廖彬 胡金龍

摘 要 通過(guò)分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，對(duì)圖形學(xué)課程設(shè)置、理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革。將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的考核相分離，使圖形學(xué)理論課程成為實(shí)踐課程的前期課程。通過(guò)理論課程中原理、算法的針對(duì)性講解，實(shí)現(xiàn)理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過(guò)渡，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；圖形學(xué)理論教學(xué)；圖形學(xué)實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）04-0162-03

Teaching Research of Theory and Practice in Course of Com-puter Graphics//LIAO Bin， HU Jinlong

Abstract Through analyzing the main problems in the course of computer graphics， the teaching reform of the computer graphics course is proposed about theoretical teaching and practical teaching. We divide the course of computer graphics into theory course and practice course， and make the theory course of computer graphics become the pre-course for the practice course of computer graphics. Students learning interest is stimulated and their ability to contact the theory with practice is improved through integration the theory and practice of the computer graphics course.

Key words computer graphics； graphics theoretical teaching； graphics practical teaching

1 引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究如何利用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術(shù)的一門(mén)學(xué)科[1]。它以圖形用戶(hù)界面和可視化技術(shù)為典型應(yīng)用，是信息技術(shù)中不可缺少的部分。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大學(xué)逐漸將其列為計(jì)算機(jī)應(yīng)用類(lèi)課程中的專(zhuān)業(yè)課。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)在諸如影視動(dòng)漫、軍事仿真、醫(yī)學(xué)圖像處理、氣象等科學(xué)可視化領(lǐng)域獲得成功運(yùn)用，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出改革思路。在教學(xué)中，將課程設(shè)置為理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩門(mén)獨(dú)立課程，針對(duì)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分別進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的附屬性質(zhì)，使理論知識(shí)為實(shí)踐教學(xué)鋪路，增強(qiáng)教學(xué)效果，促使學(xué)生積極動(dòng)手操作、思考，促進(jìn)新舊知識(shí)的結(jié)合，通過(guò)教學(xué)過(guò)程的探索與總結(jié)，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效果。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)重點(diǎn)一般側(cè)重于考核學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握[2]，課程實(shí)踐所占比例較低。然而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程本身的特點(diǎn)不適于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，若仍采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，不僅不利于維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容主要有[3]計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述、二維圖形生成和變換技術(shù)、三維圖形生成和變換技術(shù)、真實(shí)感圖形生成技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)與實(shí)踐。該課程入門(mén)階段需要的數(shù)學(xué)知識(shí)主要涉及代數(shù)、三角學(xué)和線(xiàn)性代數(shù)，數(shù)學(xué)原理與圖形的結(jié)合在理論教學(xué)中占據(jù)了一定比重。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)目標(biāo)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論知識(shí)的了解與掌握，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上主要強(qiáng)調(diào)圖形學(xué)知識(shí)、概念的系統(tǒng)性與整體性，重點(diǎn)是概念解釋與原理講解，體現(xiàn)為大量的公式推導(dǎo)。

未進(jìn)入圖形學(xué)教學(xué)前，學(xué)生對(duì)該課程的理解主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)認(rèn)為該課程主要講述游戲開(kāi)發(fā)，學(xué)完本課程后就可立即完成諸如游戲編程、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、特效處理等任務(wù)；另一類(lèi)認(rèn)為是藝術(shù)設(shè)計(jì)，主要為廣告?zhèn)髅降刃袠I(yè)服務(wù)。實(shí)際上，在本科階段開(kāi)設(shè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，通常立足于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)科的入門(mén)，教學(xué)內(nèi)容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實(shí)現(xiàn)算法，能進(jìn)行基本圖形的程序設(shè)計(jì)。由此，圖形學(xué)課程認(rèn)知的不全面將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的下降。學(xué)習(xí)內(nèi)容的枯燥、教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的巨大落差會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣隨課程的深入而進(jìn)一步下降。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)置 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要集中于基本圖形算法的實(shí)現(xiàn)，需要學(xué)生運(yùn)用高級(jí)程序語(yǔ)言進(jìn)行編程，然而作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的此類(lèi)高級(jí)程序設(shè)計(jì)課程，往往以基本知識(shí)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織三方面為主要內(nèi)容，一般不涉及圖形庫(kù)編程接口（API）。這導(dǎo)致在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要針對(duì)授課學(xué)生原先所學(xué)的高級(jí)程序語(yǔ)言，補(bǔ)充對(duì)應(yīng)的圖形庫(kù)編程知識(shí)，這使得實(shí)際的有效實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)被縮減，而且增大了學(xué)生實(shí)現(xiàn)算法的難度，以至于進(jìn)一步加劇了理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

3 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的改革方法與目標(biāo)

在大學(xué)本科第7學(xué)期開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，并將其分為理論課與實(shí)驗(yàn)課兩門(mén)課程，兩門(mén)課程單獨(dú)核算成績(jī)。其中，理論課為32學(xué)時(shí)，2.0學(xué)分；實(shí)驗(yàn)課為16學(xué)時(shí)，0.5學(xué)分。在理論課程完成后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)課程，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)不再是傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)理論課上知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單重復(fù)與驗(yàn)證，而是對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學(xué)內(nèi)容，以完成與實(shí)驗(yàn)課程的銜接。同時(shí)，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生掌握課程基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，以提升計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

理論課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在快速發(fā)展，與之相適應(yīng)，圖形學(xué)課程的教學(xué)也發(fā)生變化[4]?，F(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中主要有3種教學(xué)體系，大致分為理論為主、編程為主、問(wèn)題為主。

1）理論為主是傳統(tǒng)的教學(xué)體系，強(qiáng)調(diào)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的理解與掌握，以公式推導(dǎo)為主要呈現(xiàn)方式，國(guó)內(nèi)外此類(lèi)教材有Floey的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理及實(shí)踐——C語(yǔ)言描述》（原書(shū)第2版）、孫家廣的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》等。

2）編程為主的教學(xué)體系側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生初步掌握一種典型的圖形學(xué)API，以圖形學(xué)使用者的角度講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所需的理論與概念，去除非必需的數(shù)學(xué)原理與公式推導(dǎo)。國(guó)內(nèi)外此類(lèi)教材有Donald的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》（第四版）、徐文鵬的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)（OpenGL版）》等。

3）問(wèn)題為主的教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)著重于培養(yǎng)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)建立與用戶(hù)交流的能力，從而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的圖形化建模并解決問(wèn)題。相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容既涵蓋了圖形學(xué)中的基本概念和技術(shù)，也涉及了實(shí)現(xiàn)這些概念和技術(shù)的圖形學(xué)工具，然而重點(diǎn)在于介紹如何使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題以及如何有效地進(jìn)行結(jié)果展示。Steve Cunningham的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是此類(lèi)教學(xué)體系的典型教材。此類(lèi)問(wèn)題為主的教學(xué)體系近年來(lái)在美國(guó)興起。

在本科教學(xué)中，考慮到學(xué)生前期課程的設(shè)置與掌握情況，采用結(jié)合OpenGL實(shí)現(xiàn)算法的編程為主的教學(xué)體系。在實(shí)際教學(xué)中，既要保證計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本概念、理論的完整講述，也為后續(xù)的實(shí)踐課程做鋪墊，有針對(duì)性地介紹圖形支撐軟件，使學(xué)生在掌握?qǐng)D形學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)，能夠在一定程度上自主實(shí)踐，保持與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)踐一般使用C++來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法[5]，實(shí)現(xiàn)難度過(guò)大，導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有時(shí)間和興趣去完成[6]。實(shí)踐教學(xué)的本意是對(duì)理論教學(xué)的鞏固、完善與提高，為實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的平穩(wěn)銜接，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學(xué)生有針對(duì)性地完成若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

OpenGL是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計(jì)算機(jī)圖形接口軟件，其具有的功能基本上涵蓋了圖形系統(tǒng)要求提供的所有功能。此外，OpenGL具有的跨平臺(tái)性、可擴(kuò)展性、繪制專(zhuān)一性、網(wǎng)絡(luò)透明性等特點(diǎn)使其應(yīng)用廣泛，降低了對(duì)學(xué)生編程能力的要求，且由于其開(kāi)源的特性，使得學(xué)生可通過(guò)參考其中的算法實(shí)現(xiàn)獲得編程能力的提高。

結(jié)合圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用與學(xué)生的實(shí)踐能力，設(shè)置如表1所示的實(shí)踐項(xiàng)目。

4 小結(jié)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)隨著計(jì)算機(jī)理論與技術(shù)的進(jìn)步、社會(huì)應(yīng)用的需要而有了迅速發(fā)展，是理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，對(duì)教學(xué)有較高要求。本文從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，分析了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出將理論與實(shí)驗(yàn)相融合的教學(xué)思路，改變傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的附屬地位，從實(shí)踐的角度出發(fā)，在理論教學(xué)中進(jìn)行概念、理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過(guò)渡，一定程度上降低了學(xué)生完成課程實(shí)驗(yàn)的難度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從教學(xué)效果來(lái)看，本文提出的教學(xué)方法取得較好的成效，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的類(lèi)似課程也具有一定的參考意義。

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