突出實(shí)踐需求的GIS專業(yè)《計算機(jī)圖形學(xué)》課程優(yōu)化改革

韓院彬

摘要：本文以GIS專業(yè)“計算機(jī)圖形學(xué)”課程中重實(shí)踐、跨學(xué)科的教學(xué)需求為出發(fā)點(diǎn)，以突出實(shí)踐性、適用性的課程教學(xué)為目標(biāo)進(jìn)行課程優(yōu)化改革，以進(jìn)一步提升GIS專業(yè)學(xué)生“計算機(jī)圖形學(xué)”課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);計算機(jī)圖形學(xué);OpenGL

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0134-02

一、引言

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是一門交叉性強(qiáng)的學(xué)科，計算機(jī)圖形學(xué)承擔(dān)著GIS中圖形顯示、數(shù)字信息圖形化等重要角色，在大多數(shù)本科院校的GIS專業(yè)中以專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行設(shè)置[1]。計算機(jī)圖形學(xué)作為計算機(jī)科學(xué)中最為活躍的一個分支[2]，包含大量諸如數(shù)學(xué)、物理、算法等理論性強(qiáng)的知識，如何強(qiáng)調(diào)計算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)踐性以及對于GIS專業(yè)的學(xué)生如何合理的設(shè)置計算機(jī)圖形學(xué)課程得到了本科院校的廣泛關(guān)注[1，3-7]。

GIS是一個強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和具備特定工程背景（地理學(xué)）的專業(yè)，如果按照計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的要求進(jìn)行計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)，一方面大量原理性的知識勢必會使得課程教學(xué)枯燥，另一方面計算機(jī)圖形學(xué)中大量的算法對計算機(jī)的專業(yè)知識和技能要求較高，勢必會使得GIS專業(yè)的學(xué)生在計算機(jī)圖形學(xué)知識學(xué)習(xí)和動手實(shí)踐上存在較大難度。從課程學(xué)習(xí)的意義上來講，使學(xué)生充分認(rèn)知到計算機(jī)圖形學(xué)作為GIS專業(yè)基礎(chǔ)課的必要性，以及學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)將會為他們提供哪些專業(yè)上的幫助，能夠有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)的積極性;學(xué)生能夠?qū)Ξ?dāng)前計算機(jī)圖形學(xué)的一些實(shí)用前沿技術(shù)進(jìn)行入門，會進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)能力和提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力。針對以上幾點(diǎn)需求，本文從重實(shí)踐、跨學(xué)科的角度給出了“計算機(jī)圖形學(xué)”課程優(yōu)化的一些建議。

二、課程內(nèi)容和教學(xué)改革

（一）課程內(nèi)容的適用性

目前國內(nèi)所開設(shè)的計算機(jī)圖形學(xué)主要針對計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，側(cè)重于圖形學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)原理、算法，缺乏適用于GIS專業(yè)的相關(guān)教材和大綱設(shè)置。而通常計算機(jī)圖形學(xué)的課時設(shè)置非常有限（以河北工程大學(xué)為例，計算機(jī)圖形學(xué)在GIS專業(yè)課時設(shè)置為40學(xué)時，其中實(shí)踐部分10學(xué)時），如何在有限的課時內(nèi)讓學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)是一個必須重視的問題。

針對上述問題，對于原理性的知識點(diǎn)進(jìn)行有效壓縮且同時保證課程知識體系的完整性就顯得非常重要了，因此在教學(xué)過程中要貫穿舉一反三和重實(shí)踐的教學(xué)思路。例如在光柵圖形學(xué)、曲線生成知識點(diǎn)中分別有很多算法，課堂通過講解其中典型的一類算法，點(diǎn)出其他算法由學(xué)生以課后作業(yè)的形式自行學(xué)習(xí)。而對于理論性特別強(qiáng)的知識，如真實(shí)感圖形學(xué)中涉及到的各種光照模型的物理和數(shù)學(xué)原理，在課堂教學(xué)中對其做概述性的介紹，對于理論性強(qiáng)的知識（如模型的推導(dǎo)）不作細(xì)致的講解，而將本部分重點(diǎn)放到基于OpenGL的圖形學(xué)中，使學(xué)生能夠更為真實(shí)的通過程序體驗(yàn)光照模型對于圖形顯示的作用。

（二）計算機(jī)圖形學(xué)在GIS中的定位

GIS專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)課程中從開始到結(jié)尾的每節(jié)課都會思考“計算機(jī)圖形學(xué)對于地理信息系統(tǒng)有什么意義，對GIS專業(yè)整體知識體系有何幫助”的學(xué)習(xí)價值問題，讓學(xué)生充分認(rèn)識到課程對于GIS的重要性，將有力提升學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)知識的主動性和積極性。計算機(jī)圖形學(xué)和GIS在很多概念和算法上具有相通性，如GIS中矢量數(shù)據(jù)的柵格化中有大量算法與計算機(jī)圖形學(xué)中光柵圖形學(xué)相對應(yīng)，例如直線掃描轉(zhuǎn)換算法、區(qū)域填充等，特別是四叉樹/八叉樹的應(yīng)用，在計算機(jī)圖形學(xué)和地理信息系統(tǒng)原理的課程中曾多次用到。文獻(xiàn)[3]指出計算機(jī)圖形學(xué)的大多數(shù)算法幾乎都在GIS中得到了應(yīng)用。針對上述需求，在課程安排上組織一次2個學(xué)時的主題討論課，由學(xué)生和教師根據(jù)專業(yè)知識和工程實(shí)際需求討論圖形學(xué)原理、實(shí)踐與GIS的結(jié)合，以及圖形學(xué)在GIS中的定位，最后以作業(yè)的形式讓學(xué)生在課后對課堂討論內(nèi)容分別提出自己的看法，并進(jìn)行整理，讓學(xué)生自主性的認(rèn)識到計算機(jī)圖形學(xué)對于GIS專業(yè)的重要性。

（三）加強(qiáng)GIS學(xué)生計算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)踐能力

計算機(jī)圖形學(xué)中包含大量的圖形學(xué)算法，若只重視算法的原理卻忽略程序?qū)崿F(xiàn)將會使得課堂教學(xué)枯燥無味，學(xué)生也將逐漸失去對該課程學(xué)習(xí)的興趣。隨著3D可視化在GIS中變得愈發(fā)重要，OpenGL（Open Graphics Library）具有跨平臺、開放標(biāo)準(zhǔn)等符合當(dāng)前圖形學(xué)實(shí)踐潮流的特點(diǎn)[8]，成為當(dāng)前業(yè)界圖形學(xué)程序設(shè)計最為流行的一種技術(shù)，在GIS中具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，課程改革將OpenGL作為整個課程教學(xué)的第二大主要部分突出課程的實(shí)用性。通過以實(shí)例構(gòu)成的幾個涵蓋基本知識的模塊化教學(xué)，如OpenGL編程環(huán)境搭建、基本圖形繪制、視圖、顏色及光照模型（主要參考教材[8]的前五章，結(jié)合其中的實(shí)例介紹前五章的基礎(chǔ)入門知識），使得學(xué)生對OpenGL有一定的入門認(rèn)知和動手能力。另一方面，相對于計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，GIS專業(yè)的學(xué)生在程序設(shè)計能力上尚有欠缺。

通過對程序設(shè)計語言和多種編程環(huán)境進(jìn)行對比分析，并綜合我校GIS專業(yè)學(xué)生的實(shí)際情況，在學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)，建議選定以Visual C++加OpenGL作為學(xué)生實(shí)踐的編程環(huán)境。一方面，Visual C++是GIS專業(yè)學(xué)生前述計算機(jī)類課程主要的編程環(huán)境，學(xué)生對其較為熟悉，容易上手;另一方面，在Visual C++中可以方便的搭建OpenGL編程環(huán)境[8]，學(xué)生通過調(diào)用OpenGL的函數(shù)能夠較快的上手實(shí)現(xiàn)一些基本的OpenGL實(shí)驗(yàn)。

（四）課程安排

結(jié)合近年來的教學(xué)實(shí)踐，以突出圖形學(xué)教學(xué)相對于GIS專業(yè)學(xué)生的適用性、實(shí)用性和強(qiáng)調(diào)課程在GIS專業(yè)中的定位為出發(fā)點(diǎn)，建議面向GIS專業(yè)的計算機(jī)圖形學(xué)課程和實(shí)踐內(nèi)容分為4個部分，如表1所示。

三、結(jié)語

本文重點(diǎn)論述了在滿足學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)知識體系的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生從GIS的專業(yè)需求上充分認(rèn)識課程的定位，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉。通過分析GIS專業(yè)需求，文章從教學(xué)大綱的適用性、重實(shí)踐出發(fā)給出了計算機(jī)圖形學(xué)課程的一些改革建議。

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