計算機圖形學(xué)理論與實踐教學(xué)相融合的教學(xué)研究

廖彬 胡金龍

摘 要 通過分析計算機圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題，對圖形學(xué)課程設(shè)置、理論教學(xué)、實踐教學(xué)進行改革。將理論教學(xué)與實踐教學(xué)的考核相分離，使圖形學(xué)理論課程成為實踐課程的前期課程。通過理論課程中原理、算法的針對性講解，實現(xiàn)理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過渡，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)系實際的能力。

關(guān)鍵詞 計算機圖形學(xué)；圖形學(xué)理論教學(xué)；圖形學(xué)實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B

文章編號：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

計算機圖形學(xué)是研究如何利用計算機生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術(shù)的一門學(xué)科[1]。它以圖形用戶界面和可視化技術(shù)為典型應(yīng)用，是信息技術(shù)中不可缺少的部分。近年來，國內(nèi)外大學(xué)逐漸將其列為計算機應(yīng)用類課程中的專業(yè)課。現(xiàn)在，計算機圖形學(xué)已經(jīng)在諸如影視動漫、軍事仿真、醫(yī)學(xué)圖像處理、氣象等科學(xué)可視化領(lǐng)域獲得成功運用，在帶來經(jīng)濟效益的同時，也給計算機圖形學(xué)的發(fā)展提供了機遇與挑戰(zhàn)。

本文通過分析計算機圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，提出改革思路。在教學(xué)中，將課程設(shè)置為理論教學(xué)與實踐教學(xué)兩門獨立課程，針對理論教學(xué)與實踐教學(xué)分別進行教學(xué)設(shè)計，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)中實驗教學(xué)的附屬性質(zhì)，使理論知識為實踐教學(xué)鋪路，增強教學(xué)效果，促使學(xué)生積極動手操作、思考，促進新舊知識的結(jié)合，通過教學(xué)過程的探索與總結(jié)，增強計算機圖形學(xué)的教學(xué)效果。

2 計算機圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)教學(xué)重點一般側(cè)重于考核學(xué)生對知識點的掌握[2]，課程實踐所占比例較低。然而計算機圖形學(xué)課程本身的特點不適于傳統(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)問題、解決問題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

計算機圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)內(nèi)容主要有[3]計算機圖形系統(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)、真實感圖形生成技術(shù)、計算機動畫技術(shù)與實踐。該課程入門階段需要的數(shù)學(xué)知識主要涉及代數(shù)、三角學(xué)和線性代數(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)的計算機圖形學(xué)教學(xué)目標側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對計算機圖形學(xué)理論知識的了解與掌握，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上主要強調(diào)圖形學(xué)知識、概念的系統(tǒng)性與整體性，重點是概念解釋與原理講解，體現(xiàn)為大量的公式推導(dǎo)。

未進入圖形學(xué)教學(xué)前，學(xué)生對該課程的理解主要分為兩類：一類認為該課程主要講述游戲開發(fā)，學(xué)完本課程后就可立即完成諸如游戲編程、動畫設(shè)計、特效處理等任務(wù)；另一類認為是藝術(shù)設(shè)計，主要為廣告?zhèn)髅降刃袠I(yè)服務(wù)。實際上，在本科階段開設(shè)的計算機圖形學(xué)課程，通常立足于計算機圖形學(xué)科的入門，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現(xiàn)算法，能進行基本圖形的程序設(shè)計。由此，圖形學(xué)課程認知的不全面將導(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)實應(yīng)用的巨大落差會導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣隨課程的深入而進一步下降。

計算機圖形學(xué)課程實驗的設(shè)置 計算機圖形學(xué)的實驗內(nèi)容主要集中于基本圖形算法的實現(xiàn)，需要學(xué)生運用高級程序語言進行編程，然而作為專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的此類高級程序設(shè)計課程，往往以基本知識、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)組織三方面為主要內(nèi)容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導(dǎo)致在本課程的實驗教學(xué)時，需要針對授課學(xué)生原先所學(xué)的高級程序語言，補充對應(yīng)的圖形庫編程知識，這使得實際的有效實驗學(xué)時被縮減，而且增大了學(xué)生實現(xiàn)算法的難度，以至于進一步加劇了理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

3 理論教學(xué)與實踐教學(xué)的改革方法與目標

在大學(xué)本科第7學(xué)期開設(shè)計算機圖形學(xué)課程，并將其分為理論課與實驗課兩門課程，兩門課程單獨核算成績。其中，理論課為32學(xué)時，2.0學(xué)分；實驗課為16學(xué)時，0.5學(xué)分。在理論課程完成后開始實驗課程，計算機圖形學(xué)的實驗不再是傳統(tǒng)教學(xué)中對理論課上知識點的簡單重復(fù)與驗證，而是對所學(xué)知識的綜合運用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學(xué)內(nèi)容，以完成與實驗課程的銜接。同時，設(shè)計合適的實驗項目使學(xué)生掌握課程基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的動手能力，以提升計算機圖形學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

理論課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計 計算機圖形學(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]。現(xiàn)階段，在計算機圖形學(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、問題為主。

1）理論為主是傳統(tǒng)的教學(xué)體系，強調(diào)對計算機圖形學(xué)理論的理解與掌握，以公式推導(dǎo)為主要呈現(xiàn)方式，國內(nèi)外此類教材有Floey的《計算機圖形學(xué)原理及實踐——C語言描述》（原書第2版）、孫家廣的《計算機圖形學(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算機圖形學(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)。國內(nèi)外此類教材有Donald的《計算機圖形學(xué)》（第四版）、徐文鵬的《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)（OpenGL版）》等。

3）問題為主的教學(xué)體系的教學(xué)目標著重于培養(yǎng)利用計算機圖形學(xué)知識建立與用戶交流的能力，從而實現(xiàn)問題的圖形化建模并解決問題。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)，也涉及了實現(xiàn)這些概念和技術(shù)的圖形學(xué)工具，然而重點在于介紹如何使用計算機圖形學(xué)知識來解決實際問題以及如何有效地進行結(jié)果展示。Steve Cunningham的《計算機圖形學(xué)》是此類教學(xué)體系的典型教材。此類問題為主的教學(xué)體系近年來在美國興起。

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實現(xiàn)算法的編程為主的教學(xué)體系。在實際教學(xué)中，既要保證計算機圖形學(xué)基本概念、理論的完整講述，也為后續(xù)的實踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學(xué)生在掌握圖形學(xué)基本知識的同時，能夠在一定程度上自主實踐，保持與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實驗課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計 計算機圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的實踐一般使用C++來實現(xiàn)相關(guān)算法[5]，實現(xiàn)難度過大，導(dǎo)致學(xué)生沒有時間和興趣去完成[6]。實踐教學(xué)的本意是對理論教學(xué)的鞏固、完善與提高，為實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的平穩(wěn)銜接，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學(xué)生有針對性地完成若干實驗項目。

OpenGL是一個工業(yè)標準的三維計算機圖形接口軟件，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具有的跨平臺性、可擴展性、繪制專一性、網(wǎng)絡(luò)透明性等特點使其應(yīng)用廣泛，降低了對學(xué)生編程能力的要求，且由于其開源的特性，使得學(xué)生可通過參考其中的算法實現(xiàn)獲得編程能力的提高。

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

4 小結(jié)

計算機圖形學(xué)隨著計算機理論與技術(shù)的進步、社會應(yīng)用的需要而有了迅速發(fā)展，是理論與實踐并重的學(xué)科，對教學(xué)有較高要求。本文從計算機圖形學(xué)的學(xué)科特點出發(fā)，分析了計算機圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，提出將理論與實驗相融合的教學(xué)思路，改變傳統(tǒng)教學(xué)中實驗教學(xué)的附屬地位，從實踐的角度出發(fā)，在理論教學(xué)中進行概念、理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過渡，一定程度上降低了學(xué)生完成課程實驗的難度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從教學(xué)效果來看，本文提出的教學(xué)方法取得較好的成效，同時對計算機專業(yè)的類似課程也具有一定的參考意義。

參考文獻

[1]徐文鵬，王玉琨.計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)（OPENGL版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]杜利峰，李竹林.基于OpenGL的計算機圖形學(xué)教學(xué)改革探索[J].電子設(shè)計工程，2012（13）：6-8.

[3]王汝傳，黃海平，林巧民，等.計算機圖形學(xué)教程[M].3版.北京：人民郵電出版社，2014.

[4]劉貴松，房秀芬，陳文宇.基于計算思維能力培養(yǎng)的計算機圖形學(xué)知識體系[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（2）：

160-162.

[5]胡彬.計算機圖形學(xué)實踐教學(xué)法改革研究[J].電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2015（4）：115-116.

[6]梁麗香，梁劍波.計算機圖形學(xué)課程教學(xué)改革探索[J].電腦知識與技術(shù)，2015（8）：199-200.