新工科背景下“計算機圖形學”的教學設(shè)計和探討

湯 穎，熊麗榮，秦緒佳

（浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，浙江 杭州 310023）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興技術(shù)的飛速發(fā)展， 工程領(lǐng)域面臨前所未有的挑戰(zhàn)和變革。當前新一輪產(chǎn)業(yè)革命能否成功的根本在于新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)能否到位。 有專家指出，相對于傳統(tǒng)的工科人才， 未來新興產(chǎn)業(yè)需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備家國情懷有擔當?shù)母咚刭|(zhì)復(fù)合型“新工科”人才[1]。 為應(yīng)對新興工程領(lǐng)域的發(fā)展需求，推動產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟模式的轉(zhuǎn)變，教育部提出了“新工科”建設(shè)要求，推動人才培養(yǎng)模式等方面的改革，鼓勵高校積極開展相關(guān)專業(yè)的“新工科”研究與實踐[2-3]。

“新工科”包含與計算機科學與技術(shù)相關(guān)的各專業(yè)。 “計算機圖形學”是計算機科學領(lǐng)域中的一個重要且實用的學科，它是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生發(fā)展起來的。在計算機中，用圖形表達各種信息。由于其容量大、直觀方便，更符合人們觀察了解事物運動規(guī)律的習慣，因而計算機圖形學目前在工業(yè)、商業(yè)、軍事、教育和影視娛樂等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 已成為計算機科學中發(fā)展最快、影響最大的學科之一，并在應(yīng)用中日益顯示出其重要性和不可替代性。 近十年來， 隨著計算機圖形處理芯片性能的快速提升，計算機圖形學得到了飛速發(fā)展，與之相關(guān)的計算機圖形技術(shù)已經(jīng)成為學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界爭相研究的熱點。

“新工科”環(huán)境下計算機相關(guān)專業(yè)類人才具有兩大特點：一是要求很強的工程實踐能力；二是具備很強的創(chuàng)新研發(fā)能力。 也就是要求培養(yǎng)的人才具備最新產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面的開發(fā)能力和科研創(chuàng)新能力[4]。

“計算機圖形學”課程的理論性、實踐性和綜合性都很強，對學生的程序設(shè)計與開發(fā)能力、基礎(chǔ)數(shù)理能力和計算思維能力都有較高的要求。對高校的“計算機圖形學”課程進行“新工科”建設(shè)實踐，特別需要面向“新工科”人才要求培養(yǎng)工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)人才[5-6]。 此外，加強和改進大學生思想政治教育是貫徹落實“新工科”理念的必然要求，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有力保障。 因此本文探討如何設(shè)計課程實驗提高學生動手實踐和創(chuàng)新能力，同時設(shè)計課程思政教育培養(yǎng)學生的家國情懷。通過對“計算機圖形學”課程教學的改革和實踐，不僅可增強計算機圖形學相關(guān)人才適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級的能力，也可以為其他課程與學科方向的“新工科”建設(shè)提供樣例和思路[7]。

1 基于可編程GPU 的課程實驗設(shè)計

傳統(tǒng)的“計算機圖形學”在培養(yǎng)學生動手實踐環(huán)節(jié)通常采用固定圖形流水線來設(shè)計圖形實驗，即采用OpenGL1.0（3D 圖形API）來訓練學生底層的圖形編程能力。 隨著圖形處理單元GPU（Graphics Processing Unit）技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今圖形產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界已經(jīng)越來越多地采用可編程圖形繪制流水線來進行3D 圖形的編程。 同時，隨著機器學習的發(fā)展， 大量的學習訓練過程需要用到GPU 進行并行加速，從而減少訓練時間。 因此在實驗中引入GPU讓學生基于可編程圖形硬件實現(xiàn)圖形底層的功能和算法，不僅能提高學生對于算法的理解，同時還能培養(yǎng)學生基于GPU 的編程能力， 使得學生畢業(yè)后具備產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)或科學研究上要求的底層圖形硬件編程能力。

GPU 支持高并行計算， 與支持順序計算的CPU 相比特別適合于處理具有高度并行結(jié)構(gòu)的圖形數(shù)據(jù)或機器學習算法，被大量應(yīng)用于各種并行計算應(yīng)用中。圖1 給出了GPU 的流水線結(jié)構(gòu)，其中本課程主要學習如何使用頂點著色器（vertex shader）和片元著色器（fragment shader）來進行編程。 課程實驗主要針對計算機圖形學中的三維幾何變換、三維光照明計算和紋理映射。其中三維幾何變換實驗主要學習基于頂點著色器的編程，三維光照明計算和紋理映射實驗主要學習基于片元著色器的編程。

圖1 可編程GPU 流水線Figure 1 Programmable GPU pipeline

三個實驗共享一個實驗場景， 設(shè)置為三個球體，即太陽、地球和月亮。三維幾何變換實驗實現(xiàn)在線框圖繪制效果下的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的層次幾何變換；三維光照明計算實驗計算三個球體的三維實體光照效果（含漫反射和鏡面反射）；紋理映射實驗將太陽、地球和月亮的紋理映射到三個球體表面，同時保留光照效果。 上述三個實驗完成，即實現(xiàn)了帶有紋理和光照的太陽系星球，同時支持星系內(nèi)球體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動。 通過這一個場景，學生可以逐步掌握GPU 編程的核心內(nèi)容， 且最終渲染的場景讓學生很有成就感，培養(yǎng)了3D 圖形編程的興趣。

下面我們介紹下三個實驗包含的核心內(nèi)容。

1.1 三維幾何變換實驗

實驗要求：要求學生在Sun_Earth 程序（該程序包含兩個球體：太陽和地球，地球可以自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)）的基礎(chǔ)上添加月球，實現(xiàn)月球的自轉(zhuǎn)和月球繞地球公轉(zhuǎn)的效果。

頂點著色器核心代碼：

1.2 三維光照明計算實驗

實驗要求：在上述三維幾何變換的基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維光照效果。

片元著色器核心代碼：

1.3 紋理映射實驗

實驗要求：在上述光照明代碼的基礎(chǔ)上添加紋理映射效果。

片元著色器核心代碼：

上述三個實驗的結(jié)果如圖2 所示，圖2a）為以幾何線框圖模式繪制的太陽系效果；圖2b）為太陽系的三維光照繪制效果；圖2c）為帶紋理和光照效果的太陽系。

2 課程隱性思政元素設(shè)計和探討

在“計算機圖形學”課程的教學中需要通過隱性教育融入思政元素[8]。 教師在授課過程中不可能直接向?qū)W生傳授思想政治內(nèi)容，這樣會顯得生硬且效果不佳。 教師需要對教學內(nèi)容進行分析和挖掘，將思政內(nèi)容自然地融合到專業(yè)課內(nèi)容的講解中，使學生在學習專業(yè)知識的同時，也自然而然地接受了思想教育。

結(jié)合計算機圖形學的教學內(nèi)容，下面給出如何在教學中培養(yǎng)學生的工匠精神和精益求精做事習慣的具體教學案例。

第1 節(jié)給出的基于太陽系幾何變換和繪制的GPU 圖形實驗一共三個，一環(huán)扣一環(huán)，后一個實驗基于前一個實驗的效果來繼續(xù)做。從圖2 中可以看到，三個實驗的圖形真實感隨著幾何、光照和紋理等圖形算法引入而逐步加強。 在此案例中，可以采用啟發(fā)式教學法，在一開始給出我們最終的目標效果，然后在教學的不同階段讓學生對比當前繪制效果與目標效果的差距， 引導學生回答還需要一步步加上哪些效果才可以達到最終效果。 這樣可以由淺入深一步步引導學生學習并完成圖形的真實感繪制，從而也逐步讓學生感受到“工匠精神”的意義所在，即從最基礎(chǔ)的開始，一步步加入新的內(nèi)容，每步都認真踏實地完成，最終就可以繪制出具有類似星系星體運動交互效果的真實感圖形。這個案例讓學生明白只有具備踏踏實實的“工匠精神”才能實現(xiàn)有成就感的3D 效果，如果中間某一環(huán)節(jié)馬虎應(yīng)付，后面的效果也會打折扣，無法實現(xiàn)理想的繪制效果。

圖2 太陽系繪制和變換實驗效果圖Figure 2 Rendering of the solar system and the effect of the transformation experiment

此外，計算機圖形學中的光照明計算有基于頂點插值的和基于像素的這兩種不同的計算方式。前者計算量較小，但是效果不太好；而后者計算量大，但是繪制效果好。 如圖3 所示，圖3a）是基于頂點插值的三維繪制效果，圖3b）是基于像素的phong shading 光照效果。

圖3 不同著色方式下的光照明效果對比Figure 3 Comparison of lighting effects under different shading methods

此案例可以采用對比教學法，先讓學生實現(xiàn)基于頂點插值的光照明效果，然后提問這個效果是不是最好和是不是還可以提升， 通過讓學生主動思考，讓他們從實例效果中理解基于頂點的光照在幾何不連續(xù)的表面會產(chǎn)生光照不連續(xù)的效果。然后提問如何生成光照連續(xù)光滑的結(jié)果，在學生給出各種方案后，引入基于像素的光照明計算方法。 最后對比這兩種光照明效果，可以發(fā)現(xiàn)后者光照效果比前者有了顯著提升。這個案例在于激發(fā)學生養(yǎng)成精益求精的做事習慣， 不要滿足于眼前已有的效果，要不斷發(fā)現(xiàn)可以提升的空間，并積極思考和給出解決方法。

3 結(jié)語

本文主要討論了“新工科”背景下“計算機圖形學”課程在課內(nèi)實驗和思政教學方面的設(shè)計。 首先結(jié)合業(yè)界最新的可編程圖形硬件給出了基于GPU的三個逐步加強真實感繪制效果的課程實驗，通過基于圖形硬件GPU 的課程實驗可以有效鍛煉學生圖形硬件的底層開發(fā)能力，讓學生的技能更好地與業(yè)界的新技術(shù)匹配。 進一步，討論了如何在“新工科”的背景下開展隱性思政教育，通過兩個案例說明如何結(jié)合教學內(nèi)容向?qū)W生傳授“工匠精神”和“精益求精”的做事習慣。 上述教學探索可以有效提升“計算機圖形學”課程的教學效果，激發(fā)學生的學習熱情和能動性，也為高?！靶鹿た啤闭n程建設(shè)提供了有益的經(jīng)驗。