地學專業計算機圖形學教學改革與實踐

【摘要】計算機圖形學在地學專業應用中發揮著重要作用，但該課程卻由于內容涵蓋面廣、知識點眾多、課時數量有限等原因在教學過程中難以取得滿意的效果。本文對地學專業的計算機圖形學教學思路與方式進行了探討，針對該課程在地學數據成圖與可視化方面的應用特色提出了一系列教學改革方案。實施效果表明，這些教改方案能極大地提高學生的學習興趣與綜合應用能力。

【關鍵詞】地學 計算機圖形學 教學改革

【基金項目】中國地質大學（武漢）教學研究項目，項目編號 200923。

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0144-02

一、引言

計算機圖形學是研究如何利用計算機顯示和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。除了是計算機與信息相關學科的一門專業必修課程外，它也是許多非計算機專業本科一項重要的專業限選/選修課程[1]。在以地學專業為主的中國地質大學（武漢），計算機圖形學教學也得到了相當的重視。以地空學院為例，其下屬的兩個專業地球物理與地球信息科學的教學大綱中都明確開設了這門課程。但與其他兄弟院系一樣，該課程教學中所達到的實際效果卻并不盡如人意。一方面，地質制圖以及地學數據的圖形表現等知識在學生本科畢業后從事的地學應用工作中占有重要成分；另一方面，傳統計算機圖形學本身所講述的內容又無法滿足地學專業工作、科研的需要[2]。隨著時間的推移，計算機圖形學課程所處的地位日漸尷尬，將其從教學計劃中取消固然不妥，但又確實達不到應有的效果。認真分析其原因主要有如下兩點：

1.從課程的定位來看，作為一門獨立學科，計算機圖形學本身定位于使用數學算法構造圖形的數學模型，并通過程序實現圖形的顯示和處理。數學建模與算法實現是計算機圖形學的核心與基礎[3]。該課程涉及的內容也非常之多，包括圖形生成技術，計算機輔助制圖，計算機視覺等部分[4]。然而作為一個主要培養地學領域人才的高等院校，計算機圖形學在地學領域的主要應用集中于數據制圖與數據可視化處理。即要求學生能夠具備一定計算機圖形學基礎知識，并能夠使用計算機對地學數據進行圖形繪制與表現，進一步生產出社會所需求的各種圖形產品包括二維地質圖以及三維造型，場景演示視頻等。因此可見，課程定位與專業需求存在著一定的差別。

2.從教學大綱與教學內容上來看，傳統計算機圖形學教學基本以清華大學孫家廣院士主編的《計算機圖形學》內容為范本。教學內容大部分重點集中于圖形生成算法，圖形標準、圖形交互、曲線曲面造型、真實感圖形生成與顯示算法等章節[5]。這其中的許多知識點都與地學專業應用無關。此外，地學專業的學生往往在離散數學、算法邏輯等方面基礎較為薄弱。這就導致授課老師要花更多的時間來將這些知識點講授清楚，但學生在學習過程中卻逐漸失去興趣。

上述主要原因使得我校地學相關專業中的計算機圖形學課程教學無法達到滿意的效果。特別是由于課程的一些內容或章節與專業的實際應用偏離太多，更造成了學生們應付考試，老師們照本宣科的現象。許多講授該課程的老師都或多或少的意識到了這一點，他們努力在教學過程中做出適當的調整，但卻苦于缺乏統一的指導思想。

基于此，在校方支持下，筆者與其他授課老師一起開展了面向地學專業的計算機圖形學教學改革活動。在這次改革中，老師們將自己的授課經歷進行了分享，并著重對地學相關專業計算機圖形學教學過程中的問題進行了總結，然后通過討論交流提出了一系列改革方案。最后將這些方案措施在教學活動中進行驗證。實踐證明，教改方案可以有效的激發學生的學習熱情，并引導他們將理論知識充分運用到實際問題中，有利于培養地學專業高素質人才[6]。

二、改革措施

首先，此次課程改革的目的很明確，即為地學或地學相關專業的學生量身打造適合他們需要的計算機圖形學課程。該課程的教學必須真正貼近專業的需要，不再流于形式，為學生將來的工作與研究深造打下良好的基礎。具體的改革措施總結如下：

1.深入了解我校地學專業相關院系的專業需求，討論并制訂面向地學領域的計算機圖形學教學大綱和教學計劃。傳統的計算機圖形學教學內容涉及到數學、物理、計算機等多個學科[7]。每個學科又涉及到一些相對抽象的理論與復雜算法實現。這些內容均使得地學專業的學生難以在短時間內掌握。此外，隨著技術的不斷發展，目前計算機圖形學的一些教學安排與現實也存在一定的脫節。如許多計算機圖形學的實習環節中會要求學生去實現基本圖形的生成算法，對許多非計算機專業本科生而言，這一做法的必要性值得商榷。因為就其專業應用領域，大部分的圖形生成算法實現都已經固化到了計算機硬件（顯卡、GPU）中，現實工作中極少場合需要編程實現這些已經非常成熟的算法[8]。

就地學專業以及大多數工科應用專業而言，計算機圖形學課程更多是為了直接滿足應用上的需要，而不是將其作為一個研究基礎。因此經過筆者及其他老師們的討論一致認為，對于我校地學類專業，計算機圖形學的課程教學應強調一個原則，即：突出重點，強調有用。借鑒華中科技大學機械科學與工程學院將計算機圖形學成功與機械制圖，機械輔助設計等方面知識緊密結合起來的寶貴經驗。決定將我校的計算機圖形學課程安排充分與地學中的地質制圖、GIS圖形標注與編輯、地球探測信息可視化等應用緊密結合起來，注重其實用性。

在教學大綱的制定中筆者提出應遵循從“應用-理論-應用”的法則。即首先讓學生對地學類通用制圖及相關繪圖軟件如MapGIS、Grapher、Surfer等進行操作和理解，然后老師找出其中的圖形學理論點進行講述，最后再引導學生將這些理論點進行編程實現。比如通過對Grapher數據曲線繪制的講述，引入曲線的插值、擬合生成理論。最后給出若干插值點或型值點坐標，要求學生編程生成這些曲線。

2.根據地學專業人才培養的需要來分章節選定參考資料。由于目前市面上的計算機圖形學教材并不是為地學或地學相關專業服務的。所以這些計算機圖形學教材往往涵蓋面較廣，既包含計算機圖形學的基本知識和編程技術，又包含計算機制圖、三維造型和計算機視覺等方面的原理及應用。直接使用這些教材帶來的后果就是要么老師無法在一個限選或選修課所規定的課時里面將這些問題講述清楚，要么學生由于內容太泛而抓不住重點從而很難達到應有的效果。

在此次教改過程中，筆者不再拘泥于使用某個教材。而是在每一個教學章節中為學生指定若干參考資料，這些資料來源于若干參考書籍中所選取的一些合適的章節。這樣有目的的讓學生進行閱讀從而使他們較好的掌握到這一教學章節所涉及到的知識點與技術。如在圖形交互這一章的講解中，筆者分別為學生選定了《計算機圖形學實用技術》的第二章（交互式圖形軟件設計）、《MapGIS教程》第二章（圖形輸入）與第三章（圖形編輯）、《VC++入門教程》第三章（圖形繪制API介紹）作為參考資料。要求學生首先從MapGIS制圖操作中直觀認識圖形交互式操作的方式，然后通過對圖形學中圖形交互的原理技術的學習來實現VC++的交互式圖形繪制。

3.在實際授課過程中根據學生所遇到的實際問題和意見來調整教學內容。不同地學類專業之間對計算機圖形學的需求存在著一定的細微差別。如有些專業可能對三維可視化的要求較高，學生想更多的了解到這個方面的原理知識；有些專業可能要求能夠講授一些有關仿真動畫方面的知識。因此，在實際授課過程中，老師們應充分考慮到每個專業學生的需要，在課程安排上做出一些改動和調整。

筆者在此次教學改革中提出可提前在教學安排中預設選講內容的做法得到了許多老師們的認同。如在近幾年的計算機圖形學授課過程中，不斷有學生或其他專業老師反映希望講解一下MATLAB中的繪圖函數的應用。因此筆者就將這一部分預設為選講內容，在講授到圖形學曲線曲面這一章節時，根據學生所學專業及其學習基礎向學生們提出是否需要學習MATLAB中對曲線曲面數據展現的應用，當學生們表現出興趣時再將這一預設內容進行講授。

三、成果與總結

在校方的重視與支持下，歷時3年的地學專業計算機圖形學教學改革取得了顯著的成效。其主要表現在：

1.極大的激發了學生的學習興趣。經過教學改革后的圖形學教學內容與學生們工作實習中所應用的軟件發生了緊密關聯，而圖形類的這些應用軟件無論是三維建模、還是動畫制作都極大的激發了學生們的學習興趣。同時，學生們也學會了從使用軟件的角度來思索其實現原理，大量參考資料的查閱豐富了他們的知識面。在改革前后，作為一門本科生的專業選修課，筆者所在院系的計算機圖形學課程選修率從之前的45%上升到了98%。

2.極大的鍛煉了學生的動手能力。在改革后的計算機圖形學教學實習中，學生的動手能力也得到了很大的加強。新的圖形學教學內容讓學生明白，只要熟悉計算機圖形學技術，他們也可以完成地學類圖形軟件所能達到的功能。由于有了樣本參照，在筆者所教的學生中，有許多通過自學openGL， VTK， IDL等來實現地學應用中更復雜的圖形效果。

3.為學生更高階段的深造打下良好基礎。在計算機圖形學教學改革后半階段，不少選擇深造的研究生均反饋本科階段的計算機圖形學非常實用。特別是為他們研究生階段的MATLAB等科學計算軟件的應用打下了良好的基礎，使得他們可以制作出精美的論文插圖。

由此可見，作為計算機圖形學這樣可在多個行業進行應用的交叉學科，其教學方法可因為所在專業的不同而存在較大差別。老師們需要與專業應用進行緊密結合并在實踐中不斷探索才能使得教學工作緊跟學科技術的發展方向，并在教學過程中激發出學生的學習興趣與主觀能動性。

參考文獻：

[1]閔鋒，魯統偉. 2013.《計算機圖形學》教學探索與實踐[J]. 教育教學論壇（5）： 94-95.

[2]于建江. 2008. 應用型本科計算機圖形學教學改革初探[J]. 長春理工大學學報（高教版）（4）： 71-73.

[3]姚莉. 2010. 計算機圖形學教學改革與實踐[J]. 實驗科學與技術（4）： 102-106.

[4]蔡華輝. 2011. 淺談計算機圖形學課程教學[J]. 科技信息（35）：406.

[5]許磊，楊滿倉. 2011. 計算機圖形學教學實踐與研究[J]. 科技致富向導（32）： 40-41.

[6]穆瑞輝. 2013. 計算機圖形學教學模式研究[J]. 信息系統工程（2）： 146-147.

[7]王艷春，張金政，李紹靜. 2011. 計算機圖形學課程教學思考[J]. 計算機教育（14）：63-66.

[8]黃斌. 2011. 計算機圖形學教學方法探究[J]. 才智（9）： 249.

作者簡介：

余翔宇（1979.09-），男，漢族，中國地質大學（武漢）地空學院講師，博士。研究方向：地學信息三維可視化。