應(yīng)用型本科院校計算機圖形學(xué)教材存在的問題及對策

尹星云

摘 要：分析了當(dāng)前國內(nèi)計算機圖形學(xué)教材存在的問題，針對應(yīng)用型本科院校計算機專業(yè)學(xué)生的特點，從計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法三個方面進行了改革探索，收到了良好的效果，有效地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計算機圖形學(xué) 教材 OpenGL

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0178-02

從學(xué)科角度來看，計算機圖形學(xué)是一門理論和實踐都很強的綜合性學(xué)科；從技術(shù)層面來看，計算機圖形學(xué)是計算機應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要分支，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會的各個方面，例如計算機游戲產(chǎn)業(yè)和影視動畫，人們使用手機和計算機時操作的圖形用戶接口，這些應(yīng)用與人們的生活密不可分。計算機輔助設(shè)計與制造、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實等等，計算機圖形學(xué)在科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐和人們的日常生活中均占有重要地位。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)課程之前對該課程具有一定的好奇和期待，但是如果按照當(dāng)前市場上流行的教材組織教學(xué)會使學(xué)生很失望，從而失去學(xué)習(xí)該課程的熱情。

1 計算機圖形學(xué)教材存在的問題

計算機圖形學(xué)是研究用計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科，本科段的主要教學(xué)內(nèi)容由以下幾個部分組成：光柵圖形學(xué)、圖形變換、圖形裁剪、可見面判斷、曲線和曲面、簡單的真實感圖形生成?；谶@些內(nèi)容，國內(nèi)教材基本上以計算機基本圖形的生成原理及其相應(yīng)的經(jīng)典算法為核心，注重算法的推導(dǎo)過程，也就是數(shù)學(xué)演算過程，使得教材內(nèi)容理論性很強，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。這樣的教材適合培養(yǎng)學(xué)術(shù)研究型的學(xué)生，所學(xué)知識為他們進一步學(xué)習(xí)、從事計算機圖形學(xué)的研究打下堅實的基礎(chǔ)。但是應(yīng)用型本科院校計算機專業(yè)的絕大多數(shù)學(xué)生畢業(yè)后走向職場，即使考上研究生進一步深造的學(xué)生，選擇計算機圖形學(xué)作為研究方向的可以說是鳳毛麟角。更加重要的是，應(yīng)用型本科院校計算機專業(yè)的學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差，沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來學(xué)習(xí)這種數(shù)學(xué)演算式的算法推導(dǎo)過程。由于計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前在軟件開發(fā)領(lǐng)域也用不到教材中這樣底層的經(jīng)典圖形算法，一般的圖形軟件開發(fā)都是基于某種圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，例如實際的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)OpenGL（Application Programming Interface），微軟公司的DirectX?；谲浖?biāo)準(zhǔn)，學(xué)生可以學(xué)到開發(fā)圖形學(xué)軟件的一些實用技術(shù)，掌握繪制真實感圖形的完整流程。因此，當(dāng)前急需解決應(yīng)用型本科院校計算機圖形學(xué)的教材問題，以及由此帶來的該課程在應(yīng)用型本科院校的定位問題。

2 計算機圖形學(xué)教學(xué)改革探索

應(yīng)用型本科院校的學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差，優(yōu)點是動手能力比較強，其中不乏玩游戲的高手。絕大多數(shù)認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生都對程序開發(fā)比較感興趣，并且學(xué)得快。但是由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維能力比較差，對理論性強的教學(xué)內(nèi)容不感興趣，學(xué)起來吃力。針對計算機圖形學(xué)教材的現(xiàn)狀和應(yīng)用型本科院校學(xué)生的特點，對計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行了一定的研究探索。將教學(xué)目標(biāo)定位為使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，對計算機圖形學(xué)有一個概括性的全面了解，理解計算機基本圖形的生成原理及其相應(yīng)的經(jīng)典算法的基本思路，掌握其中的重要技術(shù)；學(xué)習(xí)一種圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，加大實際動手能力的培養(yǎng)力度，使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠設(shè)計簡單的圖形場景，掌握繪制真實感圖形的基本流程。對于教學(xué)內(nèi)容，采用一本教材為主，多本參考書為輔，在吃透這些教材的基礎(chǔ)上重新整合教學(xué)內(nèi)容，力求使學(xué)生能夠?qū)W到實際有用的知識和技術(shù)，掌握必要的計算機圖形學(xué)的理論基礎(chǔ)和開發(fā)圖形應(yīng)用軟件的初步能力。OpenGL是一種跨平臺的應(yīng)用程序接口，已經(jīng)成為實際的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，而微軟公司的DirectX僅適用于Windows操作系統(tǒng)。另外，OpenGLES是OpenGL的子集，應(yīng)用于多種嵌入式系統(tǒng)，如控制臺、移動電話、手持設(shè)備、家電設(shè)備和汽車等。把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起構(gòu)成了WebGL，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，Web開發(fā)人員可以用WebGL構(gòu)建具有豐富圖形的網(wǎng)站頁面和設(shè)計網(wǎng)頁游戲等。所以教學(xué)中選用了OpenGL作為實驗平臺。

教學(xué)內(nèi)容整合以教材為依據(jù)，對應(yīng)每個教學(xué)模塊增加相應(yīng)的OpenGL內(nèi)容，例如光柵圖形學(xué)模塊增加OpenGL的基本圖元繪制、圖形變換模塊增加OpenGL實現(xiàn)圖形變換的內(nèi)容、曲線和曲面模塊增加利用OpenGL繪制Beizer曲線曲面和B樣條曲線曲面的方法、真實感圖形生成模塊增加OpenGL的光照（包括光源的位置、光的類型）和材質(zhì)內(nèi)容，等等。整合后的教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了理論與實踐并重、理論與實踐相結(jié)合的教育思想，每一次課的教學(xué)內(nèi)容由兩部分組成：一是理論部分，講授計算機圖形學(xué)基本原理和概念、經(jīng)典算法的設(shè)計；二是實踐部分，講授與理論教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的OpenGL繪圖程序設(shè)計。對于理論教學(xué)內(nèi)容突出重點，精選有代表性的算法講解透徹，使學(xué)生掌握算法思想的精髓、主要技術(shù)手段，對類似算法能夠舉一反三，自行學(xué)習(xí)。實踐教學(xué)部分強化培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實際動手能力，針對教學(xué)內(nèi)容演示基于OpenGL繪制的圖形或者場景，引導(dǎo)學(xué)生分析設(shè)計過程以及實現(xiàn)各個功能的OpenGL函數(shù)，以便學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠獨立自主地設(shè)計出具有真實感的圖形或者簡單場景。由于教學(xué)內(nèi)容由理論和實踐兩個主題構(gòu)成，所以教學(xué)過程中要特別注意將這兩個部分有機地融合在一起，具體做法是講清楚OpenGL函數(shù)在計算機系統(tǒng)內(nèi)的實現(xiàn)機制，下面以圖形的幾何變換為例說明。圖形的幾何變換以齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，用矩陣表示變換，將變換矩陣乘以點的原始坐標(biāo)，運算結(jié)果即為變換后的點的坐標(biāo)；OpenGL的變換函數(shù)是以程序員給定的參數(shù)、按照函數(shù)功能先構(gòu)造相應(yīng)的變換矩陣，然后將變換矩陣與點坐標(biāo)相乘得到變換后的點坐標(biāo)。通過這種剖析將理論知識與實踐技術(shù)有機地結(jié)合起來，使學(xué)生知其然，也知其所以然，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識的熱情。

教學(xué)過程以建構(gòu)主義教學(xué)理念為指導(dǎo)，以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法為主結(jié)合多種教學(xué)方法以提高課堂教學(xué)質(zhì)量。建構(gòu)主義教育思想認(rèn)為學(xué)習(xí)的本質(zhì)是知識的建構(gòu)過程，教學(xué)的目的在于幫助學(xué)生實現(xiàn)知識建構(gòu)，而不是單向的給學(xué)生傳授知識，教師的作用是引導(dǎo)學(xué)生對原有知識進行改造和重組，實現(xiàn)新知識建構(gòu)。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的核心是以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)過程，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計合適的任務(wù)，通過分析這個任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識。例如，講授真實感圖形生成時，首先演示一個編程繪制的具有真實感的圖形，在光照的作用下圖形逼真、美觀，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過分析這個圖形的生成原理和技術(shù)，引出光照模型和顏色理論的基礎(chǔ)知識，通過設(shè)問、啟發(fā)等多種教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)相關(guān)的理論知識；通過分析OpenGL實現(xiàn)光照、材質(zhì)的技術(shù)，完成利用計算機繪制真實感圖形的教學(xué)任務(wù)。endprint

最近幾年，市場上出現(xiàn)了一些面向應(yīng)用型本科院校的計算機圖形學(xué)教材，其中計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)理論的深度和難度都比傳統(tǒng)教材降低了，闡述也比較通俗易懂，但是沒有配套的上機實踐教材。因此，編寫了基于OpenGL的電子版實驗指導(dǎo)書，實驗內(nèi)容由以下模塊組成：熟悉編程環(huán)境、基本圖元生成、二維圖形變換、三維圖形變換、光照和材質(zhì)、曲線和曲面。實驗類型分為驗證型，設(shè)計型和綜合型。每次上機實驗課的內(nèi)容分為兩個部分：一是運行課堂教學(xué)中講授的OpenGL程序、分析運行結(jié)果，然后修改這個程序生成新的圖形，從而加深對所學(xué)知識的理解；二是利用所學(xué)知識設(shè)計一個物體或者簡單的場景。課外作業(yè)是根據(jù)所學(xué)知識自由創(chuàng)造一個具有真實感的場景，從第一次上機實驗開始，從簡單到復(fù)雜構(gòu)造一個場景，每次上機后增加本次實驗所學(xué)知識的內(nèi)容，上機實驗課結(jié)束時上交，作為該課程的實驗考試成績。這樣，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了利用計算機生成真實感圖形的完整流程，而且親自實踐了這個完整流程。

4 結(jié)語

通過教學(xué)內(nèi)容的整合，使學(xué)生能夠?qū)W到利用計算機生成真實感圖形的完整流程，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的軟件開發(fā)能力，如果不進行上述教學(xué)改革是不可能達到這個目的的。當(dāng)前國內(nèi)教材太注重經(jīng)典算法的剖析，學(xué)生即使努力學(xué)習(xí)，也是只見樹木不見森林，非常不適合應(yīng)用型本科院校的學(xué)生使用。由于OpenGL的強大功能，教學(xué)中可以演示利用OpenGL編程繪制的逼真圖形，學(xué)生通過學(xué)習(xí)也可以自行設(shè)計、編程繪制這樣具有真實感的圖形，極大地激發(fā)了學(xué)生的求知欲，使得學(xué)生想學(xué)計算機圖形學(xué)課程，有效地提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量。

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