圖形技術(shù)類系列課程教學(xué)內(nèi)容的綜合分析及其教學(xué)探討

楊剛　上官大堰　曹衛(wèi)群

摘要：以計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、游戲程序設(shè)計、計算機動畫原理與技術(shù)4門課程為研究對象，從圖形技術(shù)知識模塊的角度出發(fā)，系統(tǒng)地分析各課程中教學(xué)內(nèi)容間的體系結(jié)構(gòu)和緊密聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上，以北京林業(yè)大學(xué)為例，對課程教學(xué)中存在的問題進行探討，提出相應(yīng)的調(diào)整措施與建議。

關(guān)鍵詞：計算機圖形學(xué)；虛擬現(xiàn)實；圖形技術(shù)類課程；教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

0.引言

近20年來，圖形技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。同時其也成為當(dāng)前教育、培訓(xùn)的熱點內(nèi)容。各個大學(xué)與教育機構(gòu)紛紛開設(shè)了圖形技術(shù)類的課程，有以介紹圖形基礎(chǔ)理論為主的計算機圖形學(xué)課程；以介紹圖形技術(shù)應(yīng)用為主的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、游戲編程技術(shù)等；以設(shè)計訓(xùn)練為主的三維圖形設(shè)計、計算機動畫設(shè)計等。這些課程有著不同的理論深度要求以及不同的技術(shù)側(cè)重點，但它們都以圖形技術(shù)為本，在許多教學(xué)內(nèi)容上是相互連通、相互映照的。并且這些課程分別是從不同的層次上對圖形理論進行闡述，其教學(xué)內(nèi)容在安排上也有著先后順序的要求。因此，為了能夠讓學(xué)生由淺入深、循序漸進、理論聯(lián)系實踐地系統(tǒng)掌握圖形技術(shù)，圖形技術(shù)類課程教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)籌規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計是非常必要的。

目前，北京林業(yè)大學(xué)開設(shè)的圖形技術(shù)類課程包括：計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、游戲程序設(shè)計、計算機動畫原理與技術(shù)4門課程，主要面對計算機科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字媒體藝術(shù)、動畫及地理信息系統(tǒng)等專業(yè)的學(xué)生。其中計算機圖形學(xué)講授圖形技術(shù)的基礎(chǔ)理論與重要算法；動畫原理與技術(shù)講授圖形技術(shù)中動畫制作的理論與實現(xiàn)技術(shù)；而虛擬現(xiàn)實技術(shù)、游戲程序設(shè)計則在基礎(chǔ)理論和算法的基礎(chǔ)上講授圖形技術(shù)在兩個重要領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。筆者首先簡要介紹4門圖形技術(shù)類課程的教學(xué)內(nèi)容；然后對其教學(xué)內(nèi)容進行綜合分析，系統(tǒng)劃分其知識模塊，并對知識模塊間的聯(lián)系進行科學(xué)分析；在此基礎(chǔ)上，對課程內(nèi)容的規(guī)劃與調(diào)整提出了具體的想法和建議，以供廣大教學(xué)工作者參考與討論。

1.圖形技術(shù)類課程教學(xué)內(nèi)容介紹

本節(jié)簡要介紹4門圖形技術(shù)類課程的主要教學(xué)內(nèi)容，并進行一定分析。所介紹的教學(xué)內(nèi)容主要以北京林業(yè)大學(xué)的課程內(nèi)容為參考。筆者對計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、游戲程序設(shè)計、計算機動畫原理與技術(shù)這4門課程有多年的教學(xué)經(jīng)驗，在教學(xué)過程中依據(jù)經(jīng)典教材，結(jié)合自己的心得總結(jié)形成了比較系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容。因此所介紹的教學(xué)內(nèi)容在目前國內(nèi)相關(guān)課程的教學(xué)中具有很強的代表性。

1.1計算機圖形學(xué)

計算機圖形學(xué)主要以介紹圖形基本理論為主，是4門課程中理論性最強，也是掌握難度最大的課程。其主要教學(xué)內(nèi)容包括：

①計算機圖形學(xué)及圖形系統(tǒng)概論；②二維圖形算法；③計算機圖形流程；④三維建模技術(shù)；⑤真實感圖形學(xué)；⑥圖形編程技術(shù)——OpenGL介紹。

從以上的教學(xué)內(nèi)容來看，第1、2部分是對圖形理論的基本理解；第3、5部分是有關(guān)繪制的技術(shù)；第4部分是建模；而第6部分則是圖形編程實踐。建模、繪制和動畫是計算機圖形學(xué)的3項主要研究內(nèi)容。目前的課程內(nèi)容循序漸進地對基礎(chǔ)圖形概念，以及繪制和建模技術(shù)進行了介紹，并配合OpenGL進行深入理解，其教學(xué)內(nèi)容基本合理。之所以沒有涉及動畫技術(shù)是因為動畫技術(shù)太過于龐雜，很難在有限的課時內(nèi)進行系統(tǒng)介紹，而且相對于繪制與建模來說，動畫技術(shù)是較高級內(nèi)容，可留在后續(xù)課程系統(tǒng)介紹。

1.2計算機動畫原理與技術(shù)

與計算機圖形學(xué)相呼應(yīng)，這門課對圖形學(xué)中的動畫技術(shù)進行系統(tǒng)介紹。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對計算機動畫的低層運動控制與高層運動控制技術(shù)的基本概念、基本理論以及運動控制技術(shù)在計算機動畫中的運用有個基本的認(rèn)識和理解，并使學(xué)生掌握各類動畫制作的基本技術(shù)。其主要教學(xué)內(nèi)容包括：

①動畫技術(shù)概述與動畫基礎(chǔ)知識；②各類動畫技術(shù)的系統(tǒng)介紹，包括參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)、軌跡驅(qū)動動畫技術(shù)、變形動畫技術(shù)、關(guān)節(jié)動畫技術(shù)、粒子動畫技術(shù)等，每種動畫技術(shù)都將在介紹基礎(chǔ)理論、算法的基礎(chǔ)上結(jié)合3DS Max進行演示與實驗教學(xué)；③動畫腳本語言，講授MAXScript腳本語言。

計算機動畫是計算機圖形技術(shù)的重要研究內(nèi)容。該課程從理論到實踐，對計算機動畫的主要技術(shù)進行了系統(tǒng)講授，對學(xué)生完整掌握計算機圖形技術(shù)體系具有補充作用。

1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指運用計算機生成能夠給人多種感官刺激的虛擬環(huán)境的技術(shù)。在此虛擬環(huán)境中，用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實環(huán)境中的虛幻感、沉浸感和身臨其境的感覺。嚴(yán)格說來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)所包含的技術(shù)范圍大于圖形技術(shù)范疇，它還涉及聽覺、觸覺、心理學(xué)等諸多學(xué)科技術(shù)。但是由于視覺在人類感知活動中占有絕對優(yōu)勢地位，因此圖形技術(shù)是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中最關(guān)注的技術(shù)，而虛擬現(xiàn)實也是圖形技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要教學(xué)內(nèi)容包括：

①虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論；②虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的接口設(shè)備；③虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的相關(guān)軟件；④虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的相關(guān)圖形技術(shù)，包括幾何建模、實時繪制、實時碰撞檢測等。

虛擬現(xiàn)實可以看成圖形技術(shù)的一個直接應(yīng)用領(lǐng)域，其各種虛擬現(xiàn)實平臺軟件，如VRML、Virtools同時也是一種圖形平臺軟件，而虛擬現(xiàn)實中虛擬景觀表現(xiàn)都是三維圖形技術(shù)的運用與實現(xiàn)。因此這門課與前述計算機圖形課程緊密相關(guān)，其第4部分的教學(xué)內(nèi)容是計算機圖形學(xué)的延伸與擴充，而第3部分所介紹的軟件也是圖形技術(shù)的應(yīng)用實踐。

1.4游戲程序設(shè)計

該課程講授游戲程序設(shè)計理論，并使學(xué)生掌握游戲程序的基本框架、游戲中的常用算法原理、游戲策略實施及游戲智能實現(xiàn)的基本方法。在實踐上，該課程的教學(xué)將使學(xué)生能通過游戲制作環(huán)境，制作出實際可玩可用的游戲。其主要教學(xué)內(nèi)容包括：

①計算機游戲概述；②游戲程序設(shè)計概述及游戲制作環(huán)境介紹；③二維游戲的設(shè)計實現(xiàn)，講授二維游戲的基本流程和架構(gòu)，并涉及一系列重要圖形、圖像概念，如圖像文件格式及存取方法、透明貼圖等；④三維游戲編程基礎(chǔ)，由于三維游戲設(shè)計與編程是建立在對三維圖形技術(shù)深入理解的基礎(chǔ)上，因此本部分將涉及一系列三維圖形技術(shù)，包括三維游戲場景組織技術(shù)、三維游戲高級圖形技術(shù)等，此外還包括一些音效三維化的技術(shù)；⑤游戲中的人工智能技術(shù)和人機界面設(shè)計。

第4部分是該課程的教授重點，也是學(xué)生能否掌握游戲編程的關(guān)鍵所在，而這部分的學(xué)習(xí)與圖形技術(shù)密切相關(guān)。其講授內(nèi)容正是圖形技術(shù)在游戲場景構(gòu)建方面的一系列具體應(yīng)用技術(shù)，也是對學(xué)生圖形技能的擴充和加深。

2.4門圖形技術(shù)類課程教學(xué)內(nèi)容的綜合分析

從以上4門課程的教學(xué)內(nèi)容可以看出，雖然每門課程各有側(cè)重，但是其重點的理論基礎(chǔ)和技術(shù)難點都在圖形技術(shù)的理解和掌握。計算機圖形學(xué)給出了基礎(chǔ)理論和算法；計算機動畫原理與技術(shù)深入講解了計算機圖形學(xué)中計算機動畫的基礎(chǔ)理論和實現(xiàn)技術(shù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲編程技術(shù)則從2個具體的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C圖形技術(shù)中的建模和繪制技術(shù)進行了更深入更具體的闡述。4門課程循序漸進、由基礎(chǔ)到實用，形成了對計算機圖形技術(shù)主要內(nèi)容的完整介紹。圖1所示是圖形技術(shù)類課程教學(xué)內(nèi)容關(guān)系圖，是我們根據(jù)圖形技術(shù)的研究內(nèi)容對4門課程的教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系進行的總結(jié)。

計算機圖形學(xué)中圖形概念和圖形算法眾多，而且由于圖形涉及了三維空間的變換和大量的數(shù)學(xué)運算，使其學(xué)習(xí)難度較大。如果僅從算法理論角度來講解很難使學(xué)生有深刻的體會，也很難使其僅通過一門課程就完全掌握。同時，計算機圖形學(xué)又是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，只有與具體的應(yīng)用相結(jié)合才能使學(xué)生真正理解圖形理論。而這4門課程的搭配正好形成了一種先理論后實用、逐漸補充、逐漸深入的格局，這是符合圖形技術(shù)教學(xué)規(guī)律要求的，也符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣。從圖1中可以看出，學(xué)生先學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)課程就建立了圖形技術(shù)在建模和繪制方面的理論基礎(chǔ)；之后通過學(xué)習(xí)計算機動畫原理與技術(shù)來補充動畫理論和動畫制作的實用技術(shù)；通過學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲程序設(shè)計不僅掌握了兩種重要的應(yīng)用技能，而且通過實際應(yīng)用將對圖形中建模和繪制的理論有更深入、更具體的理解。從課程教學(xué)的先后來看，計算機圖形學(xué)應(yīng)當(dāng)先于其他3門課程的安排，一般安排在三年級上半學(xué)期為宜；而其他3門學(xué)科可安排在三年級下半學(xué)期。

4門課程采用不同的實驗工具，包括OpenGL、3DS Max、VRML、Virtools等。這些工具都是目前最具有代表性的圖形工具，并且涵蓋了圖形技術(shù)從基礎(chǔ)編程到高級實用，從通用應(yīng)用到專業(yè)應(yīng)用的不同方面。其中OpenGL是圖形編程的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)之一，適用于專業(yè)圖形編程人員；而3DS Max、VRML、Virtools相對更容易掌握，適用于高級應(yīng)用，并有不同的應(yīng)用側(cè)重點。

3.圖形技術(shù)類課程教學(xué)的探討與改進

從以上對教學(xué)內(nèi)容的綜合分析可以看出，我們對4門課程的設(shè)置基本合理，能夠使學(xué)生系統(tǒng)地掌握主要圖形理論和圖形實用技術(shù)。但是由于圖形技術(shù)本身的復(fù)雜性，也由于講授各門課程的教師間缺乏細(xì)致的溝通，使得圖形技術(shù)類課程在教學(xué)上還存在一些問題，如各門課程內(nèi)容銜接不夠密切、原理與應(yīng)用聯(lián)系不緊、教學(xué)枯燥、學(xué)生反映學(xué)習(xí)困難等。經(jīng)過對問題的分析和對圖形技術(shù)類課程教學(xué)的綜合考慮，我們對教學(xué)內(nèi)容和實驗內(nèi)容提出了如下一些調(diào)整建議，供大家參考。

1）加強不同課程教學(xué)內(nèi)容的一致性和教學(xué)內(nèi)容的相互呼應(yīng)。

由于圖形技術(shù)的發(fā)展日新月異，往往學(xué)術(shù)界和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν桓拍钣胁煌姆Q呼，甚至不同的定義。而各門課程沒有經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃，往往使得不同課程對同一概念出現(xiàn)不同的叫法或解釋。如目前在計算機圖形學(xué)課程中稱rendering為繪制，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)中則稱為渲染；計算機圖形學(xué)課程中提出了片元（fragment）的概念，而游戲程序設(shè)計中則統(tǒng)一稱為像素。這些叫法上的差異容易使學(xué)生發(fā)生混淆，并影響學(xué)生對圖形技術(shù)的理解。為此我們應(yīng)當(dāng)對各門課程的主要概念進行一個統(tǒng)一規(guī)劃，保持其叫法和概念上的一致性。

更重要的是，教師在講授各門課程的過程中，應(yīng)當(dāng)對其他課程講過的圖形概念進行一個呼應(yīng)性的介紹，并鼓勵學(xué)生回顧相關(guān)課程內(nèi)容，這樣可以大大加深學(xué)生對圖形概念的理解。例如虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程第4部分“虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的相關(guān)圖形技術(shù)”涉及了圖形流水線和圖形繪制的大量概念，教師應(yīng)當(dāng)在講解這部分內(nèi)容前對計算機圖形學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進行回顧，這樣更容易讓學(xué)生聯(lián)系起所學(xué)內(nèi)容，加深印象。還比如目前在計算機圖形學(xué)課程中還沒有安排有關(guān)動畫技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，如果課時允許的話，可以考慮安排1～2個學(xué)時對動畫技術(shù)進行概述，這樣一方面使得教學(xué)內(nèi)容更為完整，另一方面也可以對計算機動畫原理與技術(shù)課程的教學(xué)起到一個先導(dǎo)的作用。

2）任課教師應(yīng)加強對圖形技術(shù)的理論學(xué)習(xí)。

雖然都是圖形技術(shù)類課程，但是有些課程主要以技術(shù)應(yīng)用為主，任課教師并不一定具備對圖形技術(shù)理論的深入掌握就可以展開教學(xué)。比如虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲程序設(shè)計兩門課程更偏重于圖形技術(shù)的應(yīng)用，其所使用的工具往往也屬于高層次設(shè)計軟件，使用中不需要涉及基礎(chǔ)的圖形理論。這樣使得任課教師即使沒有系統(tǒng)深入地學(xué)習(xí)過圖形理論也能夠教授給學(xué)生應(yīng)用技術(shù)。但是，如果教師能夠?qū)D形理論有系統(tǒng)深入的掌握，將會使教學(xué)質(zhì)量有很大提高。一方面教師能夠在教學(xué)時有大局觀，能夠?qū)Ω鞑糠纸虒W(xué)內(nèi)容有更清晰的認(rèn)識和安排；另一方面，教師能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生從應(yīng)用中體會理論，從而加深對基礎(chǔ)理論的理解，提高應(yīng)用效果。

3）建立統(tǒng)一性、延續(xù)性的實驗體系。

實驗是圖形類技術(shù)課程中不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)。由于各門課程有著不同的教學(xué)要求和應(yīng)用側(cè)重，各門課程采用了不同的實驗工具，并且在實驗內(nèi)容的布置上沒有必然的聯(lián)系。但是，這些不同的實驗工具都是從不同應(yīng)用層次體現(xiàn)了共同的圖形技術(shù)；并且動畫、游戲、虛擬現(xiàn)實等不同應(yīng)用技術(shù)間也有著相同之處，具有一定的共通性。如果能夠?qū)嶒瀮?nèi)容統(tǒng)籌考慮，使不同課程的實驗工具及具體實驗內(nèi)容有所呼應(yīng)，可以從一定程度上提高學(xué)生的實驗興趣，并加強其對應(yīng)用技術(shù)的掌握。比如，計算機圖形學(xué)課程實驗的內(nèi)容之一是建立一個能夠運動的機器人；而機器人的運動也在計算機動畫原理與技術(shù)中關(guān)節(jié)動畫技術(shù)的實驗內(nèi)容中有所涉及。這樣，在機器人實驗中，完全可以建立不同課程間實驗內(nèi)容上的連續(xù)性。又如，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲程序設(shè)計實驗內(nèi)容中都涉及了虛擬三維場景的構(gòu)建，并且采用的建模工具都為3DS Max，如果能將這兩部分實驗內(nèi)容統(tǒng)一起來，將使學(xué)生有更充足的課時完善實驗作品。而計算機動畫原理與技術(shù)課程實驗中所涉及的3DS Max軟件及其腳本編程技術(shù)也可以對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲程序設(shè)計課程實驗起到輔助作用。由此可見，各門圖形技術(shù)類課程的實驗內(nèi)容間可以進行一個統(tǒng)籌的規(guī)劃，建立一個具有一定統(tǒng)一性、延續(xù)性的實驗內(nèi)容體系，這樣不但可以提高實驗效果，還可以加強不同課程教學(xué)內(nèi)容間的呼應(yīng)。

4.結(jié)語

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，4門圖形技術(shù)類課程的教學(xué)內(nèi)容有明確的理論教學(xué)要求和應(yīng)用側(cè)重點。4門課程由底層理論到高層應(yīng)用、由基礎(chǔ)編程到交互設(shè)計、循序漸進地形成了對計算機圖形技術(shù)主要內(nèi)容的完整介紹，其教學(xué)內(nèi)容設(shè)置基本合理；但是由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，在教學(xué)內(nèi)容的一致性和實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計上有一定問題。為此筆者進一步從3個方面提出了相應(yīng)的改進建議，以作為本學(xué)科今后圖形技術(shù)類課程教學(xué)及實驗內(nèi)容設(shè)計的參考。

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（見習(xí)編輯：劉麗麗）