徐東紅 中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221116

3D計算機(jī)游戲程序設(shè)計語言教學(xué)的探索與實(shí)踐

徐東紅 中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221116

3D計算機(jī)游戲是融合了技術(shù)、藝術(shù)、商業(yè)的文化產(chǎn)品，更是軟件產(chǎn)品。在課程講授過程中，如何讓技術(shù)開發(fā)與藝術(shù)創(chuàng)造在沖突的理念中相互包容，讓學(xué)生理解3D游戲開發(fā)的理念，掌握游戲開發(fā)的關(guān)鍵知識點(diǎn)與技術(shù)細(xì)節(jié)，并在實(shí)踐中融會貫通，最終形成游戲開發(fā)的專長，就此類問題具體闡述了筆者的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核形式以及教學(xué)效果。

3D游戲編程；OpenGL；教學(xué)模式

1.簡介

近幾年來計算機(jī)游戲發(fā)展的速度與規(guī)模日新月異，其相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用到科研、工程、商業(yè)、藝術(shù)等社會和工業(yè)生產(chǎn)的幾乎一切領(lǐng)域[1]。以3D游戲設(shè)計為基礎(chǔ)的科研與教學(xué)成為越來越多的院校，相關(guān)專業(yè)必修或者選修的專業(yè)課程，同時學(xué)生對于以3D游戲設(shè)計為基礎(chǔ)的相關(guān)專業(yè)知識也越來越感興趣。3D計算機(jī)游戲是融合了3D圖形、圖像及聲音技術(shù)和藝術(shù)的文化產(chǎn)品，同時也是一個軟件產(chǎn)品。對于工科院校的學(xué)生，不僅僅是學(xué)習(xí)一些簡單的語言設(shè)計，而是想以此學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，進(jìn)行更深入的研究與應(yīng)用。因?yàn)槠湎嚓P(guān)知識和技術(shù)的更新、發(fā)展非?？?，只有及時學(xué)習(xí)和掌握新的研究成果并提高實(shí)際應(yīng)用能力，才能為以后的工作與研究奠定基礎(chǔ)。同時計算機(jī)3D游戲軟件的開發(fā)學(xué)習(xí)和一般軟件開發(fā)學(xué)習(xí)有著明顯的不同[2,3]。計算機(jī)3D游戲程序設(shè)計人員不僅需要掌握程序設(shè)計技巧，還需要有堅實(shí)的專業(yè)領(lǐng)域知識，才能有效地生成和實(shí)現(xiàn)游戲的畫面內(nèi)容、音效處理以及與玩家的交互等。作為教授此課程的專業(yè)教師如何選擇相關(guān)3D程序設(shè)計語言、如何讓學(xué)生學(xué)習(xí)過相關(guān)語言后能更進(jìn)一步的深入研究與應(yīng)用、如何把一些研究應(yīng)用至3D游戲?qū)W習(xí)中并在實(shí)踐中融會貫通，最終形成游戲開發(fā)的專長，是計算機(jī)游戲程序設(shè)計課程專業(yè)教師必須要著重的要求。

2 ．3D游戲編程語言，OpenGL與OpenAL組合設(shè)計完美的3D游戲

做3D游戲的設(shè)計開發(fā)，選擇合適的設(shè)計語言極為重要，選擇的設(shè)計語言不僅需要易學(xué)、易用，而且還要要求具有跨平臺、高性能、且有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL是用于開發(fā)簡捷的交互式二維和三維圖形應(yīng)用程序的最佳選擇，任何高性能的圖形應(yīng)用程序，從3D動畫、CAD輔助設(shè)計到可視化仿真，都可以利用OpenGL高質(zhì)量、高性能的特點(diǎn)。OpenGL強(qiáng)有力的圖形函數(shù)不要求開發(fā)人員把三維物體模型的數(shù)據(jù)寫成固定的數(shù)據(jù)格式，也不要求開發(fā)人員編寫矩陣變換、外部設(shè)備訪問等函數(shù)，大大地簡化了編寫三維圖形的程序。更重要的是微軟在Windows中包含了OpenGL，OpenGL能夠模擬比較復(fù)雜的三維物體或自然景觀。OpenGL在游戲設(shè)計中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3D圖像的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)中，游戲中另一重要方面是3D音效，完成這一重要功能的是OpenAL。 OpenAL（Open Audio Library）是自由軟件界的跨平臺音效API。它設(shè)計給多通道三維位置音效的特效表現(xiàn)。其 API 風(fēng)格模仿自O(shè)penGL。是為了將Windows商業(yè)游戲移植到Linux上。OpenAL主要的功能是在來源物體、音效緩沖和收聽者中編碼。

3. 在課堂上運(yùn)用OpenGL編3D游戲，結(jié)合典型案例全面分解剖析，讓學(xué)生掌握3D游戲開發(fā)的理念與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)

在課堂教學(xué)中，專門對游戲開發(fā)的基本理念和流程進(jìn)行剖析，在學(xué)習(xí)過知識點(diǎn)后，針對具體學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)采用流行及典型的三維的游戲的案例，在游戲創(chuàng)意及具體編程代碼層面上進(jìn)行層層分解剖析，以“解剖麻雀”的方式來講解游戲產(chǎn)品的組成以及游戲產(chǎn)品的開發(fā)流程，幫助學(xué)生理解和掌握3D游戲程序設(shè)計的方法和思想。在學(xué)生掌握知識點(diǎn)后，讓學(xué)生發(fā)揮自己的想象力去設(shè)計和實(shí)現(xiàn)具體的例子，并在開放式討論中進(jìn)行詳細(xì)的講解。下面通過一個案例來說明如何將將典型案例進(jìn)行全面分解剖析，讓學(xué)生掌握3D游戲開發(fā)的理論，達(dá)到良好的教學(xué)效果。案例：在課堂上中學(xué)習(xí)過運(yùn)用OpenGL繪制多邊形、設(shè)置不同色彩、平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等技術(shù)后，把各種技術(shù)組合使用，設(shè)計了在各種3D虛擬及游戲中常用的一種機(jī)器人，該機(jī)器人由頭部、手臂、軀干、腿等不同形狀和色彩的幾何圖像組成，且各組成部分相互協(xié)調(diào)進(jìn)行行走，轉(zhuǎn)動。由于篇幅有限，源程序代碼過長，用OpenGL和C++設(shè)計的機(jī)器人部分代碼如下。計算法的枯燥、沉悶的傳統(tǒng)教學(xué)法，嘗試開放式教學(xué)內(nèi)容；提問式講課；無標(biāo)準(zhǔn)答案的課程設(shè)計；查找文獻(xiàn)，分組動手實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計等參與式教學(xué)方法，培養(yǎng)和發(fā)揚(yáng)學(xué)生的參與意識，通過參與式教學(xué)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和效率，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

在具體案例教學(xué)中，采用問題教學(xué)法、引導(dǎo)式教學(xué)法和參與式教學(xué)法。在問題教學(xué)法中，圍繞3D游戲程序設(shè)計的知識模塊，在引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種各樣問題的前提下，傳授知識。教學(xué)活動中，嘗試3D程序設(shè)計知識圍繞實(shí)際問題而展現(xiàn)，使問題不僅成為激發(fā)學(xué)生求知欲的前提，也成為學(xué)生期盼、理解和吸收知識的前提，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造動機(jī)和創(chuàng)造性思維。在引導(dǎo)式教學(xué)法中，給出相似模塊的編程思想有具體的編程代碼，讓學(xué)生去模仿和創(chuàng)造，比如在給出的案例中在講解過用OpenGL設(shè)置機(jī)器人頂部方法后，讓同學(xué)們模仿此代碼設(shè)計繪制立方體的前面、后面、底面、左面和右面的代碼，并強(qiáng)調(diào)方法與頂部設(shè)計相同，僅是參數(shù)里面的數(shù)值不同。在講解設(shè)置機(jī)器人手臂方法后，讓同學(xué)們模仿給出的實(shí)際代碼設(shè)計繪制機(jī)器人其他的部位如頭部、軀干、腿等部位的代碼，并強(qiáng)調(diào)方法與手臂設(shè)計相同，僅是與設(shè)計手臂的立方體大小不同，同時為了區(qū)別不同部位，可以設(shè)置不同的色彩，達(dá)到綜合美觀3D的效果。在參與式教學(xué)中，打破3D設(shè)

4.介紹游戲引擎，通過開放式課后作業(yè)、游戲開發(fā)實(shí)踐、科研訓(xùn)練相結(jié)合，把多學(xué)科交叉的知識點(diǎn)和技能進(jìn)行融會貫通

“工欲善其事 必先利其器”，為了開發(fā)應(yīng)用，在掌握了語言設(shè)計知識點(diǎn)后，把語言與具體的引擎結(jié)合，更能用于控制所有游戲功能的主程序，從計算碰撞、物理系統(tǒng)和物體的相對位置，到接受玩家的輸入，以及按照正確的音量輸出聲音等等。在學(xué)習(xí)OpenGL設(shè)計時，給同學(xué)們講解3D建模的引擎如Ogre、Maya、Softimage等的使用方法，在學(xué)習(xí)OpenAL 3D聲音設(shè)計時，給同學(xué)們介紹常見的聲音引擎如BASS、MikMod、FMOD、ModPlug、Miles Sound System、EAX、Dolby Encoding等在設(shè)計3D聲音時要注意的事項(xiàng)，要求同學(xué)們在3D建模引擎和聲音引擎中掌握一至二種，并把同學(xué)們分成項(xiàng)目組，給每個項(xiàng)目組布置和科研相關(guān)的題目，或者前沿的設(shè)計，如“基于OpenGL的礦井機(jī)器人操作可視化等。另一個方面是在學(xué)期結(jié)束前一周，每個小組將所開發(fā)的游戲進(jìn)行演示交流，任課老師和其它小組的學(xué)生提出進(jìn)一步完善的建議，并督促每個小組進(jìn)行整改。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐證明，通過逐步引導(dǎo)學(xué)生在“做”游戲產(chǎn)品的過程中，把所游戲開發(fā)所涉及的多學(xué)科知識進(jìn)行融會貫通，由點(diǎn)及面地逐步掌握游戲開發(fā)的高級技能，是讓學(xué)生在游戲開發(fā)方面一步一個腳印地邁向更高層次的有效途徑之一?？傊?，把游戲開發(fā)實(shí)踐、科研訓(xùn)練相結(jié)合，極大地提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研基本素質(zhì)。

圖1

5.結(jié)語

針對3D游戲設(shè)計的課程特點(diǎn)，積極開展游戲開發(fā)實(shí)踐教學(xué)、研究型教學(xué)、科研訓(xùn)練型學(xué)習(xí)，提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的研究與實(shí)踐。我們的教學(xué)研究與實(shí)踐主要內(nèi)容包括三個方面：結(jié)合典型案例全面分解剖析，讓學(xué)生掌握3D游戲開發(fā)的理念與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)和成體系的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練；游戲引擎介紹與應(yīng)用以及多學(xué)科交叉的知識點(diǎn)和技能相對接的科研訓(xùn)練。這三個主要方面，層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，是體系完整的創(chuàng)新型3D游戲設(shè)計語言教學(xué)實(shí)踐，并在教學(xué)中取得了令人滿意效果。

[1]于延,王建華.游戲軟件設(shè)計專業(yè)培養(yǎng)模式的實(shí)踐與探索[J].計算機(jī)教育.2010(7):104-107

[2]田興彥,王嘉.基于3D 游戲引擎的物理探究學(xué)習(xí)平臺設(shè)計[J].微計算機(jī)信息.2010(26):3-6

[3]劉青,劉銳.基因工程虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù).2006(5):60-64

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.073

國家重大專項(xiàng)“核高基”（No. 2009ZX01043-001-07）項(xiàng)目，中國礦業(yè)大學(xué)青年基金項(xiàng)目(No.2009A050)，中國礦業(yè)大學(xué)“啟航計劃”項(xiàng)目

徐東紅（1977-），男，博士，講師，研究方向?yàn)?D虛擬程序語言設(shè)計，服務(wù)計算，形式化方法。