形直观，但现代汉语词典和百度百科并没有列入关于“图学”的定义。进一步推论图学定义应该是：“研究展示宇宙空间事物形象、状态、结构、尺度、工艺、程序、运动规律的学科。”分析新的图学定义，可以得出结论：“图学支撑着数学和文学，数学和文学的起源来自图学，图学的地位是数学和文学无法替代的，建立以图为关键路线的学科体系是必要的”。分析文学、数学、图学的学科定义和功能频率，如表1所示。

1．2 建议确立图学一级学科地位

通过以上比较分析，图学是科学的中流砥柱，具有核心、基础价值。现代汉语词典第六版734页对科学的定义是：“反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系。”［1］将科学分自然科学和社会科学。现代汉语词典第六版1727页对自然科学的定义是“研究自然界各种物质和现象的科学。”［1］现代汉语规范词典1732页对自然科学的定义是 “研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。”［4］现代汉语词典第六版1148页和现代汉语规范词典1152页对社会科学的定义都是“研究各种社会现象的科学。”

表1 文学、数学、图学的学科定义和功能比较Table 1 Subject definition and function comparison of Literature,Mathematics and Graphics

由此证明，不仅自然科学定义中的 “物质形态、结构、性质和运动规律”和社会科学定义中的“社会现象”都与图学有关，而且科学定义中的“自然、社会、思维等的客观规律”也离不开图学。分析结果是应该回归科学的本源，推理图学科学比较理想的定义是：“研究展示自然界各种物质和社会现象形态的科学”。

图学应用科学的定义应该是：“应用图学科学的基础理论，为解决展示生产和生活中的各项实践问题而提供理论形态指导与技术、实践说明的图学学科”。图学几乎支撑着所有的学科，要打通图学发展的瓶颈，确立图学的应有学科地位，吸引高职称、高水平的图学专家学者从教，设立培养图学硕士、博士的学位授予点，补充社会急需高层次图学人才的缺口。相关基础科学的定义比较如表2所示。

2 分析图学教育的相关科学概念

研究分析图学教育的定义，就是要对图学教育的本质特征，或图学教育概念的内涵和外延做出确切而简要的说明。

2．1 教育定义的分析

现代汉语词典第六版656页对教育的定义是：“①［名］按一定要求培养人的工作，主要指学校培养人的工作；②［动］按一定要求培养；③［动］用道理说服人使照着（规则、指示或要求等）做。”

表2 相关基础科学的定义和功能比较Table 2 Related basic science definition and function comparison

现代汉语规范词典662页对教育的定义是：“①［名］指以影响人的身心发展为直接目的的社会活动，主要指学校对学生进行培养的过程；②［动］教导教育，启发、使明白道理。相比之下，通过调查，现代汉语词典第六版656页对教育的定义具有广泛性。

2．2 教育和图学教育词性的分析

教育属于上位词，上位词是指概念上外延更广的主题词。上位词是相对某主题词的，也有它自己的等同词、上位词、下位词、同类词。例如：“花”是“鲜花”的上位词，“植物”是“花、蔬菜”的上位词。图学教育属于下位词，下位词是指概念上内涵更窄的主题词。下位词也是相对某主题词的，也有它自己的等同词、上位词、下位词、同类词。例如：“鲜花”是“花”的下位词，“花、蔬菜”是“植物”的下位词。“图学教育”属于“教育”的下位词，所以，就应该根据“教育”的定义规范内涵更窄的主题词——“图学教育”。

2．3 图学教育定义的分析研究

根据现代汉语词典关于教育一词的含义，得出第一种图学教育的定义是：“①［名］按图学要求培养人的工作，主要指学校培养人的工作；②［动］按图学要求培养；③［动］用图学理论说服人使其照着（图学规则、图学标准或图学要求等）做。”根据现代汉语规范词典教育一词的含义，得出第二种图学教育的定义是：“①［名］指以图学影响人的身心发展为直接目的的社会活动，主要指学校对学生进行图学培养教育的过程；②［动］图学教导教育，图学启发、使明白图学道理”。通过综合分析，选择第一种图学教育的定义比较科学。

2．4 现代图学教育定义的分析研究

现代汉语词典第六版1415页对现代的定义是：“［名］现在这个时代。”［名］现代汉语规范词典1414页对现代的定义是：“现今这个时代。”在我国历史分期上特指公元1919年五四运动到现今这个时期。

根据历史对现代的时段划分［5］，现代图学教育的定义是：“公元1919年到当今这个时代的图学教育”。现代图学教育理论和成就的研究应该有近百年的历史。现代图学教育是教育、图学教育的下位词。

2．5 图学教育与其他学科的教育比较

相关基础学科教育的定义和内容比较如表3所示。

3 图学支撑学科门类的相关依据

3．1 高校学科层次分析

我国高等学校本科教育专业按3个层次设置,分别为：“学科门类”、“学科大类（一级学科）”、“专业（二级学科）”。

按照国家1997年颁布《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》［6］，将学科分为哲学、经济学、法学、教育学、文学、历史学、理学、工学、农学、医学、军事学、管理学12大门类，每大门类下设若干一级学科。如理学门类下设数学、物理、化学等12个一级学科。在2011年8月下旬，艺术学首次从文学门类中独立出来，单列为一个学科门类，考研学科门类将从原先的12个增加到13个。图学在建设创新型国家中具有更重要的作用，希望国家学位委员会支持，也尽快独立出来，成为一个学科门类并具有相应的一级学科和二级学科。

3．2 高校学科等级分类分析

高等院校首先确定学科门类，然后进行学科等级分类。一级学科是学科大类，二级学科是其下的学科小类或称为专业。一级学科下可以再下设若干个二级学科，也可以不设二级学科独立存在。如数学下设基础数学、计算数学等5个二级学科。而工学中的光学工程、冶金工程、生物医学、工程、城乡规划学、风景园林学、软件工程、生物工程、安全科学与工程、公安技术等，其下边没有设二级学科，属于独立的一级学科。博士、硕士学位就授至二级学科，一般意义上的博、硕士点数，指的就是可以授予博士和硕士学位的二级学科的数目。

3．3 高校图学学科归属的研究

根据我国高等学校“学科门类”、“学科大类（一级学科）”、“专业 （二级学科）”3个层次来分析，图学应该成为已经存在的第13个“学科门类”后的第14个［6］。 研究学科的归属建议如下：“学科门类”定义为图学；图学的学科大类（一级学科）可以初步分为几何图学、数字图学、形态图学、工程图学、创意图学等。例如工程图学根据专业特点可以设置二级学科，机械工程图学、土建工程图学、电器工程图学、水利水电工程图学等”。图学学科分类建议如表4所示。

4 图学教育学科的手段和发展趋势

现代图学教育和技术，以其先进的技术、强大的功能、高端的研究成果等，在教育中得到迅速开发和应用，是当今教育技术手段的世界性热点，将带来教育教学的重大变革。

4．1 科学计算可视化教学手段

科学计算可视化 （Visualization in Scientific Computing）［7］是对科学计算取得的数据进行可视化加工或三维图形显示，并可通过交互地改变参数来观察计算结果的全貌及其变化。科学计算可视化涉及标量、矢量、张量的可视化，流场的可视化，数值模拟及计算的交互控制，海量数据的存储、处理及传输，图形及图像处理的向量及并行算法等，现已广泛用于现代化教学中。

表3 相关基础学科教育的定义和内容比较Table 3 Related basic subject education definition and content comparison

4．2 虚拟现实教学手段

虚拟现实（Virtual Reality［8］，简称 VR）也称灵境技术，是一门融合了多种科学技术而发展起来的计算机领域的最新技术，它被应用到军事、医学、教育、科研等多个领域，利用计算机生成一个关于视觉、听觉、触觉等感官的三维空间的虚拟世界，让参与者身临其境一般，产生沉浸感。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它利用计算机模拟产生逼真的三维空间，以人们习惯的能力和方法，对这个虚拟世界进行客观的观察、体验、控制甚至分析，让使用者通过感应装置，自然地参与到虚拟环境中，进行逼真体验，与之交互。

4．3 建筑模型（BIM）教学手段

建筑信息模型（Building Information Modeling，简化为BIM）［9］是近年来在建筑业出现的数字化建模新技术。BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础，进行建筑模型的建立。它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和实用性5大特点。这些建筑模型的数据在建筑信息模型中的存在是以多种数字技术为依托，从而以这个数字信息模型为各个建筑项目的基础，去规划、组织、进行各个相关工作。

4．4 同步建模教学手段

同步建模技术［10］是在参数化、特征化建模技术基础上发展起来的一种新兴的、非常灵活的三维建模技术。同步建模技术合并了尺寸驱动和约束驱动技术的精华，实现全面控制和可重复性，具有直接建模的灵活性。同步建模技术不仅可以应用于零件建模还可应用于装配建模。同步建模是设计过程的一种改革，目的是使设计的对象与设计过程无关，设计中草图无需尺寸，可在模型中直接标注，模型中的面、几何体可以随时更改，并保证他们之间的几何关系，用于方案设计和随时修改缺陷。

4．5 裸眼三维图形教学手段

裸眼三维图形给人以真实感的图形显示。真实感图形显示技术［11］是计算机图形学的一个重要组成部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其他科学知识在计算机图形设备上生成具有真实感的图形。一般说来，用计算机在图形设备上生成真实感图形必须完成以下4个步骤：一是建模；二是将三维几何模型经过一定变换转为二维平面透视投影图；三是确定场景中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去；四是计算场景中可见面的颜色，从而确定投影画面上每一像素的颜色，最终生成图形，用于各类教学。

4．6 制造业3D打印教学手段

制造业的3D打印技术［12］与三维CAD技术密切相关，其基本原理是图形学的扫描线生成算法和层叠控制技术。三维快速打印制造技术的出现，改变了生产加工产品的方式，特别是要求工期短、质量高、特殊产品、需求量少的高精度配件通过3D打印制造，将提高市场的竞争力和战争快速反应的需求。例如：科学实验和运载火箭上的某些零部件，需求紧急，量少精度高，用传统的模具制造方法生产不能解决，而通过3D打印技术则可大大节约成本，提高速度。

表4 高校图学学科归属分类的研究Table 4 Research of Graphics subject category of universities and colleges

5 图学教育的发展趋势

现代图学教育的地位要提高，对图学学科体系进行系统的、科学的分类，进行专业模块教学［13］，以便适应社会的科学创新和发展。

（1）图学教育是铸造世界文化灵魂的教育。历史证明世界文化是以图为灵魂的精髓传承。图学教育伴随着人类文明的过去、现在和未来，生命不息，图学教育不止。图学的功能是表达事物变化规律、记录社会发展信息、展示科技创新成果。现在和将来都在持续不断地记录着人类社会文明发展的轨迹。

（2）继续提高图学教育的基础学科地位。图学、文学、数学是3个基础学科，确立图学的3个级别学科地位是图学教育的根，根深方可叶茂。研究现代图学教育的创新功能和应用进展，探讨各类专业图学正确、清晰、完整、简洁的应用表达手段非常必要［14］。如果不提高图学教育的基础学科地位，那么要培养具有硕士、博士学历的高端的图学人才将会更加困难。

（3）建立以图学为核心的创新教育体系。图学教育的地位不可磨灭和取代，要消除传统小图学、是工具、为专业服务的错误观点。建立以图学为核心的创新平台，象装配图体系一样囊括项目化需要的学科专业。解决“书不尽言，言不尽意，然则圣人之意其不可见乎？子曰：圣人立象以尽意”［15］问题。大图学不仅用来表达正常视觉的物体形态，而且用来表达某种宏观、微观、抽象的形象（观念、意象）。志在“一图胜千言”。

（4）建设未来创新国家，图学教育是关键。随着计算机技术及数码技术的发展，现代图学产生了质的飞跃。计算机图形学、科学计算可视化、真实感图形技术、虚拟现实系统、地理信息系统、图形图像融合技术、先进建模及仿真技术、计算机艺术及动漫制作系统、材料增成制造技术（也叫3D打印技术）等在尖端科学领域已经大量应用。特别是材料增成制造技术，也叫3D打印技术，可以快速打印机械零件、武器装备、人体器官等，从传统的去除材制造到增加材料制造方法，将是制造业的一次快速、高效、环保、节能的绿色革命，材料增成制造技术的数字化图形是关键，要想吸引更多高水平的人参与研究，重要的途径是必须确立和提高图学学科地位级别。随着国际科技文化的交流，还要提高图学的快速翻译水平［16］。

6 结语

综上所述，随着时间的推移，相关科学技术的不断发展和新技术的改进。可以预料，现代图学教育和技术装备必将臻于完善，图学教育随着社会的发展而不断发展。大图学的研究成果被广泛地运用到科学研究、航海航天、军事装备、工程设计、艺术动漫、生产实践等各个领域之中，图学成为人类征服自然、探索未来、建设创新国家和世界强国的核心技术和关键途径。图学教育事业理应或必将呈现出蓬勃的生机。

［1］中国社会科学院语言研究所词典编辑室.现代汉语词典第六版［M］.北京:商务印书馆，2012.

［2］ 合作编辑者. 百度百科: 文学［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／8732.htm.

［3］ 合作编辑者. 百度百科: 文学［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／1284.htm.

［4］李行健.现代汉语规范词典 ［M］.北京:外语教学与研究出版社；语文出版社，2004.

［5］ 合作编辑者. 百度百科: 现代［EB／OL］. ［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／35310.htm.

［6］合作编辑者.百度百科:授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、 专业目录 ［EB／OL］.［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com ／view ／2470727.htm.

［7］合作编辑者.百度百科:科学计算可视化［EB／OL］.［2013-11-8］.http: ／／baike.baidu.com／view／920778.htm

［8］ 合作编辑者. 百度百科:虚拟现实［EB／OL］. ［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／7299.htm.

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

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

［11］ 合作编辑者.百度百科:裸眼 3D图片 ［EB／OL］.［2013-11-8］.http:／／baike.baidu.com／view／10376732.htm

［12］ 合作编辑者.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］杨道富.图学智能高职教学模块体系研究［J］.黄河水利职业技术学院学报，2002（1）:53-55.

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

［16］杨道富.国际技术交流中图纸快速翻译研究［J］.黄河水利职业技术学院学报，2004（1）:34-36.