趙智+陳兵

摘要：本文針對計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)習(xí)復(fù)雜算法遇到的問題，提出將虛擬實驗引入教學(xué)過程，將計算機(jī)圖形學(xué)的圖形算法涉及的抽象對象用虛擬對象關(guān)聯(lián)，用虛擬場景模擬算法運(yùn)算過程，把抽象對象和算法運(yùn)算過程形象化，實現(xiàn)抽象對象和算法運(yùn)算過程的可視化，使抽象的算法易于理解，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)圖形學(xué)；算法；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）23-0273-02

一、計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的重要性

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，與計算機(jī)圖形學(xué)（以下簡稱圖形學(xué)）相關(guān)的理論與方法，越來越受到關(guān)注與重視。圖形學(xué)是研究與討論用計算機(jī)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在顯示終端上顯示的學(xué)科[1]。由于圖形所攜帶的信息比純文本方式要豐富多彩，圖形數(shù)字化的應(yīng)用迅速在各領(lǐng)域快速發(fā)展，計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)深入人們工作、生活的各個領(lǐng)域，從航空航天飛行器以及汽車外形的設(shè)計、天氣預(yù)報，到電影電視廣告、游戲制作、可視電話、微信等，都因為計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的應(yīng)用而精彩。

目前國內(nèi)高校的計算機(jī)以及相關(guān)專業(yè)多數(shù)開置了“計算機(jī)圖形學(xué)”課程，也是計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的重要課程之一。該課程理論與實用并重，又是如數(shù)字圖像與模式識別、3D動畫編程等實用性強(qiáng)的課程的前置課程，因此，學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)課程充滿好奇與期待。

二、計算機(jī)圖形學(xué)課程特點、教學(xué)過程中存在的問題及教學(xué)改革

1.計算機(jī)圖形學(xué)課程特點。首先，涉及內(nèi)容廣，是計算機(jī)圖形學(xué)課程的特點之一。計算機(jī)圖形學(xué)是一門涉及多學(xué)科的綜合性課程，其內(nèi)容包括計算機(jī)硬件、軟件、空間解析幾何、算法原理、編程等，因此要求學(xué)生具備多方面的知識。如較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，特別是空間解析幾何、線性代數(shù)、矩陣論等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，計算機(jī)語言編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面的知識。

其次，該課程在理論方面，涉及的原理需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)才能較好理解，繁多又抽象的圖形生成算法增加了學(xué)習(xí)的難度。

第三，理論與實驗并重的課程。用計算機(jī)語言描述并實現(xiàn)圖形學(xué)的問題的過程。也就是其內(nèi)容包括計算機(jī)語言及圖形學(xué)知識。一般而言，對圖形學(xué)相關(guān)的基本算法描述的理解是學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)的一個難點，是一個從理論到實踐的認(rèn)識過程。

2.存在的問題。由于計算機(jī)圖形學(xué)課程的特點，在教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映：都能認(rèn)識到計算機(jī)圖形學(xué)是一門重要的、有用的、實用的課程，對學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)課程開始時抱著極大的興趣學(xué)習(xí)，但是，隨著課程的深入學(xué)習(xí)，圖形算法越來越復(fù)雜，雖然課堂上能聽懂算法的原理與流程，但是課后上機(jī)實現(xiàn)算法卻感到困難，理論與實踐不能很好結(jié)合。隨著時間的推移，不能解決的問題的累加，舊的內(nèi)容未理解、問題還沒解決，又要忙于學(xué)習(xí)新內(nèi)容，學(xué)習(xí)變成了一種壓力，積極性和自信心受到打擊，學(xué)習(xí)主動性逐漸下降，這樣一來，教學(xué)效果不理想?？傊?，學(xué)生感到圖形學(xué)的內(nèi)容不易理解、不好學(xué)，理論與實驗總是存在一定的距離。

3.教學(xué)方法的改革。為了解決面對教學(xué)過程遇到的問題，提高計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量、收到更好的教學(xué)效果，不少計算機(jī)圖形學(xué)的老師們在教學(xué)實踐中，嘗試用不同的教學(xué)方法進(jìn)行課堂教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果[2]。

計算圖形學(xué)的內(nèi)容中，其重點與難點都會涉及到復(fù)雜算法的內(nèi)容，而這些內(nèi)容對學(xué)生來說，是最難理解的，用常規(guī)的教學(xué)方法，其效果相對較低，因此，計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過程中，不同的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)選取和采用合適的教學(xué)方法才能收到更好的教學(xué)效果，使教學(xué)方法的效率最大化，實現(xiàn)教學(xué)方法精準(zhǔn)化。為了在計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)實現(xiàn)教學(xué)方法的精準(zhǔn)應(yīng)用，本文提出：在涉及復(fù)雜算法內(nèi)容教學(xué)過程中，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)[3]，用三維交互技術(shù)對復(fù)雜算法的流程及運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行描述，使復(fù)雜算法問題具體化、簡單化，更易于理解，把理論與實驗這兩者這間更好地融會貫通，更好地抓住學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)的重點與難點，把握學(xué)好計算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)鍵，化解學(xué)習(xí)過程中的難題。

三、計算機(jī)圖形學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)改革

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機(jī)圖形學(xué)課堂教學(xué)的必要性和重要性。要實現(xiàn)與理論與實踐相結(jié)合，首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是，大部分計算機(jī)圖形學(xué)的算法，都以數(shù)學(xué)理論為支撐，要求學(xué)生具備如空間解析幾何、線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摷皯?yīng)用等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，換言之，良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是學(xué)好計算機(jī)圖學(xué)算法的有利條件。而良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，需要通過專業(yè)訓(xùn)練。一般情況下，我們面對的學(xué)生其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都不是很好，這也是學(xué)生對算法學(xué)習(xí)感到相對困難的原因。針對這種情況，在算法教學(xué)過程中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)替代傳統(tǒng)的粉筆和黑板，引入計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行算法的模擬演示，使算法的描述和實現(xiàn)的流程形象化、具體化，也就是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把抽象的算法轉(zhuǎn)化虛擬環(huán)境進(jìn)行動畫演示，讓學(xué)生易于接受與理解，從而激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，讓教學(xué)效果達(dá)到最佳，為學(xué)生課后上機(jī)實現(xiàn)算法做好充分的準(zhǔn)備，實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。因此，在教學(xué)過程中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是很有必要的。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機(jī)圖形學(xué)課堂教學(xué)的過程。教學(xué)過程中，將抽象、無形的數(shù)學(xué)模型通用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其具體化、形象化。具體實現(xiàn)如下：將算法實現(xiàn)的過程分解，用虛擬技術(shù)的方法將算法運(yùn)行中的步驟和中間結(jié)果一步一步演示，以課件的形式在課堂演示，讓學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型、算法與代碼之的對應(yīng)關(guān)系，達(dá)到更深刻地理解各種圖形算法的原理及實現(xiàn)過程。

本文選擇Virtools4.0+3Ds MAX作為課件的開發(fā)環(huán)境。3DsMax具有很強(qiáng)的建模功能，由于圖形學(xué)算法實現(xiàn)流程中的計算單元（內(nèi)存、函數(shù)等）在對應(yīng)的虛擬實驗場景中可用簡單的幾何體（正方體、園柱體、球體等）表示，在單一的場景中，3DsMax可以實現(xiàn)快速、高效的建模，此外，Max帶有許多批量建模的工具，如使用鏡像、散布、陣列等工具，可實現(xiàn)任意多個精確（幾何體的坐標(biāo)）的建模，完全滿足了圖形學(xué)虛擬實驗場景建模的需要。Virtools是一款比較成熟具有三維交互式的最后合成軟件，其良好的兼容性突顯其優(yōu)勢，通過相應(yīng)的插件直接導(dǎo)入經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出的3DsMax構(gòu)建的虛擬場景及動畫（3DsMax中預(yù)設(shè)的動畫），Virtools中支持多場景功能，可通過交互功能實現(xiàn)多場景間的切換、跳轉(zhuǎn)等，使虛擬實驗表現(xiàn)力更強(qiáng)、更靈活和多樣，表現(xiàn)出虛擬實驗直觀、交互、多樣性等優(yōu)勢。

實現(xiàn)過程：將圖形學(xué)算法實現(xiàn)過程中涉及的內(nèi)存單元、變量以及函數(shù)在虛擬場景中實體化（在虛擬場景中可用長方體或球體等表示），構(gòu)成圖形算法實現(xiàn)的虛擬的場景，在3DsMAX中建好的（單一）場景導(dǎo)入Virtools中，按算法的流程進(jìn)行動畫編排。由于Virtools支持多場景功能，可根據(jù)需要，將復(fù)雜的圖形算法的實現(xiàn)過程分解為若干個子算法（過程），在Virtools中用不同的場景表現(xiàn)不同的相對獨(dú)立的子算法，即依次在不同場景中編排相應(yīng)的場景動畫實現(xiàn)子算法，在各場景上設(shè)計交互界面，實現(xiàn)場景間的切換和跳轉(zhuǎn)，最后導(dǎo)出生成具有交互功能的三維虛擬實驗課件。

四、結(jié)語

實踐證明，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入有效促進(jìn)了計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的展開，特別計算機(jī)圖形學(xué)中的重點與難點，如圖形算法的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果明顯提高，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)，提供了一種新的、解決計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)上的重點與難點的方案與方法，是一種新的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]伏玉琛，周洞汝.計算機(jī)圖形學(xué)原理、方法與應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.

[2]嚴(yán)圣華.計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)研究與實踐[J].計算機(jī)教育，2010，10（13）：114-116.

[3]趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述[J].中國科學(xué)（F輯：信息科學(xué)），2009，39（1）：2-4.

Virtual Experiment Teaching Exploration of Computer Graphics Curriculum

ZHAO Zhi，CHEN Bing

（Shool of Nathematics and Information Science，Guangxi College of Education，Nanning，Guangxi 530023，China）

Abstract：In respect of the questions arising from learning complex algorithms of computer graphics，virtual experiment is proposed to be introduced into the teaching process，and the abstract objects related with primitive algorithms of computer algorithms are correlated with virtual objects and the calculation process of algorithms is simulated in virtual scene，to visualize the abstract objects and the calculation process of algorithms，thereby achieving the visualization of the abstract objects and the calculation process of algorithms and making the abstract algorithms more understandable，so to achieve the target of improving teaching effect.

Key words：computer graphics；algorithm；virtual reality technology；virtual experiment