應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材存在的問(wèn)題及對(duì)策

尹星云

摘 要：分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材存在的問(wèn)題，針對(duì)應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法三個(gè)方面進(jìn)行了改革探索，收到了良好的效果，有效地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 教材 OpenGL

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0178-02

從學(xué)科角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門理論和實(shí)踐都很強(qiáng)的綜合性學(xué)科；從技術(shù)層面來(lái)看，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)的各個(gè)方面，例如計(jì)算機(jī)游戲產(chǎn)業(yè)和影視動(dòng)畫(huà)，人們使用手機(jī)和計(jì)算機(jī)時(shí)操作的圖形用戶接口，這些應(yīng)用與人們的生活密不可分。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和人們的日常生活中均占有重要地位。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程之前對(duì)該課程具有一定的好奇和期待，但是如果按照當(dāng)前市場(chǎng)上流行的教材組織教學(xué)會(huì)使學(xué)生很失望，從而失去學(xué)習(xí)該課程的熱情。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科，本科段的主要教學(xué)內(nèi)容由以下幾個(gè)部分組成：光柵圖形學(xué)、圖形變換、圖形裁剪、可見(jiàn)面判斷、曲線和曲面、簡(jiǎn)單的真實(shí)感圖形生成。基于這些內(nèi)容，國(guó)內(nèi)教材基本上以計(jì)算機(jī)基本圖形的生成原理及其相應(yīng)的經(jīng)典算法為核心，注重算法的推導(dǎo)過(guò)程，也就是數(shù)學(xué)演算過(guò)程，使得教材內(nèi)容理論性很強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。這樣的教材適合培養(yǎng)學(xué)術(shù)研究型的學(xué)生，所學(xué)知識(shí)為他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)、從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的絕大多數(shù)學(xué)生畢業(yè)后走向職場(chǎng)，即使考上研究生進(jìn)一步深造的學(xué)生，選擇計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為研究方向的可以說(shuō)是鳳毛麟角。更加重要的是，應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差，沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)學(xué)習(xí)這種數(shù)學(xué)演算式的算法推導(dǎo)過(guò)程。由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域也用不到教材中這樣底層的經(jīng)典圖形算法，一般的圖形軟件開(kāi)發(fā)都是基于某種圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，例如實(shí)際的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)OpenGL（Application Programming Interface），微軟公司的DirectX。基于軟件標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生可以學(xué)到開(kāi)發(fā)圖形學(xué)軟件的一些實(shí)用技術(shù)，掌握繪制真實(shí)感圖形的完整流程。因此，當(dāng)前急需解決應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材問(wèn)題，以及由此帶來(lái)的該課程在應(yīng)用型本科院校的定位問(wèn)題。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革探索

應(yīng)用型本科院校的學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)手能力比較強(qiáng)，其中不乏玩游戲的高手。絕大多數(shù)認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生都對(duì)程序開(kāi)發(fā)比較感興趣，并且學(xué)得快。但是由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維能力比較差，對(duì)理論性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容不感興趣，學(xué)起來(lái)吃力。針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材的現(xiàn)狀和應(yīng)用型本科院校學(xué)生的特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了一定的研究探索。將教學(xué)目標(biāo)定位為使學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有一個(gè)概括性的全面了解，理解計(jì)算機(jī)基本圖形的生成原理及其相應(yīng)的經(jīng)典算法的基本思路，掌握其中的重要技術(shù)；學(xué)習(xí)一種圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，加大實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)力度，使學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的圖形場(chǎng)景，掌握繪制真實(shí)感圖形的基本流程。對(duì)于教學(xué)內(nèi)容，采用一本教材為主，多本參考書(shū)為輔，在吃透這些教材的基礎(chǔ)上重新整合教學(xué)內(nèi)容，力求使學(xué)生能夠?qū)W到實(shí)際有用的知識(shí)和技術(shù)，掌握必要的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)圖形應(yīng)用軟件的初步能力。OpenGL是一種跨平臺(tái)的應(yīng)用程序接口，已經(jīng)成為實(shí)際的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，而微軟公司的DirectX僅適用于Windows操作系統(tǒng)。另外，OpenGLES是OpenGL的子集，應(yīng)用于多種嵌入式系統(tǒng)，如控制臺(tái)、移動(dòng)電話、手持設(shè)備、家電設(shè)備和汽車等。把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起構(gòu)成了WebGL，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web開(kāi)發(fā)人員可以用WebGL構(gòu)建具有豐富圖形的網(wǎng)站頁(yè)面和設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)游戲等。所以教學(xué)中選用了OpenGL作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

教學(xué)內(nèi)容整合以教材為依據(jù)，對(duì)應(yīng)每個(gè)教學(xué)模塊增加相應(yīng)的OpenGL內(nèi)容，例如光柵圖形學(xué)模塊增加OpenGL的基本圖元繪制、圖形變換模塊增加OpenGL實(shí)現(xiàn)圖形變換的內(nèi)容、曲線和曲面模塊增加利用OpenGL繪制Beizer曲線曲面和B樣條曲線曲面的方法、真實(shí)感圖形生成模塊增加OpenGL的光照（包括光源的位置、光的類型）和材質(zhì)內(nèi)容，等等。整合后的教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了理論與實(shí)踐并重、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教育思想，每一次課的教學(xué)內(nèi)容由兩部分組成：一是理論部分，講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本原理和概念、經(jīng)典算法的設(shè)計(jì)；二是實(shí)踐部分，講授與理論教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的OpenGL繪圖程序設(shè)計(jì)。對(duì)于理論教學(xué)內(nèi)容突出重點(diǎn)，精選有代表性的算法講解透徹，使學(xué)生掌握算法思想的精髓、主要技術(shù)手段，對(duì)類似算法能夠舉一反三，自行學(xué)習(xí)。實(shí)踐教學(xué)部分強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容演示基于OpenGL繪制的圖形或者場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生分析設(shè)計(jì)過(guò)程以及實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的OpenGL函數(shù)，以便學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)能夠獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)出具有真實(shí)感的圖形或者簡(jiǎn)單場(chǎng)景。由于教學(xué)內(nèi)容由理論和實(shí)踐兩個(gè)主題構(gòu)成，所以教學(xué)過(guò)程中要特別注意將這兩個(gè)部分有機(jī)地融合在一起，具體做法是講清楚OpenGL函數(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，下面以圖形的幾何變換為例說(shuō)明。圖形的幾何變換以齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，用矩陣表示變換，將變換矩陣乘以點(diǎn)的原始坐標(biāo)，運(yùn)算結(jié)果即為變換后的點(diǎn)的坐標(biāo)；OpenGL的變換函數(shù)是以程序員給定的參數(shù)、按照函數(shù)功能先構(gòu)造相應(yīng)的變換矩陣，然后將變換矩陣與點(diǎn)坐標(biāo)相乘得到變換后的點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)這種剖析將理論知識(shí)與實(shí)踐技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生知其然，也知其所以然，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)的熱情。

教學(xué)過(guò)程以建構(gòu)主義教學(xué)理念為指導(dǎo)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法為主結(jié)合多種教學(xué)方法以提高課堂教學(xué)質(zhì)量。建構(gòu)主義教育思想認(rèn)為學(xué)習(xí)的本質(zhì)是知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程，教學(xué)的目的在于幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)，而不是單向的給學(xué)生傳授知識(shí)，教師的作用是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)原有知識(shí)進(jìn)行改造和重組，實(shí)現(xiàn)新知識(shí)建構(gòu)。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的核心是以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)過(guò)程，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)合適的任務(wù)，通過(guò)分析這個(gè)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)。例如，講授真實(shí)感圖形生成時(shí)，首先演示一個(gè)編程繪制的具有真實(shí)感的圖形，在光照的作用下圖形逼真、美觀，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)分析這個(gè)圖形的生成原理和技術(shù)，引出光照模型和顏色理論的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)設(shè)問(wèn)、啟發(fā)等多種教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)相關(guān)的理論知識(shí)；通過(guò)分析OpenGL實(shí)現(xiàn)光照、材質(zhì)的技術(shù)，完成利用計(jì)算機(jī)繪制真實(shí)感圖形的教學(xué)任務(wù)。endprint

最近幾年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些面向應(yīng)用型本科院校的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材，其中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)理論的深度和難度都比傳統(tǒng)教材降低了，闡述也比較通俗易懂，但是沒(méi)有配套的上機(jī)實(shí)踐教材。因此，編寫(xiě)了基于OpenGL的電子版實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由以下模塊組成：熟悉編程環(huán)境、基本圖元生成、二維圖形變換、三維圖形變換、光照和材質(zhì)、曲線和曲面。實(shí)驗(yàn)類型分為驗(yàn)證型，設(shè)計(jì)型和綜合型。每次上機(jī)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容分為兩個(gè)部分：一是運(yùn)行課堂教學(xué)中講授的OpenGL程序、分析運(yùn)行結(jié)果，然后修改這個(gè)程序生成新的圖形，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解；二是利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)物體或者簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。課外作業(yè)是根據(jù)所學(xué)知識(shí)自由創(chuàng)造一個(gè)具有真實(shí)感的場(chǎng)景，從第一次上機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜構(gòu)造一個(gè)場(chǎng)景，每次上機(jī)后增加本次實(shí)驗(yàn)所學(xué)知識(shí)的內(nèi)容，上機(jī)實(shí)驗(yàn)課結(jié)束時(shí)上交，作為該課程的實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)。這樣，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了利用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的完整流程，而且親自實(shí)踐了這個(gè)完整流程。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的整合，使學(xué)生能夠?qū)W到利用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形的完整流程，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的軟件開(kāi)發(fā)能力，如果不進(jìn)行上述教學(xué)改革是不可能達(dá)到這個(gè)目的的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)教材太注重經(jīng)典算法的剖析，學(xué)生即使努力學(xué)習(xí)，也是只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林，非常不適合應(yīng)用型本科院校的學(xué)生使用。由于OpenGL的強(qiáng)大功能，教學(xué)中可以演示利用OpenGL編程繪制的逼真圖形，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)也可以自行設(shè)計(jì)、編程繪制這樣具有真實(shí)感的圖形，極大地激發(fā)了學(xué)生的求知欲，使得學(xué)生想學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，有效地提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量。

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