試論計算機圖形學教育在國家信息現代化建設中的作用

魏海濤 陳芳信 蔡益朝 賓雪蓮 魯漢榕

摘要:全民信息化社會的建設,需要讀者學習算法語言與數據結構方面的知識,更應該掌握計算機程序設計與計算機仿真的原理,這樣才能使計算機在各行各業中的應用走向深入,才能搞好CAD與科學計算、提高生產效率、促進工業信息化的建設。本文針對國內計算機專業課程教學中存在的幾個問題,提出用成熟的計算機圖形學課程教學內容彌補這些不足,并使國內多年的計算機應用程序設計從經驗式教學培養模式走向了科學理念式教學培養模式。

關鍵詞:工業信息化;計算機教育;計算機圖形學;計算機仿真;程序設計

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

2008年11月1日,在計算機科學與技術專業教學指導分委員會第三次全體會議上,教育部高等教育司理工處李茂國處長指出:“我國的工業發展正處于轉折期,這一轉折的重要特點是信息技術對傳統工業的改造,這就提出了信息化技術如何更好地滲透到其他學科的問題……高等理工科教育要為工業化的發展和產業改造提供支撐,要為這一轉折培養大批合格的人才。特別是計算機科學與技術專業,要認真研究這一轉折,不僅要研究如何緊跟學科和專業發展,不斷更新教學內容,更要深入研究如何根據工業信息化的需求,加快計算機科學與技術專業的改造,盡快實現專業結構的調整,真正解決結構失衡的問題”。由此,對計算機教育提出了新要求。

2目前國內計算機教育中存在的幾個問題

2.1計算機教學模式單一

我國計算機專業的教學模式主要傳承美國大學的教學模式,這是因為美國是當今世界上計算機工業與計算機教育最先進、最發達的國家。美國的計算機教育是基于它在計算機的基礎、核心地位,并向全世界推銷硬件、軟件產品這一思路而構造的計算機教育模式,同時用法律方式來保護自己的知識產權,這是美國計算機教育的第一個特點;第二個特點是全美計算機教育體系的完整性,這種教

育對計算機的理論與應用的各個方面都涉及,例如同樣一門計算機的主課在各個學校的授課都有不同的特點與主攻方向、并有非常多的輔助課與提高課程、參考文獻等供讀者選修,直至指導你走向學科的最前沿與其商業開發等。雖然他們各校的計算機的授課不一定很全面、很權威,但全美各個學校的所有計算機課程的集合能構成計算機教育的完整體系,這是他們計算機教育多年來自然形成的相互創新競爭機制、并最后形成均衡發展勢態鑄就的成果,是我們在進行計算機教育改革時不能忽視、目前暫時沒法做到的兩點。

由于上述按照美國人計算機專業教學模式培養人才的教學體系在國內占主導地位,這導致國內計算機教育模式單一,絕大部分高等院校培養的計算機專業的學生具有相同的知識結構。而中國社會對計算機的需求不同于美國社會,中國目前還不可能有像美國那樣的計算機硬件工業與核心軟件商業公司,也不可能像美國那樣向全球推銷自己的產品等,但國內絕大部分的計算機需求是計算機應用軟件的開發、并且各行各業的計算機應用有很大差異,而上述單一的計算機教育模式無形之中把這種多樣差異的社會需求排斥在計算機的核心教育之外。

教育部計算機教指委等部門針對這一問題,提出計算機專業按照社會的需求進行“分層分類”教育模式,并出臺了多種計算機教學方案供人們選擇。而要全面解決這一問題,教育思想的轉變是計算機教育深化改革的前提與關鍵。

2.2課程教學內容不足

常見很多C語言等教科書被冠名為計算機程序設計課程,這類課程明明是介紹算法語言的語句功能、語法與語句的基本操作使用(描述算法的具體實現過程),初學者有了這種知識后,雖能設計一些簡單的程序,但由于此時初學者沒有數據結構等知識,故他們還不能設計功能齊全的計算機應用程序。西方學者的算法語言教科書一方面是向讀者介紹語句的功能與使用,另一方面為算法語言的編譯系統課程做鋪墊。很多國內教科書試圖從算法語言的角度向初學者闡述這門課程似乎就是程序設計的原理或把這種課程冠名為計算機程序設計,已被證明是不全面的。

計算機加工計算各種數據,但計算機中被處理的數據如何在計算機內存中存儲、管理并被計算機快速檢索得到是“數據結構”課程要解決的主要問題,這個問題解決得好,能大幅度提高計算機解決計算問題的效率。一般計算機專業都是在算法語言與“數據結構”課程之后,通過具體大型編程作業或實際應用課題的訓練使初學者掌握程序設計的基本方法。若此時把缺失的軟件系統與數學模型等內容都加入到“數據結構”課程的教學中,試圖使初學者從理論上直接掌握應用程序設計的基本方法,則會遇到如下困難:(1)無足夠的課時;(2)會改變“數據結構”課程的授課性質;(3)是早期不具有多個大規模實用復雜數學模型的通用教學案例。這導致國內計算機程序設計教學停留在經驗教學模式上長期徘徊不前。

“軟件工程”課程是計算機專業培養初學者從整個軟件的生命周期出發、全面介紹軟件開發過程中要遵循的規則與采用的基本方法,培養大型軟件項目開發過程中的團隊協同能力與組織、管理方法等。但在軟件工程的課堂教學中,由于前期已講授過的計算機課程教學內容缺少好的通用教學案例作為軟件工程的實習對象,故人們多注重軟件工程內容的理論介紹,輕視軟件工程中的案例教學,輕視實際軟件開發訓練與經驗的積累,結果往往導致該課程的教學內容空洞,教學效果欠佳!

計算機專業教育注重學科的發展與專業教學,計算機基礎教育注重計算機應用的教學,兩者應形成互補之勢。計算機應用軟件的4個基本領域分別是數據計算、數據存儲與檢索、數據的聯網通信、計算機控制。但是國內計算機基礎教學只注重數據庫與計算機網絡的教學,沿用計算機專業用算法語言與數據結構課程的教學模式,并以此來代替數據計算與程序設計課程的教學,而非計算機專業的初學者又沒有計算機專業那樣充足的課程設計時間、并通過實際應用軟件編程訓練來掌握程序設計的基本方法,這導致非計算機專業的人員程序設計能力的弱化。

3解決問題的方法

新時期國家工業信息化建設對計算機教育提出的新要求,本質上是加強計算機的應用教學,使各行各業的人員通過選修計算機專業的核心課程,能很快地掌握計算機的編程原理,尤其是把數學建模的結果(它們描述了用戶解決實際應用問題的數學框架)轉換成計算機程序,而不是按照傳統的計算機專業培訓方案,通過大量的課時與實習等編程訓練掌握程序設計的基本原理與方法。這樣將使非計算機專業的人員能有充裕的時間把各自研究領域內的理論研究問題、解決這些問題的理論模型與成果等轉換成計算機能接受的數據模型與算法,并能用計算機仿真的方法繼續深入研究各種理論問題與實際應用領域的系統設計等工作,使計算機的應用在各個行業走向深入,而不是僅僅停留在用計算機進行各種行業的累積數據存儲、管理、查詢與聯網通信等工作層面上,計算機圖形學課程可以較好的承擔這個重任,理由如下。

3.1計算機圖形學是用計算機仿真的方法在計算機中實現三維圖形的顯示

計算機圖形學教育的核心內容是:①通過建立描述自然景觀(虛幻世界)的幾何數據模型(包括其運動、變形與碰撞檢測)、確定幾何模型表面上每點的顏色與亮度的諸多物理數學模型(燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質模型與紋理模型等)、顯示圖形的照相機模型與圖像的融和算法等,或仿真光線在物體之間的相互傳播以確定物體表面上每點的顏色與亮度進而在照相機中產生的顯示效果(即光線跟蹤算法、輻射度算法)或把光線傳遞的效果(即照片)映射至物體表面上所產生的顯示效果(即紋理映射算法),以達到用編程的方法把這些模型的描述數據通過仿真算法轉換成在計算機顯示器中顯示自然景觀圖像的目的。②在計算機圖形學中,光線傳播所涉及的所有物理現象均能成為計算機圖形學的研究對象,它們構成了光線傳播仿真實驗所需要的仿真系統。③人們通過比較計算機生成的三維圖形的顯示效果與實際照片的差異,可不斷提出用新的數學模型與仿真算法等對其已有的計算模型進行漸進改進,使計算機圖形學的數學仿真過程不斷的逼近現實物體模型(包括剛體、軟體、流體、氣體)的構造、運動和變形與反光效果的顯示這一真實的物理變化過程。④即人們很好的用計算機仿真的4個典型過程——系統、建模、仿真算法、評估說明了各種圖形在計算機中的生成過程。這里所謂仿真算法即把數學計算模型中模型描述數據的計算處理步驟與方法等用算法語句逐個描述,并用基本的數據結構方法動態地描述、保存待處理模型數據的代碼集合,此仿真算法即讀者學習計算機圖形學課程后的主

要實習任務與練習。計算機圖形學的上述全新定義與主要過程,很好地說明了該學科本質屬計算機仿真的一種基本形式。

計算機圖形學的教學內容很好的展示了科學計算的基本內涵。這是因為科學計算就是用計算機處理科學研究和工程技術中所遇到的數學計算問題,而計算機仿真是科學研究中常用的一種基本方法,計算機圖形學屬于計算機仿真的一種基本形式并在工程實踐中有大量的應用,計算機圖形學所涉及的各種建模都是各類數學工具與方法的具體應用,對計算機圖形進行基本的運算處理即對數學模型進行各種處理,這種處理屬典型的數學計算問題,由此首次證明了計算機圖形學為科學計算的一種典型的具體應用形式與載體。當然,更全面的科學計算工具,可以通過學習Matlab軟件來獲得。

3.2計算機圖形學課程講授的程序設計基本方法對應用軟件的開發具有重要的指導意義

所謂計算機程序設計即約定對多種類型的數據進行的各種處理方法,并用算法語言的語句正確地描述這種處理過程所形成的代碼集合,這通常被簡稱為“程序設計=數據結構+算法”。這里有幾個問題是該定義所應包含的內容:①該程序設計定義所涉及的數據與處理方法是數學模型的映射,它不是從天上掉下來的。歸根到底,數學模型是應用程序設計的基礎;②程序編碼之前,要理清這多個數學模型之間的相互關系、特別是它們是否能有效的解決用戶待解決的問題;③編程的代碼是固定的,應提交給計算機并被計算機執行;而用戶待處理的問題通常用模型數據來描述,顯然程序自動運行所涉及的數據處理流程也是程序設計必需全面考慮的基本問題,這個數據處理流程一般不被上述各數學模型所包含。即要用編程的方法處理用戶提交待解問題的模型描述數據、在計算機內存中保存并動態管理這些模型的描述數據、編程處理這些模型描述數據并保存運算處理之后的結果數據、最后輸出顯示整個問題的處理結果,這4個基本過程是一個完整自動運行的商業軟件所具有的最基本的結構,它正確地反映了程序設計所涉及的軟件系統與軟件結構的基本概念。該內容的介紹是目前多數算法語言與數據結構課程所欠缺的,缺少大型應用軟件編程訓練的初學者一般缺少這種軟件系統與軟件結構的基本概念,這是導致初學者程序設計概念不全的原因之一。

計算機圖形學的教學是這樣解決應用程序設計的基本方法并使讀者獲得計算機自動生成圖形的完整概念:①在計算機圖形學中,由于二維圖形的簡單性,它非常適用于向初學者介紹軟件系統的概念。二維圖形主要是點、直線、曲線、實面積多邊形與顏色等概念,它主要以數學上的幾何模型表現形式出現在計算機顯示屏中,文獻[2]主要用線段圖型的生成、實面積圖形的生成、圖形的基本運算(包括幾何變換與集合運算)、圖形的觀察運算(相當于三維圖形的照相機模型的功能)、圖形的數據輸入(包括編程輸入數據、交互輸入數據、文件輸入數據)、圖形的數據結構與數據處理流程等6章完整的講解二維圖形軟件系統的概念,該內容很好的說明了“軟件系統是一個能自動運行的綜合執行程序,它能從輸入、存儲、運算處理、輸出等方面全面處理用戶在某個領域中解決特定問題而提出的諸多數學模型并完成其模型描述數據的加工任務,使用戶很容易明確這種軟件的組成、功能、使用范圍與系統流程”。②三維圖形學主要是用計算機仿真的方法實現三維圖形的顯示,而計算機仿真的關鍵在仿真模型的創建上,并理清各模型之間的相互關系。顯然,三維圖形中的幾何模型(即點、線、面、體、場)的運動、變形與碰撞檢測等能很好的表示現實世界中各種物體(物質)運動等物理概念,燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質模型、紋理模型等能很好的描述物體表面各點的反光顏色與亮度等物理過程,或用光線跟蹤算法、輻射度算法來仿真光線的傳播過程以確定物體表面上每點的顏色與亮度,照相機模型能把場景中的物體三維幾何模型描述數據投影變換成二維幾何模型數據、裁剪超出顯示范圍的幾何模型數據,并調用二維圖形的生成算法等生成對應的圖像顯示效果、或把紋理照片映射致物體表面上所形成的顯示效果;當物體的幾何模型、燈光模型、照相機模型運動之后,并在照相機模型中連續顯示對應場景中的圖像,就是人們所期待的計算機動畫效果。③編程實現時,利用二維圖形所建立的軟件系統的概念,把三維圖形模型的數學描述方法轉換成程序代碼,并把模型的描述數據輸入、存儲到計算機約定的動態數據結構等圖形文件中,再編程實現向動畫師提供操作這些模型的運動、變形等控制方法與手段(即計算機動畫中的數據運算處理方法),動畫師等用戶就能從最后的照相機模型中得到所期待的計算機動畫結果,此即國內計算機圖形學的基本教學內容。若用戶實時操作這些模型運動并具有故事情節,還要求實時生成對應的計算機動畫,同時配上聲音、操縱桿(體驗力反饋)等多媒體效果,加上聯網功能,就形成了計算機3D游戲。3D游戲是對人類社會活動實現的一種仿真,該技術的重點在于對場景模型、多媒體數據與聯網功能的實時動態管理與驅動(又稱3D引擎技術)。

由此可見,計算機圖形學的全部教學內容,很好地向讀者貫徹了計算理論中已有的“可計算性的實現前提”的三個條件:①待解問題被系統與模型形式化方法所描述;②這些描述被轉化成一個可執行的綜合算法;③算法要有合理的復雜度。即通過計算機圖形學的授課,能使初學者掌握數據計算類型的應用程序設計基本方法與計算機仿真過程的基本規律,這種教學內容對應用程序的設計具有普遍適用性與重要的指導作用。這一教育思想文獻[2]中已經得到充分有效地展現。

3.3把計算機圖形學作為計算機教育的公共核心課程,能彌補現行計算機教育中存在的多項不足

國內計算機圖形學教育經過20多年的發展,其教學內容主要以“光線在自然界與照相機中的傳播從而產生圖形的顯示效果”為主題進行計算機仿真與程序設計等相關教育,而目前美國人計算機圖形學的授課內容主要還停留在圖形標準的介紹上,他們沒有把計算機圖形學作為計算機學科的核心課程,這是因為他們把整個計算機圖形學的相關學科內容劃分過細,導致他們對計算機圖形學在計算機科學中的作用與地位認識不到位所致。例如僅停留在算法的層面上介紹二維、三維圖形的生成,而不是在數學建模這個各學科通識的層面上介紹計算機圖形學所研究的各種問題與解決這些問題的方法,且人為地把計算機圖形學的研究對象如物體幾何模型的構建與其圖形顯示分解成計算機輔助幾何設計與計算機圖形學這兩門課程,這直接導致圖形學課程教學內容缺少被處理的圖形顯示對象,加之計算機基礎課程與圖形學的教育又沒有軟件系統的概念,這樣安排雖然能滿足圖形標準等商業軟件的發展需求,但卻很難讓初學者全面掌握計算機圖形學學科系統性的概念、思想和方法與學科發展的基本規律。需要說明:①美國人這種圖形學授課內容的不足在于它易給人這種印象:好像計算機繪圖、信息數據的可視化就是計算機圖形學的全部內容。事實上,顯示各種圖形是計算機圖形學的最終目的,這種圖形顯示是程序數據輸出的外在表現;而實現這種目的的基本原理、方法與編程過程等才是計算機圖形學的內在本質,該內在本質是計算機仿真技術與應用程序設計的基本方法;圖形標準是解決計算機圖形學全部研究問題的一個子集,故圖形標準很難承擔向初學者介紹清楚計算機圖形學發展基本規律的重任;②一門講授圖形標準原理課程的教學內容不能反映出美國人在計算機圖形學上所取得的全部成果與教學水平,但這門課程講授的計算機自動生成顯示圖形的概念不完整,卻足以讓初學者對該課程的學習喪失信心。實際上,讀者只有用幾何模型等數據調用圖形標準并編程上機實習,才能獲得計算機生成圖形的概念。③由于美國人在計算機圖形學上取得的絕對領先地位,他們的這種教育思想長期以來主導國際學術界(因為這促使計算機圖形學朝通用實時圖形顯示這一專項計算工具方向快速發展并創造了巨大的商機),并深深地影響了國內外許多高校的計算機圖形學教育工作者。照此傳授該課程之后,人們覺得計算機圖形學授課內容沒有達到讓計算機自動生成圖形這一目的、這門課就講授完畢,這似乎很難理解、并得出計算機圖形學課程難教難學、不成熟的結論,甚至做出在計算機基礎教學中取消對初學者傳授計算機圖形學基本知識的決定,這實為沒有全部掌握計算機圖形學學科體系的精髓。這是目前中外計算機圖形學教育的主要差別。

計算機圖形學是計算機學科應用的一個重要發展方向,學習計算機圖形學課程之后,有利于讀者向科學計算、計算機仿真、計算機輔助設計、信息數據的可視化、動畫與游戲、虛擬現實、數字娛樂、數字設計與數字制造等計算機應用行業方向發展。事實上,根據本文對計算機圖形學的新定義,計算機圖形學就是這些計算機典型應用的專業基礎課程,這些行業都是我國工業信息化產業的典型代表,遺憾的是這些計算機應用行業目前多都沒有被包含在傳統的計算機專業教育目錄中。

顯然,國內算法語言、數據結構、軟件工程等課程的教學內容與方法非常成熟,計算機圖形學課程的教學很好地將這些課程銜接起來,由此構成應用程序設計教育的完整教學體系。

4結束語

綜上所述,是國內計算機教育體系的不健全導致國內計算機專業教學與應用發展的不平衡,這既與我們的計算機發展水平有關、也與我們計算機教育的指導思想對其應用不夠重視有關。經多年的努力,我們在國內外率先健全并理順了計算機圖形學課程知識體系與教學內容,有效地克服了國外以圖形標準作為計算機圖形學授課的主要內容、由此帶來人們對計算機圖形學體系結構如研究對象、研究方法、編程實現、工業應用等問題認識不足而產生的局限性;而向學習計算機知識的讀者普及計算機圖形學的課程教學,可以為解決以往計算機基礎教育不直接解決用戶面臨的實際應用問題這種尷尬、彌補現有計算機仿真與計算機程序設計等教育環節的缺失、使計算機應用程序設計從經驗教學培養模式走向科學理念式教學培養模式、以及為國家工業信息現代化建設等數據計算類型應用問題的解決起一個較好的示范作用。

參考文獻:

[1] 蔣宗禮. 加速計算機科學與技術專業轉型改革 為我國新型工業化建設培養優秀人才[EB/OL]. [2009-02-12]. http://www. edu.cn/gzjx_7799/20090212/t20090212_358423.shtml.

[2] 魏海濤. 計算機圖形學[M]. 2版. 北京:電子工業出版社,2007.