CC BY
30УДК 37.02:378
ЛИТВИНОВА Н.Б. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИНЖЕНЕРНО-ГРАФИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА
Ключевые слова: развитие методов графических изображений, начертательная геометрия, ортогональное проецирование, перспективные изображения, содержание графической подготовки.
Статья исследует исторический аспект развития начертательной геометрии - с древнейших времен до настоящего времени. Показано, что в педагогических исследованиях просматривается тенденция к развитию либо содержательно аспекта графических дисциплин, либо прикладной характер начертательной геометрии для решения задач геометрического моделирования не только абстрактных геометрических пространств, но и сложных объектов и процессов реального мира. И меньшее внимание уделено моделированию целевого взаимодействия всех участников образовательного пространства. Делается вывод о недостаточности для современного инженера знаний и опыта по выполнению и чтению чертежей и необходимости вырабатывать способность быстро адаптировать свою деятельность к постоянно меняющимся условиям.
LITVINOVA, N.B.
HISTORY AND PROSPECTS OF ENGINEERING GRAPHICS EDUCATION
OF TECHNICAL COLLEGE STUDENTS
Keywords: development methods, graphics, descriptive geometry, orthographic projection, perspective images, content, graphics preparation.
The article explores the historical aspect of the development of descriptive geometry - from ancient times to the present. It is shown that in educational research tendency to develop a meaningful aspect of graphic disciplines or applied nature of descriptive geometry for solving geometric modeling not only abstract geometric spaces, but also complex objects and processes of the real world. And less attention is paid to modeling the interaction of all the target participants in the educational space. A conclusion of failure for the modern engineer's knowledge and experience in performing and reading drawings and the need to develop the ability to quickly adapt to constantly changing conditions.
Для преодоления «дефицита гуманитарной образованности выпускников технических вузов», возникшего вследствие ориентации технического образования на воспитание инженера узкого профиля, по мнению В. Г. Кинелева [1], возникла необходимость включить в программу изучения
графических дисциплин историю российской инженерной науки. Исторический аспект развития начертательной геометрии, как учебной дисциплины методов изображений, рассматривались в трудах Ж.Ж.Есмухановой, Н.Г.Плющ, Б.Ф.Тарасова [2, 3, 4] и др.
Как отмечает Ж.Ж.Есмуханова, долгое время считалось, что начертательная геометрия, как основа построения графических изображений, «является ровесницей Французской революции и что вся она создана одним человеком». В 1895 г. В.И. Курдюмов опубликовал курс начертательной геометрии, посвятив его столетию возникновения этой науки и ее создателю -Гаспару Монжу. [5]. Современные же исследования показывают, что начертательная геометрия существует многие века. Таким образом, основы графических изображений были заложены на ранних ступенях развития человеческого общества.
Под начертательной геометрией долгое время понималось только ортогональное проецирование на две взаимно перпендикулярные плоскости, а центральное и параллельное проецирование рассматривались «как помеха, отвлекающая начертательную геометрию с того пути, на который ее поставил Г.Монж [6]. И только после того, как окончательно было принято, что параллельное проецирование является частным случаем центрального проецирования, под начертательной геометрией стали понимать все методы построения изображений».
Как отмечал Н.А.Глаголев, «все построения и все задачи, решаемые методом Монжа, являются частным случаем тех построений и задач, которые изучаются проективной геометрией в так называемом аффинном соответствии двух плоскостей» [7]. Трудно доказать, какой способ построения изображений: перспективное изображение, ортогональная проекция, аксонометрическая проекция, проекция с числовыми отметками - является основным. При построении изображения мы руководствуемся тем способом, который целесообразнее применить для решения конкретной задачи. Правильным является взгляд на все способы изображения как на равноценные, имеющие преимущества в зависимости от поставленных целей. Но практика определяет преимущество использования ортогональных проекций, как наиболее удобно измеримых: и перспективное изображение, и аксонометрическое строятся по предварительно выполненному комплексному чертежу детали, изделия или сооружения. Все вышеизложенное выдвигает ортогональное проецирование на первый план.
Историю развития ортогональных проекций Н. А. Рынин разделяет на четыре этапа [8].
Первый этап — с древнейших времен до 1795 г. Это первые попытки изображения пространственных фигур в ортогональных проекциях немецким художником А.Дюрером (начало XVI в.), французским математиком Р.Декартом (середина XVII в.) и, особенно, французским инженером А.Фрезье (середина XVIII в.).
Второй этап — с 1795 по 1822 г. Началом этого периода Н.А.Рынин считает выход в свет знаменитого труда французского геометра и основоположника начертательной геометрии Г.Монжа «Начертательная геометрия» («Geometrie Descriptive»), в котором впервые была изложена стройная теория ортогональных проекций.
Третий этап — с 1822 г. до 30-х годов XX в. Начало этого периода бурного развития проективной геометрии связано с появлением сочинения французского военного инженера и математика Ж.Понселе «Исследование проективных свойств фигур» («Traite des proprietes projectives des figures»), которое было опубликовано в Париже в 1822 г. (написан этот труд был в 1813—1814 г.г. в Саратове, где Ж.Понселе находился в плену после разгрома войск Наполеона).
Четвертый этап — с начала 30-х годов XX в., связан с широким внедрением начертательной геометрии, вообще, и ортогональных проекций, в частности, в науку и технику.
Ж.Ж.Есмуханова выделяет шесть этапов развития начертательной геометрии, более дифференцируя развитие способов изображения. Признаком последнего периода автор определяет алгоритмизацию и оптимизацию способов построения изображений. Считается, что этот период начинается с работ Н.Ф.Четверухина, которые легли в основу перехода к созданию основ компьютерной графики.
Возникновение метода проекций с числовыми отметками Н.А.Рынин относит к XVI в., когда впервые стали применяться кривые одинакового уровня для изображения поверхностей. Начало развития аксонометрических проекций он связывает с появлением военной перспективы, как косоугольного проецирования на горизонтальную плоскость, и в качестве примера приводит план Московского Кремля (1610 г.). Основоположником теории проекций с числовыми отметками и аксонометрии в России является А^.Редер.
В развитии перспективных проекций, Н.А.Рынин выделяет семь основных этапов:
1. Наблюдательная перспектива со времен Евклида.
2. Геометрическая перспектива (работа Пьеро делла Франческа «О живописной перспективе», 1458 г. и появление на ее основе панорамной, плафонной и купольной перспективы).
3. Аналитическая перспектива. В середине XVIII в. разрабатываются способы построения перспективных изображений, использующие аналитические формулы и зависимости, полученные еще Ж.Дезаргом в середине XVII в.
4. Проективная перспектива. В методы построения перспективных изображений, начиная с 1822 г., внедряются теоремы проективной геометрии Ж.Понселе.
5. Стереоскопическая перспектива. В конце XIX в. разрабатываются способы построения изображений с двух точек зрения.
6. Физическая и физиологическая перспектива. В начале XX в. с целью приближения к реальным зрительным ощущениям формы, освещенности и света в теорию перспективных изображений внедряется учение физики о свете и цвете.
7. Кинематография и киноперспектива. С начала XX в. изучается влияние на перспективные изображения движения предмета и точки зрения (аппарата).
Остановимся подробнее на вышеперечисленных периодах.
В разные периоды нелегкую задачу изображения трехмерного пространства на плоскости решали по-разному. Потребность в построении изображений по законам геометрии (проекционных чертежей, «pшjecere» -бросать вперед) возникла из практических задач строительства сооружений, укреплений, пирамид и т.д., а на позднем этапе — из запросов машиностроения и техники.
Графика, как средство общения, использовалась с древнейших времен еще до создания письменности. До нашего времени сохранились рисунки на стенах пещер и скалах. Эти рисунки изображали дела повседневной жизни: поиск пищи, защита племени, добывание огня и др. Потребность в наглядном изображении определенных событий так же была движущей силой развития графики с незапамятных времен. Точное время создания пещерных росписей до сих пор не установлено. По мнению ученых, многие из них были созданы примерно двадцать — тридцать тысяч лет назад. Рисунками выражались мысли в начале зарождения письменности. Это так называемое рисуночное письмо или пиктография. Рисунки этого периода трактуются, как системы плоскостных изображений, близких к прямоугольным проекциям.
Пиктография была постепенно преобразована в идеографию, обширную систему знаков, обозначающих не только название, но и действия предметов. Появившись на заре человеческой культуры в виде первобытного рисунка, картинное письмо развилось в письмо буквенное. В ходе дальнейшей деятельности человека оно стало фигурировать в виде изобразительного письма, которое служит нам и сейчас в качестве технических чертежей.
Большой вклад в развитие мировой графической культуры внесло искусство Древнего Египта. Строительство храмов, дворцов, жилищ, земледелие, живопись в Древнем Египте побудили создавать элементарные приемы, без которых специалисты этого дела не могли обходиться. Древние папирусы, лапидарные рисунки на граните, сохранившаяся стенная живопись дают нам представление использования проекционных методов. Считается, что история графики начинается с появления папируса — формы графического общения в Египте, заимствованной из Вавилонии.
Отдельные символы иллюстрируют египетское графическое общение и являются изображением людей, животных, растений, оружия, инструментов и других объектов. Египтяне применяли: фонетические знаки (одиночные согласные звуки и слоги), идеограммы - письменный знак соответствующий не звуку речи, а целому слову или морфеме. Уже на самом раннем этапе в
папирусах стали использовать форму графического общения, называемую иератической (картинки иконки).
Древние египтяне своей практикой делали первые шаги в развитии позднее сформировавшейся науки. Шедевры древнеегипетского строительства — пирамиды — и сегодня потрясают воображение своими размерами, геометрической точностью и пропорциональностью. Вопрос о разрезке строительных камней сыграл большую роль в развитии начертательной геометрии. Проектирование формы камней и построение необходимых чертежей требовало определенных точных знаний.
Геометрическими особенностями древнеегипетского периода являются: использование метода ортогональных проекций в наглядных изображениях; условно-чертежные приемы: условные повороты плоскости изображения, разрезы, разномасштабность, развертки и др.; знаковый характер изображения.
Особенностью построения планов, разрезов, разверток в Древнем Египте являлась увеличенная информативность изображения. Изображаемый объект занимал вполне определенное положение относительно плоскости изображения. Художники Древнего Египта для различных предметов изображали не все проекции, а какую-либо одну, в наиболее выгодном ракурсе, наиболее информативно передающую характерные геометрические особенности объекта. В изображениях использовалась разномасштабность для улучшения композиции и передачи иерархических представлений. Например, воины изображались непомерно большими по сравнению с крепостью, около которой велось сражение.
Знаковость являлась непременным атрибутом древнеегипетского изобразительного искусства. При изображении пруда, например, использовались условно геометрические «волны». Однако использование приема плоскостного изображения не давало художнику возможности передавать трехмерность изображаемых предметов.
Но самое большое влияние на развитие графических дисциплин оказало искусство Древней Греции. Величайшим достижением греческого строительного искусства были храмы. Рисунки, планы, чертежи эпохи Средневековья не указывают на какое-либо заметное развитие существовавших способов изображений. Однако, как утверждают исследователи, есть основания утверждать, что в этот период зарождался архитектурный чертеж. Греческий период исследователи делят на:
- 1 архаика - до 480г. до н.э (персидские войны);
- 2 классика - от 480 до н.э до 300 г н.э;
- 3 эллинизм, который заканчивается с наступлением римского периода.
В период архаики в графических изображениях появился цвет. Цветная графика наряду со скульптурной и архитектурной является важнейшим достижением греческой цивилизации. В период классики с помощью цвета различали мужской и женский пол. Симон из Клеони ввел черчение в профиль
с использованием перспективы. Главные достижения основывались на теории Симона и применении Агафархом перспективы и ретуширования.
Художники разрабатывали теорию перспективных изображений применительно к задачам изобразительного искусства. Среди выдающихся ученых и художников можно назвать Поликлета, Фалеса, Аполидора Афинского и др. В конце I в. до н.э. был издан трактат Витрувия «Десять книг об архитектуре». «Витрувий рассматривал архитектурный чертеж, как изображение, состоящее из трех видов: ихнография (план сооружения), ортография (фасад здания) и сценография (перспективное изображение)».
Архитекторы древности и средневековья строили наглядные графические изображения на земле, на песке и на самом строительном материале, на полу, на стенах и т. п. У античных народов и народов Древнего Востока мы находим первые шаги к научному обоснованию перспективы, а также высокохудожественные образцы рельефной перспективы.
Золотым веком графики считается римский период. Возникшие в это время графические стили классифицируются, как: христианский, романский (присущи лаконизм и суровость внешнего облика, созданного массивностью каменных конструкций, тяжеловесностью стен с редкими проемами узких окон, мощными башнями и скромным декором), готический (расширение пространства интерьера в высь и в глубь).
Подобно грекам, римляне подразделяли графические приемы на формы высокого и низкого искусства. К высоким формам графики относились архитектура, литература, скульптура и живопись. Низкие формы включали язык, гравировку и черчение. Достижения в высоких формах на протяжении средневековья увеличили полезность приемов для низких форм. Приемы для низких форм содержались в высоких формах.
С возрождением строительства и искусств в эпоху Ренессанса в истории начертательной геометрии начинается новый период развития. В связи с развернувшимся строительством различных сооружений возродилось и расширилось применение употреблявшихся в античном мире элементов проекционных изображений.
Наиболее бурно в это время развивались архитектура, скульптура и живопись в Италии, Нидерландах, Германии, что поставило художников и архитекторов этих стран перед необходимостью начать разработку учения о живописной перспективе на геометрической основе. В это время была решена задача передачи переднего, среднего и дальнего планов - по единым и простым правилам. Это позволило перейти от передачи зрительного образа отдельного предмета к передаче пространства. Появились новые понятия: центр проецирования, картинная плоскость, линия горизонта, главные точки и т.д. Наблюдательная перспектива достигла своего высшего развития.
Пристальное внимание к упорядочению пространственных построений в эпоху Возрождения было стимулировано стремлением к объемности и материальности передачи пространственных форм.
Основоположником построения перспективы, как науки, считают Ф.Брунеллески, применившего правила построения перспективы в изображении архитектурных сооружений. Большое значение в обучении пространственным построениям также имели научные труды Л.Алберти, Л.Гиберти, А.Филарете, в которых была изложена теория перспективы, разработана на математической основе научная теория рисунка и перспективы, учение о точках схода.
В развитие методов перспективных изображений большой вклад внес итальянский зодчий Лоренцо Гиберти (1378-1455гг.), который перенес принципы живописной перспективы на пластическое изображение в виде рельефа (в церковных сооружениях). А также итальянский теоретик искусств Леон Баттиста Альберти (1404-1472гг.), который обогатил художественно-технический опыт мастеров-профессионалов теоретической разработкой основ перспективы, впервые упоминает о построении теней.
Начало панорамной перспективе положено Леонардо да Винчи (1452-1519гг.), который обладал в совершенстве знаниями линейной перспективы и дополнивший ее построением на цилиндрических сводах.
В развитие перспективы также большой вклад внес немецкий ученый и гравер Альбрехт Дюрер (1471-1528гг.). Он разработал основы рисования, предложил графические способы построения большого числа плоских и некоторых пространственных кривых, оригинальные способы построения перспективы и тени предмета. Научные обоснования правил построения перспективы дано Жирар Дезаргом (1593—1662гг.). Им впервые для построения перспективы был применен метод координат Декарта, что способствовало появлению нового аксонометрического метода в начертательной геометрии. Ж.Дезарг разработал способ определения вида поверхностей сводов, высказал мысль о родственности различного рода проекционных методов и, наконец, дал свою теорию построения перспективных изображений (способ большой картины).
Началом аксонометрический проекций послужила прямоугольная система координат, предложенного Р. Декартом.
Способ построения перспективы, близкий к современному, известному под названием метода архитекторов, разработан Гвидо Убальди, а способ зеркальных фигур для перспективных изображений - Баттацем.
Фрезье (1682—1773гг.) изложил в своих трудах теорию и практику ортогональных проекций, уподобляя процесс проецирования точки падающей чернильной капле. Проецирование ведется на две плоскости: горизонтальную (ихонография) и вертикальную (ортография). Кривые поверхности и, особенно, «косые поверхности» он рассматривает, как образованные движением производящих. Построение линии пересечения поверхностей он ведет посредством вспомогательных секущих параллельных плоскостей. Им же излагаются правила развертки поверхностей многогранников и кривых поверхностей. В своих работах Фрезье объединил исследования своих
предшественников, как в области теории, так и в практике. Однако построить строгую теорию ему не удалось.
Появилась еще одна ветвь геометрии - проективная, в основу которой положен метод проектирования, где нет понятий о числе и величине. Творцами нового направления следует считать французских математиков Понселе, Шаля, Мебиуса. Основу этой науки заложил упомянутый выше Ж.Дезарг. Он указал, что изображение предмета в ортогональных проекциях и линейной перспективе родственны с геометрической точки зрения.
Развитию «вольной перспективы» посвятил свои работы Тейлор (16851731гг.), разработавший способы решения основных позиционных задач и определения свойств оригинала по его перспективному изображению. Применение метода перспективы к графическому решению задач элементарной геометрии с использованием свойства аффинного соответствия (аффинная геометрия) разработал Ламберт (1728-1777гг.) Им решена и обратная задача -реконструирование объекта по его чертежу, выполненному в центральной проекции.
Развитие способов графических изображений на Руси шло самостоятельным путем. На миниатюрах XIV—XV в.в. можно увидеть изображения, которые напоминают современные аксонометрические изображения и технические рисунки, используемые в настоящее время в технической графике.
К более раннему периоду, древнерусской культуре IX в., исследователи относят возникновение на Руси перспективных изображений. В это время на Руси появилась иконописная живопись. По сведениям Н.Н.Ростовцева [9], ведущие мастера для более четкой и правильной работы составляли сборники правил и законов построения изображений - иконописные подлинники.
На протяжении десятков столетий содержание чертежей ограничивалось одним лишь планом, выполненным не в масштабе с проставленными размерами. Изображение чертежей в масштабе было введено при Петре I.
В начале XVIII в., в период правления Петра I, в России бурно развиваются кораблестроение, горнорудная промышленность, строятся машины и заводские силовые установки. Все это требовало умелого выполнения чертежей. В связи с этим по приказу Петра I вводится преподавание черчения во всех технических учебных заведениях, например, в Навигационной школе в Москве, что послужило причиной появления в 1708 г. первых учебников по черчению.
Русские чертежники выполняли чертежи методом, который позже будет назван методом прямоугольных проекций. Появились новые виды изображений, названные профилями (профиль спереди, сверху), которые стали прообразами современных изображений в системе трех проекций, используемых на чертежах. В это же время появились первые чертежи заводских сооружений, где изображения выполнялись в двух видах. С развитием техники чертежи усложнялись, появились промышленные и
строительные чертежи, выполнение которых требовало более высокой точности. Сначала они выполнялись без размеров, затем на поле чертежа делались надписи, указывающие основные размеры.
В XVIII и XIX столетиях стали применяться масштабы, проекционная связь, выполняться разрезы, без которых невозможно было понять внутреннее устройство изделия и принцип его работы. Эти чертежи уже были близки к современным чертежам, но размеры на них определялись с помощью масштабной шкалы, изображенной на поле чертежа. Примером таких чертежей могут служить чертежи паровой машины И.И.Ползунова. На чертежах изображены поперечный разрез машины, на котором показаны применяемые материалы (кирпич, древесина, грунт), отдельные детали, что является прообразом современного деталировочного чертежа. Продолжателями дела И.И.Ползунова в совершенствовании чертежа были русские механики Черепановы. Во второй половине XVIII в. встречаются чертежи, выполненные в наглядном изображении, что является зарождением будущей аксонометрии. Примером может служить проект К.Д.Фролова «Рудоподъемная машина». Чертежи изобретателя-самоучки И.П.Кулибина представляют совершенно правильные с точки зрения начертательной геометрии ортогональные проекции конструкций многочисленных его изобретений. В его проекте однопролетного арочного моста через реку Неву были представлены чертежи поперечного разреза моста, отдельных конструкций, а также вид сверху и сбоку.
Дальнейшее совершенствование производства, усложнение формы деталей, потребность в более высокой точности их изготовления привели к совершенствованию чертежа. В конце первой половины XIX в. на чертежах стали наносить размеры с помощью выносных и размерных линий. С развитием машинного производства чертеж приобретает значение важного технического документа, содержащего данные не только о форме и размерах детали, но и о чистоте обработки поверхностей, термической обработке и предельных отклонениях размеров, т.е. сведения, необходимые для изготовления этой детали.
В XVII - XVIII веках сформировалась идея однородности пространства и времени и были созданы предпосылки для объединения теоретических расчетов с экспериментальными измерениями. В этот период Г.Монжем (1746-1818гг.), названным творцом ортогональных проекций и основоположником начертательной геометрии, были систематизированы знания по способам отображения объектов на плоскости, и сама начертательная геометрия поднята на уровень научной дисциплины. В своих трудах он обобщил опыт ученых в изображении пространственных форм на плоскости и показал решения технических задач графическим способом. Появилась стройная научная система знаний, приведшая к возможности выполнять на плоской поверхности листа решение конструктивных задач стереометрии с помощью циркуля и линейки.
Г.Монж свел фактически невозможные «чертежные» построения в пространстве трех измерений к действиям над двумя ортогональными проекциями какого-либо тела, получаемыми на двух, неизменно связанных между собою, взаимно перпендикулярных координатных плоскостях, служащих плоскостями проекций. Неизменная связь достигается неизменной постоянной по положению в пространстве линией пересечения этих плоскостей проекций. Таким образом, в начертательной геометрии Монжа впервые появляется ось проекций, которая до него не была известна. Однако названия «оси проекции» он не упоминает на протяжении всего своего курса, называя ее всегда линией пересечения плоскостей проекций.
Анализируя различные практические приемы, применяемые в строительном деле, Г.Монж отделил элементы теории и разработал стройную логическую научную систему построения в проекциях различных основных задач на прямую линию, плоскость и др. Он говорил: «Кто совсем свободно знает прямую и плоскость, тот не встретит затруднений в начертательной геометрии».
На основании разработанной Монжем общей геометрической теории, все вопросы прикладного характера находили решение, и даже такие, которые до этого считались неразрешимыми. Оказалось возможным не прибегать к изготовлению моделей, которые до того времени являлись неотъемлемой составной частью строительного проекта.
Методы начертательной геометрии позволили решить множество практических задач, необходимых при создании сооружений или механизмов и, тем самым, способствовали дальнейшему развитию техногенной цивилизации. Это стало возможным благодаря таланту Г.Монжа.
Дальнейшее развитие начертательная геометрия получила в трудах многих ученых. Так, Г.Шрейбер обогатил начертательную геометрию изложением ее на проективной основе, разработал теорию теней и сечений кривых поверхностей. Большое значение имели труды ученых немецкой школы, среди которых- В.Фидлер, который представил первый обширный курс дисциплины, стоящий на уровне современных требований; А.Манигейм исследовал вопросы кинематического образования кривых линий и поверхностей в ортогональных проекциях; обоснование теории аксонометрии дал Вейсбах; технические примеры применения аксонометрии показали братья Мейер.
Выдающийся шаг в развитии теории аксонометрии осуществил Карл Польке, сформулировавший теорему, известную под наименованием «основного положения аксонометрии». Доказательство этой теоремы вывел Г.А.Шварц. Обобщенная теорема аксонометрии стала называться теоремой Польке - Шварца. Более простое доказательство этой теоремы дано А.К.Власовым. Н.А.Глаголеву удалось доказать, что теорема Польке-Шварца есть предельный случай более общей теоремы о параллельно-перспективном расположении двух тетраэдров.
Адемар в теорию перспективы ввел понятие предметной плоскости, предложил метод, так называемой, большой картины. Фидлер создал новый раздел начертательной геометрии — «циклографию» и изложил теорию начертательной геометрии в виде частного случая проективной зависимости между формой предмета и его изображением. Шаль доказал теорему о коэффициенте косины поверхностей с прямолинейными производящими, а Вейсбах - о биссектрисах углов треугольника со сторонами, пропорциональными показателям искажений по аксонометрическим осям, Гаусс - о геометрической сумме квадратов векторов аксонометрических единиц.
Появились работы, вскрывающие общие принципы, под которые можно подвести методы начертательной геометрии, рассматривая их с более высоких геометрических точек зрения:
- учение о методах линейных отображений;
- представление о лучевом многообразии;
- циклография;
- отображение кривых и поверхностей;
- начертательная геометрия в 4-х мерном пространстве.
Таким образом, в конце XVIII — начале XIX в.в. появилась и стала развиваться начертательная геометрия, а метод ортогональных проекций получил научное обоснование. С момента ее возникновения она развивалась, тесно переплетаясь с другими науками: математикой, механикой, физикой, а также оказывала влияние на разработку теоретических основ в технике.
Новая наука решала две задачи: точное представление на чертеже трехмерных объектов; выведение из точного описания тел всего, что следует из их формы и взаимного расположения.
Т.к. появление начертательной геометрии было вызвано возраставшими потребностями в теории изображений, то начертательная геометрия стала своеобразным языком, необходимым инженеру, который создает что-то новое, и для тех, кто осуществляет инженерный проект.
Также новая наука помогала в решении образовательных и воспитательных целей при подготовке инженеров. Так, влюбленный в свое детище - начертательную геометрию, Г.Монж писал: «Очарование, сопровождающее науку, может победить свойственное людям отвращение к напряжению ума и заставить их находить удовольствие в упражнении своего разума, - что большинству людей представляется утомительным и скучным занятием».
В середине XIX века зарождается и получает развитие начертательная геометрия многих измерений - многомерная геометрия. Итальянский математик Веронезе и голландский ученый Скаутте дают начало этому новому направлению. В России многомерная начертательная геометрия развивалась в связи с проблемами физико-химического анализа многокомпонентных структур (сплавов, растворов), состоящих из большого числа элементов. Вместо точек за
основные элементы принимаются различные геометрические образы, и строится бесчисленное множество плоских геометрических систем (системы параллельных отрезков, векторов, окружностей и т.д.).
К началу XX века относится зарождение векторно - моторного метода в начертательной геометрии, применяющегося в строительной механике, машиностроении, который разработан Б.Майором и Р.Мизесом, Б.Горбуновым. Впервые в России начали преподавать начертательную геометрию ученики Г.Монжа, и были заложены основы этой учебной дисциплины. Однако теоретической базой для разработки этой дисциплины стали также работы Я.А.Севостьянова, Н.П.Дурова, А.Х.Редера, Н.И.Макарова, В.И.Курдюмова, опубликованные в 19 в.
В 1821 г. был опубликован оригинальный учебник Я.А.Севастьянова «Основания начертательной геометрии» на русском языке, который дает основание по праву считать его автора основоположником отечественной начертательной геометрии.
Основной заслугой Н.П.Дурова в рассматриваемой области является его вклад в создание и развитие способов преобразования ортогональных проекций; А.Х.Редера - в теорию изометрических проекций и проекций с числовыми отметками; имя профессора Н.И.Макарова вошло в историю развития отечественной начертательной геометрии, как автора многих учебников по всем разделам этой дисциплины.
Начертательная геометрия начала быстро распространяться как учебный предмет. Она завоевала себе место в учебных планах трех школ: в Институте инженеров путей сообщения, Инженерном училище и в Горном кадетском корпусе. Затем была включена в программы Артиллерийского училища, Морского кадетского корпуса, Училища гражданских инженеров, Технологического института, Учебного морского экипажа.
Новое направление в начертательной геометрии принадлежит В.И.Курдюмову, написавшему 14 научных работ, в которых он показал ее применение в технических чертежах. Это ему принадлежат слова, определяющие саму суть начертательной геометрии: «Если чертеж является языком техники, одинаково понятным всем народам, то начертательная геометрия служит грамматикой этого мирового языка, так как она учит нас правильно читать чужие мысли и излагать на нем наши собственные мысли, пользуясь в качестве слов только одними линиями и точкам, как элементами всякого изображения»[10].
В 1913 г. вышла в свет работа М.А.Дешевого, в которой автор делает попытку дать общую теорию методов проектирования, основываясь на способе координат. В 1917 г. Е.С.Федоров в своих трудах высказал новые взгляды на геометрические методы в приложении к кристаллографии. Эти исследователи продолжили развитие графической науки в России и создали учебно-методическую науку по инженерной графике.
В те же годы начертательная геометрия получает развитие в трудах Н.А.Рынина - автора многих научных трудов в области начертательной геометрии, которые по праву считаются классическими. Им были написаны учебные курсы по всем разделам начертательной геометрии.
Одной из главнейших заслуг Н.А.Рынина является развитие проективного направления в начертательной геометрии. Он считал, что если принять за основу проективные соответствия (коллинеарные преобразования), то теория изображения получит большую общность и стройность. Ученый убедительно доказал, что «...для правильного и ясного изучения начертательной геометрии необходимо изучение аналитической и проективной геометрии, и в особенности - второй, и что все эти три вида геометрии тесно связаны между собой» [11]. В 1939 г. он заканчивает фундаментальный труд, в котором излагает все существующие методы изображения с позиций проективной геометрии.
Как и многие другие разделы геометрии, он пытался не только использовать проективную геометрию как теоретическую основу графической геометрии, но и применить ее для решения конкретных прикладных инженерных задач. Так, на основе проективной геометрии он разрабатывает графические методы решения задач аэрофотосъемки.
В конце 20-х г.г. прошлого столетия необходимость в короткий срок подготовить новые инженерные кадры привела к пересмотру и усовершенствованию методики преподавания и созданию новых учебных пособий.
Состав учащихся высшей школы при советской власти значительно изменился, особенно с организацией рабочих факультетов. Состав слушателей втузов стал пополняться в значительной степени рабочими от станка, привыкшими с уважением относиться к чертежу изготовляемой детали. В высшую школу новые студенты принесли свои запросы в отношении технической графики и встретили горячий отклик со стороны преподавателей. Своим серьезным отношением к чертежу, как к неотъемлемому элементу в любой отрасли производства, новое студенчество подняло значение графических дисциплин. Однако на первых порах наблюдалось излишнее увлечение прикладной стороной дела, в ущерб теории, и умаление удельного веса теории этих дисциплин в учебных планах высшей школы. Все это не могло не отразиться на научной работе в области графики и на печатании научных статей, относящихся к этой области. Такое состояние продолжалось недолго. Втузы стали быстро крепнуть, и были созданы благоприятные условия для развития графических наук. При втузах были организованы самостоятельные кафедры, объединившие все виды графических дисциплин, что обеспечило единую линию в работе. Для руководства кафедрами были привлечены наиболее крупные научные силы, объединившие вокруг себя молодых научных работников, что способствовало созданию теоретической базы как для научной работы, так и для роста новых педагогических и научных кадров.
За отсутствием специального печатного органа, стали возникать внутривузовские издания, которые явились рупором для коллективной научной мысли в области графики. Если собрать воедино все оригинальные мысли, извлеченные из этих изданий, то получится обширный материал для обмена опытом между институтами. В периодических органах Всесоюзного комитета по делам высшей школы стали часто появляться статьи по наиболее актуальным вопросам графики.
Вслед за организацией графических кафедр начался рост научной мысли, проявившейся, главным образом, в защищенных диссертационных работах по теоретической и прикладной графике.
В Москве был образован научный центр, опирающийся на Экспертную комиссию по вопросам графики Всесоюзной Аттестационной комиссии, под руководством профессора, доктора технических наук А.И.Добрякова. Его исследовательские работы преимущественно по теории теней и теории перспективы. Также ему принадлежит простой способ построения перспективы, являющийся обобщением методов Дюрера.
Вырос круг авторов учебников по начертательной геометрии и графике. Назовем некоторых из них: Д.Г.Ананов, Н.А.Глаголев, В.М.Гордон, Б.Н.Каменев, Б.П.Николаев, А.Польшау, Н.А.Рынин, В.С.Соков, Н.Ф.Четверухин, М.А.Леонтьев, С.М.Куликов, И.И.Ярмолович.
Проведенный анализ позволяет утверждать, что история развития науки и техники неразрывно связана с графическими изображениями, предшествующими внедрению в практику не только простых, но и самых гениальных идей и замыслов. Изложенная предыстория развития начертательной геометрии показывает, что она вытекала из узких практических потребностей, что развитие это шло отдельными ветвями, что задачами всех этих ответвлений являлось получение изображения (т. е. графические цели), что адептами этой научной области были практики-инженеры, архитекторы и живописцы, и что сам гениальный Г.Монж, будучи великим математиком и инженером, рассматривал начертательную геометрию не как математику, а как область графики, для которой математика служила подсобным средством. Изречение Г.Монжа «чертеж — язык техники» говорит о прикладном значении, которое он придавал той науке, создателем которой сам и явился.
В настоящее время чертеж стал основным документом делового общения в науке, технике, производстве, дизайне, строительстве.
Тематика исследовательских работ последнего времени стала достаточно разнообразной. Разрабатываются методы изображений, рассматриваются вопросы применения графики, в том числе, исследования, имеющие технологическое значение. Начертательная геометрия культивировалась в технической школе как наука, без которой немыслимо образование инженера.
Хотя основоположники начертательной геометрии считали, что начертательная геометрия лишь исполняет, а не творит, однако последующие успехи ее развития и применения на базе проективной геометрии,
кинематографии показали ошибочность этого взгляда и выдвинули ее наравне с другими прикладными науками в число приемов, которыми человек может пользоваться для открытия новых законов и методов расчета различных сооружений.
Практика показала, что долгие годы чертежи выполнялись ручным способом, что занимало много времени. Конец XX столетия, принесший заметные преобразования во все сферы жизнедеятельности человека на основе компьютерных технологий, нашел свое отражение и в графическом образовании. Т.е. в конце ХХ века специалисты в области начертательной геометрии начали усиленно заниматься вопросами построения изображений объектов в многомерных пространствах. Актуальность этих задач объясняется возможностью наглядно представить функциональные многопараметрические зависимости, описывающие те или иные процессы, явления. Повсеместное использование визуальных средств компьютерной графики, дифференциация и интеграция научного знания сформировали предметно-специфические области знания (теоретическая графика, вычислительная геометрия, геометрическое моделирование, кинематическая геометрия, биогеометрия, психологические аспекты графики и др.), что потребовало смены приоритетов в графическом образовании.
Современному инженеру уже недостаточно знаний и опыта по выполнению и чтению чертежей, а также опыта владения графическими методами решения инженерных задач. Необходимо выработать способность быстро адаптировать свою деятельность к постоянно меняющимся условиям.
В связи с этим широкое внедрение САПР на производстве требует изменения как содержания графической подготовки, что предполагает введение дополнительной информации в учебные планы вузов, и разработку инновационных подходов: во-первых, к организации работы студентов с предметной областью графических дисциплин для реализации программ курсов компьютерной графики, графического дизайна, деловой графики; во-вторых, к организации взаимодействия педагогов и студентов, которое должно создавать условия развития субъектной позиции будущих инженеров, имеющих телеологическое (системное, целевое) мышление [13].
Однако в педагогических исследованиях просматривается тенденция к развитию либо содержательно аспекта графических дисциплин, либо прикладной характер начертательной геометрии для решения задач геометрического моделирования не только абстрактных геометрических пространств, но и сложных объектов и процессов реального мира. И меньшее внимание уделено моделированию целевого взаимодействия всех участников образовательного пространства. По мнению Р.Ф.Абдеева, «информационное мировоззрение» [12] стало основой совершенствования учебного процесса, что неизбежно требует не только изменения содержания предметных областей, но нового, системного видения реальности. Графические дисциплины в сочетании с компьютерными технологиями дают и уникальные возможности для развития
пространственных представлений человека, его образно-логического мышления, и позволяют решить задачи современного образования в техническом вузе на теоретической основе системного видения мира.
Литература и источники
I. Кинелев В.Г. Проблемы инженерного образования в России // Высшее образование в России. 1993. № 2. С. 5-10.
2 Есмуханова Ж.Ж. Дидактические основы оптимизации обучения начертательной геометрии (на примере втузов Казахстана). Дисс. ... докт. пед. наук. Алматы, 1999. 368 с.
3. Плющ Н.Г. Содержание и дидактические принципы преподавания начертательной геометрии в современных условиях. Дисс. . канд. пед. наук. М., 1998. 129 с.
4. Тарасов Б.Ф. Роль Петербургского государственного университета путей сообщения в становлении и развитии в России начертательной геометрии как науки и учебной дисциплины. 1810 - 1940 гг. Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. СПб, 1998. 92 с.
5. Курдюмов В.И. Курс начертательной геометрии: Проекции ортогональные. СПб., 1895. 86 с.
6. Монж Г. Начертательная геометрия/ Комментарии и редакция Д.И. Каргина. М.: АН СССР, 1974. 291 с.
7. Глаголев Н.А. Начертательная геометрия. М.: Гос. изд. техн.-теор. лит-ры, 1953. 220 с.
8. Рынин Н.А. Материалы к истории начертательной геометрии. Л., 1938. 112с.
9. Ростовцев Н.Н. Очерки по истории методов преподавания рисунка. М.: Изобразительное искусство,1983. 288 с.
10. Курдюмов В.И. Курс начертательной геометрии: Проекции ортогональные. СПб., 1895. 86 с.
II. Рынин Н.А. Начертательная геометрия. М.: Госстройиздат, 1939. 365 с.
12. Абдеев Р.Ф. Философия информационной цивилизации. М.:, ВЛАДОС, 1984. 335 с.
13. Карев Б.А., Чопова Н.В. Возможности становления профессионально значимых умений при изучении инженерной графики в техническом вузе // Современная научная мысль. 2013. №1. С.178-184.
ЛИТВИНОВА НАТАЛЬЯ БОРИСОВНА - доктор педагогических наук, профессор кафедры информационных технологий Хабаровского института инфокоммуникаций ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» ([email protected]). LITVINOVA, NATALIA B. - Doctor of Pedagogy, Professor, Department of Information Technologies Khabarovsk Institute of Infocomm FGOBU VPO "Siberian State University of Telecommunications and Informatics"
