面向專業(yè)特色的計算機圖形學教學改革與探討

張朝陽　安毅生　李穎　王偉

摘 要：對具有不同專業(yè)應用方向的計算機相關專業(yè)而言，計算機圖形學作為一門交叉學科，在計算機相關學科本科課程體系中具有重要作用。在傳統(tǒng)內(nèi)容基礎上，以面向專業(yè)應用為目的，探討計算機圖形學課程內(nèi)容和教學方法的改革，將對學生培養(yǎng)起到積極影響。作者結合教學經(jīng)驗，總結一些面向專業(yè)特色的計算機圖形學教學改革方法，為計算機應用技術高速發(fā)展的時代背景下，提高計算機圖形學教學效果提供一些可借鑒經(jīng)驗。

關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；專業(yè)特色；教學探討

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

CG是計算機圖形學（Computer Graphics）的縮寫，近年來已在游戲、電影、科學、商業(yè)、教學等計算機與信息相關領域獲得了廣泛應用，其主要研究利用數(shù)學模型與算法實現(xiàn)二維與三維圖形的光柵化。從內(nèi)容上講，主要研究利用計算機實現(xiàn)對圖形的表示、計算、處理及顯示的相關原理和算法。計算機圖形學不僅建立了計算幾何、計算機虛擬與現(xiàn)實世界之間的橋梁，同時對利用計算機技術解決實際問題能力的培養(yǎng)具有重要作用。然而，計算機圖形學具有非常強的學科交叉特性，其涉及到開課專業(yè)課程應用領域的各個方面，使得該課程與數(shù)字圖像處理、模式識別、計算機視覺和計算機輔助幾何設計等相關的課程建立起了一定的聯(lián)系，又具有不同的學習目標、方法與應用對象，同時計算機圖形學與各學科的相互滲透，要求學生具有良好的數(shù)學功底及較好的編程能力，造成課程學習難以達到應有的預期效果。近年來，在計算機應用技術快速發(fā)展的時代背景下，諸多教職人員依然在持續(xù)推動計算機圖形學教學的改革與發(fā)展，主要革新包括計算機圖形學教學資源庫建設[1]、教學內(nèi)容更新[2-4]、教學方法探討[5-8]及利用新的技術手段的教學模式創(chuàng)新[9，10]。本文將分析面向專業(yè)特色的計算機圖形學課程特點和教學中存在的問題，提出基于實踐經(jīng)驗的課程改革方法，通過建設交互式圖形處理課程內(nèi)容平臺，有效建立學生學習與課程內(nèi)容之間的感官認知和理解，在降低教學難度的同時提高課程學習效果。

2 教學中存在的問題（The problems existing in the

teaching）

基于計算機圖形學學科交叉特點以及課程內(nèi)容的深度和廣度，面向專業(yè)特色的計算機圖形學課程教學主要存在幾個方面問題。

（1）晦澀理論難以激發(fā)持續(xù)的學習興趣

計算機圖形學主要以微分幾何中的參數(shù)圖形理論、高等數(shù)學微分理論、線性代數(shù)中的空間變換與圖形表示涉及的圖論作為學科理論基礎，并同時涉及與圖像處理、模式識別的學科交叉，這樣的學科基礎與背景，奠定了計算機圖形學以數(shù)學理論為基礎、算法發(fā)展為主線、強調(diào)理論與實踐并重的課程特點。該特點難以避免的導致抽象理論知識與計算機實現(xiàn)難度大并舉的學習體會，難以激發(fā)學生持續(xù)的學習興趣，對課程內(nèi)容的深入開展造成較大的困難。

（2）實驗平臺難以緊隨開源發(fā)展趨勢

開源工具的發(fā)展推動了當代計算機圖形學的快速發(fā)展與應用，涉及圖形學的課程內(nèi)容的應用項目越來越多的依賴于開源的圖形處理庫和界面開發(fā)框架，如OpenGL、Direct3D、Unity3D、MFC、VTK、QT等，這些軟件和開源庫不僅集成了計算機圖形學涉及的各種圖形生成與優(yōu)化算法，同時良好的視覺效果與圖形用戶接口為所開發(fā)的程序提供了強大的適應性。然而，高校所采用的基于C++及Java語言的開發(fā)平臺，主要基于底層開發(fā)的思路，使得學生實現(xiàn)繪制模型與擴展應用程序變得困難，難以適應開源發(fā)展趨勢，同時影響了學生學習課程內(nèi)容的獲得感與成就感。

（3）實驗內(nèi)容難以適應學生創(chuàng)新意識培養(yǎng)

計算機圖形學基于基本理論算法，在高級語言開發(fā)平臺上通過實驗內(nèi)容驗證理論與算法內(nèi)容，通過實現(xiàn)、比較與分析綜合理解課程內(nèi)容，傳統(tǒng)的基于圖形變換、圖形建模與展示等的驗證性和比較型實驗設計與實踐內(nèi)容，難以引發(fā)學生的興趣和對創(chuàng)新性需求。具有特定目的的實驗所具有的先驗認知與驗證性的實驗內(nèi)容，無法使得學生體會到實現(xiàn)交互圖形所得到的意外效果，即使進行了大量的實踐，也難以使學生理解到計算機圖形學的精髓所在，特別對實驗開展不充分的學生，課程收益小。另外，實驗內(nèi)容不能與專業(yè)相關工程項目和應用結合，難以讓學生體會到計算機圖形學的交叉學科特點和實際價值。

（4）課程安排難以服務于學生的多樣發(fā)展

傳統(tǒng)的課程安排通常在大四的第一學期，面對多方面的影響，學生對課程的需求度降低，這一原因并不是學生體會到圖形學課程的價值較低，而是因為自身發(fā)展所需要的時間成本極具增加，例如研究生入學考試的準備、就業(yè)意向的確定、非本專業(yè)方向就業(yè)學生對未來從事行業(yè)的基礎知識準備等所需要的大量時間，直接導致計算機圖形學課程學習動力不足，課程效果受到較大影響。考慮到圖形學課程的重要性，課程安排這一要素不容忽視。

針對上述幾個問題，本文將通過近年來的課堂教學與課外實踐經(jīng)驗，探討面向學生發(fā)展的計算機圖形學有效教學方案，提高教學質量。

3 面向專業(yè)特色的課程教學改革（Specialty feature

orientated teaching reformation）

（1）算法可視化協(xié)同理論與實踐結合

理論與算法是計算機圖形學的核心，實踐是計算機圖形學面向應用領域的控制方向，計算機圖形學作為一門理論、算法與實踐并重的學科，對這三個課程要素的學習不能有所偏駁。換句話說，以對理論的理解、算法過程的了解及熟練使用為目的相結合，將有助于面向實際工程問題與數(shù)據(jù)時，在需要從底層算法進行創(chuàng)新的時候，引導學生利用課程理論和算法解決工程問題。現(xiàn)有計算機圖形學的教學大綱大多采用傳統(tǒng)教學方法，適合于“面向理論”的教學目標和內(nèi)容。基于計算機圖形學主要內(nèi)容和基本原理，面向專業(yè)應用，在教學過程將圖形學數(shù)學推導、圖形學算法融入到可視化人機交互界面，將理論步驟、算法過程、處理結果同時進行展示，在以圖形化界面讓學生感受算法過程和圖形處理結果的過程中，將晦澀難懂的理論可視化，提起學生的興趣。緊扣學生興趣，將復雜理論與學生熟知的概念和理論基礎對應，例如將曲線生成與線性代數(shù)的二次型與空間變換概念對應，增強學生理解的容易性。這樣可以從圖形使用與展示的角度講解并幫助學生理解基本內(nèi)容，通過可視化的數(shù)據(jù)對應展示，摒棄不必要的理論推導，從羅列式講授轉變?yōu)槊嫦蚴褂玫氖谡n方法。endprint

（2）思維拓展與自主開發(fā)結合的實驗環(huán)節(jié)

實驗是加強學生理論理解和增強理論應用能力最直接有效的方式。傳統(tǒng)實驗模式主要為驗證性實驗環(huán)節(jié)，學生自主性受到限制，容易產(chǎn)生枯燥無味的實驗體驗，容易影響學生的積極性。因此，在實驗課程中，合理引入自主實驗設計方案和方法，將課程驗證實驗和課程創(chuàng)新實驗相結合，有助于實驗課的效果。這就需要建立有效的實驗平臺，因此通過學生掌握的基本計算機自然語言和編程軟件，提供以課程內(nèi)容為導向的基于交互式框架的內(nèi)容平臺，讓學生能夠模塊化的增加實驗內(nèi)容，形成課程實驗呈現(xiàn)軟件框架。通過各開源庫，給出基于多個庫的實驗框架，以便學生能夠自主驗證、自主設計、自主更新實驗內(nèi)容，將課程學習從底層的函數(shù)實現(xiàn)拓展到GUI交互設計及函數(shù)內(nèi)容填寫。最終課程實驗成果呈現(xiàn)為涵蓋課程內(nèi)容的圖形處理軟件，這樣能夠通過啟發(fā)式的實驗，在培養(yǎng)學生圖形算法設計能力、圖形軟件開發(fā)能力的同時，幫助學生深入理解圖形學。

（3）啟發(fā)思維、案例結合、學以致用與專業(yè)發(fā)展有效統(tǒng)一

大學不僅是展現(xiàn)學生風采的舞臺，更是學生面向社會的轉變平臺，一個好的課程學習應當提倡將問題還給學生，在面向服務社會和服務國家的應用問題中，讓學生去經(jīng)歷完整的問題探究、問題分析、問題解決能力培養(yǎng)過程，在這個過程中構建知識與培養(yǎng)能力。因此通過實際問題進行啟發(fā)式教學，通過不同的應用問題，從不同的角度體會和理解計算機圖形學這門課程精髓，并結合自己想法找到興趣點和運用課程技能的法門。為了能夠使學生面向國家高水平人才需求，教學案例也要面向專業(yè)應用領域，在教學過程中，將專業(yè)和未來從事行業(yè)特色項目內(nèi)容融入到教學案例和實驗環(huán)節(jié)，將面向應用的計算機圖形學內(nèi)容引入到基本的圖形開發(fā)和設計中去，例如，結合OpenGL、MFC、VTK、QT等工具與傳統(tǒng)相機、ZED、Primmer Sense、Kinect等設備，將圖形學最新的研究領域與實際問題結合到案例中，如圖1所示為傳統(tǒng)基于VC++與OpenGL的圖形設計與展示，如圖2所示為面向應用問題的基于VTK的圖形交互展示，不僅能夠利用實際案例引導學生自主學習與主動探索，還能在問題中啟發(fā)學生、在案例中結合實際、在學習中面向應用、在過程中面向專業(yè)與社會需求，在增強課程學習獲得感的同時，充分助力學生在現(xiàn)有課程基礎上步步提升，為未來發(fā)展做有效準備。案例結合專業(yè)發(fā)展方向，將專業(yè)方向上的實際數(shù)據(jù)展示與圖形設計與計算機圖形學課程內(nèi)容有效統(tǒng)一，如圖1與圖2中，圖1中圖形的旋轉、幾何物體的構造、光照、消隱等傳統(tǒng)課程內(nèi)容中的算法能夠在案例中進行實現(xiàn)，并在課程習得方面具有直觀的學習效果感受，但對專業(yè)方向的應用而言，難以讓學生理解計算機圖形學在實際項目和專業(yè)方向應用上的價值，同時VC++與OpenGL等工具從底層設計算法難以讓學生體會出課程內(nèi)容的應用效率。在一定的課程習得基礎上，將專業(yè)方向應用問題中的真實數(shù)據(jù)分析引入到課程學習中，能夠很好的增強學生對計算機圖形學在現(xiàn)實課題中應用價值的理解，例如圖2給出的目標測量案例，基于VTK插件展示圖形，無需考慮VC++與OpenGL涉及的底層編程，只需要控制數(shù)據(jù)接口，并且將測量結果展示在圖形交互界面，形成直接的計算結果展示，加深學生在算法、圖形界面、應用項目間的統(tǒng)一認識，得到良好的學習效果和課程獲得感。

（4）調(diào)整學習時間，靈活考察模式，科學評價

計算機圖形學作為應用型較強的計算機類課程，其課程內(nèi)容需要較集中的時間學習，課程學習結果需要科學合理的靈活評價。目前，計算機圖形學的學習時間大多都在大四，考察模式基本為閉卷，大學四年級正是考研、出國、面向社會就業(yè)的最忙碌階段，導致了學習時間難以滿足集中學習，閉卷考試難以吻合畢業(yè)去向之間的矛盾。相反，大二第二學期專業(yè)方向和未來發(fā)展方向剛剛明確，計算機語言等專業(yè)基礎課程已經(jīng)掌握，學生應用需求與實踐好奇心濃重，是開始計算機圖形學的最好時期。在計算機課程講授過程中，介紹計算機圖形學課程各個相關內(nèi)容的發(fā)展方向和應用對象，緊密結合學生興趣，結合靈活的實驗和課程圖形開發(fā)成果，以課程理論考試、實驗成果、圖形軟件內(nèi)容設計、面向應用問題的課程實踐、自主實踐成果小組答辯結合，從而對學生課程學習結果給出科學評價。這樣能避免記憶式學習、考前突擊、知識結構不成體系、學習容易應用難等學習問題。通過自主設計和應用問題處理結果呈現(xiàn)以答辯的方式對沒有標準答案的內(nèi)容，給出合理的評價準則，讓學生集體評價他人成果。多樣評價結合的靈活考察模式，不僅能夠對學生做出科學的評價，并且具有以學生能力培養(yǎng)為導向，鼓勵創(chuàng)新，鼓勵學習主動性特點，同時鼓勵學生在課程中吸收他人長處。通過這樣的靈活調(diào)整和評價機制的革新，近年來課程到課率、學習效果和學生的積極性均顯著提高，這個效果的實現(xiàn)過程需要教師在教學過程中付出大量勞動，為學生的發(fā)展更好的服務。

4 結論（Conclusion）

計算機圖形學作為一門學科交叉特點顯著的大學課程，在各領域具有較快速的發(fā)展和廣泛應用。本文針對面向專業(yè)特色與應用的計算機圖形學教學過程中存在的幾個問題，從教學內(nèi)容體系完善、案例設計、教學方法、時間調(diào)整、科學考察等方面進行了初步分析，根據(jù)自身教學實踐效果給出了簡單建議。目前，計算機圖形學涵蓋內(nèi)容廣泛，相關軟硬件發(fā)展迅速，社會需求增加，面對這些環(huán)境因素和各專業(yè)培養(yǎng)方向的差異性，國內(nèi)計算機圖形學課程教學模式仍存在諸多不足，計算機圖形學課程教學效果和成果如何能夠緊隨專業(yè)發(fā)展的要求和計算機圖形學應用領域的快速發(fā)展，還需要相關的教師及研究人員進一步研究探討。

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作者簡介：

張朝陽（1984-），男，博士，講師.研究領域：交通信息工程，視頻與圖像處理，模式識別與人工智能.

安毅生（1972-），男，博士，教授.研究領域：軟件系統(tǒng)建模，交通信號控制系統(tǒng)建模與優(yōu)化，智能車路協(xié)同，智能交通系統(tǒng).

李 穎（1986-），女，博士，講師.研究領域：智能交通，智能交通軟件系統(tǒng)設計，流量控制與優(yōu)化.

王 偉（1984-），男，博士，講師.研究領域：圖像處理，模式識別，交通監(jiān)控視頻系統(tǒng)設計.endprint