計算機圖形學選修課實驗教學改革探討

劉宇 王瑜蕾

摘 要： 分析了計算機圖形學選修課上機實踐環(huán)節(jié)中存在的問題，結(jié)合課程定位、學科特點和學科發(fā)展趨勢，提出了對上機實踐教學環(huán)節(jié)的改革思路。選用開放式三維圖形標準接口OpenGL作為實驗平臺，調(diào)整實驗教學內(nèi)容，采取類似于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式。通過讓學生在實驗課堂上接觸具體研究項目，更好地利用有限課時提高實踐能力。

關(guān)鍵詞： 計算機圖形學； 實驗教學； 教學改革； 實踐能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）06-91-03

Discussion on the teaching reform of experimental section

in computer graphics elective course

Liu Yu， Wang Yulei

（School of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Abstract： This paper analyzes the problems existing in the experimental sections of computer graphics elective course. Combined with the curriculum orientation， discipline characteristics and disciplinary development trend， the reform ideas are put forward. Open 3D graphics standard interface OpenGL is chosen as experiment platform， the experimental teaching content is adjusted， and the teaching mode similar to flipped-classroom is adopted. By allowing students to engage in specific research projects in the experimental section， the limited class hours can better be used to improve their practical ability.

Key words： computer graphics； experimental teaching； teaching reform； practical ability

0 引言

計算機圖形學，主要研究利用計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)，是一門建立在傳統(tǒng)圖形學理論、應用數(shù)學及計算機科學基礎(chǔ)上的交叉學科[1]。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機圖形學也在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件方面取得了長足的進步，成為當代絕大多數(shù)科學和工程技術(shù)領(lǐng)域用來加強信息理解和傳遞的技術(shù)和工具。為了順應形勢發(fā)展，國內(nèi)外的大學教程均把它列為計算機及相關(guān)專業(yè)中一門必不可少的基礎(chǔ)課程[2]。近些年，鑒于計算機圖形學在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮的重要作用，許多國內(nèi)高等院校也為機械、材料、汽車等工科專業(yè)開設(shè)了計算機圖形學選修課程，為相關(guān)專業(yè)的學生開拓視野，并方便他們借助計算機圖形學知識解決本專業(yè)的問題。

該門課程知識覆蓋面廣、涉及的內(nèi)容豐富多樣，理論性和實踐性均較強，作為公共選修課，其學時安排卻有限。這就使得教學難以把握，學生學習感到吃力，特別是其涉及的數(shù)學知識較多，相關(guān)算法晦澀難懂，如果沒有大量的實踐練習，學生會感到空洞乏味。本文以高校開設(shè)的計算機圖形學選修課為例，在分析當前高校計算機圖形學實驗教學過程中存在問題基礎(chǔ)上，通過調(diào)整實驗內(nèi)容、改進實驗教學方法和手段等，實驗教學改革進行一些探討。

1 計算機圖形學實驗課程存在的問題

該門課程的設(shè)立初衷是本著理論與實踐相結(jié)合的原則，通過向?qū)W生灌輸圖形學基本概念、算法原理，并指導學生上機實踐，使學生掌握計算機圖形學基本原理、方法和技術(shù)，培養(yǎng)學生動手能力。由于該課程涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法程序、物理學等內(nèi)容，對于沒有圖形學相關(guān)領(lǐng)域研究經(jīng)歷和項目編程經(jīng)驗的本科生而言，理論學習和實際操作的難度較大，上機實踐環(huán)節(jié)開展困難，在實驗教學過程中面臨一系列問題[3]。

首先，采用的計算機圖形軟件過于陳舊。計算機軟硬件技術(shù)日新月異，相應的產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。然而，筆者當前所授計算機圖形學的實驗仍在Turbo C下，用graphics.h定義的圖形函數(shù)編寫繪圖程序。在此環(huán)境下，學生只能進行一些最基本的二維圖形生成、填充、變換等操作，無法進行三維圖形生成、光照、紋理貼圖、視點變換等操作。這就極大地限制了計算機圖形學實驗的開展，沿用此種繪圖環(huán)境進行上機練習沒有實際意義。

其次，實驗內(nèi)容仍側(cè)重于上世紀七、八十年代的圖形學技術(shù)。依據(jù)筆者當前所授計算機圖形學校本教材內(nèi)容而制定的實驗方案，主要針對二維圖形繪制以及平移、旋轉(zhuǎn)、投影等圖形變換進行練習，再加上少量的二維曲線設(shè)計及真實感圖形繪制。這些上機實踐內(nèi)容一方面與計算機圖形學熱點問題不符，另一方面也與現(xiàn)今工程領(lǐng)域所用到的計算機圖形技術(shù)存在很大差距，繼續(xù)投入大量精力練習這些內(nèi)容對學生利用計算機圖形理論及技術(shù)解決自身專業(yè)問題幫助不大。

再次，有限的實驗課時導致豐富的實踐內(nèi)容被嚴重壓縮。計算機圖形學涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，包括光柵圖形學與算法、幾何造型技術(shù)與算法、真實感圖形學與算法、計算機動畫、圖形標準等等。每部分內(nèi)容均需通過上機實踐練習程序?qū)嵗訌婌柟獭Ｈ欢P者所授計算機圖形學選修課僅分配6學時用于上機實踐，這就導致兩種不良結(jié)果的產(chǎn)生：

⑴ 壓縮后的實驗內(nèi)容無法全部覆蓋理論課所學知識，有些教學內(nèi)容在實驗環(huán)節(jié)勢必舍棄，而計算機圖形學這門課程的理論性和實踐性很強，最終所有的理論均需通過實踐驗證。舍棄掉的教學內(nèi)容得不到很好的實踐驗證，導致理論與實踐的互動不足，除了會使學生感到這門課程空洞、枯燥外，還會影響學生對于理論知識的理解，達不到教學目的。

⑵ 在有限的課時內(nèi)需要完成的實驗內(nèi)容密度大、難度高，加之選擇該門課程的學生來自不同年級不同專業(yè)，知識儲備和動手能力不同，導致學生往往在實驗過程中或多或少地出現(xiàn)編制程序困難、無法獨立運行調(diào)試實例，且抓不到訓練重點的問題，從而影響學生的學習積極性和主動性。

通過以上分析可以看出，若要提高實驗教學質(zhì)量和效率、解決課時少與內(nèi)容多的矛盾、調(diào)動學生的積極性，就必須對現(xiàn)有的計算機圖形學公選課實驗環(huán)節(jié)進行改革，制定新的實驗內(nèi)容，并探討新的教學思路、方法和手段，才能實現(xiàn)設(shè)立該門課程的初衷，更好的完成培養(yǎng)計劃。

2 計算機圖形學實驗課程改革探討

2.1 實驗平臺

為了貼近學科前沿并更好地演示和驗證計算機圖形學的算法，選用國際通用的開放式三維圖形標準接口OpenGL作為本門課程的實驗平臺。OpenGL是一個專業(yè)的、功能強大的3D圖形接口，可以方便、高效地繪制多種3D圖形視覺效果，如光照、紋理、半透明、陰影和材質(zhì)等[4]。OpenGL具有平臺無關(guān)性，也即可以實現(xiàn)跨平臺操作，由其開發(fā)的軟件可以在各種硬件和操作系統(tǒng)上應用，且其核心函數(shù)庫不包含任何輸入或窗口函數(shù)[5]。該圖形標準的使用能夠讓學生避開復雜的Windows編程中輸入和窗口的交互函數(shù)，把更多的精力放在圖形學本身的內(nèi)容上。此外，OpenGL在3D方面的強大功能，也能極大地激發(fā)學生的學習興趣。

2.2 實驗內(nèi)容

筆者所授計算機圖形學的實驗課時共6學時，分三次進行，每次2學時，對應每次上機練習的內(nèi)容為：①平面圖形繪制；②圖形變換；③曲線設(shè)計和真實感圖形繪制。平面圖形主要練習直線、圓、正多邊形、函數(shù)曲線及拼圖等的繪制。圖形變換主要練習二維圖形的平移變換、縮放變換、旋轉(zhuǎn)變換、對稱變換、錯切變換等。曲線設(shè)計和真實感圖形繪制主要練習繪制二次B樣條曲線和利用外法線消隱算法設(shè)計的三維立體正等測圖。平面圖形繪制和圖形變換內(nèi)容相對基礎(chǔ)淺顯，算法程序思路基本一致且與計算機圖形學的實際應用關(guān)系不大。因此，取消這些內(nèi)容的上機實踐，選擇具有代表性的兩種圖形和變換方法在課堂上進行演示，其余的練習由學生課下自行完成。

考慮到選修該門課程學生的專業(yè)背景，為了突出計算機圖形學在工程制造領(lǐng)域的應用，增加幾何造型的實驗課時并分配如下：曲線設(shè)計2學時、曲面設(shè)計2學時。曲線設(shè)計部分保持當前Bézier曲線、B樣條曲線的實踐內(nèi)容，增加NURBS曲線設(shè)計。增加曲面設(shè)計，包括Bézier曲面、B樣條曲面、Coons曲面。增加利用實體造型系統(tǒng)生成并處理三角網(wǎng)格的練習。這部分內(nèi)容能夠與逆向工程、有限元分析、產(chǎn)品設(shè)計等工程實際應用相聯(lián)系，且能體現(xiàn)計算機圖形學的學科特色，是學生感興趣的內(nèi)容，應在上機實踐時重點練習。在當前真實感圖形的實驗計劃基礎(chǔ)上，增加實驗學時至2學時，并增加該部分的實驗內(nèi)容，包括指定光源和材質(zhì)、生成紋理及紋理映射等。在實驗過程中注意控制實例的難易程度，讓學生直觀、輕松地理解每種模型的思路、效果，進而領(lǐng)會對應的算法。

2.3 實驗教學方法和手段

為了在有限的課時內(nèi)達到上機實踐的教學目的和要求，需要對現(xiàn)有的實驗教學方法和手段進行改進。首先，在上機實踐環(huán)節(jié)中直接帶領(lǐng)學生練習曲線曲面及真實感圖形設(shè)計的核心問題；對于實驗環(huán)境設(shè)置及一些基礎(chǔ)操作，包括OpenGL的安裝、GLUT框架的使用、基本圖元的繪制、顏色的設(shè)置、用鼠標對圖形進行交互控制和用鍵盤對圖形進行交互控制等，采取類似于慕課的形式，由教師將這部分內(nèi)容做成示范演示的教學視頻，學生在上機實踐之前先通過視頻自行學習相應的基礎(chǔ)操作[6]。其次，選擇具有實用性和趣味性的實例來激發(fā)學生的學習興趣，采取類似于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，在上機實踐之前先將實例的應用背景介紹給學生，布置學生自學實例涉及到的相關(guān)知識，自學過程中遇到的問題在實驗課堂上直接解決。再次，利用筆者所在高校的工科背景，通過與負責相關(guān)科研項目的老師合作，邀請相關(guān)老師的研究生以助學的方式參與到實驗教學環(huán)節(jié)中與學生互動，使每位學生在實驗過程中遇到的問題都能得到及時快速的指導[7-8]。

除了日常實驗教學所用大屏幕演示和教師實時答疑外，還應順應計算機圖形學發(fā)展的趨勢，在介紹當前的研究熱點，如計算機輔助設(shè)計與制造、科學可視化、真實感圖形實時繪制、計算機動畫、虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，使用AutoCAD、CATIA、MATLAB等模擬造型軟件進行教學演示。例如，使用AutoCAD軟件演示計算機輔助設(shè)計對工業(yè)產(chǎn)品進行二次開發(fā)；使用CATIA、MATLAB等軟件演示復雜的自由曲線、自由曲面創(chuàng)建；使用ABAQUS等有限元軟件演示網(wǎng)格劃分等。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代社會科學技術(shù)的快速發(fā)展，計算機圖形學的應用領(lǐng)域也不斷拓展。為了能在有限的學時內(nèi)盡量讓學生掌握計算機圖形處理技能，以促進學生借助計算機圖形學解決本專業(yè)的研究問題，必須充分考慮學生對知識的接受程度和不同專業(yè)與計算機圖形學的結(jié)合特色，選取精要內(nèi)容進行實際演練。同時，注重實例的實用性和趣味性，使學生在扎實掌握基本計算機圖形操作的基礎(chǔ)上更廣泛地接觸高級應用。教師也要在教學過程中不斷地更新教學理念，適時地調(diào)整實驗內(nèi)容和實驗教學方案以順應科技發(fā)展的大趨勢，使學生覺得這門課新穎有用，真正用心去學，從而為以后學習相關(guān)課程和從事相關(guān)研究工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻（References）：

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