图学在人类文明进展中的作用研究

杨道富， 杨 鹏

（1. 黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2. 武汉大学经济与管理学院，湖北 武汉 430072；3. 黄河水利委员会河南河务局，河南 郑州 450003）

图学在人类文明进展中的作用研究

杨道富1， 杨 鹏2,3

（1. 黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2. 武汉大学经济与管理学院，湖北 武汉 430072；3. 黄河水利委员会河南河务局，河南 郑州 450003）

世界5大文明中心古老的文字都起源于图，图在人类文明进展中起很大作用并占重要地位。论述了古汉语象形文字、古埃及象形文字、古印度印章象形文字、中美洲玛雅象形文字、苏美尔楔形文字等世界文明中心文字的起源与图的关系。认为图学在人类文明进展中的核心作用是由“灵魂、主体、精髓、基础”构成的。物质形态与宇宙同生并存，图学具有叙述苍穹变化规律、承载人类文明信息、展示人类创新文明的重要功能。图学发展伴随着人类文明的过去、现在和未来，当代图学要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、创新文化的神圣职责。

图；图学；文字起源；文明进展；核心价值

在人类文明的启蒙时期，由于语音文字的匮乏，世界5大文明中心古老的文字都起源于图或形（如象形文字），所以图形符号占据文字的重要地位。“古之学者，为学有要；置图于左，置书于右；索象于图，索理于书”，素有“图书图书，左图右书。地理之学，非图不明。”[1]图与文分别为人类文明进展两翼的说法。君“若欲成天下之事业，未有无图谱可行于世者”。《周易·系辞》提出：“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。”[2]可见图与图学之重要。在人类文明的进展中，图与图学的贡献不亚于文学与数学，是人类文明进展的重要组成部分。

特别是近代以来，图学随着工农业生产、军事、建筑等科学技术的需要，其得到了长足的发展，并且形成了图学自己的理论体系。图学中的工程图是产品构思、设计与制造的重要载体，是产品信息的策划、构思、表达和传递的主要媒介，在机械、土木、建筑、水利、航海、航天、军事、园林等领域的技术工作和管理工作中，工程图是各行业、企业、专业的灵魂，被誉为“世界工程界的语言”。

随着计算机技术、数字技术及大数据技术的发展，图学有了质的飞跃。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、3D打印[3]产品制造技术等已得到广泛应用。特别是3D打印技术，是从去除材料加工到增加材料加工的跨越式发展，将是制造业新的一次工业革命。充分展示了图学在未来人类文明进展中的重要作用。

随着时间的推移，相关技术的不断改进和新技术的投入应用，可以预测，现代图学技术必将臻于完善，并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、生产实践的各个领域之中，成为人类征服自然、探索未来的重要工具[4]。相应的图学发展必将呈现出蓬勃生机，对人类文明的创新发展做出更大地贡献。

物质形态与宇宙同生并存，图学具有叙述苍穹变化规律、承载人类文明信息、展示人类创新文化的重要作用。图与书、诗、画成为研究人类文明进展、创新、实践规律的载体，持续不断地记录着人类文明进展的印迹。图学教育也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。研究现代图学的进展，探讨各类专业图学正确、清晰、完整、简洁的表达手段很必要。文字源于图，数也源于图。文字是人类表达意图、交流思想的工具；数字是核定、计算事物存量的工具；图是表达形态、展示结构、核定尺度、推理计算的工具。图学的作用是人类文明的重要组成部分。

1 图与形是世界文字的起源

文字是人类文明的载体之一，世界文字经历了漫长的历史过程，文字的起源是多因素的、复杂的，文字的发展是渐进的。“世界古文明中心（即最古老的文化发源地）共有5处：①我国古代的黄河中下游；②尼罗河流域的古埃及；③印度河流域西北部的古印度；④底格里斯河与幼发拉底河间的美索不达米亚古文明中心；⑤以秘鲁、墨西哥高原，尤卡坦半岛为中心的美洲印第安古文明中心。” 前4个文明中心都位于北纬 30°～40°的亚热带和温带的大河流域，文明均沿河流产生、布局、扩大影响和传播。美洲印第安古文明中心沿大西洋东海岸线传播。这5个世界古文明中心的历史显现出他们古老的文字均起源于图。

1.1 图与形是中国早期汉字象形文字的起源

古代的黄河中下游是中国汉字早期象形文字的发源地。汉字最早的刻画符号出现在河南舞阳贾湖遗址，距今已有 8000多年的历史。六书指汉字的6种构造条例：象形、指事、形声、会意、转注、假借，是后人根据汉字的形成所作的整理，其中象形、指事、会意、形声主要是“造字法”，转注、假借是“用字法”。六书之首是象形文字，是中国纯粹利用图形来做文字使用的，是最早用笔画线条勾绘的、表达物体形状特征的字。例如：“日月水火，山石田土，鱼草马门”等象形文字，如图1所示[5]。彰显了图与形对中华文明进展的基础作用和助推功能。

图1 古汉字象形文字

1.2 图与形是古埃及象形文字的起源

古埃及象形文字，自公元前 3500年起逐渐形成，一直使用到公元2世纪，古埃及象形文字由30个单音字、80个双音字和50个三音字组成。古埃及象形文字是表形、表意和表音相结合的文字，不仅其表形来源于象形的图形，而且其意符和声符都来源于象形的图形，如图2所示[6]。古埃及文字又演化成英语字母，古埃及文明同样是起源于图与形。

图2 古埃及象形文字

1.3 图与形是古代中美洲玛雅文字的起源

中美洲玛雅文字大致形成于公元前最后几个世纪，是象形文字和声音的联合体，玛雅文字类似汉字，块体近似圆形或椭圆形。字符的线条也随图形起伏变化，圆润流畅。字体有几何体和头字体两种，还将人、动物、神的图案结合组成全身体。玛雅符号的外形很像小小的图画，如图3所示[7]。显示了中美洲玛雅文字是起源于图的，并逐步进化、发展成现在的玛雅文字。

1.4 图与形是古代印度河流域印章文字的起源

古代印度河流域的文字，起源于公元前 2000多年，多数刻制在象牙、铜、石头或陶土的印章上，称为印章文字。到目前为止，共发掘这种文物2500多枚，文字符号500余个，归纳出来的基本符号有22个，基本符号都是象形的，符号一般用直线条组成，字体清晰。因为存在表音节和重音节符号，所以被认为是向字母文字过渡的演化文字，如图4所示[8]。说明古代印度河流域文字也是起源于图、并以图或形为基础发展起来的。

图3 中美洲玛雅象形文字

图4 古印度印章象形文字

1.5 图与形是苏美尔的楔形文字的起源

在公元前3000年左右， 苏美尔人用泥板通过图画的形式记录账目，在约 2000年间楔形文字一直是美索不达米亚唯一的文字体系。苏美尔的楔形文字(cuneiform)，来源于拉丁语，是cuneus（楔子）和 forma（形状）两个单词构成的复合词。楔形文字也叫“钉头文字”或“箭头字”。苏美尔人的楔形文字，采用削成三角形尖头的木棒、骨棒或芦苇棒当笔，在潮湿的、黏土制作的泥板上刻画符号和写象形文字，因字体笔画自然形成楔形，而称为楔形文字，如图5所示[9]。苏美尔的楔形文字同样是起源于图与形。

图5 苏美尔楔形象形文字

综上所述，古代黄河中下游的象形文字、古埃及象形文字、古印度印章文字、玛雅象形文字、苏美尔人的楔形文字等，均说明早期人类古文明进展中多数文字起源于物质形态的图与形，是以图与形为载体和途径对人类文明的创造、更新、进化、传承、延续的。

2 图学对人类文明进展起核心作用

人类的文明进展，在长期更替、演化的历史过程中，经过艰苦地探索、认识和实践，形成了以图学为核心价值作用的观念。图学对人类文明进展所起的引领作用和主导作用就是其核心价值体系，是由“灵魂、主体、精髓、基础”构成[10]。

2.1 图学对人类文明进展起核心作用的灵魂

图学展示人类文明进展的意象和人类文明研究的指导思想，是以图学为核心作用的人类文明的灵魂。象形文字的形成过程，显示了图学是人类文明进展的灵魂。以图学为载体策划、设计、生产、引领各个行业、专业发展的方向，在人类文明的形成、进化、传承、与延续的过程中，占主导地位、起引领作用。通过图学研究的理论创新、图形鉴审、文明驾驭、信息优化、审美选择和学者导向来彰显图学的主体理念。同时，图学客观上要根植于某行业、专业的学科前沿。例如：工程图作为构思设计和生产加工中的信息载体，在机械、土木、建筑、水利、航海、航天、军事等领域起到规范行为和建立秩序的重要作用，起到“一图领全局、一图胜千言”甚至图是不可替代的核心作用。图学的主体和客体理念构成人类文明以图学为核心作用的灵魂。

2.2 图学对人类文明进展起核心作用的主体

图学研究成果对人类文明进展的引导力、凝聚力和学者向心力形成人类文明繁荣的共同理想，是以图学为核心作用的人类文明的主体。理想是基于现实又要超越现实的希望和愿景，通过规划图和设计图寄托着人类未来的向往和追求，通过工艺流程图、逻辑程序图、示意图引导人们的行为走向、实现人类文明的目标。为了实现建设创新型国家这个共同理想，一切有利于以图学发展的方法、措施、行为、思想、精神的内涵和外延条件，都应当得到发扬、继承、创新、研究和保护。

2.3 图学对人类文明进展起核心作用的精髓

图学研究团队对人类文明进展创新的职业精神和学者科研成果领先的时代精神，是以图学为核心作用的人类文明的精髓。图学科研团队创新的职业精神是在长期实践中形成的理念、意识、心理、品格、气质的总和。是人类文明发展生生不息、届届相传的精神血脉，是图学研究团队学术风气最本质、最集中的体现。创新是一个民族文明的灵魂，是学者不断追求的目标，其科研创新、成果领先是图学学科发展不竭的动力。图学学科创新的职业精神和学者科研成果的时代精神相互交融，深深熔铸在图学学科的生命力、创造力和凝聚力之中，深深熔铸在图学创新的核心价值作用之中，这是图学起核心作用的人类文明的精髓。

2.4 图学对人类文明进展起核心作用的基础

对人类文明进展研究的图学科研团队的组成结构、整体水平和综合素质，是以图学为核心作用的人类文明的基础。人类群体的综合素质和整体水平是通过学历教育、继续教育、自身修养、文化习惯、教育感化等起作用的。大力发展对人类文明进展相关的图学科研团队、学者群体、社会需求、互利共赢的新型合作关系。站在对人类文明进展本身利益的立场上，扩大科研和科普工作，通过教师和学生竞赛，促进图学科研团队、学者群体、社会需求、可持续发展的良好风气的形成，这是以图学为核心作用的人类文明的基础。

综上所述，图学对人类文明进展的“灵魂、主体、精髓、基础”4个方面的作用，是图学发展意识形态的最重要部分，揭示了图学对人类文明进展的核心作用，凝聚了在建设创新型国家中图学对人类文明进展信息的收集、传输、加工、存储，以及数据库丰富的内涵和外延的精华。用图学对人类文明进展的作用，引领学科发展，凝聚高水平学者，这是强国之道的基石和建设创新型国家的支柱。

3 图学在未来人类文明进展中的作用

现代图学技术进入大数据时代，以其先进的手段、强大的功能、方便的操作、宜人的需求在各个领域中得到迅速的开发和广泛的应用[11]。图学在未来人类文明进展中的作用几乎无处不在、普遍涉及、浩如烟海，现在列举图学发展的 6个最新成果，推论、延伸图学在未来人类文明进展中的重要作用。

3.1 科学计算可视化在未来能使科学现象图视化

科学计算可视化(visualization in scientific computing)是对科学计算取得的数据进行可视化处理或三维图形显示，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[12]。其核心作用是将三维数据转换为图像。例如标量、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[13]。将大数据存于云端，可视化用于日常生活、办公使用的手机和电脑上，改变了未来文明社会的生活、管理、工作、出行方式。科学计算可视化技术最终提交的成果是以图形为载体显示出来的直观效果，对未来人类文明进展具有重要作用，如图6所示。

3.2 虚拟现实技术在未来能使训练模拟实景化

图 6 风速计算可视化

虚拟现实(virtual reality, VR)也称灵境技术，未来广泛应用到军事、医学、教育、科研等多个科技领域，被公认是未来影响人们生活乃至人类文明进展的重要技术之一[14]。首先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，然后让参与者有身临其境的感觉。其涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，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，进行实景体验。对未来人类文明主要有以下应用：①虚拟演示教学系统；②虚拟实验室；③模拟训练；④数字化校园；⑤远程教学。其中仅军事模拟训练系统中就有：作战指挥、卫星通信、船舶轮机、航海训练、航空训练、军事交通运输、激光发射、后勤保障模拟训练系统等[15]。VR使军事模拟训练的计划、设计、实施、监控、纠偏、反馈等都非常容易，且经济安全。VR是以图为载体对未来行为流程、操作控制、显示实景的导向过程。

3.3 建筑信息模型（BIM）技术在未来能使建筑产品形态数字化

建筑信息模型(building information modeling, BIM)是数字化建模新技术[14]，是未来建筑文明的基础。具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性5大特点，如图7所示。因为建筑信息的协调、模拟、优化等都建立在可视化的图形基础上，所以BIM技术对未来人类建筑规划、设计、建设的文明进展起到重要的作用。

图7 基于BIM的运行系统图

3.4 同步建模技术在未来能使产品设计修改体验动态化

同步建模技术是在参数化、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[15]。在未来工程设计中，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。可以对模型的表面形态直接修改，也可以对其他系统生成的无约束模型进行编辑，系统实时地、自动地识别模型的几何条件。未来同步建模技术不仅可以用于零件建模还可应用于装配建模。同步建模技术对未来人类文明进展的作用有4点：①快速捕捉设计意图；②快速修改设计变更；③提高多CAD环境下的数据兼容率；④提供新用户的体验。产品零件建模、装配建模的设计与修改，在系统中实时地、动态地、自动地识别纠正过程，是以图学为平台且载体展示，彰显了图学在未来设计领域文明操作中将起重要作用。

3.5 真实感和裸眼三维图形显示技术在未来能使意向构思实景化

真实感图形显示技术和裸眼三维图形(3D)显示技术。未来综合利用数学、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象彩色照片那样的具有真实感的图形[16]。该技术通过建模，将三维转为二维平面透视投影图，确定场景中的可见面，赋予物体在场景中的颜色，最终生成图形。再通过分光使得有视差的图像分别进入左右眼球来形成三维效果。对未来人类文明的贡献是将设想、构思、意念“立象以尽意”，通过图形显示技术达到裸眼三维图的效果展示，起到助推未来人类文明进展的作用。

3.6 材料增成制造技术在未来能使产品设计生产快捷化

最新发展的材料增成制造技术(也称3D打印或3D printing)[17]，是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终，叠加成型、生产制造出产品的方法。

由于传统的零件切削加工属于“去材制造”，所以3D打印相对的入典名称应该定义为“增材制造”，这种技术应该叫“材料增成制造技术”。其对未来人类文明进展的贡献是无需将空间构思的产品绘制成二维平面设计图纸，不需要模具铸胚或机械切削加工，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的三维立体部件并制造出来，从而极大地缩短产品的研制生产周期，提高生产率的同时降低生产成本。例如：机器零件、建筑模型、生活设施、军事装备、人体器官、工艺美术品等都可以通过3D打印技术制造出来，被视作第三次工业革命。它不仅改变生产加工产品的方式，而且会改变人类生活思维模式。高精度配件通过3D打印设备制造将是非常有潜力的市场。例如军事设施上的某些零部件需求量少、精度要求高、需要时间紧迫，是最理想的方法。材料增成制造技术对未来人类文明进展起重要作用，已经生产出的产品如图8所示。

综上所述，表明图学对未来人类文明进展起重要作用，是其他学科高度依赖甚至无法取代的学科。

图8 利用3D技术打印的产品

4 图学在未来人类文明进展中的学科地位分析

图学在未来人类文明进展中起着巨大的作用，它应该是一门科学，在学校应该有一门学科。高等学校是认识世界、传承文明、创新理论、咨政育人、服务社会、创新文化的场所，我国本科教育专业设置按“学科门类”、“学科大类(一级学科)”、“专业(二级学科)”3个层次来设置。

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》[11]，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。例如：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[18]。

归纳各类学科门类的定义，统计图学在各类学科中占的比例，通过分析得知，图学对人类文明进展做出了重要贡献，如表1所示。

为了规范图形表达方法、制订图学规范标准、研究图学信息生成、传输、储存的方法，探讨展示宇宙空间事物形象、状态、结构、运动的规律。在未来人类文明进展中达到一图胜千言、以图为主体表达的目的，建议图学也尽快独立出来，成为一个新学科门类，能培养博士、硕士学位研究生，有图学职称体系的专家教授，以便提高图学人才队伍在未来人类文明进展中的学术地位。

表1 相关学科门类及图所占的比例

5 结 束 语

应该确信图学在人类文明进展中始终起着重要的作用，图学也是一门人类文明进展中不可或缺的、无法替代的科学。主张消除传统小图学的狭隘思想，以及把工程图当成工程学的工具为各个专业服务的观点。历史证明：人类文明进展是以图为关键路线、核心载体的传承。大图学将思想、意念、构思“立象以尽意”融合为一体，全面表达了事物运行变化的规律、记录了人类文明进展的历史、展示了人类文明进展的创新成果、承载了人类文明进展中的重要信息。未来要建立以大图学为载体的科技研究航母、以图学为关键技术的创新研究体制、以图学为主线引领的运行机制，以便适应建设创新型国家的需要。建立以图学为主线的创新研究平台，像装配体系一样囊括项目化需要的其他学科专业，发挥“一图领全局，一图胜千言”的优势，为建设世界强国、文化大国，为人类文明进展勇担重任。

[1] 何援军, 童秉枢, 丁宇明, 蔡鸿明, 张 强. 图与图学[J].图学学报, 2013, 34(4): 1-9.

[2] 合作编辑者. 百度百科: 言意之辨[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/178053.htm, [2013-06-02].

[3] 合 作 编辑者. 百度百 科 : 3D打 印 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/5403239.htm, [2013-06-08].

[4] 中国图学学会. 图学学科发展报告[R]. 北京: 中国科学技术出版社, 2014.

[5] 刘 博. 谈谈象形文字与字母[J]. 汉字文化, 2001, (1): 23-25.

[6] 合作编辑者. 百度百科: 古埃及象形文字[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/855429.htm, [2013-06-08].

[7] 合作编辑者. 百度百科: 玛雅[EB/OL]. http://baike. baidu.com/view/13615.htm#sub5069132, [2013-06-08].

[8] 合作编辑者. 百度百科: 印章文字[EB/OL]. http://baike. baidu.com/view/1169350.htm, [2013-06-08].

[9] 合作编辑者. 百度百科: 楔形文字法[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/479449.htm, [2013-06-08].

[10] 杨道富, 杨 鹏. 基于核心期刊的核心价值体系研究[J].中国科技期刊研究, 2008, 19(2): 181-185.

[11] 童秉枢. 对工程图学学科和图学学科的若干认识[J].工程图学学报, 2010, 31(6): 1-5.

[12] 合作编辑者. 百度百科:科学计算可视化[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/920778.htm, [2013-06-08].

[13] 合作编辑者. 百度百科: 建筑信息模型[EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/1788980.htm, [2013-06-08].

[14] 合作编辑者. 百度百科: 虚拟现实[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/7299.htm, [2013-06-08].

[15] 合作编辑者. 百度百科: 同步建模[EB/OL]. http://baike.baidu.com/view/2170476.htm, [2013-06-08].

[16] 合作编辑者. 百度百科: 裸眼3D [EB/OL]. http://baike.baidu. com/view/3442285.htm, [2013-06-08].

[17] 合作编辑者. 百度百科: 3D打印技术[EB/OL]. http:// baike.baidu.com/view/5403239.htm, [2013-10-31].

[18] 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]. http://baike.baidu.com/view/2470727.htm, [2013-06-08].

Research on Function of Graphics to Human Civilization Development

Yang Daofu1, Yang Peng2,3
(1. Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng Henan 475004, China; 2. Economics and Management School of Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China; 3. Bureau of River Affairs of Henan, Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou Henan 450003, China)

The ancient characters of five civilization centers in the world originated from graphics. The graphics plays an important role in the human civilization development. The concept term of graphics is defined. The origin of the ancient Chinese hieroglyphics, the ancient Egypt hieroglyphics, the ancient India hieroglyphics, the central America Maya hieroglyphics and the Sumer cuneiform hieroglyphics are stated to compare with the graphics. The graphics is consist of spirit, subject, marrow and foundation. The graphics coexists with the universe and states the world change rules, carries down the human civilization information and displays human innovation culture. The graphics has developed with the past, presence and future. The graphics should undertake the scared duty of realizing the world, carrying down the civilization, innovating the thesis and culture, serving the politics and society and educating the people.

graph; graphics; character origin; culture development; core value

TB 23

A

2095-302X(2014)06-0923-07

2013-05-02；定稿日期：2014-07-04

杨道富(1956-)，男，河南济源人，教授。主要研究方向为工程图学和国际工程建设项目管理。E-mail：df326@126.com

杨 鹏(1989-)，男，河南济源人，助理工程师，硕士研究生。主要研究方向为水利、土木工程设计、施工和管理。E-mail：yp623@163.com