突出實踐需求的GIS專業《計算機圖形學》課程優化改革

韓院彬

摘要：本文以GIS專業“計算機圖形學”課程中重實踐、跨學科的教學需求為出發點，以突出實踐性、適用性的課程教學為目標進行課程優化改革，以進一步提升GIS專業學生“計算機圖形學”課程的教學效果。

關鍵詞：地理信息系統;計算機圖形學;OpenGL

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0134-02

一、引言

地理信息系統（Geographical Information System，GIS）是一門交叉性強的學科，計算機圖形學承擔著GIS中圖形顯示、數字信息圖形化等重要角色，在大多數本科院校的GIS專業中以專業基礎課進行設置[1]。計算機圖形學作為計算機科學中最為活躍的一個分支[2]，包含大量諸如數學、物理、算法等理論性強的知識，如何強調計算機圖形學的實踐性以及對于GIS專業的學生如何合理的設置計算機圖形學課程得到了本科院校的廣泛關注[1，3-7]。

GIS是一個強調實踐和具備特定工程背景（地理學）的專業，如果按照計算機專業學生的要求進行計算機圖形學課程教學，一方面大量原理性的知識勢必會使得課程教學枯燥，另一方面計算機圖形學中大量的算法對計算機的專業知識和技能要求較高，勢必會使得GIS專業的學生在計算機圖形學知識學習和動手實踐上存在較大難度。從課程學習的意義上來講，使學生充分認知到計算機圖形學作為GIS專業基礎課的必要性，以及學習計算機圖形學將會為他們提供哪些專業上的幫助，能夠有效提升學生學習計算機圖形學的積極性;學生能夠對當前計算機圖形學的一些實用前沿技術進行入門，會進一步加強學生的專業能力和提升學生畢業后的就業競爭力。針對以上幾點需求，本文從重實踐、跨學科的角度給出了“計算機圖形學”課程優化的一些建議。

二、課程內容和教學改革

（一）課程內容的適用性

目前國內所開設的計算機圖形學主要針對計算機專業的學生，側重于圖形學相關的數學原理、算法，缺乏適用于GIS專業的相關教材和大綱設置。而通常計算機圖形學的課時設置非常有限（以河北工程大學為例，計算機圖形學在GIS專業課時設置為40學時，其中實踐部分10學時），如何在有限的課時內讓學生系統的學習計算機圖形學相關知識和技術是一個必須重視的問題。

針對上述問題，對于原理性的知識點進行有效壓縮且同時保證課程知識體系的完整性就顯得非常重要了，因此在教學過程中要貫穿舉一反三和重實踐的教學思路。例如在光柵圖形學、曲線生成知識點中分別有很多算法，課堂通過講解其中典型的一類算法，點出其他算法由學生以課后作業的形式自行學習。而對于理論性特別強的知識，如真實感圖形學中涉及到的各種光照模型的物理和數學原理，在課堂教學中對其做概述性的介紹，對于理論性強的知識（如模型的推導）不作細致的講解，而將本部分重點放到基于OpenGL的圖形學中，使學生能夠更為真實的通過程序體驗光照模型對于圖形顯示的作用。

（二）計算機圖形學在GIS中的定位

GIS專業學生在學習計算機圖形學課程中從開始到結尾的每節課都會思考“計算機圖形學對于地理信息系統有什么意義，對GIS專業整體知識體系有何幫助”的學習價值問題，讓學生充分認識到課程對于GIS的重要性，將有力提升學生學習計算機圖形學知識的主動性和積極性。計算機圖形學和GIS在很多概念和算法上具有相通性，如GIS中矢量數據的柵格化中有大量算法與計算機圖形學中光柵圖形學相對應，例如直線掃描轉換算法、區域填充等，特別是四叉樹/八叉樹的應用，在計算機圖形學和地理信息系統原理的課程中曾多次用到。文獻[3]指出計算機圖形學的大多數算法幾乎都在GIS中得到了應用。針對上述需求，在課程安排上組織一次2個學時的主題討論課，由學生和教師根據專業知識和工程實際需求討論圖形學原理、實踐與GIS的結合，以及圖形學在GIS中的定位，最后以作業的形式讓學生在課后對課堂討論內容分別提出自己的看法，并進行整理，讓學生自主性的認識到計算機圖形學對于GIS專業的重要性。

（三）加強GIS學生計算機圖形學的實踐能力

計算機圖形學中包含大量的圖形學算法，若只重視算法的原理卻忽略程序實現將會使得課堂教學枯燥無味，學生也將逐漸失去對該課程學習的興趣。隨著3D可視化在GIS中變得愈發重要，OpenGL（Open Graphics Library）具有跨平臺、開放標準等符合當前圖形學實踐潮流的特點[8]，成為當前業界圖形學程序設計最為流行的一種技術，在GIS中具有廣泛的應用前景。因此，課程改革將OpenGL作為整個課程教學的第二大主要部分突出課程的實用性。通過以實例構成的幾個涵蓋基本知識的模塊化教學，如OpenGL編程環境搭建、基本圖形繪制、視圖、顏色及光照模型（主要參考教材[8]的前五章，結合其中的實例介紹前五章的基礎入門知識），使得學生對OpenGL有一定的入門認知和動手能力。另一方面，相對于計算機專業的學生，GIS專業的學生在程序設計能力上尚有欠缺。

通過對程序設計語言和多種編程環境進行對比分析，并綜合我校GIS專業學生的實際情況，在學生實踐環節，建議選定以Visual C++加OpenGL作為學生實踐的編程環境。一方面，Visual C++是GIS專業學生前述計算機類課程主要的編程環境，學生對其較為熟悉，容易上手;另一方面，在Visual C++中可以方便的搭建OpenGL編程環境[8]，學生通過調用OpenGL的函數能夠較快的上手實現一些基本的OpenGL實驗。

（四）課程安排

結合近年來的教學實踐，以突出圖形學教學相對于GIS專業學生的適用性、實用性和強調課程在GIS專業中的定位為出發點，建議面向GIS專業的計算機圖形學課程和實踐內容分為4個部分，如表1所示。

三、結語

本文重點論述了在滿足學習計算機圖形學知識體系的基礎上，讓學生從GIS的專業需求上充分認識課程的定位，加強學生實踐能力的鍛煉。通過分析GIS專業需求，文章從教學大綱的適用性、重實踐出發給出了計算機圖形學課程的一些改革建議。

參考文獻：

[1]吳正升，郭健.GIS專業《計算機圖形學》課程建設與教學改革[J].測繪與空間地理信息，2011，34（2）：10-12.

[2]孫家廣，胡事民.計算機圖形學基礎教程[M].第2版.北京：清華大學出版社，2009.

[3]趙明.GIS專業《計算機圖形學》課程建設與改革初探[J].教育教學論壇，2012，（38）：83-84.

[4]劉永和.面向GIS本科專業的計算機圖形學課程教學改革[J].高等理科教育，2012，（1）：142-145.

[5]袁國武，徐丹，趙楊.“計算機圖形學”實驗課程改革經驗與探索[J].計算機教育，2009，（15）：29-32.

[6]劉晉鋼，孔令德，王進忠.“計算機圖形學”課程新教學模式的研究與實踐[J].計算機教育，2010，（3）：63-65.

[7]閆志剛.GIS專業地學可視化課程的建設與教學實踐[J].地理空間信息，2011，9（4）：159-161.

[8]D.Shreiner，等.OpenGL編程指南[M].第7版.李軍，等，譯.北京：機械工業出版社，2010.