基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與信息計(jì)算科學(xué)學(xué)習(xí)的深刻探析

苗壯 段福強(qiáng) 李付才

摘 要：以西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程學(xué)習(xí)積累，分析了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的特點(diǎn)及課程學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在信息計(jì)算科學(xué)專業(yè)中的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行了探討分析。目前，國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)基本取材于幾本經(jīng)典的教科書(shū)，這些教科書(shū)重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法。許多算法為了追求高效率從而精益求精，算法本身構(gòu)思獨(dú)特且實(shí)現(xiàn)精巧，但也導(dǎo)致了算法本身及其實(shí)現(xiàn)都難于理解；而且傳統(tǒng)的授課方案?jìng)?cè)重于強(qiáng)調(diào)算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這種強(qiáng)調(diào)圖形算法基礎(chǔ)的教學(xué)方案適合于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)優(yōu)秀的學(xué)生，但對(duì)本校這樣的民族類院校，學(xué)生往往被一些必須掌握的算法所困擾，從而對(duì)該課程產(chǎn)生畏難心理。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這門(mén)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)則要求學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力和編程能力，從另外一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，要求老師有更強(qiáng)的實(shí)踐能力。如果理論與實(shí)踐互動(dòng)性不夠，容易造成學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力薄弱。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；信息與計(jì)算科學(xué)；學(xué)習(xí)探析

前言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相關(guān)課程在國(guó)內(nèi)高校的信息計(jì)算科學(xué)專業(yè)中進(jìn)行了開(kāi)設(shè)。不同學(xué)校的信息計(jì)算科學(xué)專業(yè)依托的專業(yè)背景及師資隊(duì)伍不一樣，其對(duì)應(yīng)課程體系及人才培養(yǎng)目標(biāo)差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)模式不盡相同。

本文以西北民族大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合課程教學(xué)實(shí)際，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置及其后續(xù)課程的設(shè)置等問(wèn)題的學(xué)習(xí)改革進(jìn)行了探討研究。

一、專業(yè)現(xiàn)狀及課程特點(diǎn)

本專業(yè)開(kāi)設(shè)的主干課程包括：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（分析、代數(shù)、幾何）、概率統(tǒng)計(jì)、微分方程、數(shù)學(xué)模型、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（計(jì)算機(jī)概論、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)）、信息科學(xué)基礎(chǔ)、理論計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)值計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、運(yùn)籌與優(yōu)化等。該專業(yè)設(shè)置了兩個(gè)核心方向：信息科學(xué)和科學(xué)計(jì)算（計(jì)算數(shù)學(xué)）。在信息科學(xué)方向中，其核心方向由：（1）信息處理（圖像處理、信號(hào)分析等）；（2）信息編碼與信息安全（編碼理論等）；（3）計(jì)算智能（人工智能、模式識(shí)別等）等組成。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是方向（1）中的圖像處理課程和方向（3）中的模式識(shí)別課程的先修課程，也是虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等課程的先修課程，由此計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要地位是不言而喻的。

二、現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程一般在第六學(xué)期開(kāi)設(shè)，之前已經(jīng)開(kāi)設(shè)了高等代數(shù)、數(shù)學(xué)分析、離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)課程，學(xué)生有了一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)。然而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及到的內(nèi)容廣泛并且理論性很強(qiáng)，在課堂上和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)比較難，導(dǎo)致在課程的講授過(guò)程中枯燥，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不能夠很好地調(diào)動(dòng)起來(lái)。

目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中存在以下幾方面的問(wèn)題：

1.學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富而深度不夠。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程研究?jī)?nèi)容豐富、理論性很強(qiáng)。在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)置中，需要從計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)及圖形硬件介紹入手，介紹用戶接口和交互式技術(shù)、圖形的表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形的生成、變換、消隱、光照等直到真實(shí)感圖形生成。然而專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，該課程總學(xué)時(shí)為56學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)，課堂上很難對(duì)內(nèi)容進(jìn)行深入的講解，導(dǎo)致我們學(xué)生一知半解，不能很好地理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，從而失去學(xué)習(xí)興趣。

2.理論和實(shí)踐結(jié)合不緊密。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的算法（如DDA算法、Bresenham算法、Cohen-Sutherland算法、Weiler-Atherton算法等）都很巧妙，需要學(xué)生有很好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)以便對(duì)算法進(jìn)行理解并實(shí)現(xiàn)。而實(shí)踐學(xué)時(shí)相對(duì)較少，學(xué)生對(duì)算法的掌握程度一般，也會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、課程學(xué)習(xí)改革

1.理清計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相應(yīng)方向課程間的關(guān)系，突出圖形學(xué)的重要性。目前的計(jì)算科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中，計(jì)算機(jī)課程主要包括高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖形圖像處理、模式識(shí)別等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是信息科學(xué)方向中比較重要的一門(mén)課程，它是信息處理方向中的圖像處理課程以及計(jì)算智能方向中的模式識(shí)別等課程的先修課程，它們之間的關(guān)系如圖1。事實(shí)上，把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)類課程的一門(mén)核心課程，能彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件編程系統(tǒng)訓(xùn)練的不足，能較好地促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)能力培養(yǎng)。

2.優(yōu)化理論學(xué)習(xí)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最終目的就是用計(jì)算機(jī)程序的方法在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上生成圖像效果，特別是生成類似照相機(jī)拍攝的三維圖像。從基本的圖形元素到真實(shí)感圖形生成，中間要經(jīng)過(guò)生成、裁剪、變換、消隱、光照等處理過(guò)程。

該專業(yè)本科生核心學(xué)習(xí)內(nèi)容要求學(xué)生必須掌握其基本算法原理及實(shí)現(xiàn)方法，細(xì)線部分實(shí)現(xiàn)從算法的角度來(lái)說(shuō)難度較高，結(jié)合目前流行的OpenGL、Direct3D等技術(shù)，直接調(diào)用函數(shù)等構(gòu)件類來(lái)實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)時(shí)以案例的形式進(jìn)行分析。通過(guò)理論授課將知識(shí)框架展示給學(xué)生，剩下的內(nèi)容由學(xué)生通過(guò)自學(xué)、合作討論給予填充，從而完成整個(gè)課程體系的學(xué)習(xí)過(guò)程。

3.構(gòu)建學(xué)習(xí)網(wǎng)站，加強(qiáng)課外學(xué)習(xí)。為加強(qiáng)師生課外交流互動(dòng)，在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)改革[4]構(gòu)建的課程平臺(tái)基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程網(wǎng)站。按周次及時(shí)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，與學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生課外學(xué)習(xí)。

4.構(gòu)建學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，強(qiáng)化實(shí)踐學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。

總結(jié)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的課程。我們信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)實(shí)際，分析了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程在信息科學(xué)方向課程中的地位，從優(yōu)化課程理論教學(xué)內(nèi)容、設(shè)置實(shí)驗(yàn)主題、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化學(xué)生基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力等方面對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程進(jìn)行了學(xué)習(xí)探討。

參考文獻(xiàn)

[1]劉圣軍，韓旭里.信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)改革探索[J].數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用，2011，31（3）：97-102.

[2]魏海濤，魯漢榕，楊瑞娟，等.科學(xué)地構(gòu)建“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)計(jì)算學(xué)科的全面發(fā)展——對(duì)“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）”的思考[J].計(jì)算機(jī)教育，2008，（20）：035.

[3]唐澤圣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]吳元斌.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)[J].安康師專學(xué)報(bào)，2004，（16）：119-121.

作者簡(jiǎn)介：

苗壯，男（1997年09月30號(hào)），山東省威海人，研究方向?yàn)閿?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)。

段福強(qiáng)，男（1994年7月1號(hào)），云南玉溪人，研究方向?yàn)閿?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)。

李付才，男（1994年08月05號(hào)），云南文山人，研究方向?yàn)閿?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)。