面向工程實(shí)踐的本科生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程改革思路

梁棟　孫涵

摘 要 當(dāng)前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程已經(jīng)成為本科計(jì)算機(jī)教育的重要內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代的創(chuàng)新型人才具有重要作用。本文以作者講授的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀為例，分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中存在的問題，并從三個(gè)方面提出改進(jìn)思路：針對(duì)不同需求學(xué)生采用第三方演示教學(xué)和交叉講解法，設(shè)置課程群替代單獨(dú)課程，以分組實(shí)踐考核代替?zhèn)€體考查等多種形式提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 第三方演示 課程群 分組實(shí)踐

Abstract At present， computer graphics has become an important part of undergraduate computer education， and it is also plays an important role to cultivate innovative talents to adapt to the information age. Based on the teaching of computer graphics course by the author as an example， analyzes the existing problems in the teaching of computer graphics， and put forward improvement ideas from three aspects： according to the different needs of students utilizing the third party demonstration teaching and cross curriculum interpretation， introducing course group to replace single course， employing group practice examination instead of individual， and other forms to improve the quality of teaching.

Keywords computer graphics； third party demonstration； course group； group practic

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門介紹顯示、生成和處理計(jì)算機(jī)圖形的原理和方法的課程。它在計(jì)算機(jī)總體教學(xué)體系中屬內(nèi)容綜合性較強(qiáng)且發(fā)展迅速的方向之一。該課程既有具體的圖形軟硬件實(shí)現(xiàn)，又有抽象的理論和算法，旨在為學(xué)生從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。學(xué)生須以高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)的基本理論和較熟練的程序設(shè)計(jì)能力作為本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。課程的難點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究范圍廣，與其他學(xué)科交叉性強(qiáng)，且知識(shí)不斷更新變化。在教學(xué)實(shí)施過程中，難點(diǎn)是理解和掌握相應(yīng)的基礎(chǔ)理論和算法，以及利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)工具進(jìn)行圖形學(xué)實(shí)際問題的解決。

本課程對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)學(xué)生圍繞以下三個(gè)方面展開： （1）建立對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本認(rèn)識(shí)，理解圖形的表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、曲線曲面的基本概念。（2）理解并掌握基本圖形的生成算法，并能對(duì)現(xiàn)有的算法進(jìn)行改進(jìn)，理解圖形的變換和裁減算法。 （3）面向計(jì)算機(jī)圖形的程序設(shè)計(jì)能力，以底層圖形生成算法為核心構(gòu)建應(yīng)用程序。相應(yīng)的考查方式由理論授課、上機(jī)實(shí)習(xí)和課外作業(yè)三個(gè)單元構(gòu)成。從近年的授課實(shí)踐和考試情況分析，該教學(xué)內(nèi)容難度設(shè)置合理，深入淺出且相互承接成為體系，學(xué)生總體反饋良好。但也存在一些矛盾和問題。以下將對(duì)幾個(gè)問題進(jìn)行重點(diǎn)闡述與思考，并提出課程改革思路。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)銜接問題

筆者所在院校是具有航空航天背景的工科院校，“CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”是飛行器設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等多學(xué)科的重要課程。相關(guān)學(xué)科學(xué)生期望通過對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的深入理解，促進(jìn)CAD設(shè)計(jì)工具諸如Catia、Solidwork和Rhino等先進(jìn)工具的運(yùn)用能力。然而，目前的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)和考察環(huán)節(jié)倚重低層算法講解與基于OPENGL等的程序設(shè)計(jì)，除綜述外并未具體引入CAD相關(guān)內(nèi)容。產(chǎn)生的問題是，一方面，飛行器設(shè)計(jì)及機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等專業(yè)的學(xué)生由于程序設(shè)計(jì)能力不足，難以駕馭較復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)任務(wù)，在學(xué)習(xí)過程中心理壓力較大；另一方面，由于授課均為教師為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)背景，該課程的講授并未銜接CAD相關(guān)技術(shù)，學(xué)生難以構(gòu)建二者之間的聯(lián)系。

解決方案：

本質(zhì)上，該問題是由于選課學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和基礎(chǔ)不同造成的。以單一的教學(xué)和考查方式難以兼顧這類面向具體應(yīng)用的學(xué)習(xí)需求。在教學(xué)方法上，采用第三方案例教學(xué)法和交叉講解法相結(jié)合以解決此問題。具體的，將CAD等應(yīng)用場(chǎng)合以具體案例形式講解，授課教師邀請(qǐng)飛行器、機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)教研組研究生以4～6學(xué)時(shí)的講臺(tái)演示的形式呈現(xiàn)CAD工具完整設(shè)計(jì)過程。授課教師則以交叉講解方式為學(xué)生講解運(yùn)用到的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)與學(xué)生交互式的問答和探討。在考查形式上，考慮到不同的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和基礎(chǔ)，采用多樣化實(shí)踐環(huán)節(jié)考查。計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生以O(shè)PENGL程序設(shè)計(jì)為考查重點(diǎn)，而外專業(yè)學(xué)生以CAD等面向應(yīng)用的實(shí)踐工具為考查重點(diǎn)，以兼顧各專業(yè)的學(xué)習(xí)需求。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺相結(jié)合的問題

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和人工智能技術(shù)（AI）兩個(gè)最重要最熱門的研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)理論支撐是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，例如三維場(chǎng)景的生成與顯示。而人工智能的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是計(jì)算機(jī)視覺，例如基于圖像智能識(shí)別的自動(dòng)駕駛技術(shù)和場(chǎng)景理解技術(shù)。很多學(xué)生對(duì)以計(jì)算機(jī)視覺為代表的人工智能技術(shù)懷有濃厚興趣，同時(shí)，學(xué)生又難以區(qū)分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺的關(guān)系。同時(shí)，二者在近年來的研究中呈現(xiàn)相互融合的趨勢(shì)。如基于三維立體視覺的機(jī)器人與場(chǎng)景實(shí)時(shí)定位與重建。如何在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中，很好地體現(xiàn)兩門課程的不同，避免學(xué)生的混淆，拓展學(xué)生的知識(shí)面，都是具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

解決方案：

實(shí)際上，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺可不失一般性的概括為互逆的關(guān)系：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是由概念設(shè)計(jì)到模型生成，最終繪制圖形圖像的過程；而計(jì)算機(jī)視覺則是從原始圖像中再加工并分析理解、以產(chǎn)生新圖像（如二維到三維）或輸出語(yǔ)義信息（如圖像自動(dòng)標(biāo)注與理解、目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別）。將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)納入“視覺處理課程群”框架，使學(xué)生首先掌握課程群中各課程的側(cè)重點(diǎn)，著重理解圖形學(xué)在課程群中的作用。精心選取2～3個(gè)計(jì)算機(jī)視覺和圖形學(xué)交叉的當(dāng)前主流研究方向，展開概念層面的演示講解，不深究具體算法，著重闡述兩種技術(shù)的相互依賴關(guān)系并對(duì)比二者的區(qū)別。相關(guān)領(lǐng)域的演示還包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)輔助診斷等等。鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，最終使學(xué)生在做中學(xué)、用中學(xué)，提高獨(dú)立分析新問題和綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

3 如何平衡算法講解和程序應(yīng)用技能

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及的算法多，核心算法是該課程的必講內(nèi)容，在算法細(xì)節(jié)的講解過程中學(xué)生容易產(chǎn)生畏難厭學(xué)情緒，注意教學(xué)方法以調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣尤為重要。另一方面，對(duì)學(xué)生的考察方式最終是通過編程實(shí)踐完成。學(xué)生在編程實(shí)踐中常常遇到大量調(diào)試問題，同時(shí)要閱讀大量文檔以了解OPENGL接口函數(shù)的調(diào)用方法，這個(gè)過程占用了很大工作量。

解決方案：

在理論教學(xué)部分，著重講清計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理和概念、全面解析經(jīng)典算法思想。課程強(qiáng)調(diào)對(duì)理論核心思想的闡述，用通俗易懂的語(yǔ)言，條例清晰的邏輯，進(jìn)行簡(jiǎn)明透徹的闡述，附以直觀、形象的動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)，力圖使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)、有效地掌握基本理論。分析圖形學(xué)各種經(jīng)典算法的原理、可行性及幾何復(fù)雜性，盡可能多地比較算法之間的思想差異，分別指出它們的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，并促進(jìn)學(xué)生思考如何在保證算法的準(zhǔn)確性、可靠性的前提下，提高算法的效率。同時(shí)注重接近國(guó)際前沿的研究?jī)?nèi)容，注重講授經(jīng)典知識(shí)和最新進(jìn)展相結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率和活躍度，力爭(zhēng)以較少的課時(shí)闡述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理、基本方法，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)比重。通過往年學(xué)生完成的優(yōu)秀課程作業(yè)作品的展示，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情。改革實(shí)踐環(huán)節(jié)的考查方式，以項(xiàng)目小組形式取代對(duì)個(gè)體的考查。原則上每組3～5人，自由組合。在課程結(jié)束前，采用小組現(xiàn)場(chǎng)演示講解的方式，展示小組成員通過編程實(shí)踐環(huán)節(jié)完成的一個(gè)項(xiàng)目。學(xué)生在項(xiàng)目小組中鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，降低了個(gè)人工作強(qiáng)度，同時(shí)互相學(xué)習(xí)和督促的氛圍使課程作業(yè)的質(zhì)量得以大幅提高。以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)——目標(biāo)性重建實(shí)驗(yàn)——自主性訓(xùn)練的層次化實(shí)踐框架模式，逐步培養(yǎng)學(xué)生自主研究，獨(dú)立解決問題、分析問題，確定解決方案的能力，樹立正確的科學(xué)研究習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力。

總之，合理設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)案例，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)課程體系和實(shí)踐內(nèi)容的統(tǒng)一，建立一個(gè)多層次、立體化的實(shí)踐教學(xué)體系，注重學(xué)生的參與性與實(shí)踐性，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐和課外研學(xué)。改革考核方式和考試形式，加大實(shí)踐環(huán)節(jié)在成績(jī)中的比重，強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)，寓教于樂的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生追求卓越。此外，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)是發(fā)展非?？斓囊粋€(gè)研究及應(yīng)用領(lǐng)域，且對(duì)編程要求較高，應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)室機(jī)房投入更新必要硬件，并保障軟件編程環(huán)境的正常運(yùn)行。

€L鼙疚氖苤泄┦亢蠡餣BA15035，江蘇省教改項(xiàng)目JGLX13_008資助

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