魏海濤 陳芳信 蔡益朝 賓雪蓮 魯漢榕

摘要:全民信息化社會(huì)的建設(shè),需要讀者學(xué)習(xí)算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的知識(shí),更應(yīng)該掌握計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真的原理,這樣才能使計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)中的應(yīng)用走向深入,才能搞好CAD與科學(xué)計(jì)算、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)工業(yè)信息化的建設(shè)。本文針對(duì)國內(nèi)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)中存在的幾個(gè)問題,提出用成熟的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容彌補(bǔ)這些不足,并使國內(nèi)多年的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)式教學(xué)培養(yǎng)模式走向了科學(xué)理念式教學(xué)培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞:工業(yè)信息化;計(jì)算機(jī)教育;計(jì)算機(jī)圖形學(xué);計(jì)算機(jī)仿真;程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

2008年11月1日,在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)第三次全體會(huì)議上,教育部高等教育司理工處李茂國處長指出:“我國的工業(yè)發(fā)展正處于轉(zhuǎn)折期,這一轉(zhuǎn)折的重要特點(diǎn)是信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的改造,這就提出了信息化技術(shù)如何更好地滲透到其他學(xué)科的問題……高等理工科教育要為工業(yè)化的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)改造提供支撐,要為這一轉(zhuǎn)折培養(yǎng)大批合格的人才。特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè),要認(rèn)真研究這一轉(zhuǎn)折,不僅要研究如何緊跟學(xué)科和專業(yè)發(fā)展,不斷更新教學(xué)內(nèi)容,更要深入研究如何根據(jù)工業(yè)信息化的需求,加快計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的改造,盡快實(shí)現(xiàn)專業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,真正解決結(jié)構(gòu)失衡的問題”。由此,對(duì)計(jì)算機(jī)教育提出了新要求。

2目前國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育中存在的幾個(gè)問題

2.1計(jì)算機(jī)教學(xué)模式單一

我國計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)模式主要傳承美國大學(xué)的教學(xué)模式,這是因?yàn)槊绹钱?dāng)今世界上計(jì)算機(jī)工業(yè)與計(jì)算機(jī)教育最先進(jìn)、最發(fā)達(dá)的國家。美國的計(jì)算機(jī)教育是基于它在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)、核心地位,并向全世界推銷硬件、軟件產(chǎn)品這一思路而構(gòu)造的計(jì)算機(jī)教育模式,同時(shí)用法律方式來保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán),這是美國計(jì)算機(jī)教育的第一個(gè)特點(diǎn);第二個(gè)特點(diǎn)是全美計(jì)算機(jī)教育體系的完整性,這種教

育對(duì)計(jì)算機(jī)的理論與應(yīng)用的各個(gè)方面都涉及,例如同樣一門計(jì)算機(jī)的主課在各個(gè)學(xué)校的授課都有不同的特點(diǎn)與主攻方向、并有非常多的輔助課與提高課程、參考文獻(xiàn)等供讀者選修,直至指導(dǎo)你走向?qū)W科的最前沿與其商業(yè)開發(fā)等。雖然他們各校的計(jì)算機(jī)的授課不一定很全面、很權(quán)威,但全美各個(gè)學(xué)校的所有計(jì)算機(jī)課程的集合能構(gòu)成計(jì)算機(jī)教育的完整體系,這是他們計(jì)算機(jī)教育多年來自然形成的相互創(chuàng)新競爭機(jī)制、并最后形成均衡發(fā)展勢態(tài)鑄就的成果,是我們?cè)谶M(jìn)行計(jì)算機(jī)教育改革時(shí)不能忽視、目前暫時(shí)沒法做到的兩點(diǎn)。

由于上述按照美國人計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)模式培養(yǎng)人才的教學(xué)體系在國內(nèi)占主導(dǎo)地位,這導(dǎo)致國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育模式單一,絕大部分高等院校培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生具有相同的知識(shí)結(jié)構(gòu)。而中國社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的需求不同于美國社會(huì),中國目前還不可能有像美國那樣的計(jì)算機(jī)硬件工業(yè)與核心軟件商業(yè)公司,也不可能像美國那樣向全球推銷自己的產(chǎn)品等,但國內(nèi)絕大部分的計(jì)算機(jī)需求是計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的開發(fā)、并且各行各業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用有很大差異,而上述單一的計(jì)算機(jī)教育模式無形之中把這種多樣差異的社會(huì)需求排斥在計(jì)算機(jī)的核心教育之外。

教育部計(jì)算機(jī)教指委等部門針對(duì)這一問題,提出計(jì)算機(jī)專業(yè)按照社會(huì)的需求進(jìn)行“分層分類”教育模式,并出臺(tái)了多種計(jì)算機(jī)教學(xué)方案供人們選擇。而要全面解決這一問題,教育思想的轉(zhuǎn)變是計(jì)算機(jī)教育深化改革的前提與關(guān)鍵。

2.2課程教學(xué)內(nèi)容不足

常見很多C語言等教科書被冠名為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程,這類課程明明是介紹算法語言的語句功能、語法與語句的基本操作使用(描述算法的具體實(shí)現(xiàn)過程),初學(xué)者有了這種知識(shí)后,雖能設(shè)計(jì)一些簡單的程序,但由于此時(shí)初學(xué)者沒有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等知識(shí),故他們還不能設(shè)計(jì)功能齊全的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。西方學(xué)者的算法語言教科書一方面是向讀者介紹語句的功能與使用,另一方面為算法語言的編譯系統(tǒng)課程做鋪墊。很多國內(nèi)教科書試圖從算法語言的角度向初學(xué)者闡述這門課程似乎就是程序設(shè)計(jì)的原理或把這種課程冠名為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì),已被證明是不全面的。

計(jì)算機(jī)加工計(jì)算各種數(shù)據(jù),但計(jì)算機(jī)中被處理的數(shù)據(jù)如何在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲(chǔ)、管理并被計(jì)算機(jī)快速檢索得到是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程要解決的主要問題,這個(gè)問題解決得好,能大幅度提高計(jì)算機(jī)解決計(jì)算問題的效率。一般計(jì)算機(jī)專業(yè)都是在算法語言與“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程之后,通過具體大型編程作業(yè)或?qū)嶋H應(yīng)用課題的訓(xùn)練使初學(xué)者掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法。若此時(shí)把缺失的軟件系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型等內(nèi)容都加入到“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)中,試圖使初學(xué)者從理論上直接掌握應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基本方法,則會(huì)遇到如下困難:(1)無足夠的課時(shí);(2)會(huì)改變“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程的授課性質(zhì);(3)是早期不具有多個(gè)大規(guī)模實(shí)用復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的通用教學(xué)案例。這導(dǎo)致國內(nèi)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)停留在經(jīng)驗(yàn)教學(xué)模式上長期徘徊不前。

“軟件工程”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)初學(xué)者從整個(gè)軟件的生命周期出發(fā)、全面介紹軟件開發(fā)過程中要遵循的規(guī)則與采用的基本方法,培養(yǎng)大型軟件項(xiàng)目開發(fā)過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)同能力與組織、管理方法等。但在軟件工程的課堂教學(xué)中,由于前期已講授過的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容缺少好的通用教學(xué)案例作為軟件工程的實(shí)習(xí)對(duì)象,故人們多注重軟件工程內(nèi)容的理論介紹,輕視軟件工程中的案例教學(xué),輕視實(shí)際軟件開發(fā)訓(xùn)練與經(jīng)驗(yàn)的積累,結(jié)果往往導(dǎo)致該課程的教學(xué)內(nèi)容空洞,教學(xué)效果欠佳!

計(jì)算機(jī)專業(yè)教育注重學(xué)科的發(fā)展與專業(yè)教學(xué),計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育注重計(jì)算機(jī)應(yīng)用的教學(xué),兩者應(yīng)形成互補(bǔ)之勢。計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的4個(gè)基本領(lǐng)域分別是數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)通信、計(jì)算機(jī)控制。但是國內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)只注重?cái)?shù)據(jù)庫與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué),沿用計(jì)算機(jī)專業(yè)用算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)模式,并以此來代替數(shù)據(jù)計(jì)算與程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué),而非計(jì)算機(jī)專業(yè)的初學(xué)者又沒有計(jì)算機(jī)專業(yè)那樣充足的課程設(shè)計(jì)時(shí)間、并通過實(shí)際應(yīng)用軟件編程訓(xùn)練來掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法,這導(dǎo)致非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員程序設(shè)計(jì)能力的弱化。

3解決問題的方法

新時(shí)期國家工業(yè)信息化建設(shè)對(duì)計(jì)算機(jī)教育提出的新要求,本質(zhì)上是加強(qiáng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用教學(xué),使各行各業(yè)的人員通過選修計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程,能很快地掌握計(jì)算機(jī)的編程原理,尤其是把數(shù)學(xué)建模的結(jié)果(它們描述了用戶解決實(shí)際應(yīng)用問題的數(shù)學(xué)框架)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序,而不是按照傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)培訓(xùn)方案,通過大量的課時(shí)與實(shí)習(xí)等編程訓(xùn)練掌握程序設(shè)計(jì)的基本原理與方法。這樣將使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員能有充裕的時(shí)間把各自研究領(lǐng)域內(nèi)的理論研究問題、解決這些問題的理論模型與成果等轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)據(jù)模型與算法,并能用計(jì)算機(jī)仿真的方法繼續(xù)深入研究各種理論問題與實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作,使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)走向深入,而不是僅僅停留在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種行業(yè)的累積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、查詢與聯(lián)網(wǎng)通信等工作層面上,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程可以較好的承擔(dān)這個(gè)重任,理由如下。

3.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是用計(jì)算機(jī)仿真的方法在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)三維圖形的顯示

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育的核心內(nèi)容是:①通過建立描述自然景觀(虛幻世界)的幾何數(shù)據(jù)模型(包括其運(yùn)動(dòng)、變形與碰撞檢測)、確定幾何模型表面上每點(diǎn)的顏色與亮度的諸多物理數(shù)學(xué)模型(燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質(zhì)模型與紋理模型等)、顯示圖形的照相機(jī)模型與圖像的融和算法等,或仿真光線在物體之間的相互傳播以確定物體表面上每點(diǎn)的顏色與亮度進(jìn)而在照相機(jī)中產(chǎn)生的顯示效果(即光線跟蹤算法、輻射度算法)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(即紋理映射算法),以達(dá)到用編程的方法把這些模型的描述數(shù)據(jù)通過仿真算法轉(zhuǎn)換成在計(jì)算機(jī)顯示器中顯示自然景觀圖像的目的。②在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,光線傳播所涉及的所有物理現(xiàn)象均能成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象,它們構(gòu)成了光線傳播仿真實(shí)驗(yàn)所需要的仿真系統(tǒng)。③人們通過比較計(jì)算機(jī)生成的三維圖形的顯示效果與實(shí)際照片的差異,可不斷提出用新的數(shù)學(xué)模型與仿真算法等對(duì)其已有的計(jì)算模型進(jìn)行漸進(jìn)改進(jìn),使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)仿真過程不斷的逼近現(xiàn)實(shí)物體模型(包括剛體、軟體、流體、氣體)的構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)和變形與反光效果的顯示這一真實(shí)的物理變化過程。④即人們很好的用計(jì)算機(jī)仿真的4個(gè)典型過程——系統(tǒng)、建模、仿真算法、評(píng)估說明了各種圖形在計(jì)算機(jī)中的生成過程。這里所謂仿真算法即把數(shù)學(xué)計(jì)算模型中模型描述數(shù)據(jù)的計(jì)算處理步驟與方法等用算法語句逐個(gè)描述,并用基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法動(dòng)態(tài)地描述、保存待處理模型數(shù)據(jù)的代碼集合,此仿真算法即讀者學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程后的主

要實(shí)習(xí)任務(wù)與練習(xí)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的上述全新定義與主要過程,很好地說明了該學(xué)科本質(zhì)屬計(jì)算機(jī)仿真的一種基本形式。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容很好的展示了科學(xué)計(jì)算的基本內(nèi)涵。這是因?yàn)榭茖W(xué)計(jì)算就是用計(jì)算機(jī)處理科學(xué)研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學(xué)計(jì)算問題,而計(jì)算機(jī)仿真是科學(xué)研究中常用的一種基本方法,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)屬于計(jì)算機(jī)仿真的一種基本形式并在工程實(shí)踐中有大量的應(yīng)用,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所涉及的各種建模都是各類數(shù)學(xué)工具與方法的具體應(yīng)用,對(duì)計(jì)算機(jī)圖形進(jìn)行基本的運(yùn)算處理即對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行各種處理,這種處理屬典型的數(shù)學(xué)計(jì)算問題,由此首次證明了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為科學(xué)計(jì)算的一種典型的具體應(yīng)用形式與載體。當(dāng)然,更全面的科學(xué)計(jì)算工具,可以通過學(xué)習(xí)Matlab軟件來獲得。

3.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程講授的程序設(shè)計(jì)基本方法對(duì)應(yīng)用軟件的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義

所謂計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)即約定對(duì)多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行的各種處理方法,并用算法語言的語句正確地描述這種處理過程所形成的代碼集合,這通常被簡稱為“程序設(shè)計(jì)=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”。這里有幾個(gè)問題是該定義所應(yīng)包含的內(nèi)容:①該程序設(shè)計(jì)定義所涉及的數(shù)據(jù)與處理方法是數(shù)學(xué)模型的映射,它不是從天上掉下來的。歸根到底,數(shù)學(xué)模型是應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);②程序編碼之前,要理清這多個(gè)數(shù)學(xué)模型之間的相互關(guān)系、特別是它們是否能有效的解決用戶待解決的問題;③編程的代碼是固定的,應(yīng)提交給計(jì)算機(jī)并被計(jì)算機(jī)執(zhí)行;而用戶待處理的問題通常用模型數(shù)據(jù)來描述,顯然程序自動(dòng)運(yùn)行所涉及的數(shù)據(jù)處理流程也是程序設(shè)計(jì)必需全面考慮的基本問題,這個(gè)數(shù)據(jù)處理流程一般不被上述各數(shù)學(xué)模型所包含。即要用編程的方法處理用戶提交待解問題的模型描述數(shù)據(jù)、在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中保存并動(dòng)態(tài)管理這些模型的描述數(shù)據(jù)、編程處理這些模型描述數(shù)據(jù)并保存運(yùn)算處理之后的結(jié)果數(shù)據(jù)、最后輸出顯示整個(gè)問題的處理結(jié)果,這4個(gè)基本過程是一個(gè)完整自動(dòng)運(yùn)行的商業(yè)軟件所具有的最基本的結(jié)構(gòu),它正確地反映了程序設(shè)計(jì)所涉及的軟件系統(tǒng)與軟件結(jié)構(gòu)的基本概念。該內(nèi)容的介紹是目前多數(shù)算法語言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程所欠缺的,缺少大型應(yīng)用軟件編程訓(xùn)練的初學(xué)者一般缺少這種軟件系統(tǒng)與軟件結(jié)構(gòu)的基本概念,這是導(dǎo)致初學(xué)者程序設(shè)計(jì)概念不全的原因之一。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)是這樣解決應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基本方法并使讀者獲得計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成圖形的完整概念:①在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,由于二維圖形的簡單性,它非常適用于向初學(xué)者介紹軟件系統(tǒng)的概念。二維圖形主要是點(diǎn)、直線、曲線、實(shí)面積多邊形與顏色等概念,它主要以數(shù)學(xué)上的幾何模型表現(xiàn)形式出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示屏中,文獻(xiàn)[2]主要用線段圖型的生成、實(shí)面積圖形的生成、圖形的基本運(yùn)算(包括幾何變換與集合運(yùn)算)、圖形的觀察運(yùn)算(相當(dāng)于三維圖形的照相機(jī)模型的功能)、圖形的數(shù)據(jù)輸入(包括編程輸入數(shù)據(jù)、交互輸入數(shù)據(jù)、文件輸入數(shù)據(jù))、圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)處理流程等6章完整的講解二維圖形軟件系統(tǒng)的概念,該內(nèi)容很好的說明了“軟件系統(tǒng)是一個(gè)能自動(dòng)運(yùn)行的綜合執(zhí)行程序,它能從輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理、輸出等方面全面處理用戶在某個(gè)領(lǐng)域中解決特定問題而提出的諸多數(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、使用范圍與系統(tǒng)流程”。②三維圖形學(xué)主要是用計(jì)算機(jī)仿真的方法實(shí)現(xiàn)三維圖形的顯示,而計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵在仿真模型的創(chuàng)建上,并理清各模型之間的相互關(guān)系。顯然,三維圖形中的幾何模型(即點(diǎn)、線、面、體、場)的運(yùn)動(dòng)、變形與碰撞檢測等能很好的表示現(xiàn)實(shí)世界中各種物體(物質(zhì))運(yùn)動(dòng)等物理概念,燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質(zhì)模型、紋理模型等能很好的描述物體表面各點(diǎn)的反光顏色與亮度等物理過程,或用光線跟蹤算法、輻射度算法來仿真光線的傳播過程以確定物體表面上每點(diǎn)的顏色與亮度,照相機(jī)模型能把場景中的物體三維幾何模型描述數(shù)據(jù)投影變換成二維幾何模型數(shù)據(jù)、裁剪超出顯示范圍的幾何模型數(shù)據(jù),并調(diào)用二維圖形的生成算法等生成對(duì)應(yīng)的圖像顯示效果、或把紋理照片映射致物體表面上所形成的顯示效果;當(dāng)物體的幾何模型、燈光模型、照相機(jī)模型運(yùn)動(dòng)之后,并在照相機(jī)模型中連續(xù)顯示對(duì)應(yīng)場景中的圖像,就是人們所期待的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫效果。③編程實(shí)現(xiàn)時(shí),利用二維圖形所建立的軟件系統(tǒng)的概念,把三維圖形模型的數(shù)學(xué)描述方法轉(zhuǎn)換成程序代碼,并把模型的描述數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)約定的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等圖形文件中,再編程實(shí)現(xiàn)向動(dòng)畫師提供操作這些模型的運(yùn)動(dòng)、變形等控制方法與手段(即計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理方法),動(dòng)畫師等用戶就能從最后的照相機(jī)模型中得到所期待的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫結(jié)果,此即國內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容。若用戶實(shí)時(shí)操作這些模型運(yùn)動(dòng)并具有故事情節(jié),還要求實(shí)時(shí)生成對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫,同時(shí)配上聲音、操縱桿(體驗(yàn)力反饋)等多媒體效果,加上聯(lián)網(wǎng)功能,就形成了計(jì)算機(jī)3D游戲。3D游戲是對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的一種仿真,該技術(shù)的重點(diǎn)在于對(duì)場景模型、多媒體數(shù)據(jù)與聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理與驅(qū)動(dòng)(又稱3D引擎技術(shù))。

由此可見,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的全部教學(xué)內(nèi)容,很好地向讀者貫徹了計(jì)算理論中已有的“可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提”的三個(gè)條件:①待解問題被系統(tǒng)與模型形式化方法所描述;②這些描述被轉(zhuǎn)化成一個(gè)可執(zhí)行的綜合算法;③算法要有合理的復(fù)雜度。即通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課,能使初學(xué)者掌握數(shù)據(jù)計(jì)算類型的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)基本方法與計(jì)算機(jī)仿真過程的基本規(guī)律,這種教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)具有普遍適用性與重要的指導(dǎo)作用。這一教育思想文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)得到充分有效地展現(xiàn)。

3.3把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)教育的公共核心課程,能彌補(bǔ)現(xiàn)行計(jì)算機(jī)教育中存在的多項(xiàng)不足

國內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育經(jīng)過20多年的發(fā)展,其教學(xué)內(nèi)容主要以“光線在自然界與照相機(jī)中的傳播從而產(chǎn)生圖形的顯示效果”為主題進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真與程序設(shè)計(jì)等相關(guān)教育,而目前美國人計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課內(nèi)容主要還停留在圖形標(biāo)準(zhǔn)的介紹上,他們沒有把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程,這是因?yàn)樗麄儼颜麄€(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科內(nèi)容劃分過細(xì),導(dǎo)致他們對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的作用與地位認(rèn)識(shí)不到位所致。例如僅停留在算法的層面上介紹二維、三維圖形的生成,而不是在數(shù)學(xué)建模這個(gè)各學(xué)科通識(shí)的層面上介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的各種問題與解決這些問題的方法,且人為地把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象如物體幾何模型的構(gòu)建與其圖形顯示分解成計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這兩門課程,這直接導(dǎo)致圖形學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容缺少被處理的圖形顯示對(duì)象,加之計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程與圖形學(xué)的教育又沒有軟件系統(tǒng)的概念,這樣安排雖然能滿足圖形標(biāo)準(zhǔn)等商業(yè)軟件的發(fā)展需求,但卻很難讓初學(xué)者全面掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科系統(tǒng)性的概念、思想和方法與學(xué)科發(fā)展的基本規(guī)律。需要說明:①美國人這種圖形學(xué)授課內(nèi)容的不足在于它易給人這種印象:好像計(jì)算機(jī)繪圖、信息數(shù)據(jù)的可視化就是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的全部內(nèi)容。事實(shí)上,顯示各種圖形是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最終目的,這種圖形顯示是程序數(shù)據(jù)輸出的外在表現(xiàn);而實(shí)現(xiàn)這種目的的基本原理、方法與編程過程等才是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)在本質(zhì),該內(nèi)在本質(zhì)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基本方法;圖形標(biāo)準(zhǔn)是解決計(jì)算機(jī)圖形學(xué)全部研究問題的一個(gè)子集,故圖形標(biāo)準(zhǔn)很難承擔(dān)向初學(xué)者介紹清楚計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展基本規(guī)律的重任;②一門講授圖形標(biāo)準(zhǔn)原理課程的教學(xué)內(nèi)容不能反映出美國人在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)上所取得的全部成果與教學(xué)水平,但這門課程講授的計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成顯示圖形的概念不完整,卻足以讓初學(xué)者對(duì)該課程的學(xué)習(xí)喪失信心。實(shí)際上,讀者只有用幾何模型等數(shù)據(jù)調(diào)用圖形標(biāo)準(zhǔn)并編程上機(jī)實(shí)習(xí),才能獲得計(jì)算機(jī)生成圖形的概念。③由于美國人在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)上取得的絕對(duì)領(lǐng)先地位,他們的這種教育思想長期以來主導(dǎo)國際學(xué)術(shù)界(因?yàn)檫@促使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)朝通用實(shí)時(shí)圖形顯示這一專項(xiàng)計(jì)算工具方向快速發(fā)展并創(chuàng)造了巨大的商機(jī)),并深深地影響了國內(nèi)外許多高校的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育工作者。照此傳授該課程之后,人們覺得計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課內(nèi)容沒有達(dá)到讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成圖形這一目的、這門課就講授完畢,這似乎很難理解、并得出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程難教難學(xué)、不成熟的結(jié)論,甚至做出在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中取消對(duì)初學(xué)者傳授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)的決定,這實(shí)為沒有全部掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科體系的精髓。這是目前中外計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育的主要差別。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)學(xué)科應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向,學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程之后,有利于讀者向科學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、信息數(shù)據(jù)的可視化、動(dòng)畫與游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字娛樂、數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字制造等計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)方向發(fā)展。事實(shí)上,根據(jù)本文對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的新定義,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是這些計(jì)算機(jī)典型應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)課程,這些行業(yè)都是我國工業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)的典型代表,遺憾的是這些計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)目前多都沒有被包含在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)教育目錄中。

顯然,國內(nèi)算法語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程等課程的教學(xué)內(nèi)容與方法非常成熟,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)很好地將這些課程銜接起來,由此構(gòu)成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教育的完整教學(xué)體系。

4結(jié)束語

綜上所述,是國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育體系的不健全導(dǎo)致國內(nèi)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)與應(yīng)用發(fā)展的不平衡,這既與我們的計(jì)算機(jī)發(fā)展水平有關(guān)、也與我們計(jì)算機(jī)教育的指導(dǎo)思想對(duì)其應(yīng)用不夠重視有關(guān)。經(jīng)多年的努力,我們?cè)趪鴥?nèi)外率先健全并理順了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程知識(shí)體系與教學(xué)內(nèi)容,有效地克服了國外以圖形標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課的主要內(nèi)容、由此帶來人們對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)體系結(jié)構(gòu)如研究對(duì)象、研究方法、編程實(shí)現(xiàn)、工業(yè)應(yīng)用等問題認(rèn)識(shí)不足而產(chǎn)生的局限性;而向?qū)W習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)的讀者普及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程教學(xué),可以為解決以往計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育不直接解決用戶面臨的實(shí)際應(yīng)用問題這種尷尬、彌補(bǔ)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等教育環(huán)節(jié)的缺失、使計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)模式走向科學(xué)理念式教學(xué)培養(yǎng)模式、以及為國家工業(yè)信息現(xiàn)代化建設(shè)等數(shù)據(jù)計(jì)算類型應(yīng)用問題的解決起一個(gè)較好的示范作用。

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