基于OpenGL的計算機圖形學教學改革探索

杜利峰，李竹林

（1.延安大學 計算中心，陜西 延安 716000；2.延安大學 計算機學院，陜西 延安 716000）

社會已經進入數字化時代，這個時代的特征是“世界圖形/圖像時代”，它的主要認知方式是視覺形象方式，這是一種全球化的聯絡模式，語言的阻隔被打破，文字的壟斷被消解，同時 “虛擬空間”介入了現實空間，成為對現實的闡發、復制和扭曲。計算機圖形學研究的就是用一種最直接的形式來表示和表現生活中多彩多姿的世界。具體地說，計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門的顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科[1]。主要研究兩個問題:一是如何在計算機中構造一個客觀世界，即幾何模型的描述、創建和處理；二是如何將計算機中的虛擬世界用最為形象的方式，靜態或動態地展現出來，即繪制模型[2]。隨著科學技術與計算機圖形學設備的發展，計算機圖形學技術得到了快速的發展并逐漸滲透到人們生活的各個領域[3-4]，對人類的生產與生活發揮著越來越重要的作用。

計算機圖形學作為計算機專業本科生的專業課程，不僅要求學生掌握本課程的教學內容，更重要的培養學生發現問題、解決問題以及創新的能力。本文總結計算機圖形學實驗教學過程中存在的問題，提出了改革的思路，并在教學過程中進行探索與總結，結果表明該方法是有效的。

1 計算機圖形學實驗教學中存在的問題

計算機圖形學具有廣泛的應用領域，因此很多學生往往在剛剛接觸這門課時有很大的興趣，當然也會有很大的期望。然而，在后續的學習過程中，學生的主動性和積極性逐漸消失，學習的目的僅僅成為完成學分，根本談不上培養創新能力。下面就根據對學生的調查結果分析主要原因。

1.1 學科難度太大

學生表示計算機圖形學用到的基礎知識涉及數學太多，因此難度較大，不易掌握。事實上，計算機圖形學是建立在圖論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，涉及計算幾何、圖像處理、模式識別等多個學科的相關知識，學科交叉繁雜，使該學科成為一門以數學為基礎、算法為主線的強理論、重實踐的課程。因此學生體會到學習理論知識抽象，計算機實現算法難度較大。故而漸漸地失去了學習的興趣。

1.2 教學觀念落后

傳統的教學觀念強調的是老師傳授知識，看重的是學生對知識點的掌握程度。因此教師備課時是根據教學大綱要求來安排課堂內容，對章節的重要知識點作較詳細的講解。這樣，一般會形成老師滿堂灌，學生被動跟著老師學；老師不設置問題，學生不解決問題；老師學生互動太少，學生不能發揮主動性、積極性自然也不會太高。而且傳統的教學觀念還往往不特別重視實驗教學，更談不上在討論中發現問題、在實驗中解決問題。顯然，這種教學模式不利于培養學生的興趣、不利于培養學生的發現問題、解決問題以及創新的能力。

1.3 實驗工具與內容陳舊

在計算機圖形學的實驗教學過程中，好多高校還一直使用C或VC++實現編程，使得學生實現起來難度太大，特別是繪制模型的實現。再加之實驗內容陣舊，考核方式單一，學時又較少。這只能導致學生對實驗興趣不濃，也沒有足夠的實驗課時系統完成一個實驗項目，且不能體現和培養學生的綜合能力。可見傳統的實驗教學沒有很好地發揮應有的作用。

2 實驗教學改革方法與目標

2.1 改變傳統的教學觀念

將以教師為主動，以傳授知識為主的傳統教學模式改變為以學生為中心，以培養學生能力為目標的新型教學模式。計算機圖形學課程是以傳統經典算法為主線的一門專業課程，因此教師在講授算法的基礎上，分析算法，發現問題，并引導學生改進算法，解決問題。比如：掃描線種子填充算法[1]、Cohen-Sutherland直線裁剪算法[1，3]等。在掃描線種子填充算法，存在的問題有：對于各種圖形是否有漏填的區域；種子選取與像素填充的過程分步進行；算法中堆棧的操作頻繁等。在Cohen-Sutherland直線裁剪算法中，存在的問題有：完全在窗口之外的線段的判斷不充分；求交次數多、運算量大等。引導學生在分析的過程中發現總結問題，然后分組討論，給出合理的解決方案。這樣，不但激發學生的興趣，提高學生發現問題、解決問題的能力，而且能培養培養學生的創新能力。

2.2 調整實驗工具，設置實驗項目

OpenGL是個專業的圖形程序接口，OpenGL是一個功能強大的開放圖形庫，提供了基本庫、實用庫和輔助庫3個函數庫，涵蓋了開發二、三維圖形程序所需的各個方面[4]。而且OpenGL獨立于窗口系統和操作系統，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植，與Visual C++有緊密接口。因此，結合OpenGL實現圖形算法是最佳選擇。另外，必須結合實際應用需求與學生的能力培養，設置新的實驗項目，如表1所示。

表1所示的實驗項目設置方案，不僅要求學生掌握基本算法，更注重學生能力的培養，包括學習應用新技術的能力、綜合編程能力、分析問題的能力、解決問題的能力以及創新能力。在此基礎上，引導學生將自己的實驗分析、問題發現、解決方案、實現過程以及實驗結果分析整理并撰寫成文章，培養學生的科研能力。

表1 計算機圖形學課程的實驗項目Tab.1 Experiment project of computer graphics course

2.3 綜合評定學生成績

在本課程的教學過程中，根據學生的情況，設計了多因素、異權重的考核方法，取得了較好了效果。具體如表2所示。

考核是保證教學質量的重要手段，科學合理的考核有利于調動學生主動性，培養學生的學習興趣、能力與創新思維。同時，也有利于老師發現學生學習過程中存在的問題，根據情況改進教學方法。表2所示的考核方法在近三年的本科《計算機圖形學》課程中進行了實踐與探索，取得了較好的教學效果，也得到了學生的高度好評。

表2 綜合評定考核因子與權重Tab.2 Evaluation factors and weight of comprehensive assessment

3 結束語

計算機圖形學課程是一門理論性與實踐性均很強的計算機專業課程，要求學生掌握的內容與算法有很多值得研究與分析，因此對于培養學生的能力應該發揮重要的作用。文中是結合課堂教學與實踐教學的親自經歷，總結了計算機圖形學課程教學中存在的問題，并提出了相應的教學改革措施。經過三年的教改實踐，取得了較好的教學效果。當然，該方法還有待于在教學過程中進一步的改進與完善，以更好地提升計算機圖形學課程的教學質量，提高學生的綜合能力。

[1]孫家廣，胡事民.計算機圖形學基礎教程[M].北京:清華大學出版社，2009.

[2]何援軍.計算機圖形學[M].2版.北京：機械工業出版社，2009.

[3]吳婷.從OpenGL圖形系統談計算機圖形學的應用領域[J].科技廣場，2010（6）：64-66.WU Ting.Discussion of the computer graphics application by OpenGL graphics system[J].Science Mosaic，2010（6）：64-66.

[4]柳海蘭.淺談計算機圖形學的發展及應用[J].電腦知識與技術，2010（3）：9551-9552.LIU Hai-lan.On development and application of computer graphics[J].Computer Knowledge and Technology，2010（3）：9551-9552.

[5]孔德慧，尹寶才，劉媛媛.對Cohen-sutherland線段裁剪算法的改進[J].北京工業大學學報，2002，28（4）:483-486.KONG De-hui，YIN Bao-cai，LIU Yuan-yuan.Improvement in the algorithm of Cohen-Surtherland segment clipping[J].Journal of Beijing Polytechnic University，2002，28（4）:483-486.

[6]Francis SHill.計算機圖形學（OpenGL版）[M].3版.胡事民等，譯.北京：清華大學出版社，2010.