計算機圖形學課程虛擬實驗教學探索

趙智+陳兵

摘要：本文針對計算機圖形學學習復雜算法遇到的問題，提出將虛擬實驗引入教學過程，將計算機圖形學的圖形算法涉及的抽象對象用虛擬對象關聯，用虛擬場景模擬算法運算過程，把抽象對象和算法運算過程形象化，實現抽象對象和算法運算過程的可視化，使抽象的算法易于理解，達到提高教學效果的目的。

關鍵詞：計算機圖形學；算法；虛擬現實技術；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）23-0273-02

一、計算機圖形學教學的重要性

隨著信息技術的發(fā)展，與計算機圖形學（以下簡稱圖形學）相關的理論與方法，越來越受到關注與重視。圖形學是研究與討論用計算機把數據轉換為圖形，并在顯示終端上顯示的學科[1]。由于圖形所攜帶的信息比純文本方式要豐富多彩，圖形數字化的應用迅速在各領域快速發(fā)展，計算機圖形學技術深入人們工作、生活的各個領域，從航空航天飛行器以及汽車外形的設計、天氣預報，到電影電視廣告、游戲制作、可視電話、微信等，都因為計算機圖形學技術的應用而精彩。

目前國內高校的計算機以及相關專業(yè)多數開置了“計算機圖形學”課程，也是計算機及相關專業(yè)的重要課程之一。該課程理論與實用并重，又是如數字圖像與模式識別、3D動畫編程等實用性強的課程的前置課程，因此，學生對計算機圖形學課程充滿好奇與期待。

二、計算機圖形學課程特點、教學過程中存在的問題及教學改革

1.計算機圖形學課程特點。首先，涉及內容廣，是計算機圖形學課程的特點之一。計算機圖形學是一門涉及多學科的綜合性課程，其內容包括計算機硬件、軟件、空間解析幾何、算法原理、編程等，因此要求學生具備多方面的知識。如較好的數學基礎，特別是空間解析幾何、線性代數、矩陣論等數學基礎知識，計算機語言編程、數據結構等方面的知識。

其次，該課程在理論方面，涉及的原理需要一定的數學基礎才能較好理解，繁多又抽象的圖形生成算法增加了學習的難度。

第三，理論與實驗并重的課程。用計算機語言描述并實現圖形學的問題的過程。也就是其內容包括計算機語言及圖形學知識。一般而言，對圖形學相關的基本算法描述的理解是學生學習計算機圖形學的一個難點，是一個從理論到實踐的認識過程。

2.存在的問題。由于計算機圖形學課程的特點，在教學過程中，學生普遍反映：都能認識到計算機圖形學是一門重要的、有用的、實用的課程，對學習計算機圖形學課程開始時抱著極大的興趣學習，但是，隨著課程的深入學習，圖形算法越來越復雜，雖然課堂上能聽懂算法的原理與流程，但是課后上機實現算法卻感到困難，理論與實踐不能很好結合。隨著時間的推移，不能解決的問題的累加，舊的內容未理解、問題還沒解決，又要忙于學習新內容，學習變成了一種壓力，積極性和自信心受到打擊，學習主動性逐漸下降，這樣一來，教學效果不理想。總之，學生感到圖形學的內容不易理解、不好學，理論與實驗總是存在一定的距離。

3.教學方法的改革。為了解決面對教學過程遇到的問題，提高計算機圖形學課程教學質量、收到更好的教學效果，不少計算機圖形學的老師們在教學實踐中，嘗試用不同的教學方法進行課堂教學，收到了很好的教學效果[2]。

計算圖形學的內容中，其重點與難點都會涉及到復雜算法的內容，而這些內容對學生來說，是最難理解的，用常規(guī)的教學方法，其效果相對較低，因此，計算機圖形學教學過程中，不同的教學內容，應選取和采用合適的教學方法才能收到更好的教學效果，使教學方法的效率最大化，實現教學方法精準化。為了在計算機圖形學的教學實現教學方法的精準應用，本文提出：在涉及復雜算法內容教學過程中，引入虛擬現實技術[3]，用三維交互技術對復雜算法的流程及運行機理進行描述，使復雜算法問題具體化、簡單化，更易于理解，把理論與實驗這兩者這間更好地融會貫通，更好地抓住學習計算機圖形學的重點與難點，把握學好計算機圖形學的關鍵，化解學習過程中的難題。

三、計算機圖形學虛擬現實技術教學改革

1.虛擬現實技術引入計算機圖形學課堂教學的必要性和重要性。要實現與理論與實踐相結合，首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是，大部分計算機圖形學的算法，都以數學理論為支撐，要求學生具備如空間解析幾何、線性代數、矩陣理論及應用等數學基礎知識，換言之，良好的數學基礎，是學好計算機圖學算法的有利條件。而良好的數學基礎，需要通過專業(yè)訓練。一般情況下，我們面對的學生其數學基礎都不是很好，這也是學生對算法學習感到相對困難的原因。針對這種情況，在算法教學過程中，利用現代信息技術替代傳統(tǒng)的粉筆和黑板，引入計算機技術進行算法的模擬演示，使算法的描述和實現的流程形象化、具體化，也就是通過虛擬現實技術，把抽象的算法轉化虛擬環(huán)境進行動畫演示，讓學生易于接受與理解，從而激發(fā)學生主動學習的積極性，讓教學效果達到最佳，為學生課后上機實現算法做好充分的準備，實現理論與實踐的結合。因此，在教學過程中引入虛擬現實技術，是很有必要的。

2.虛擬現實技術引入計算機圖形學課堂教學的過程。教學過程中，將抽象、無形的數學模型通用虛擬現實技術將其具體化、形象化。具體實現如下：將算法實現的過程分解，用虛擬技術的方法將算法運行中的步驟和中間結果一步一步演示，以課件的形式在課堂演示，讓學生建立數學模型、算法與代碼之的對應關系，達到更深刻地理解各種圖形算法的原理及實現過程。

本文選擇Virtools4.0+3Ds MAX作為課件的開發(fā)環(huán)境。3DsMax具有很強的建模功能，由于圖形學算法實現流程中的計算單元（內存、函數等）在對應的虛擬實驗場景中可用簡單的幾何體（正方體、園柱體、球體等）表示，在單一的場景中，3DsMax可以實現快速、高效的建模，此外，Max帶有許多批量建模的工具，如使用鏡像、散布、陣列等工具，可實現任意多個精確（幾何體的坐標）的建模，完全滿足了圖形學虛擬實驗場景建模的需要。Virtools是一款比較成熟具有三維交互式的最后合成軟件，其良好的兼容性突顯其優(yōu)勢，通過相應的插件直接導入經過轉換輸出的3DsMax構建的虛擬場景及動畫（3DsMax中預設的動畫），Virtools中支持多場景功能，可通過交互功能實現多場景間的切換、跳轉等，使虛擬實驗表現力更強、更靈活和多樣，表現出虛擬實驗直觀、交互、多樣性等優(yōu)勢。

實現過程：將圖形學算法實現過程中涉及的內存單元、變量以及函數在虛擬場景中實體化（在虛擬場景中可用長方體或球體等表示），構成圖形算法實現的虛擬的場景，在3DsMAX中建好的（單一）場景導入Virtools中，按算法的流程進行動畫編排。由于Virtools支持多場景功能，可根據需要，將復雜的圖形算法的實現過程分解為若干個子算法（過程），在Virtools中用不同的場景表現不同的相對獨立的子算法，即依次在不同場景中編排相應的場景動畫實現子算法，在各場景上設計交互界面，實現場景間的切換和跳轉，最后導出生成具有交互功能的三維虛擬實驗課件。

四、結語

實踐證明，將虛擬現實技術引入有效促進了計算機圖形學教學的展開，特別計算機圖形學中的重點與難點，如圖形算法的教學內容，教學效果明顯提高，調動了學生的學習熱情，提高了學生的實踐應用能力。將虛擬現實技術引入計算機圖形學教學，提供了一種新的、解決計算機圖形學教學上的重點與難點的方案與方法，是一種新的嘗試。

參考文獻：

[1]伏玉琛，周洞汝.計算機圖形學原理、方法與應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2003.

[2]嚴圣華.計算機圖形學教學研究與實踐[J].計算機教育，2010，10（13）：114-116.

[3]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，39（1）：2-4.

Virtual Experiment Teaching Exploration of Computer Graphics Curriculum

ZHAO Zhi，CHEN Bing

（Shool of Nathematics and Information Science，Guangxi College of Education，Nanning，Guangxi 530023，China）

Abstract：In respect of the questions arising from learning complex algorithms of computer graphics，virtual experiment is proposed to be introduced into the teaching process，and the abstract objects related with primitive algorithms of computer algorithms are correlated with virtual objects and the calculation process of algorithms is simulated in virtual scene，to visualize the abstract objects and the calculation process of algorithms，thereby achieving the visualization of the abstract objects and the calculation process of algorithms and making the abstract algorithms more understandable，so to achieve the target of improving teaching effect.

Key words：computer graphics；algorithm；virtual reality technology；virtual experiment