與游戲開發(fā)應(yīng)用結(jié)合的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)探討

黃睿 邢艷

摘? 要： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于其涵蓋數(shù)學(xué)、物理、程序設(shè)計(jì)語言和算法等多方面的知識(shí)，導(dǎo)致課程的學(xué)習(xí)難度較大。同時(shí)，由于沒有后續(xù)課程使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)，致使學(xué)生無法將圖形學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用較好的結(jié)合，從而影響計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效果。為了使學(xué)生理解圖形學(xué)相關(guān)算法及其應(yīng)用場(chǎng)景，與游戲開發(fā)應(yīng)用結(jié)合，探討計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程建設(shè)。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué); 游戲開發(fā); 課程建設(shè); 應(yīng)用場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：G642????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? 文章編號(hào)：1006-8228（2021）01-83-03

Discussion on the construction of computer graphics course

combined with game development

Huang Rui， Xing Yan

（College of Computer Science and Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： Computer graphics is an important basic course of computer and multimedia technology specialties. Since it covers mathematics， physics， programming language and algorithms， it is difficult to learn the course. At the same time， because there is no follow-up course using computer graphics knowledge， students cannot combine graphics theory with practical application， which affects the teaching effect of computer graphics. In order to enable students to understand the graphics related algorithms and their application scenarios， this paper discusses the constructing computer graphics curriculum with combining application of its knowledge in game development.

Key words： computer graphics; game development; curriculum construction; application scenarios

0 引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門研究如何用數(shù)字計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形原理、方法與技術(shù)的學(xué)科。其方法和技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)輔助制造/設(shè)計(jì)、三維仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、電影和游戲等領(lǐng)域。本科教學(xué)中，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要目的是使學(xué)生掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、基本原理和圖形的基本生成方法，并且可使用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)基本的圖形生成算法，提高學(xué)生的編程和項(xiàng)目能力。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涵蓋了數(shù)學(xué)、物理、程序設(shè)計(jì)語言和算法等多方面的知識(shí)，需要學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的編程能力。以中國民航大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)為例，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)主要以44學(xué)時(shí)算法理論為重點(diǎn)，輔助10學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到算法難以理解、學(xué)習(xí)過程枯燥。另外，計(jì)算圖形學(xué)課程無后續(xù)課程使用其相關(guān)的原理、方法和技術(shù)。課程結(jié)束后，不能將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論知識(shí)與具體的應(yīng)用聯(lián)系起來。導(dǎo)致無法突顯出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)中的作用和地位，常常被認(rèn)為是一門不重要的課程。

如何在有限的課時(shí)內(nèi)，改革教學(xué)內(nèi)容、方式，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;將抽象的理論知識(shí)和具體的實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，了解對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的用途，從而促使學(xué)生更加深刻的理解相應(yīng)的算法，是一個(gè)值得深入探討的問題。

本文研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程內(nèi)容與Unity游戲開發(fā)中使用到的相關(guān)技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，建立起理論知識(shí)和游戲開發(fā)應(yīng)用的橋梁，并提出一種與游戲開發(fā)應(yīng)用結(jié)合的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革方法，來提高計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效果和質(zhì)量，提升計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中的地位。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論教學(xué)的現(xiàn)狀分析

⑴ 課程內(nèi)容繁雜，學(xué)時(shí)少

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程主要由不同的算法組成，涉及到基本圖形的生成與顯示、二維圖形的裁剪、二維圖形變換、三維圖形變換、曲線曲面、消隱、真實(shí)感圖形繪制等。算法數(shù)量多、難于理解。如直線生成算法，主要以數(shù)值微分法、中點(diǎn)畫線法、Bresenham畫線法為例，講解基本圖形的光珊化方法，學(xué)生需要4個(gè)學(xué)時(shí)才能掌握該知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容。又如曲線曲面部分，僅Bezier曲線的內(nèi)容就需要3到4個(gè)學(xué)時(shí)。以機(jī)械工業(yè)出版社出版的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用教程》[1]為例，全書共分十個(gè)章節(jié)，每一章都有4到5個(gè)較大的知識(shí)點(diǎn)需要掌握。目前大多數(shù)高校本科計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課時(shí)間設(shè)置在50學(xué)時(shí)左右[2]，其中還有近10學(xué)時(shí)用于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。繁重的教學(xué)內(nèi)容和較少的學(xué)時(shí)，導(dǎo)致無法將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的所有知識(shí)點(diǎn)展開講解。因此，需要合理安排教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)模式。

⑵ 偏重理論教學(xué)，實(shí)踐環(huán)節(jié)不足

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)活動(dòng)偏重理論，實(shí)踐不足，且缺少實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。以中國民航大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程為例，總共54學(xué)時(shí)，其中理論部分44學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分10學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)部分包括：基本圖形的生成、多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充、線段裁剪、多邊形變換和消隱算法。實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的基本理論和算法為主，沒有真正的涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的具體應(yīng)用場(chǎng)景。此外，由于沒有后續(xù)課程直接用到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)，致使學(xué)生無法將圖形學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用較好的結(jié)合，從而影響計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效果。

⑶ 均衡化培養(yǎng)，無法因材施教

傳統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)由教師安排授課內(nèi)容，教師講什么，學(xué)生就學(xué)什么。針對(duì)學(xué)生進(jìn)行均衡化教育，忽略了學(xué)生由于能力、興趣以及未來工作設(shè)想的不同導(dǎo)致的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程目的的不同。通?？梢愿鶕?jù)學(xué)生學(xué)習(xí)目的將學(xué)生分為學(xué)分型、深造型和工作型[3]。學(xué)分型的學(xué)生不關(guān)注課程內(nèi)容，只關(guān)注拿到學(xué)院要求的學(xué)分;深造型的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等有著較濃厚的興趣，希望通過課程的學(xué)習(xí)掌握更深層次的知識(shí);工作型的同學(xué)希望能將所學(xué)到的知識(shí)用于以后工作，如游戲開發(fā)等。

2 游戲開發(fā)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系

近年來，隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)游戲成為一種普遍的休閑方式。很大一部分大學(xué)生都會(huì)在課間或者休息時(shí)間，玩不同的手機(jī)游戲進(jìn)行放松。甚至一些學(xué)生通過玩手機(jī)游戲從而產(chǎn)生開發(fā)手機(jī)游戲的想法。但由于計(jì)算機(jī)專業(yè)注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，無法像游戲設(shè)計(jì)專業(yè)一樣，有一套完整的游戲開發(fā)理論和實(shí)踐教學(xué)體系[4]。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將游戲開發(fā)應(yīng)用中所涉及到的技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。借助游戲，加深學(xué)生對(duì)圖形學(xué)相關(guān)理論的理解。本文以當(dāng)前流行的Unity游戲開發(fā)為例，建立如表1所示計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論與《Unity游戲開發(fā)》[5]中使用到的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1中，除了基本圖形的生成與顯示部分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與游戲開發(fā)沒有直接關(guān)系外，其他各部分內(nèi)容都與游戲開發(fā)有緊密的聯(lián)系。如果能從游戲的角度講解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論知識(shí)，相比于直接灌輸理論知識(shí)，更具有吸引力。

3 與游戲開發(fā)應(yīng)用結(jié)合的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)思路

⑴ 合理安排教學(xué)內(nèi)容，多種教學(xué)模式并行

由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容繁雜、課時(shí)少，因此應(yīng)合理的安排教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合多種教學(xué)模式。以游戲場(chǎng)景為例，先介紹原始資源，如何渲染得到最終的效果。介紹GPU渲染流程，CPU與GPU數(shù)據(jù)傳遞，使學(xué)生形成一個(gè)整體印象。然后再將其細(xì)拆到圖形學(xué)中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要內(nèi)容在實(shí)際應(yīng)用中的重要程度，選擇主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。重點(diǎn)講解二維變換、三維變換、投影變換、曲線曲面、裁剪、消隱、三維形體表示和光照模型。簡(jiǎn)單介紹顏色模型、基本圖形生成、交互技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用。合理安排二三四課堂，采用線上線下混合式教學(xué)模式，將部分第一課堂上簡(jiǎn)單介紹的內(nèi)容作為第四課堂的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，利用慕課資源對(duì)第一課堂中的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)[6]。

⑵ 理論與實(shí)踐結(jié)合，引入綜合性實(shí)踐內(nèi)容

理論學(xué)習(xí)的目標(biāo)是為了指導(dǎo)實(shí)踐，但在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)活動(dòng)中，理論課時(shí)占比較大，實(shí)踐主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。無法綜合利用所學(xué)知識(shí)，完成較大的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作品?？紤]到無法降低圖形學(xué)理論課時(shí)的現(xiàn)實(shí)情況，可以將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為課外實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在完成每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)后進(jìn)行練習(xí)，并使用微信或QQ小視頻方式提交。同時(shí)結(jié)合游戲開發(fā)應(yīng)用，設(shè)定適用性和綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)指導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)最終搭建一個(gè)完整的場(chǎng)景作為課程考核的一個(gè)環(huán)節(jié)。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表2所示。從表中可見，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的改革，使用綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容取代了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在引入新的內(nèi)容的同時(shí)，保留了傳統(tǒng)的內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更加充實(shí)，極大的提高了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)用性。

⑶ 因材施教，差異化培養(yǎng)

以中國民航大學(xué)為例，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課。為了修夠?qū)I(yè)選修課學(xué)分，大部分計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生都選擇了該課程。但由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不屬于專業(yè)核心課，只有一位授課教師，一百多位學(xué)生，無法通過理論教學(xué)對(duì)學(xué)生進(jìn)行差異化培養(yǎng)。為了實(shí)現(xiàn)大班教學(xué)中的因材施教和差異化培養(yǎng)的目的，在每次理論課程中拿出3至5分鐘，作為知識(shí)擴(kuò)展環(huán)節(jié)。在擴(kuò)展環(huán)節(jié)中給出一些新的算法的基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)，以及推薦閱讀資料。同時(shí)使用增量化考核的方式，在學(xué)生達(dá)到正常要求的情況下，如果可以超額完成，可適當(dāng)增加1至10分，直至整體成績(jī)達(dá)到100分為止。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，不必要求所有學(xué)生都嚴(yán)格按照表2中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案完成所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？梢詮尿?yàn)證性的實(shí)驗(yàn)和綜合性的實(shí)驗(yàn)中選擇自己感興趣的5個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過增加擴(kuò)展環(huán)節(jié)和增量化考核的方式，實(shí)現(xiàn)因材施教，差異化培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

本文分析了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的問題，建立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論與《Unity游戲開發(fā)》中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了與游戲開發(fā)應(yīng)用結(jié)合的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)思路。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、課程實(shí)踐、差異化教學(xué)等多個(gè)方面，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。希望通過游戲開發(fā)的實(shí)際應(yīng)用與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的結(jié)合激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效果和質(zhì)量，提升計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中的地位。

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收稿日期：2020-08-25

作者簡(jiǎn)介：黃睿（1987-），男，寧夏中衛(wèi)人，博士研究生，講師，主要研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺。