文章編號：1672-5913(2008)20-0107-06

摘 要：本文通過全面論述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識結(jié)構(gòu)體系與它在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的作用與地位，提出把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)列入計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，以彌補(bǔ)“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)”與“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識體系與課程”中對計(jì)算理論“能行性”教育的缺失與應(yīng)用軟件編程系統(tǒng)訓(xùn)練的不足。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；計(jì)算機(jī)教育；核心課程；軟件系統(tǒng)；應(yīng)用開發(fā)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言

2006年，國家教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會編制出版了“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)“(以下簡稱”新專業(yè)規(guī)范“)[1]，該“新專業(yè)規(guī)范”指出：由于計(jì)算機(jī)專業(yè)是全國在校人數(shù)最多、高校開設(shè)專業(yè)最多的專業(yè)，這導(dǎo)致計(jì)算機(jī)類專業(yè)畢業(yè)生目前出現(xiàn)就業(yè)困難，其主要原因還是計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)滿足社會需要的針對性不夠明確，導(dǎo)致了人才結(jié)構(gòu)上的不合理。解決方法是分類培養(yǎng)、使計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生能有相對優(yōu)勢的知識結(jié)構(gòu)，高校教育應(yīng)該為計(jì)算機(jī)專業(yè)現(xiàn)在的畢業(yè)生增加專業(yè)特色、增強(qiáng)就業(yè)競爭優(yōu)勢，等等。并由此提出了“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識體系與課程”(以下簡稱“核心課程”)[2]。無疑，這對全面規(guī)范并提高國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育的整體水平具有非常大的指導(dǎo)作用。通過認(rèn)真學(xué)習(xí)研究這些內(nèi)容之后發(fā)現(xiàn)，究竟應(yīng)選擇哪些課程作為計(jì)算機(jī)的公共核心課程供全國各行業(yè)人員作為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識，以及一些課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該如何安排，才能做到既拓展計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的知識領(lǐng)域、又能增加學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)渠道等，這些都是大家不斷思考的問題。而計(jì)算機(jī)“核心課程”的選擇似乎對上述已有問題的解決幫助不夠，而增加計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育對解決這些問題是一個(gè)值得借鑒的好方法，理由如下(不妥之處，請批評指正)。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程列入核心課程，彌補(bǔ)本科教學(xué)計(jì)算能行性教育的缺失

作為具有全國指導(dǎo)意義的“新專業(yè)規(guī)范”，應(yīng)該為計(jì)算機(jī)教育在多個(gè)行業(yè)方向的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，而抽出它們所共有的基礎(chǔ)課作為計(jì)算機(jī)本科教育的核心課程，但現(xiàn)有的“新專業(yè)規(guī)范”的公共“核心課程”[2]只有

程序設(shè)計(jì)

離散數(shù)學(xué)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)組成

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

操作系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

等7門課程內(nèi)容，而把“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程排斥在核心課程之外，這顯然不利于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的全面發(fā)展，不利于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、游戲、圖形標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件行業(yè)的全面發(fā)展，會縮小計(jì)算機(jī)本科生畢業(yè)之后的就業(yè)面，也與制定“新專業(yè)規(guī)范”的初衷相悖。

什么能被自動(dòng)計(jì)算一直是計(jì)算機(jī)界探討的主題之一[8]，那些確切能用計(jì)算方法解決的問題如何設(shè)計(jì)才能被計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算簡稱計(jì)算的能行性(可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提)，而程序設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這兩門課程是計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)，它們作為計(jì)算機(jī)的公共核心課程是必須的。但這兩門課程(該“程序設(shè)計(jì)”課程實(shí)為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言＋語句的簡單應(yīng)用，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”講授程序加工的數(shù)據(jù)如何配合算法進(jìn)行有效管理安排、以實(shí)現(xiàn)算法的功能)并沒有從理論上解決計(jì)算機(jī)程序根據(jù)什么原則才能進(jìn)行有效設(shè)計(jì)、以及程序如何構(gòu)成系統(tǒng)后才能最后自動(dòng)解決用戶提交的計(jì)算問題，這是國內(nèi)“程序設(shè)計(jì)”課程多年來懸而未決的老大難題。其原因在于：講授程序設(shè)計(jì)語言時(shí)，學(xué)生還沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的知識，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身既不講模型方法、又不講解軟件系統(tǒng)等概念，同時(shí)這兩門課程也缺少具有復(fù)雜計(jì)算模型的大規(guī)模實(shí)用軟件編程的整體訓(xùn)練內(nèi)容與方法，若把這些缺失的內(nèi)容都加入到教學(xué)中，則一無足夠的課時(shí)、二是改變了授課的性質(zhì)。所以，從算法語言的角度介紹程序的設(shè)計(jì)方法是不完備的。

對于這個(gè)問題，計(jì)算理論早已從計(jì)算的機(jī)理與實(shí)現(xiàn)上予以解決。但計(jì)算理論的內(nèi)容一般只在研究生階段講授，且計(jì)算理論是研究生的一個(gè)專業(yè)方向、即使該理論在研究生階段講授、學(xué)生理解也有一定難度，而把這套理論方法直接用于實(shí)踐以解決實(shí)際應(yīng)用問題難度更大[9]。即現(xiàn)有成熟的程序設(shè)計(jì)理論與方法沒有通過適當(dāng)?shù)妮d體引進(jìn)本科課堂教學(xué)中是現(xiàn)行教育政策最大的不足，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是直接從應(yīng)用軟件開發(fā)的角度闡述計(jì)算的“能行性”問題(見下述)，當(dāng)其列入計(jì)算機(jī)的核心課程后，既能彌補(bǔ)上述計(jì)算理論教育中缺失的一環(huán)，也能有效彌補(bǔ)上述7門核心課程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件編程系統(tǒng)訓(xùn)練不足的尷尬。事實(shí)上，GPU(圖形處理芯片)與CPU在PC機(jī)上的發(fā)展并駕齊驅(qū)，證明計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中不可缺少的重要研究領(lǐng)域，可這些沒有在“核心課程”[2]中得到有效的體現(xiàn)令人不解。

3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識結(jié)構(gòu)體系

3.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對象、研究方法與基本教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最終目的就是用計(jì)算機(jī)程序的方法在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上生成圖像效果，特別是生成類似照相機(jī)拍攝的三維圖像。而照相機(jī)拍攝三維圖像是一個(gè)具體的物理過程，它的基本原理是光線在空間物體之間相互傳播，當(dāng)光線被物體表面反射并被照相機(jī)接收后形成的顯示效果。由于人們能從二維照片上光點(diǎn)的亮度與大小判斷出物體表面該點(diǎn)距照相機(jī)的相對遠(yuǎn)近，故人們常稱這種圖像為三維圖像。用計(jì)算機(jī)程序的方法生成具有高度真實(shí)感的圖形就是對上述物理過程的一種近似仿真模擬得到的效果。為了達(dá)到這一目的，人們根據(jù)仿真方法的要求，建立了仿真過程需要的各種模型(包括照相機(jī)模型，燈光模型，顏色模型，照明模型，物體的幾何模型，物體表面的材質(zhì)與紋理模型)，通過①模型數(shù)據(jù)的輸入(交互輸入、編程輸入、文件輸入等)、②數(shù)據(jù)的存儲與管理(系統(tǒng)參數(shù)文件、圖形模型數(shù)據(jù)文件、規(guī)格化圖形數(shù)據(jù)文件、物理顯示設(shè)備的圖形顯示文件)、③數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理(物體的幾何變換、全剖切運(yùn)算、集合運(yùn)算、三維重建算法、物體的各種變形運(yùn)算等)、④數(shù)據(jù)的輸出(各種線段圖形的生成與實(shí)面積多邊形的填充算法、著色算法、消隱算法、紋理映射算法、陰影算法，光線跟蹤算法與輻射度算法)等4個(gè)處理過程，用系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)其圖形顯示[7]。

這里照相機(jī)模型描述了三維空間中的點(diǎn)、線、面等圖形投影轉(zhuǎn)換成二維空間中點(diǎn)、線、面等圖形，并調(diào)用二維圖形的生成算法生成二維圖像，同時(shí)裁剪超出顯示范圍的三維圖形、便于圖形的正確顯示。燈光模型與顏色模型描述了光線產(chǎn)生的根源、點(diǎn)光源的空間幾何分布、光線在空間中的傳播方向與衰減規(guī)律，光線的色彩屬性、亮度計(jì)算方法與合成色的變化規(guī)律等內(nèi)容。照明模型描述了物體表面反光或透光能力的計(jì)算方法。物體的幾何模型描述了一個(gè)物體的點(diǎn)線面等幾何尺寸與大小。材質(zhì)特性描述了各物體表面對各種性質(zhì)光線的反光與透光能力的大小。紋理模型直接描述了物體表面各點(diǎn)的顯示細(xì)節(jié)與像素值。著色算法確定了用何種插值算法填充多邊形網(wǎng)格表面、使其顯示效果是多邊形網(wǎng)格效果或是一張光滑的曲面效果。消隱算法確定顯示物體表面的各個(gè)可見表面與邊線，不顯示其被遮擋的不可見的表面與邊線。紋理映射算法就是把一張照片映射至物體的表面上(又稱貼圖)，而這個(gè)照片既可以是實(shí)際照相機(jī)拍攝的三維照片，也可以是用數(shù)學(xué)模型描述并動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的結(jié)果。在場景中，由于某些遮擋物的存在，光線不能直接照射到某些物體的表面，使得這些表面反光(透光)的亮度暗于被光線直接照射物體表面的亮度；觀察的角度不同，所見這種陰影效果的形狀與大小不一樣；陰影算法即在場景圖中統(tǒng)一繪制這種陰影顯示效果與非陰影顯示效果。光線跟蹤算法、輻射度算法就是仿真光線的傳播過程以達(dá)到最后生成所需的圖像效果。

事實(shí)上，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域中僅研究這些模型還不夠，還要用程序設(shè)計(jì)語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識把它們都轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)可執(zhí)行的算法，并用系統(tǒng)編程的方法把這些算法構(gòu)成一個(gè)軟件系統(tǒng)整體，才能方便各種圖形的生成。而在這個(gè)軟件系統(tǒng)中生成圖形的第一步是構(gòu)造多種物體的幾何模型與形狀(物體的幾何變換、全剖切運(yùn)算、集合運(yùn)算是用簡單物體構(gòu)造復(fù)雜物體的有效工具之一，三維重建算法是用點(diǎn)、線、面等元素恢復(fù)物體外殼的幾何形狀)，在統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系中確定它們的位置與朝向，再逐一確定物體表面的材質(zhì)特性與紋理效果等，使這種多物體造型(稱場景造型)滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。第二步是設(shè)置燈光與燈光的特性，設(shè)置照相機(jī)模型等。第三步是在上述二步的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一用光線跟蹤算法或輻射度算法生成上述場景造型所對應(yīng)的三維圖像效果(又稱渲染)。

應(yīng)注意：

① 試圖精確的構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界中所有物體、特別是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或微小結(jié)構(gòu)或細(xì)微動(dòng)態(tài)變化物體的幾何模型既不現(xiàn)實(shí)、其代價(jià)也太大，人們總是想用其它的方法來代替，這就是所謂分形描述、粒子描述建模等多種其它建模方法的來源；

② 完全按照物理學(xué)上光線的傳播方法來生成圖像太費(fèi)時(shí)間，光線跟蹤算法、輻射度算法事實(shí)上是對物理光線傳播方法的一種近似。這個(gè)近似程度一般由圖像顯示的真實(shí)感與計(jì)算的復(fù)雜度來確定。

③ 在上述場景造型的構(gòu)造過程中，若物體運(yùn)動(dòng)或變形，燈光改變照射的范圍、朝向、亮度、色彩，照相機(jī)改變拍攝的方向或跟蹤拍攝，此時(shí)若連續(xù)拍攝(即渲染)三維空間場景效果，就形成了多幀圖像，連續(xù)播放這些多幀圖像就是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。

④ 所謂圖形標(biāo)準(zhǔn)就是把上述的照相機(jī)模型、點(diǎn)光源的燈光模型、顏色模型、簡單的照明模型、著色算法，以及點(diǎn)線面、多邊形網(wǎng)格模型等模型與算法用硬件實(shí)現(xiàn)，并由圖形標(biāo)準(zhǔn)提供軟件接口方法調(diào)用這些硬件功能；當(dāng)用戶向該圖形標(biāo)準(zhǔn)提供上述模型的描述數(shù)據(jù)與材質(zhì)、紋理描述數(shù)據(jù)之后，計(jì)算機(jī)就能用硬件加速的方法實(shí)現(xiàn)在顯示器中高速生成點(diǎn)線面、多邊形網(wǎng)格，以及光照效果的表面、紋理效果等圖形。目前的圖形標(biāo)準(zhǔn)本身并不負(fù)責(zé)物體幾何模型的構(gòu)造，也不負(fù)責(zé)管理各種模型數(shù)據(jù)等。現(xiàn)圖形標(biāo)準(zhǔn)主要以紋理映射算法為主，暫時(shí)還沒有用光線跟蹤或輻射度算法以實(shí)現(xiàn)三維圖形的實(shí)時(shí)顯示。可見圖形標(biāo)準(zhǔn)僅是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)部分研究成果的具體實(shí)現(xiàn)。

⑤ 若能在上述場景造型中，讓各種物體實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)(照相機(jī)與燈光是具有其它功能的物體，它們也有幾何形狀，也能與人、動(dòng)物等角色(多關(guān)節(jié)物體)一樣進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng))，并能接收用戶的交互操作、且這種運(yùn)動(dòng)過程具有故事情節(jié)性，同時(shí)這種多物體運(yùn)動(dòng)的效果能在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕中實(shí)時(shí)生成顯示，這種計(jì)算機(jī)動(dòng)畫就是3D游戲(人類社會活動(dòng)的仿真)。3D游戲另一個(gè)難點(diǎn)在于復(fù)雜游戲引擎的構(gòu)造——即如何構(gòu)造并管理游戲場景的模型數(shù)據(jù)(包括聲音與人工交互操作等)，使整個(gè)游戲畫面達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的目的。事實(shí)上，3D游戲可以看成是計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)上的降級簡單應(yīng)用。

⑥ 物體的幾何造型、變形與運(yùn)動(dòng)是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的一個(gè)難點(diǎn)，比體這個(gè)概念更復(fù)雜的是流體與場的模型構(gòu)造、顯示，它們能描述更廣泛一類的物理現(xiàn)象，如臺風(fēng)的變化過程、風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)效果、物體表面的應(yīng)力變化現(xiàn)象、環(huán)境中熱傳遞效果的變化、地質(zhì)勘探結(jié)果的可視化顯示等，一般人們把這些問題歸納在“科學(xué)計(jì)算的可視化”課程中講授，因?yàn)檫@些流體與場的模型構(gòu)造等需要比較深的數(shù)學(xué)知識。但是，一旦這些流體與場的幾何數(shù)據(jù)模型確定之后，人們就能用圖形標(biāo)準(zhǔn)顯示它們。

⑦ 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的區(qū)別：在CAD中，也需要構(gòu)造物體的幾何模型并顯示這些物體的構(gòu)造效果，更重要的是還需要用數(shù)控機(jī)床把這些設(shè)計(jì)出的物體零件加工制造出來，故它對物體的幾何模型要求特別高、特別是其誤差控制，因?yàn)槎鄠€(gè)零部件組成的精密加工機(jī)床等最后影響加工的精度都與各個(gè)物體模型的誤差精度相互關(guān)聯(lián)。顯然，在CAD領(lǐng)域中，也有零部件之間的聯(lián)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)需要精密控制(機(jī)械運(yùn)動(dòng)與仿真)。與物體幾何模型要求相比，CAD領(lǐng)域中物體的顯示要求可以放低些。而在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中，相對而言，對物體幾何模型的要求低，例如物體的外表面可以不封閉，只要這個(gè)不封閉的外殼表面破綻不被照相機(jī)拍攝到就可以了；但計(jì)算機(jī)動(dòng)畫對最后渲染的圖像顯示質(zhì)量的真實(shí)感效果要求很高。

⑧ 二維圖形與三維圖形的區(qū)別：這兩者的區(qū)別除了其數(shù)學(xué)模型一個(gè)是二維的、一個(gè)是三維的之外，更大的區(qū)別還在于二維圖形學(xué)只能從數(shù)學(xué)上研究圖形的基本規(guī)律(點(diǎn)、直線、曲線、平面與形狀，位置，運(yùn)動(dòng)與變形，色彩等)、以及圖形的模型構(gòu)造與顯示方法；利用二維圖形的簡單性，可剖析計(jì)算機(jī)二維圖形系統(tǒng)的組成，即軟件系統(tǒng)是一個(gè)能自動(dòng)運(yùn)行的程序，它能從輸入、存儲、運(yùn)算處理、

輸出等方面全面處理用戶在某個(gè)領(lǐng)域中提出的諸多數(shù)學(xué)模型并完成其模型描述數(shù)據(jù)的加工任務(wù)，使用戶很容易明確這種軟件的組成、功能與使用范圍。三維圖形學(xué)卻可以用數(shù)學(xué)模型的方法研究自然界中的多種物理現(xiàn)象，由此探討大自然中多種物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，并能用圖形顯示的方法來表現(xiàn)這種變化過程，這種方法正是人們探索自然并進(jìn)行科學(xué)研究所倡導(dǎo)的基本方法之一。因此，從三維圖形學(xué)的基本教學(xué)研究內(nèi)容可知，用圖形方式(可見的點(diǎn)線面、色彩、紋理)顯示各種物理現(xiàn)象的變化過程只是一個(gè)表面現(xiàn)象，關(guān)鍵的是要掌握這種變化過程的物理機(jī)理并能用數(shù)學(xué)模型的方法全面正確的描述這種變化(即用圖形的方法表達(dá)計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義非常適合人們觀察自然、了解自然現(xiàn)象與變化規(guī)律，而計(jì)算機(jī)的信息描述數(shù)據(jù)是由具體的各種物理變化過程確定的)，即掌握計(jì)算機(jī)仿真與科學(xué)研究方法才是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的真諦，也即用計(jì)算物理學(xué)的基本思想能統(tǒng)一傳統(tǒng)意義上計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)學(xué)科中的基本研究內(nèi)容。計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生有了這種方法后，再深入其它各應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域，努力掌握其物理原理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型方法等知識，并與行業(yè)專家相互配合，計(jì)算機(jī)與計(jì)算工具就在各專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)上大有用武之地了。

綜上所述，可以給出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)如下定義：

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的研究范疇，它主要通過物理原理與數(shù)學(xué)方法，建立描述自然景觀(虛幻世界)的幾何數(shù)據(jù)模型與顯示圖形的物理數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到用程序的方法把這些模型的描述數(shù)據(jù)通過算法轉(zhuǎn)換成在計(jì)算機(jī)顯示器中顯示自然景觀圖像的目的。本質(zhì)上，用計(jì)算機(jī)生成三維真實(shí)感圖形就是用數(shù)學(xué)模型的方法仿真光線在物體之間相互傳播而產(chǎn)生的顯示效果或把光線傳遞的效果即照片映射至物體表面上所產(chǎn)生的顯示效果。

國內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育工作者已認(rèn)識到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)學(xué)科教育與科學(xué)研究中的重要性，并于2001年公開出版計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材支持上述觀點(diǎn)[10]。但由于這些觀點(diǎn)沒有引起國內(nèi)計(jì)算機(jī)界制定政策的主流階層人士的關(guān)注，相反，從2000年開始，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容卻從全國范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)專業(yè)等級考試中消失，這不能不說是國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育的一大損失。

而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課關(guān)系見4.1節(jié)。

3.2 “新專業(yè)規(guī)范”中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容有待改進(jìn)

“新專業(yè)規(guī)范”中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要放在計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)的使用上，核心內(nèi)容只有圖形標(biāo)準(zhǔn)、照相機(jī)模型，圖形顯示設(shè)備與輸入設(shè)備，前期課程要求計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言與離散數(shù)學(xué)，并只安排8個(gè)課時(shí)來講授這些內(nèi)容，其它的內(nèi)容作為選修內(nèi)容(這包括各種圖形的生成算法、物體幾何模型的描述方法，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)視覺，人們對色彩的主觀感受、如何用色彩方式表達(dá)設(shè)計(jì)作品的主題思想，等等)。這種教學(xué)安排能使學(xué)生掌握圖形標(biāo)準(zhǔn)的使用、以及照相機(jī)模型的應(yīng)用，很容易導(dǎo)致學(xué)生誤認(rèn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是在顯示器上繪制各種圖形這種認(rèn)識偏差。

這種教學(xué)安排不當(dāng)之處如下：

首先，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的前期課程應(yīng)該是程序設(shè)計(jì)語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，不學(xué)離散數(shù)學(xué)并不影響學(xué)生編寫圖形學(xué)的各種應(yīng)用程序；但不學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則編程困難；而且授課學(xué)時(shí)數(shù)太少。

其次，圖形標(biāo)準(zhǔn)自成體系，但它不能構(gòu)成一個(gè)完全自動(dòng)運(yùn)行并具有圖形數(shù)據(jù)輸入、存儲、運(yùn)算處理、輸出等處理全流程功能的軟件系統(tǒng)，它往往需要用戶在應(yīng)用軟件中向圖形標(biāo)準(zhǔn)輸入模型數(shù)據(jù)并調(diào)用其各函數(shù)才能出現(xiàn)所需要的圖形顯示效果。初學(xué)者原指望學(xué)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，就知道象3DS MAX與OpenGL等軟件中是如何編寫程序并實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫圖形的顯示，但授課結(jié)果卻令人失望。

第三，由于初學(xué)者一般缺少對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的全面了解，缺少對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對象與研究方法的認(rèn)識，也沒有圖形系統(tǒng)的概念，該“新專業(yè)規(guī)范”授課大綱中雖有物體幾何模型的描述方法但缺少在圖形系統(tǒng)中具體建造物體幾何模型等實(shí)例；另大綱中授課內(nèi)容的邏輯關(guān)系非常不順暢(例如把計(jì)算機(jī)視覺作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一部分對待并講授值得商榷，雖然人們期待從計(jì)算機(jī)視覺圖像中獲得圖像的模型描述數(shù)據(jù)并一直朝這個(gè)方向努力，但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺的研究方向與研究方法畢竟有很大的區(qū)別)，也沒有總結(jié)出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心概念，且對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識仍停留在圖形學(xué)由各種算法的集合所組成的認(rèn)識層面上，很難正確體現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在科學(xué)研究中的重要作用。若授課內(nèi)容掌握不當(dāng)易使教學(xué)與學(xué)習(xí)迷失方向，或再次導(dǎo)致計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程被計(jì)算機(jī)專業(yè)邊緣化，這也是多年來國內(nèi)同行反映計(jì)算機(jī)圖形學(xué)難教難學(xué)的原因之一，這顯然與當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的發(fā)展潮流相悖。

第四，圖形標(biāo)準(zhǔn)只是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)部分研究成果的具體實(shí)現(xiàn)，當(dāng)初國外為什么會選擇圖形標(biāo)準(zhǔn)而不是選擇計(jì)算機(jī)動(dòng)畫為案例作為講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的主要內(nèi)容，作者認(rèn)為可能有以下原因：

① 歷史的原因：因?yàn)閳D形標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最早、最成熟的研究領(lǐng)域，后才有CAD、游戲與動(dòng)畫等；且圖形標(biāo)準(zhǔn)在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，而CAD、游戲與動(dòng)畫是一個(gè)具體的專業(yè)方向，教學(xué)難度大。

② 商業(yè)發(fā)展的需要：圖形標(biāo)準(zhǔn)用硬件實(shí)現(xiàn)后，已經(jīng)成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，這就促使人們更加專注圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

③ 國外的教學(xué)體系不一樣：美國的計(jì)算機(jī)工業(yè)、圖形學(xué)產(chǎn)業(yè)與計(jì)算機(jī)教育均位于世界領(lǐng)先水平，但全美國并沒有強(qiáng)制性的計(jì)算機(jī)教育指導(dǎo)大綱，可是美國各校的計(jì)算機(jī)教育各有特色，他們對計(jì)算機(jī)的各個(gè)方面都有涉及、且各種層次的計(jì)算機(jī)課程都有，這種寬松的教育體制有利于科技成果與教育的創(chuàng)新培養(yǎng)。以圖形學(xué)課程為例，若你需要繼續(xù)深造，它還有許多圖形學(xué)的選修課、提高課程(如計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、數(shù)字幾何處理、曲面造型與設(shè)計(jì)、CAD、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、游戲、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)方法等等)以及最新的學(xué)術(shù)論文等待著你、直至讓你從這種授課體系中走向?qū)W科的最前沿與商業(yè)開發(fā)——即雖然他們的某一門基礎(chǔ)課不一定很完美，但他們可以從完整的授課體系中，讓你掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的全部內(nèi)容；但這也同時(shí)留下了因?yàn)檎n程劃分過細(xì)，使人不容易一下掌握學(xué)科內(nèi)容的全貌而留下遺憾?？墒菄鴥?nèi)的計(jì)算機(jī)教育與國外不一樣，首先，國內(nèi)的高校沒有條件開設(shè)那么多的計(jì)算機(jī)選修課；其次，若是全國性的計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)大綱不全面、不權(quán)威的話，就會在計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展道路上留下無可挽回的遺憾。

④ 出于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，美國沒有一本書的教學(xué)內(nèi)容是一樣的(包括CC2005中關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識結(jié)構(gòu)體系的論述)，這固然便于知識創(chuàng)新，但卻不利于優(yōu)秀知識的繼承與傳授，結(jié)果使得每本新書的內(nèi)容與體系都不一樣且龐雜，這對初學(xué)者是一個(gè)極大的負(fù)擔(dān)，需要教師認(rèn)真抽取眾多書籍的有效內(nèi)容，成系統(tǒng)后傳授給學(xué)生，才能有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，2000年以前國內(nèi)外計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材內(nèi)容與體系的不夠成熟，也是造成國內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課不能得到有效重視的原因之一。

⑤ 由于以上原因，美國人并沒有把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程，這使得美國人的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教育落后于其計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等商業(yè)軟件開發(fā)等應(yīng)用，這是一個(gè)不爭的事實(shí)(在美國，教材與授課基本上是老師的個(gè)人作為，商業(yè)軟件的開發(fā)是團(tuán)隊(duì)作為并有經(jīng)濟(jì)利益作為支撐，它能不斷發(fā)展并自我完善)。也有很多國際人士認(rèn)識到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育出現(xiàn)了問題[4]，顯然，仍把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義為在顯示器上顯示各種圖形是過于簡單，這是沒有正確地把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科的發(fā)展規(guī)律引入教育部門、忽視計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各行業(yè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用與需求的一種表現(xiàn)。因此，全面認(rèn)真研究美國人在計(jì)算機(jī)教育與計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展規(guī)律、商業(yè)軟件開發(fā)等多種優(yōu)缺點(diǎn)，再針對國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育中存在的不足，提出解決問題的方法應(yīng)該是國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界值得深思的問題；顯然，僅用跟蹤所謂國外先進(jìn)的教學(xué)方法與理念也有不全面的地方。

4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的作用與地位

4.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件編程思想系統(tǒng)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)課程

數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲與檢索、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通信是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的三個(gè)最基本的應(yīng)用。在這三者中，對于數(shù)據(jù)存儲，一般有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件分別介紹其基本原理與大規(guī)模數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理等軟件應(yīng)用；對于數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通信，一般有通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等課程、WinSocket技術(shù)等介紹其基本原理與實(shí)現(xiàn)方法；對于數(shù)據(jù)計(jì)算，一般有算法語言、編譯原理、自動(dòng)機(jī)理論等課程介紹其原理，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)追求的目標(biāo)是：用形式語言與自動(dòng)機(jī)理論，通過形式化和模型的建立，構(gòu)建系統(tǒng)，進(jìn)行模型計(jì)算。但這些內(nèi)容抽象、內(nèi)容難以理解、難以直接應(yīng)用解決實(shí)際應(yīng)用問題[9]，計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生學(xué)習(xí)這一方法尚有一定難度，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生更不會接觸編譯原理與自動(dòng)機(jī)理論等，這就造成一般學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程計(jì)算的問題上存在知識缺陷，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的授課正好可以有效的解決這個(gè)問題。

國內(nèi)新一版的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課方法[7]：首先，以二維圖形為例，從理論上全面解決了圖形系統(tǒng)軟件的構(gòu)建方法以及圖形數(shù)據(jù)處理流程的全過程，使初學(xué)者牢固的樹立起軟件系統(tǒng)的概念；其次，為了用計(jì)算機(jī)仿真的方法在顯示器中生成三維真實(shí)感圖形效果，建立了描述各種物理現(xiàn)象的多種數(shù)學(xué)模型(見上述)，這些數(shù)學(xué)模型的描述數(shù)據(jù)都能通過圖形模型數(shù)據(jù)文件的方式保存在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中供系統(tǒng)內(nèi)部程序調(diào)用，以仿真方法生成三維圖像。也就是說，①系統(tǒng)與模型的數(shù)學(xué)與形式化的描述方法；②按系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程，用算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等知識把模型數(shù)據(jù)的處理方法全轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)程序，以實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)處理的全過程等任務(wù)；③編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需根據(jù)計(jì)算機(jī)的配置與用戶的經(jīng)濟(jì)要求，合理考慮所選算法的復(fù)雜度(或選擇優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)圖形功能)；這三者是計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的基本步驟與要求，是實(shí)現(xiàn)可計(jì)算性的三個(gè)條件——即計(jì)算機(jī)圖形學(xué)既成功探索了一般典型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)的基本規(guī)律，又用可視化的方式表達(dá)了其程序數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的最后結(jié)果，這為該課程成為初學(xué)者學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)方法的首選課程之一奠定了基礎(chǔ)。

若沒有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等編程課程的系統(tǒng)訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)初學(xué)者一般只能通過實(shí)際大型軟件項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練(或繼續(xù)深造)，通過自我總結(jié)與提高，才能全面地掌握這種編程與數(shù)據(jù)計(jì)算等知識，而這種機(jī)會不是人人都具有的，其付出的代價(jià)也將是巨大的。例如現(xiàn)在一般計(jì)算機(jī)本科專業(yè)的學(xué)生雖然能熟練的掌握3ds max軟件的操作使用，但不清3ds max軟件是如何編制而成，就是現(xiàn)階段本科教育存在缺陷的具體表現(xiàn)。

通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明白：算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定程序設(shè)計(jì)；但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課能使學(xué)生進(jìn)一步明白：算法不是從天上掉下來的，它們是由用戶解決實(shí)際問題建立的物理數(shù)學(xué)模型、并抽象出模型描述數(shù)據(jù)之后，提出處理其數(shù)據(jù)模型的基本方法與步驟；而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是記錄該模型的描述數(shù)據(jù)、以及根據(jù)算法的需要構(gòu)造而成、以配合保存各種中間加工數(shù)據(jù)或最后加工結(jié)果；編程者只有把這些解決問題對象的多種模型編寫成軟件系統(tǒng)之后，才能完滿的完成程序設(shè)計(jì)的任務(wù)——即計(jì)算模型及對模型的變換與運(yùn)算處理方法決定了程序設(shè)計(jì)的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科的科學(xué)性

計(jì)算學(xué)科是指通過在計(jì)算機(jī)上建立模型并模擬物理過程來進(jìn)行科學(xué)調(diào)查和研究。該學(xué)科是對信息描述和變換算法的系統(tǒng)研究，主要包括它們的理論、分析、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[6]。在目前所見的計(jì)算機(jī)教材中，只有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是按照這種理論體系組織教學(xué)內(nèi)容的。這些教學(xué)內(nèi)容是人們耳熟能詳?shù)奈锢碓砼c相對簡單的數(shù)學(xué)知識在計(jì)算機(jī)中的綜合運(yùn)用，是計(jì)算機(jī)學(xué)科科學(xué)性的具體表現(xiàn)之一——只有把計(jì)算工具直接應(yīng)用于科學(xué)研究中，這種計(jì)算工具與方法具有科學(xué)性才有說服力，而計(jì)算機(jī)仿真是科學(xué)研究中常用的一種有效方法，復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算又是仿真建模的基礎(chǔ)，從這個(gè)意義上講，仿真與復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算等都是科學(xué)研究中重要的研究方法之一。這樣，該課程就很好的解決了“新專業(yè)規(guī)范”中人們對“數(shù)字科學(xué)計(jì)算”的認(rèn)識不統(tǒng)一而導(dǎo)致該課程的教學(xué)內(nèi)容與要求不詳?shù)葐栴}，很好地使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用回歸其本來面目；

4.3 用圖形方式表示計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義，比用數(shù)字符號方式表示其含義更高級、更自然，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的對象之一

用文字符號方式描述客觀世界是對客觀世界的一種抽象，是對客觀世界的一種不完整的描述；而人們感受客觀世界最自然、相對全面的是用眼睛觀察客觀世界，它可以較準(zhǔn)確的確定客觀世界中物理現(xiàn)象的存在與變化規(guī)律，這個(gè)方法運(yùn)用于計(jì)算機(jī)中，就是用圖形方式表示計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義，這種表示方法比符號方式表示信息數(shù)據(jù)的含義復(fù)雜，表示的信息量大，對計(jì)算機(jī)的硬件要求高。在計(jì)算機(jī)的多媒體信息表達(dá)方式中，圖形方式是處理過程最復(fù)雜的、也更符合人們的觀察習(xí)慣。故用圖形方式表達(dá)信息數(shù)據(jù)是一種表達(dá)信息數(shù)據(jù)含義的高級表達(dá)方式。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，不僅是數(shù)值計(jì)算與數(shù)據(jù)管理、還表現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中，人們用圖形方式來表達(dá)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，以及設(shè)計(jì)作品的體系結(jié)構(gòu)與功能等，它能充分表達(dá)設(shè)計(jì)人員的形象思維方式，這種表達(dá)方式不僅要求能用計(jì)算機(jī)表達(dá)出來，而且要求計(jì)算機(jī)能接受人們用這種方式向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)學(xué)模型，這些都是計(jì)算機(jī)科學(xué)面臨的新課題。例如古代三國時(shí)期，諸葛亮造木牛流馬搬運(yùn)糧草，史書雖然有文字記載其構(gòu)造方法，但后人卻無法復(fù)原這種運(yùn)輸工具。在沒有實(shí)物的情況下，只有用圖形方式表示該運(yùn)輸工具的基本構(gòu)造方法才能使后人復(fù)原這種古代的運(yùn)輸工具。對于這類復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物體與運(yùn)動(dòng)形式即使用幾何數(shù)據(jù)對它詳細(xì)描述，若不借助圖形方式來表示其幾何形狀與結(jié)構(gòu)等信息，人們對它的理解也會發(fā)生困難，這就是現(xiàn)實(shí)中用符號方式描述與圖形方式描述(抽象描述與形象描述)信息含義之間的差別。經(jīng)驗(yàn)告訴我們：在計(jì)算機(jī)中，信息數(shù)據(jù)的描述方法不同，往往導(dǎo)致編程的方法與效果也不同，若我們不進(jìn)行這種方式的培訓(xùn)，就會落后于計(jì)算機(jī)時(shí)代的發(fā)展。

4.4 掌握計(jì)算機(jī)配置的常用工具，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的必要條件

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)學(xué)科的授課內(nèi)容，并不直接講解如何進(jìn)行科學(xué)計(jì)算等問題，而是為解決復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算等問題提供軟件服務(wù)工具、方法與手段等。例如，從大量應(yīng)用中(包括軟件編程)，找準(zhǔn)、預(yù)測用戶的需求；然后，從中抽象其具有共性的方法與難題，并把它們上升為理論，最后把這種理論開發(fā)成工具與系統(tǒng)方法，供用戶使用；操作系統(tǒng)軟件、匯編語言與編譯系統(tǒng)、高級語言與編譯系統(tǒng)、軟件工程的概念與方法、面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)語言等都是這樣逐漸發(fā)展起來的；同樣的思路，為了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，人們開發(fā)了辦公自動(dòng)化軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、三維圖形標(biāo)準(zhǔn)等各種工具，等等，用戶用這些工具能更高效率的開發(fā)應(yīng)用程序。但是，這種授課方式卻把用計(jì)算機(jī)解決科學(xué)計(jì)算等應(yīng)用問題留給具體的應(yīng)用部門與用戶對應(yīng)用軟件的具體開發(fā)，而課堂教學(xué)一般缺少這方面的系統(tǒng)實(shí)例，這也是導(dǎo)致目前計(jì)算機(jī)本科生應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)能力弱的原因之一。

但當(dāng)計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展到用可視化軟件開發(fā)應(yīng)用程序，而計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)教育卻忽視這種發(fā)展潮流與技術(shù)進(jìn)步(現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)公共核心課程沒有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容)，這只能使我們的應(yīng)用軟件的開發(fā)水平仍停留在上世紀(jì)70年代的字符表現(xiàn)水平上。因此，計(jì)算機(jī)本科教育中，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)配置的常用工具是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的必要條件，這當(dāng)然包括讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)有用工具。

4.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是嫁接多學(xué)科的橋梁，是科學(xué)研究思維能力訓(xùn)練的延續(xù)與有效方法之一

大學(xué)的教育，除了要求學(xué)生掌握一門專業(yè)的系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識與應(yīng)用外，關(guān)鍵是要掌握“根據(jù)任務(wù)與需要，學(xué)會從中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出解決問題的方法，建立解決問題的數(shù)學(xué)模型，直至用物理實(shí)驗(yàn)或軟件編程的方法解決發(fā)現(xiàn)的問題”這種工作能力以及繼續(xù)學(xué)習(xí)深造的能力。只有這樣，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生才具備自我獲取知識和探索解決問題的能力，并使自己在新的工作崗位上做到既是計(jì)算機(jī)方面的專家，也是行業(yè)領(lǐng)域的專家助手，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生才能更好的服務(wù)于社會，造福于自己。

什么樣的課程能做到使他們具備自我獲取知識和探索解決問題的思維能力？傳統(tǒng)上大學(xué)物理與數(shù)學(xué)課程的教育是培養(yǎng)這一方法的有效途徑。因?yàn)槲锢韺W(xué)是蘊(yùn)藏科學(xué)方法論的寶庫，物理不僅包含了物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)蘊(yùn)涵了豐富的哲理和研究、思維方法，對于培養(yǎng)創(chuàng)新思維有著獨(dú)特的優(yōu)勢。這種獨(dú)特的優(yōu)勢地位決定了大學(xué)物理在培養(yǎng)全面發(fā)展型人才中的特殊作用。顯然，知識的內(nèi)容是有限的，而思維的創(chuàng)造力是無限的。物理學(xué)若干世紀(jì)以來的輝煌成就，使之創(chuàng)造了一整套行之有效的思想方法和研究方法，據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，在300種通用的科學(xué)方法中，物理學(xué)包含170種，占56．7%。在大學(xué)物理課程中，學(xué)生可以接觸到實(shí)驗(yàn)的方法、觀察的方法、科學(xué)抽象的方法、理想模型的方法、科學(xué)歸納的方法、類比的方法、演繹的方法、統(tǒng)計(jì)的方法、證明和反駁的方法、數(shù)學(xué)模型的方法；還可以學(xué)習(xí)到科學(xué)假設(shè)的方法、對稱性分析的方法以及定性和半定量的方法等等。同時(shí)，物理課程中還包含了無數(shù)著名科學(xué)大師許多深刻的物理思想和精妙的哲學(xué)思辯，尤其隨處可見前輩科學(xué)破除權(quán)威，敢于懷疑，大膽創(chuàng)新的許多生動(dòng)鮮活的事例。這些閃耀人類智慧光芒的科學(xué)方法和科學(xué)精神，對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新意識，都會產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響，起到其他課程無法替代的作用[3]。

但傳統(tǒng)上計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容的安排中斷了高等數(shù)學(xué)與大學(xué)物理的學(xué)習(xí)與后續(xù)計(jì)算機(jī)課程學(xué)習(xí)的相互關(guān)系，一些搞計(jì)算機(jī)工作的人員會片面地認(rèn)為不學(xué)物理與高等數(shù)學(xué)也一樣能學(xué)好計(jì)算機(jī)課程、一樣能從事計(jì)算機(jī)工作。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)是嫁接大學(xué)一年級的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理與三年級計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的有效橋梁，是物理、數(shù)學(xué)知識在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)編程思想的訓(xùn)練，特別是探索解決物理問題的數(shù)學(xué)模型的各種研制方法與思維能力，對各種行業(yè)面臨實(shí)際問題的解決與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的編程具有典型的示范作用——即不同的應(yīng)用領(lǐng)域、待解決的物理問題與性質(zhì)不同，其建模解決問題的方法也不同。這種思維方式能告訴各專業(yè)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的學(xué)生：通過建立軟件系統(tǒng)、并用模型與仿真的方法指導(dǎo)工程實(shí)現(xiàn)(例如實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形顯示)是工程應(yīng)用中的典型方法之一(自動(dòng)控制、通信、雷達(dá)系統(tǒng)工程中都是先用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與仿真方法確定系統(tǒng)工作參數(shù)后，再考慮其具體系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn))，這種思維方式是目前計(jì)算機(jī)公共核心課程與“軟件工程”課程所缺少的。具備這種知識與能力，無疑為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生拓展新的發(fā)展方向、為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生向其他應(yīng)用行業(yè)的轉(zhuǎn)行做好了思想準(zhǔn)備。

4.6 計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展是為了應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算等應(yīng)用的典型代表

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)主要以計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的形式出現(xiàn)在人們的日常生活中，是人們生活、學(xué)習(xí)與工作的有效計(jì)算、存儲查詢、娛樂等輔助工具之一。計(jì)算機(jī)科學(xué)除了要探討計(jì)算理論自身的發(fā)展之外，還要探討產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，探討用戶的應(yīng)用與需求；再強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)、功能更全面的開發(fā)工具，也需要更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)應(yīng)用課題做支撐，這是計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的兩條主線。計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心教育僅局限于計(jì)算理論自身的發(fā)展是不完善的，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、3D游戲、圖形標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)仿真(如天氣預(yù)報(bào)、大規(guī)模地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)處理、模擬原子彈爆炸與理論設(shè)計(jì)、模擬汽車碰撞、電磁輻射設(shè)計(jì)、計(jì)算流體力學(xué)等應(yīng)用都需要用圖形方式表達(dá)其結(jié)果)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域的大量應(yīng)用，代表了當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展水平，是推動(dòng)計(jì)算科學(xué)向前發(fā)展的源動(dòng)力之一，不能再被計(jì)算機(jī)教育界所忽視。

基于以上理由，相信計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為計(jì)算機(jī)公共核心課程是可行的！

未經(jīng)授權(quán)，謝絕在公開的商業(yè)出版物中復(fù)制、引用本文之觀點(diǎn)與內(nèi)容。

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