【摘要】計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在地學(xué)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，但該課程卻由于內(nèi)容涵蓋面廣、知識(shí)點(diǎn)眾多、課時(shí)數(shù)量有限等原因在教學(xué)過(guò)程中難以取得滿(mǎn)意的效果。本文對(duì)地學(xué)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)思路與方式進(jìn)行了探討，針對(duì)該課程在地學(xué)數(shù)據(jù)成圖與可視化方面的應(yīng)用特色提出了一系列教學(xué)改革方案。實(shí)施效果表明，這些教改方案能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與綜合應(yīng)用能力。

【關(guān)鍵詞】地學(xué) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 教學(xué)改革

【基金項(xiàng)目】中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 200923。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）10-0144-02

一、引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究如何利用計(jì)算機(jī)顯示和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門(mén)學(xué)科。除了是計(jì)算機(jī)與信息相關(guān)學(xué)科的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程外，它也是許多非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科一項(xiàng)重要的專(zhuān)業(yè)限選/選修課程[1]。在以地學(xué)專(zhuān)業(yè)為主的中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)也得到了相當(dāng)?shù)闹匾?。以地空學(xué)院為例，其下屬的兩個(gè)專(zhuān)業(yè)地球物理與地球信息科學(xué)的教學(xué)大綱中都明確開(kāi)設(shè)了這門(mén)課程。但與其他兄弟院系一樣，該課程教學(xué)中所達(dá)到的實(shí)際效果卻并不盡如人意。一方面，地質(zhì)制圖以及地學(xué)數(shù)據(jù)的圖形表現(xiàn)等知識(shí)在學(xué)生本科畢業(yè)后從事的地學(xué)應(yīng)用工作中占有重要成分；另一方面，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)本身所講述的內(nèi)容又無(wú)法滿(mǎn)足地學(xué)專(zhuān)業(yè)工作、科研的需要[2]。隨著時(shí)間的推移，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程所處的地位日漸尷尬，將其從教學(xué)計(jì)劃中取消固然不妥，但又確實(shí)達(dá)不到應(yīng)有的效果。認(rèn)真分析其原因主要有如下兩點(diǎn)：

1.從課程的定位來(lái)看，作為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)本身定位于使用數(shù)學(xué)算法構(gòu)造圖形的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)圖形的顯示和處理。數(shù)學(xué)建模與算法實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心與基礎(chǔ)[3]。該課程涉及的內(nèi)容也非常之多，包括圖形生成技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助制圖，計(jì)算機(jī)視覺(jué)等部分[4]。然而作為一個(gè)主要培養(yǎng)地學(xué)領(lǐng)域人才的高等院校，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在地學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用集中于數(shù)據(jù)制圖與數(shù)據(jù)可視化處理。即要求學(xué)生能夠具備一定計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠使用計(jì)算機(jī)對(duì)地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制與表現(xiàn)，進(jìn)一步生產(chǎn)出社會(huì)所需求的各種圖形產(chǎn)品包括二維地質(zhì)圖以及三維造型，場(chǎng)景演示視頻等。因此可見(jiàn)，課程定位與專(zhuān)業(yè)需求存在著一定的差別。

2.從教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容上來(lái)看，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)基本以清華大學(xué)孫家廣院士主編的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》內(nèi)容為范本。教學(xué)內(nèi)容大部分重點(diǎn)集中于圖形生成算法，圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互、曲線(xiàn)曲面造型、真實(shí)感圖形生成與顯示算法等章節(jié)[5]。這其中的許多知識(shí)點(diǎn)都與地學(xué)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用無(wú)關(guān)。此外，地學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生往往在離散數(shù)學(xué)、算法邏輯等方面基礎(chǔ)較為薄弱。這就導(dǎo)致授課老師要花更多的時(shí)間來(lái)將這些知識(shí)點(diǎn)講授清楚，但學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中卻逐漸失去興趣。

上述主要原因使得我校地學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)中的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)意的效果。特別是由于課程的一些內(nèi)容或章節(jié)與專(zhuān)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用偏離太多，更造成了學(xué)生們應(yīng)付考試，老師們照本宣科的現(xiàn)象。許多講授該課程的老師都或多或少的意識(shí)到了這一點(diǎn)，他們努力在教學(xué)過(guò)程中做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，但卻苦于缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)思想。

基于此，在校方支持下，筆者與其他授課老師一起開(kāi)展了面向地學(xué)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革活動(dòng)。在這次改革中，老師們將自己的授課經(jīng)歷進(jìn)行了分享，并著重對(duì)地學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，然后通過(guò)討論交流提出了一系列改革方案。最后將這些方案措施在教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐證明，教改方案可以有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并引導(dǎo)他們將理論知識(shí)充分運(yùn)用到實(shí)際問(wèn)題中，有利于培養(yǎng)地學(xué)專(zhuān)業(yè)高素質(zhì)人才[6]。

二、改革措施

首先，此次課程改革的目的很明確，即為地學(xué)或地學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生量身打造適合他們需要的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程。該課程的教學(xué)必須真正貼近專(zhuān)業(yè)的需要，不再流于形式，為學(xué)生將來(lái)的工作與研究深造打下良好的基礎(chǔ)。具體的改革措施總結(jié)如下：

1.深入了解我校地學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)院系的專(zhuān)業(yè)需求，討論并制訂面向地學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容涉及到數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科[7]。每個(gè)學(xué)科又涉及到一些相對(duì)抽象的理論與復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)。這些內(nèi)容均使得地學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)掌握。此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一些教學(xué)安排與現(xiàn)實(shí)也存在一定的脫節(jié)。如許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中會(huì)要求學(xué)生去實(shí)現(xiàn)基本圖形的生成算法，對(duì)許多非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生而言，這一做法的必要性值得商榷。因?yàn)榫推鋵?zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，大部分的圖形生成算法實(shí)現(xiàn)都已經(jīng)固化到了計(jì)算機(jī)硬件（顯卡、GPU）中，現(xiàn)實(shí)工作中極少場(chǎng)合需要編程實(shí)現(xiàn)這些已經(jīng)非常成熟的算法[8]。

就地學(xué)專(zhuān)業(yè)以及大多數(shù)工科應(yīng)用專(zhuān)業(yè)而言，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程更多是為了直接滿(mǎn)足應(yīng)用上的需要，而不是將其作為一個(gè)研究基礎(chǔ)。因此經(jīng)過(guò)筆者及其他老師們的討論一致認(rèn)為，對(duì)于我校地學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)一個(gè)原則，即：突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)有用。借鑒華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成功與機(jī)械制圖，機(jī)械輔助設(shè)計(jì)等方面知識(shí)緊密結(jié)合起來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。決定將我校的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程安排充分與地學(xué)中的地質(zhì)制圖、GIS圖形標(biāo)注與編輯、地球探測(cè)信息可視化等應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)，注重其實(shí)用性。

在教學(xué)大綱的制定中筆者提出應(yīng)遵循從“應(yīng)用-理論-應(yīng)用”的法則。即首先讓學(xué)生對(duì)地學(xué)類(lèi)通用制圖及相關(guān)繪圖軟件如MapGIS、Grapher、Surfer等進(jìn)行操作和理解，然后老師找出其中的圖形學(xué)理論點(diǎn)進(jìn)行講述，最后再引導(dǎo)學(xué)生將這些理論點(diǎn)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。比如通過(guò)對(duì)Grapher數(shù)據(jù)曲線(xiàn)繪制的講述，引入曲線(xiàn)的插值、擬合生成理論。最后給出若干插值點(diǎn)或型值點(diǎn)坐標(biāo)，要求學(xué)生編程生成這些曲線(xiàn)。

2.根據(jù)地學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需要來(lái)分章節(jié)選定參考資料。由于目前市面上的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材并不是為地學(xué)或地學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)服務(wù)的。所以這些計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材往往涵蓋面較廣，既包含計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí)和編程技術(shù)，又包含計(jì)算機(jī)制圖、三維造型和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等方面的原理及應(yīng)用。直接使用這些教材帶來(lái)的后果就是要么老師無(wú)法在一個(gè)限選或選修課所規(guī)定的課時(shí)里面將這些問(wèn)題講述清楚，要么學(xué)生由于內(nèi)容太泛而抓不住重點(diǎn)從而很難達(dá)到應(yīng)有的效果。

在此次教改過(guò)程中，筆者不再拘泥于使用某個(gè)教材。而是在每一個(gè)教學(xué)章節(jié)中為學(xué)生指定若干參考資料，這些資料來(lái)源于若干參考書(shū)籍中所選取的一些合適的章節(jié)。這樣有目的的讓學(xué)生進(jìn)行閱讀從而使他們較好的掌握到這一教學(xué)章節(jié)所涉及到的知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)。如在圖形交互這一章的講解中，筆者分別為學(xué)生選定了《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用技術(shù)》的第二章（交互式圖形軟件設(shè)計(jì)）、《MapGIS教程》第二章（圖形輸入）與第三章（圖形編輯）、《VC++入門(mén)教程》第三章（圖形繪制API介紹）作為參考資料。要求學(xué)生首先從MapGIS制圖操作中直觀(guān)認(rèn)識(shí)圖形交互式操作的方式，然后通過(guò)對(duì)圖形學(xué)中圖形交互的原理技術(shù)的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)VC++的交互式圖形繪制。

3.在實(shí)際授課過(guò)程中根據(jù)學(xué)生所遇到的實(shí)際問(wèn)題和意見(jiàn)來(lái)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。不同地學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)之間對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的需求存在著一定的細(xì)微差別。如有些專(zhuān)業(yè)可能對(duì)三維可視化的要求較高，學(xué)生想更多的了解到這個(gè)方面的原理知識(shí)；有些專(zhuān)業(yè)可能要求能夠講授一些有關(guān)仿真動(dòng)畫(huà)方面的知識(shí)。因此，在實(shí)際授課過(guò)程中，老師們應(yīng)充分考慮到每個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需要，在課程安排上做出一些改動(dòng)和調(diào)整。

筆者在此次教學(xué)改革中提出可提前在教學(xué)安排中預(yù)設(shè)選講內(nèi)容的做法得到了許多老師們的認(rèn)同。如在近幾年的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課過(guò)程中，不斷有學(xué)生或其他專(zhuān)業(yè)老師反映希望講解一下MATLAB中的繪圖函數(shù)的應(yīng)用。因此筆者就將這一部分預(yù)設(shè)為選講內(nèi)容，在講授到圖形學(xué)曲線(xiàn)曲面這一章節(jié)時(shí)，根據(jù)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)及其學(xué)習(xí)基礎(chǔ)向?qū)W生們提出是否需要學(xué)習(xí)MATLAB中對(duì)曲線(xiàn)曲面數(shù)據(jù)展現(xiàn)的應(yīng)用，當(dāng)學(xué)生們表現(xiàn)出興趣時(shí)再將這一預(yù)設(shè)內(nèi)容進(jìn)行講授。

三、成果與總結(jié)

在校方的重視與支持下，歷時(shí)3年的地學(xué)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革取得了顯著的成效。其主要表現(xiàn)在：

1.極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過(guò)教學(xué)改革后的圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生們工作實(shí)習(xí)中所應(yīng)用的軟件發(fā)生了緊密關(guān)聯(lián)，而圖形類(lèi)的這些應(yīng)用軟件無(wú)論是三維建模、還是動(dòng)畫(huà)制作都極大的激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，學(xué)生們也學(xué)會(huì)了從使用軟件的角度來(lái)思索其實(shí)現(xiàn)原理，大量參考資料的查閱豐富了他們的知識(shí)面。在改革前后，作為一門(mén)本科生的專(zhuān)業(yè)選修課，筆者所在院系的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程選修率從之前的45%上升到了98%。

2.極大的鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。在改革后的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)中，學(xué)生的動(dòng)手能力也得到了很大的加強(qiáng)。新的圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生明白，只要熟悉計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，他們也可以完成地學(xué)類(lèi)圖形軟件所能達(dá)到的功能。由于有了樣本參照，在筆者所教的學(xué)生中，有許多通過(guò)自學(xué)openGL， VTK， IDL等來(lái)實(shí)現(xiàn)地學(xué)應(yīng)用中更復(fù)雜的圖形效果。

3.為學(xué)生更高階段的深造打下良好基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革后半階段，不少選擇深造的研究生均反饋本科階段的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)非常實(shí)用。特別是為他們研究生階段的MATLAB等科學(xué)計(jì)算軟件的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，使得他們可以制作出精美的論文插圖。

由此可見(jiàn)，作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這樣可在多個(gè)行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用的交叉學(xué)科，其教學(xué)方法可因?yàn)樗趯?zhuān)業(yè)的不同而存在較大差別。老師們需要與專(zhuān)業(yè)應(yīng)用進(jìn)行緊密結(jié)合并在實(shí)踐中不斷探索才能使得教學(xué)工作緊跟學(xué)科技術(shù)的發(fā)展方向，并在教學(xué)過(guò)程中激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主觀(guān)能動(dòng)性。

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作者簡(jiǎn)介：

余翔宇（1979.09-），男，漢族，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地空學(xué)院講師，博士。研究方向：地學(xué)信息三維可視化。