數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”精品資源共享課建設(shè)探索與實(shí)踐

鄒昆 李悅喬 黃燕挺 李贊

[摘 要] 《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的核心課程，本文從課程教學(xué)內(nèi)容改革與組織、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施、教學(xué)資源建設(shè)等方面介紹了應(yīng)用型本科數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》精品資源共享課的建設(shè)方法，也提出了進(jìn)一步完善的思路，以供同類院校參考。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算機(jī)圖形學(xué);精品資源共享課;數(shù)字媒體技術(shù)

[基金項(xiàng)目] 廣東省精品資源共享課項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”;校級(jí)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目“數(shù)字媒體技術(shù)（數(shù)字媒體與游戲軟件開發(fā)）”（TSZY201701）

[作者簡介] 鄒 昆（1980—），男，湖北鄖西人，博士，電子科技大學(xué)中山學(xué)院教授，研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)和圖形圖像處理。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）43-0340-02 ? ?[收稿日期] 2020-02-28

一、引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究如何利用計(jì)算機(jī)生成、顯示和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科，在計(jì)算機(jī)游戲、電影制作、動(dòng)畫和特技、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面有著廣泛應(yīng)用。數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)下常設(shè)有游戲設(shè)計(jì)/開發(fā)、影視后期處理、人機(jī)交互設(shè)計(jì)等方向，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)對(duì)其中每一方向都可發(fā)揮重要作用，因此是數(shù)字媒體技術(shù)的核心專業(yè)課程。

電子科技大學(xué)中山學(xué)院的數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)主要定位于游戲軟件開發(fā)方向的應(yīng)用型人才培養(yǎng)。對(duì)于游戲開發(fā)而言，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是進(jìn)行高級(jí)3D游戲開發(fā)、游戲引擎開發(fā)的基礎(chǔ)。結(jié)合專業(yè)定位、課程定位和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，將課程的主要任務(wù)設(shè)定為使學(xué)生掌握3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和方法，以及使用基于著色器的常用圖形API進(jìn)行基本圖形編程的技能，通過學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論和技術(shù)并結(jié)合軟件開發(fā)技術(shù)，達(dá)到制作交互式動(dòng)畫及進(jìn)行游戲開發(fā)的目標(biāo)。該課程于2015年獲得廣東省精品資源共享課項(xiàng)目立項(xiàng)，目前已完成預(yù)定任務(wù)目標(biāo)并通過驗(yàn)收，本文對(duì)該課程的建設(shè)思路和方法進(jìn)行總結(jié)，以供兄弟院校參考。

二、課程建設(shè)探索與實(shí)踐

（一）課程教學(xué)內(nèi)容改革與組織

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程重理論和底層算法，不適合獨(dú)立學(xué)院層次的應(yīng)用型本科，因此我們對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革與重組。1.課程內(nèi)容摒棄了部分底層算法細(xì)節(jié)的講授（如Bresenham算法、裁剪算法、光柵化算法等），將重點(diǎn)放在3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和方法，以及用基于著色器的WebGL進(jìn)行圖形編程的技能上，主要內(nèi)容包括圖形學(xué)概述、基本W(wǎng)ebGL編程、交互與動(dòng)畫、變換與觀察、光照與著色、紋理映射。選用WebGL的原因是其相對(duì)于OpenGL更簡單，易于入門，另外WebGL作品可直接在瀏覽器上運(yùn)行，更易于展示。2.采用“自頂向下”的方式對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組織，盡快讓學(xué)生接觸到圖形編程，在有了實(shí)際動(dòng)手的經(jīng)驗(yàn)后，更容易理解底層算法的思想。3.整個(gè)教學(xué)內(nèi)容圍繞圖形流水線的各處理環(huán)節(jié)展開（采用WebGL 1.0的簡化圖形流水線）。

（二）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

對(duì)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)而言，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是重中之重，為此，我們設(shè)置了32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)以及32學(xué)時(shí)的配套實(shí)踐課《3D圖形編程實(shí)踐》。實(shí)驗(yàn)課共設(shè)計(jì)了12個(gè)實(shí)驗(yàn)：開始圖形編程、分形圖形繪制、動(dòng)畫與交互、鼠標(biāo)位置輸入、索引數(shù)組、插值與變形、實(shí)例化變換、太陽系、攝像機(jī)漫游、拾取、光照與材質(zhì)、紋理映射、Obj模型導(dǎo)入。每個(gè)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和自由創(chuàng)作3個(gè)部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書即可完成;擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)則需要根據(jù)提示和要求，舉一反三式地完成更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行修改，發(fā)現(xiàn)一些知識(shí)點(diǎn)和規(guī)律;自由創(chuàng)作部分則要求學(xué)生完全脫離給定的實(shí)驗(yàn)程序，利用所學(xué)自由創(chuàng)作圖形作品。這種三層次遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可照顧到不同層次的學(xué)生，自由創(chuàng)作部分可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可避免抄襲?！?D圖形編程實(shí)踐》在課程結(jié)束后開始，指導(dǎo)學(xué)生利用課程所學(xué)開發(fā)一個(gè)較復(fù)雜的3D交互式圖形作品，主要包括：場景搭建與漫游實(shí)現(xiàn)、光照與紋理映射實(shí)現(xiàn)、Obj模型導(dǎo)入以及選做部分，選做部分主要涉及從圖形方面完善程序的功能，以及利用著色器實(shí)現(xiàn)各種特效。

（三）教學(xué)資源建設(shè)

作為精品資源共享課，建設(shè)豐富而有特色的教學(xué)資源并搭建課程網(wǎng)站是必須的一環(huán)。此外，對(duì)于獨(dú)立學(xué)院層次的應(yīng)用型本科而言，很難在64學(xué)時(shí)（32理論/32上機(jī)）的課程內(nèi)涵蓋的所有的課程內(nèi)容，需要在豐富教學(xué)資源的支持下進(jìn)行混合式教學(xué)。我們從以下幾個(gè)方面開展了教學(xué)資源建設(shè)：

1.基于Unity開發(fā)3D交互式圖形課件，將文本、圖像、演示動(dòng)畫、演示和示例程序融合到3D課件中，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)PPT中主要的交互方式，從而替代傳統(tǒng)的PPT課件，一方面可以更直觀地展示3D圖形及效果，更易于學(xué)生理解，另一方面也較傳統(tǒng)課件更具趣味性和吸引力。整合式的3D課件容量較大，因此我們也將其中部分3D交互演示程序單獨(dú)發(fā)布為WebGL程序，放入課程網(wǎng)站相應(yīng)的章節(jié)中，這樣學(xué)生可直接在網(wǎng)上運(yùn)行。

2.建設(shè)完善的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)資源，包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)視頻和相關(guān)資料等，在編寫指導(dǎo)書和錄制指導(dǎo)視頻時(shí)，注重引導(dǎo)學(xué)生思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題。此外我們編寫了兩套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，一套是基于WebGL的，一套是基于OpenGL的，這樣方便感興趣的學(xué)生在課外學(xué)習(xí)OpenGL。

3.演示和示例程序的開發(fā)。除了利用Unity開發(fā)3D交互演示程序，也基于WebGL或OpenGL開發(fā)了數(shù)十個(gè)演示和示例程序，盡可能多地將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)以形象直觀的方式展現(xiàn)出來，或是為學(xué)生提供相應(yīng)圖形知識(shí)的應(yīng)用示例。

4.錄制理論教學(xué)視頻，便于學(xué)生課后溫故或自學(xué)相關(guān)內(nèi)容;此外也請(qǐng)優(yōu)秀的畢業(yè)生錄制學(xué)長寄語視頻，給師弟師妹介紹一些學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和建議，以及工作后所獲得的一些行業(yè)經(jīng)驗(yàn)或是所了解到的行業(yè)現(xiàn)狀。

5.將數(shù)百份優(yōu)秀學(xué)生作品展示到網(wǎng)站上，包括實(shí)驗(yàn)作品、課程設(shè)計(jì)作品、圖形學(xué)相關(guān)的競賽作品和畢業(yè)設(shè)計(jì)作品等，其中基于WebGL的作品可直接在網(wǎng)站上運(yùn)行，這樣大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)作熱情。

6.在超星泛雅平臺(tái)上搭建了較完善的課程網(wǎng)站，將上述資源全部上網(wǎng)，學(xué)生可利用網(wǎng)站進(jìn)行課程內(nèi)容的自學(xué)，教師可利用該網(wǎng)站提供的功能查看學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，此外師生也可利用該網(wǎng)站進(jìn)行作業(yè)的提交和批復(fù)，以及進(jìn)行討論和溝通。

三、總結(jié)與展望

上述精品課程建設(shè)成果已應(yīng)用于電子科技大學(xué)中山學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)，各類教學(xué)資源和教學(xué)網(wǎng)站在教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。以2018年的教學(xué)班為例，網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示有30%的學(xué)生完成了所有116個(gè)視頻任務(wù)點(diǎn)，30%的學(xué)生網(wǎng)站訪問次數(shù)達(dá)到300次以上，在課程結(jié)束后的半年內(nèi)，每月仍有一定的學(xué)生訪問量;從學(xué)生作品可以反應(yīng)出，學(xué)生的圖形編程能力有明顯提高，課程平臺(tái)上展示了大量的學(xué)生各類優(yōu)秀作品，課程設(shè)計(jì)作品的展示率達(dá)到30%。

當(dāng)然，課程建設(shè)仍存在一些不足，后續(xù)擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的完善：1.3D圖形課件效果很好，但開發(fā)難度大，同時(shí)不便于修改，更好的方式是把圖形課件碎片化，按小知識(shí)點(diǎn)開發(fā)圖形課件，這樣也易于發(fā)布為WebGL程序，可直接在網(wǎng)頁上運(yùn)行;2.增加獨(dú)立演示軟件的開發(fā)，覆蓋更多的知識(shí)點(diǎn);3.在教學(xué)視頻方面增加以知識(shí)點(diǎn)為單位的微視頻，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行索引，方便學(xué)生查看各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解;4.開發(fā)更多的課外實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和配套視頻;5.按照工作過程系統(tǒng)化的思想對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行重新組織。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒昆.交互式三維課件在《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].福建電腦，2016（11）：86-87.

[2]鄒昆，李贊，徐翔.基于OpenGL著色器的應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)初探[C].International Conference on Education and Teaching，2013，Wuhan，China，261-266.

[3]王鶯歌.應(yīng)用型本科院校省級(jí)精品資源共享課建設(shè)體系[J].教育教學(xué)論壇，2019（40）：202-204.

[4]陳鵬，張璇，靳蓓蓓.創(chuàng)新思維在“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)中的實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020（3）：244-246.