加強基礎理論教育的“顏色科學與技術(shù)”課程改革

丁 穎，徐麗慧，沈 勇，潘 虹

（上海工程技術(shù)大學 紡織服裝學院，上海 201620）

顏色科學是輕化工程專業(yè)的一門重要課程，是一門專業(yè)性較強的學科，也是一門與很多有關(guān)專業(yè)有交叉聯(lián)系的學科，與“印染”“數(shù)碼成像”“顯示器應用”“彩色打印”“交通信號”“軍事偽裝”和“高分子”等專業(yè)有千絲萬縷的聯(lián)系?？捎糜陬伾脑u價、比較及顏色的數(shù)字描述等方面[1]。

“計算機測色與配色”在印染行業(yè)的應用主要是為了加快顏色的傳輸速度與效率以及對顏色的評判。最早的顏色傳輸是通過實樣來實現(xiàn)的，后來隨著計算機以及電子分光元件的發(fā)展，特別是在顏色按一定的、標準化的公式進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，可以實現(xiàn)通過電子郵件進行顏色的傳遞與共享。顏色的數(shù)字化是按照一定的方法，將人眼所能看見的各種顏色用數(shù)字形式來表述，以完成對顏色的分類、命名、比較、測量以及各種顏色疊加的數(shù)字化計算，數(shù)字化后的顏色使用更加簡便、直觀，且對人眼的辨色無任何要求[2]。

隨著科學檢測技術(shù)的發(fā)展，特別是檢測儀器的不斷發(fā)展，顏色的數(shù)字化轉(zhuǎn)換越來越普遍，顏色數(shù)字化的應用也越來越多。在“計算機測色與配色”課程的教學中發(fā)現(xiàn)，學生能夠運用測色配色儀測量顏色的差異，測量標樣與實樣之間顏色和亮度的差異，用K/S值對物體的表觀色深進行表征，對色差進行評判與計算等。但對于顏色怎樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字、色差建立在怎樣的基礎之上、K/S值表示的含義是什么以及如何得到等，沒有全面的理解，或者是只會操作而對這些基礎原理完全不了解。針對上述現(xiàn)象，認為有必要對教學的內(nèi)容以及教學的方法進行改革，而課程改革也是高校課程建設的重要組成部分，因此本課題組對教材、教學內(nèi)容、教學重點以及理論教學與實踐教學的安排進行了大量的研究與分析，一致認為，學生對計算機測色配色儀器的操作容易上手，但對基礎知識的理解（如：顏色與數(shù)字轉(zhuǎn)化、色差的定義、K/S值的計算等）掌握不夠全面，知道怎么做，但不知道為什么這么做。所以在教學中要把重點放在基礎知識的全面教學上，相應地把課程名稱定為《顏色科學與技術(shù)》。

本文從教材的選擇、教學方法的實施以及實驗的選擇與進行，闡述了本課題組的一些思路。

1 顏色科學教材的選擇

與顏色科學相關(guān)的課程在全國部分高校均有開設，理論上講，由于顏色科學的牽涉面很廣，與顏色科學相關(guān)的專業(yè)（包括：染整、電子與數(shù)碼、高分子等等）均應開設與之有關(guān)的課程。就染整專業(yè)而言，各校常用的教材有：朱譜新，丁穎等編著的《染織色彩原理及配色》[3]；董振禮等編著的《測色與計算機配色》[4]；薛朝華編寫的《顏色科學與計算機測色配色實用技術(shù)》[5]；東華大學何國興老師編寫的《顏色科學》[2]。經(jīng)過對教材的仔細研究與討論，一致認為上述教材不符合突出基礎理論教學理念的要求，也不符合我校對教學學時改革的要求。所以上述教材對于我校的專業(yè)教學不是非常適用。

第一，教材《染織色彩原理及配色》介紹了織物和纖維的一些光學特性（如纖維的折光與反射性能、織物的織法對外觀光學性能的影響等），染料和顏料的著色性能，闡述了一些與顏色科學有關(guān)的內(nèi)容。教材里提到了顏色科學與色度學的一些基本知識，同時提到了色差、色深和配色的應用方法等。但教材中對于顏色科學的實踐用了較多篇幅進行講解，而對基礎知識及理論的敘述較少。適合在實踐中使用，但不符合對教材的要求。

第二，教材《測色與計算機配色》主要是培養(yǎng)學生綜合運用計算機軟件進行顏色的評價和配色的能力。教材《顏色科學與計算機測色配色實用技術(shù)》雖然對標準色度學系統(tǒng)進行了敘述，但主要側(cè)重于介紹測色配色儀在紡織印染、皮革染色及涂料和塑料工業(yè)中的應用，對噴墨印刷、電子制版等技術(shù)作了較為詳盡的介紹。而本課題組的教學目的是使學生全面掌握測色配色理論的基礎知識，在掌握基礎理論知識的基礎上運用計算機知識來進行電腦測色配色儀的操作與應用。這兩本教材對操作、應用介紹較多，而對基礎理論知識介紹不夠，顯然也不符合本課題組的要求。

第三，《顏色科學》是一本較為完整的教材，適合用于理科教學。但《顏色科學》的篇幅較大，不適合我校的教學安排。我校的《顏色科學與技術(shù)》課時為32節(jié)課，要在32課時的教育時間內(nèi)完成《顏色科學》的教學任務是不可能的。

學生的復習工作很大部分是以教材為主進行的，所以通過對上述教材的分析與討論，決定采用自編教材來完成教學任務。課程的名稱定為《顏色科學與技術(shù)》，以講解基礎理論知識為重點，同時對教學方法進行改革。教材的內(nèi)容包括：光和顏色、顏色視覺、色度學系統(tǒng)、均勻顏色空間以及色差、顏色評價、色序系統(tǒng)、光源色度學等，同時將計算機測色、配色及計算機的其他應用作為實驗內(nèi)容，分別穿插到各個章節(jié)中，各個章節(jié)的編寫工作側(cè)重在基礎知識的掌握上。

2 《顏色科學與技術(shù)》的教學方法與教學重點

《顏色科學與技術(shù)》課程的教學擬根據(jù)自編的教學講義進行，自編講義的內(nèi)容將側(cè)重于顏色的數(shù)字化描述、各種顏色測試與比較、表面色深的測量和顏色評價等內(nèi)容的基礎理論知識。在教學中強調(diào)所有內(nèi)容的基礎是顏色的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。并配合理論教學開展與顏色科學相關(guān)的討論。

鑒于顏色科學與技術(shù)的課程特點，形象、直觀地重現(xiàn)顏色的復現(xiàn)、混合以及色度學系統(tǒng)的建立等顏色特性，使得課堂教學形象、生動，學生易學、易理解、易記憶，便于課后復習，也為了在規(guī)定課時內(nèi)完成教學任務，在自行編寫《顏色科學與技術(shù)》教學講義的基礎上，授課全程使用ppt作為教學手段，通過ppt的使用能使學生更形象地接受顏色的特性、特征以及顏色的屬性等基本概念。

另外，對于各個章節(jié)的講課要求也不盡相同，有些牽涉到基礎理論知識的章節(jié)進行重點講解，有些章節(jié)作簡單的介紹，并結(jié)合課堂外的作業(yè)進行教學。舉例如下：

2.1 “顏色視覺”與“色度學系統(tǒng)”章節(jié)是顏色科學的基礎

在講解顏色的數(shù)字化理論的建立時，由顏色轉(zhuǎn)盤與顏色的色光匹配入手，介紹顏色方程和RGB系統(tǒng)的建立，強調(diào)顏色的匹配由色光匹配完成，產(chǎn)生的顏色是視覺器官內(nèi)混合成的。而顏色轉(zhuǎn)盤是視覺器官外顏色的混合，只是比較直觀，更適合用在教學上。顏色方程只是說明顏色匹配成功。并且要求學生通過顏色的匹配了解RGB系統(tǒng)是怎樣通過顏色方程的轉(zhuǎn)化建立的。

關(guān)于RGB系統(tǒng)向XYZ系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，強調(diào)RGB系統(tǒng)向XYZ轉(zhuǎn)化的目的是要在RGB系統(tǒng)中去掉負值，即XYZ系統(tǒng)的建立是為了符合人眼觀色的習慣。原來的RGB系統(tǒng)圖在許多區(qū)域出現(xiàn)了負值，人們理解不便，對顏色的數(shù)字化轉(zhuǎn)化也較難理解。本章節(jié)的重點就是要建立起XYZ系統(tǒng)以去掉這些負值。XYZ系統(tǒng)的建立是尋找新的三原色，新的三原色是存在的，但人眼是無法看到的，所以不是物理色。新的顏色三角形頂點分別是X、Y、Z，由三角形的三條邊相交得到，所以首先要建立三條邊的方程，要求學生運用以前學的解析幾何的知識，結(jié)合課題的講解內(nèi)容建立三角形三條邊的方程，再解聯(lián)立方程，得到X、Y、Z的坐標。然后通過矩陣方程，求得變化后的新三角形頂點。對于矩陣轉(zhuǎn)換。留給學生作為課后作業(yè)來完成，原因一是學生對于矩陣的換算方法應該在數(shù)學課上已經(jīng)教授了，二是在有限的課堂教時里無法完成這一教學任務。

學會使用XYZ系統(tǒng)，首先要求學生能夠看懂XYZ系統(tǒng)色度圖，對于新的色度圖包含的意義要掌握，在課堂上指導學生怎樣解讀新色度圖的含義。對XYZ色度圖的解讀也是本章的重點之一。

2.2 “均勻顏色空間以及色差”章節(jié)是染整專業(yè)的學生用測色配色儀測量顏色差異的主要理論依據(jù)

XYZ系統(tǒng)在空間上是不均勻的，而色差的計算一定要在均勻顏色空間上進行。均勻顏色空間的建立是為了更科學地計算樣品與標樣之間的顏色差異（色差）。國際照明委員會（CIE：Commission Internation de l'Eclairage）所推薦的均勻顏色空間與相應的色差計算公式有很多，不可能在課堂上一一敘述?？紤]將色差公式的來源以及常用的色差公式進行較為詳細的介紹，由于所面對的學生是染整專業(yè)的，所以重點介紹UCS圖與FMC-Ⅱ色差公式。介紹UCS圖的目的是引入均勻顏色空間以及引入的方法，講解FMC-Ⅱ色差公式是因為這是一個在紡織印染行業(yè)應用較廣泛的色差計算公式，這個色差公式的結(jié)果與人的視覺觀察結(jié)果有很好的相關(guān)性。其他的色差公式作為課后閱讀材料，由學生在課堂外完成。

2.3 K/S值是由kubelka-munk理論得出的，現(xiàn)大多由計算機來完成

在函數(shù)的推導過程中進行了一系列的簡化與假設，考慮了織物表面染料對光的吸收與反射效果，綜合表示了織物的染色效果。其中，K表示染料的吸收系數(shù)，S表示染料的散射系數(shù)。由于在求解kubelka-munk函數(shù)的過程中，牽涉到解微分方程等解題方法，顧對學生不作微分方程求解的要求，重點是要求學生學會如何使用與測量K/S值。

3 《顏色科學與技術(shù)》的實驗

實驗是理論的深化與應用，是培養(yǎng)學生提高分析問題能力與加強解決問題能力的教學環(huán)節(jié)[6]?！额伾茖W與技術(shù)》是一門同時具有理論性與實踐性的課程，在教學中不能忽視實踐。但由于教學改革的需要，《顏色科學與技術(shù)》的教學時數(shù)被削減到32學時，因此在有限的教學時間內(nèi)進行實踐教學是一件不可能完成的任務。我們把實踐教學安排在理論教學課時之外進行，實驗教學結(jié)合理論教學進行。在得到了實驗室有關(guān)實驗老師及工作人員的支持下，用理論結(jié)合實驗的教學方法進行教學。一共進行測色與配色（顏色的三刺激值的測量）、顏色的比較（試樣與標樣的顏色差）、顏色的評價方法（用K/S值對標樣與試樣進行比較）等實驗內(nèi)容，實驗的內(nèi)容均是理論教學的重點內(nèi)容。

4 結(jié)語

根據(jù)教學教改的目的，經(jīng)研究和討論，將與顏色有關(guān)的課程名稱定為《顏色科學與技術(shù)》，采用自編教材進行理論教學，加強對課程的部分內(nèi)容的基礎理論的講解。整個教學的過程采用ppt教學的方法進行，以期更好地展現(xiàn)顏色的特性、特征以及顏色的屬性等，使教學形象、生動，也便于學生課后復習。實驗教學安排在課堂外進行，將理論教學的重點作為實驗內(nèi)容，以加強學生對課堂教學的理解。適當布置一些課堂外的作業(yè)并開展課外討論。