面向游戲開發的計算機圖形學立體化實踐教學框架研究

李 丹, 袁 凌, 胡迎松, 朱玲玲

(華中科技大學 計算機學院, 湖北 武漢 430074)

面向游戲開發的計算機圖形學立體化實踐教學框架研究

李 丹, 袁 凌, 胡迎松, 朱玲玲

(華中科技大學 計算機學院, 湖北 武漢 430074)

針對計算機游戲產業不斷壯大的現象,圍繞面向計算機游戲方向人才培養的計算機圖形學教學和評價問題展開研究。探索了以計算機圖形學為主線維度,將計算機專業軟硬件課程橫向貫穿,并引入基于權重的教學評價第三維度,提出了計算機圖形學多維度立體化實踐教學框架。通過多角度、多渠道的專業理論與實踐的交叉漸進教學培養模式,結合客觀的教學評價標準,全面提升學生的積極性和專業綜合應用能力,使其具備較好的游戲開發基本素質和創新能力。

計算機圖形學； 立體化實踐教學框架； 多維度

2009年由教育部頒布的“國家教育十二五規劃綱要”中明確提出創新人才培養模式,指出“適應國家和社會發展需要,遵循教育規律和人才成長規律,深化教育教學改革,創新教育教學方法,探索多種培養方式,形成各類人才輩出、拔尖創新人才不斷涌現的局面”[1]。隨著計算機技術和經濟水平不斷提高,計算機游戲產業不斷壯大,已經成為最快的經濟增長點,社會對計算機游戲開發創新型人才的需求急劇加大[2-3]。本文提出具備3個維度的計算機圖形學立體化教學框架：圖形學理論到實踐的縱向深入挖掘維度、關聯課程橫向穿插擴展遷移維度以及權重機制的教學評價維度,提出系統化能力培養模式,為計算機圖形學教學開拓一種教—評一體化的新教學體系,從而為學生今后從事游戲產業的開發打下堅實的基礎[4]。

1 計算機圖形學教學在游戲開發方向的地位及存在的問題

游戲開發以動態的三維圖形渲染來生成游戲畫面,從建模、渲染、光照、紋理等,全部都是基于計算機圖形學的算法和理論,因此,“計算機圖形學”是游戲開發方向的一門重要專業基礎課[5]。該課程是建立在圖論、現代數學、物理和計算機科學基礎之上的一門新興綜合課程,涉及計算機軟硬件知識、圖形化程序開發等領域,具有知識面廣、內容跨度大、實踐能力要求高等特點[6-7]。因此,在“計算機圖形學”的教學中應理論與實踐并重,既要講解清楚基本理論和算法,又要給學生充分的實踐訓練,為學生后續展開游戲開發領域的相關工作打下堅實的基礎。

在當前的計算機圖形學理論與實踐教學中,長期存在以下幾個方面的問題:

(1) 課程教學缺乏系統性和關聯課程知識的融合性。傳統的計算機圖形學教學中缺乏對圖形學不同模塊知識的交叉結合,更缺乏軟硬件關聯課程知識的融入,進而難以建立計算機圖形學知識體系框架,無法形成圖形化思維創新能力。

(2) 實驗項目的設置缺乏實踐性和創新性。常見的實驗項目中,如果是普通的圖形算法驗證性實驗,則理論性強,與實際應用問題的關聯不大；而真正的一些實際應用問題綜合性強、難度過大,容易讓學生產生畏難情緒,也阻礙了發散性思維的啟迪。因此,設計一些既具備實際意義且難度恰當的,又能提高學生學習興趣和創新能力的計算機圖形學實驗項目,已成為計算機圖形學教學迫切需要解決的問題。

(3) 教學效果的評價機制缺乏科學性和客觀性。傳統的教學評價方式往往只注重理論考試和實驗結果,而且由于知識點的離散性和實驗項目的孤立性,使得對教學效果的評價較為片面,欠缺客觀性?？紤]知識點的耦合性和實驗項目的關聯性、重視培養學生掌握解決問題的方法、建立基于過程的權重評價方式,對計算機圖形學課程教學的深化有重要的作用[8]。

2 計算機圖形學立體化教學框架構建

為培養學生掌握“計算機圖形學”系統知識,以驗證性和綜合性相結合的實驗項目為依托,縱向深入計算機圖形學基本理論和算法,橫向引入關聯課程,輔以教學跟蹤評價維度,從多層次、多維度上構建立體化教學模型。根據以上思路,結合本院計算機圖形學的教學計劃[9-10],我們將計算機圖形學劃分為理論教學和實踐環節2個主體部分,其中實踐環節,把實驗依據知識難度劃分為階梯狀的3個實驗,以此為主線構建了計算機圖形學立體化教學的總體框架,如圖1所示。整個框架由3個維度組成:計算機圖形學基本理論到實驗項目的主線縱向深化維度；軟硬件類關聯課程到計算機圖形學的橫向擴展維度；基于權重的教學評價維度。

圖1 計算機圖形學立體化實踐教學總體框架

2.1 計算機圖形學理論與實踐的主線縱向深化維度

從基礎理論到實驗項目的主線深化維度的主要目標是進行知識體系的縱向深化,在系統介紹理論知識的過程中,通過2個基礎性實驗和1個綜合性實驗,使學生循序漸進掌握計算機圖形學一般應用問題的解決方法,并鞏固所學習的基礎理論知識,如圖1所示理論與實踐主線維。

實驗項目的安排除了基本理論的驗證和基本算法的實現外,還包含各種理論和算法有機結合而進行的綜合設計,以利于培養學生自主學習、獨立思考、分析解決問題的能力。

第1個實驗設置為“二維分形圖形的繪制”,作為基礎性實驗,借由二維分形圖形的繪制,將二維圖形學的核心知識點如直線的掃描轉換算法、二維圖形的幾何變換、裁剪等理論融入到實際問題中。第2個實驗設置為“三維模型真實感繪制”,基于第一個二維圖形實驗來擴展三維圖形學概念,將多邊形表面模型、三維幾何變換、投影變換、消隱算法、光照模型三維圖形學的知識點序列進行,通過幾何變換和投影變換的綜合應用建立學生的空間概念,并將消隱算法和光照模型與像素信息之間關系映射的計算方法有效結合,使學生掌握三維真實感模型形成的基本原理和流程。

以二、三維圖形學理論和前2個實驗為基礎,將實驗3設計為綜合性實驗,題目為“實時三維自然場景繪制”,主要將各類圖形學算法綜合應用到實際問題中。在該實驗中,將三維規則對象和非規則對象建模綜合考慮,并將漫游、碰撞檢測等技術融入進去,以解決現實生活中碰到的自然現象和有效性問題。通過該實驗,可把絕大多數計算機游戲方面的理論和實踐知識點包含進去,在后續學習中,學生可在此基礎上對計算機游戲開發領域中各項感興趣的分支點進行進一步深入探索即可。

通過上述3個實驗,將計算機圖形學內容體系有

效整合,以二維圖形學→三維圖形學→交互式圖形學的邏輯性層次知識予以銜接和貫穿,既遵循了知識環環相扣、層層遞進的基本特點,又符合學生從易到難掌握知識的一般規律,建立計算機圖形學的系統化體系。

2.2 關聯課程的橫向擴展維度

在解決計算機游戲開發的問題中,除了需要計算機圖形學課程自身內容的縱向支撐,還離不開與計算機圖形學緊密相關的其他軟硬件課程的橫向輔助,如軟件類課程“程序設計基礎”和“算法分析與設計”等,硬件類課程“操作系統”和“高性能計算”等。因此,為使學生循序漸進地深入理解關聯課程在計算機圖形學中起到的作用,我們提出以縱向深化主線中的實驗為中心,把軟硬件關聯課程分階段、交錯來進行橫向維度擴展的策略,如圖1所示的關聯課程維。

關聯課程的橫向擴展維度實施的基本思想是以學生容易形象化和直觀化理解的軟件類關聯課程為切入點,逐步開拓學生思維,建立學生學科綜合能力?？芍苯訉④浖惢A課程“程序設計方法”遷移到第一個實驗“二維分形圖形的繪制”,將C語言中變量、表達式、函數、控制結構等自底向上的結構化機制引入到分形計算中,將程序設計方法的抽象概念具體、形象化,并著重掌握圖形游戲編程的基本方法。在實驗2中,可交叉進行硬件類課程的擴展,如“操作系統”。將操作系統中的任務調度策略引入到真實感渲染的問題中,將要渲染任務根據優先級別劃分成不同小任務,以解決三維真實感渲染中效率和效果的矛盾沖突問題。

進一步在實驗3的實時三維自然場景繪制中,可綜合軟件類課程“算法分析與設計”中的遞歸、迭代等算法進行全方位的融入,如:將地形繪制采用LOD四叉樹迭代算法來實現；將硬件類課程“高性能計算”中的并行思想應用到實時場景繪制中的空間插值問題上,在GPU中建立二級索引并利用多線程分塊策略執行并行插值計算,充分理解GPU的工作原理并利用GPU在并行計算上的優勢。

隨著未來動畫游戲更多元化的發展,計劃將網絡計算、人工智能、動力學等相關知識逐步關聯到課程的橫向擴展體系中,使學生不僅獲得扎實的理論基礎,而且同時具備較強的實踐能力,從而掌握最先進的主流游戲開發技術。

2.3 基于權重的教學評價維度

經過2年的摸索和實踐,通過對計算機圖形學課程理論以及軟硬件關聯課程的知識點橫縱學習,我們初步構建了計算機圖形學的縱向深入和橫向知識擴展的教學體系。該教學體系能否取得預期的效果,與教學效果的跟蹤評價機制有著緊密的關系。我們在上述教學體系中擴展了一個維度,如圖1所示教學評價維,采用基于權重的教學評價機制,構建一個客觀、科學的基于教與評的一體化、立體化框架并予以實施。

基于立體化教學框架的層次化、模塊化特點,我們采用分模塊的權重評價標準。根據理論和實踐的比重、各知識點在游戲開發領域的比重,在對學生考查中分項進行評價,最后加權計算得到綜合成績。計算機圖形學立體化教學框架建立前后的權重分配如圖2所示。

圖2 立體化教學框架建立前后的權重分配

針對游戲開發領域實踐性要求高的特點,將原來計算機圖形學理論教學和課程的考查比例由8∶2調整為6∶4,強調理論知識到實踐能力的轉化。同時,將理論教學部分的二維圖形學比重降低至20%,僅作基本算法的引入,重點建立學生三維圖形學的計算流程概念。進一步,將原本的2個驗證性實驗擴展為2個驗證性實驗加1個綜合性實驗,且該綜合性實驗賦予驗證性實驗2倍的權重,以激勵學生挑戰實際應用中的綜合性問題。上述比重的設置,既是對各知識點、理論和實踐所占重要性的客觀評價,也是希望學生從基礎出發,不斷提升解決問題的能力。

由于對實踐性要求的提高,我們對實驗的考查也設置了更加全面的標準,對于2個基礎性實驗均要求提交實驗源代碼和實驗報告,并按照6∶4的比例分別來進行評價。在實驗源代碼的評價中,我們將代碼的合理性、注釋的飽滿性、功能的完整性作為考查要素；同時實驗報告的評價從功能模塊劃分、算法實現原理、程序設計流程、結果測試分析以及未來優化方案等幾個方面進行,使學生重塑實踐之后的理論回溯意識?；跈嘀乜陀^評價機制的采用,極大促進了學生學習圖形學的熱情。例如,基于實驗1學生完成的作品有較為簡單易行的二維分形樹,也有形態復雜的朱利亞集等。朱利亞集是一個在復平面上形成分形的點的集合,具有異常美麗的形狀,并且利用其可以模擬出山峰、云彩、湖泊等自然景觀。實驗2更是由于該實驗的開放性,極大激發了學生思維的發散性,完成的作品有主要針對長方體做幾何變換的書桌,也有各種形狀實體組合而成的房屋,更有一些經典建筑模型的建立,如水立方和埃菲爾鐵塔等。

對于第3個綜合性實驗,由于擴大了涉及知識面,加深了難度,我們要求學生以3人左右的小組形式來完成。綜合課堂理論知識,查閱國內外前沿技術,進行頭腦風暴和團隊協作,提出具體解決方案并共同完成。該項實驗以程序演示和口頭報告為評價依據,兩者各自占比6∶4,組內各位成員分別上臺介紹自己所完成的工作部分以及與其他成員之間的銜接任務,由班上同學來進行評價[11-12]。這種方式的采用不僅激發了學生的創新性思維,如完成的內容既有雨中的埃菲爾鐵塔下漫步,又有野外山丘森林的導航等,更重要的是鍛煉了工科學生的語言組織和表達能力,培養了學生之間的團隊協作能力。

2.4 實際教學效果

在近2年教學改革與建設的過程中,在這些復雜度不斷遞進的實驗訓練中,既檢驗了學生對相關知識點的掌握,又循序漸進鍛煉了學生理論到實踐的動手能力。通過實驗反饋到理論知識的進一步深化,課程考試總體成績有了10%左右的提高,實際教學效果有了較大改善。同時激發了學生對圖形學的熱情,積極主動參與和圖形學相關的科研創新活動,成功申請和結題多項大學生科技創新項目,如“基于Android人像卡通化生成技術”和“二維圖形搜索及推薦系統”。

綜上3個維度的應用,在激發學生積極性的同時,能切實提高學生的實踐動手能力,并擴展學生思維空間和創新能力,使學生可以自主發現新問題、探索新問題、解決新問題,使能力得到系統化培養。

3 結束語

計算機游戲開發領域的發展速度非?？?使其以計算機圖形學為中心的專業知識面不斷拓寬,知識內容也不斷更新,要想把所有的知識在有限的教學時間內全部講授并讓學生有全面的掌握是非常困難的。因此,本文提出“計算機圖形學”立體化教學框架,從計算機圖形學基本理論到實驗項目的主線縱向深化維度、軟硬件類關聯課程到計算機圖形學的橫向擴展維度和基于權重的教學評價維度3個維度形成立體化的教—評體系。根據立體化教學培養與評價模式,使學生對計算機圖形學的知識體系有全面認識,并傳授學生延展性問題解決的行之有效的學習方法。這種計算機圖形學立體化教學框架,既是對教學實踐和評價機制的進一步整合、凝練,也是對學生學習和實踐模式的新探索,是一個切實可行并行之有效的教學思路與框架。

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Research on stereo practice teaching framework of Computer Graphics for game development

Li Dan, Yuan Ling,Hu Yingsong,Zhu Lingling

(School of Computer Science & Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

With the deep development of computer game industry, the research on Computer Graphics teaching and evaluation for the professional talents training should be done. This paper proposes a multi-dimensions stereo practice teaching framework of Computer Graphics.In this framework,the Computer Graphics is set as main dimension,the computer software and hardware courses traverse through it,and the third dimension of weight-based teaching evaluation is also introduced into it.With the multi-angles and multi-channels cross progressive teaching training mode of professional theories and practices, combining the objective teaching evaluation standard, the proposed framework can improve students’ enthusiasm and professional comprehensive application ability,and make the students cultivate the research and innovation ability of game development.

computer graphics; stereo practice teaching framework; multi-dimensions

2015- 01- 09 修改日期：2015- 03- 18

華中科技大學教學研究項目“基于漸進項目驅動的計算機圖形學實驗改革研究”(12033)；華中科技大學教學研究項目“基于立體化構建的面向對象程序設計課程實驗體系改革研究” (14031)

李丹(1975—),女,湖北武漢,博士,講師,研究方向為計算機圖形學,計算機動畫和游戲開發技術.

E-mail：lidanhust@mail.hust.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)7- 0202- 04