數字媒體技術專業“計算機圖形學”精品資源共享課建設探索與實踐

鄒昆 李悅喬 黃燕挺 李贊

[摘 要] 《計算機圖形學》是數字媒體技術專業的核心課程，本文從課程教學內容改革與組織、實驗實踐教學實施、教學資源建設等方面介紹了應用型本科數字媒體技術專業《計算機圖形學》精品資源共享課的建設方法，也提出了進一步完善的思路，以供同類院校參考。

[關鍵詞] 計算機圖形學;精品資源共享課;數字媒體技術

[基金項目] 廣東省精品資源共享課項目“計算機圖形學”;校級特色專業建設項目“數字媒體技術（數字媒體與游戲軟件開發）”（TSZY201701）

[作者簡介] 鄒 昆（1980—），男，湖北鄖西人，博士，電子科技大學中山學院教授，研究方向為數字媒體技術和圖形圖像處理。

[中圖分類號] G642 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）43-0340-02 ? ?[收稿日期] 2020-02-28

一、引言

計算機圖形學是研究如何利用計算機生成、顯示和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科，在計算機游戲、電影制作、動畫和特技、虛擬現實、科學計算可視化、計算機輔助設計等方面有著廣泛應用。數字媒體技術專業下常設有游戲設計/開發、影視后期處理、人機交互設計等方向，計算機圖形學對其中每一方向都可發揮重要作用，因此是數字媒體技術的核心專業課程。

電子科技大學中山學院的數字媒體技術專業主要定位于游戲軟件開發方向的應用型人才培養。對于游戲開發而言，計算機圖形學是進行高級3D游戲開發、游戲引擎開發的基礎。結合專業定位、課程定位和應用型人才培養的目標，將課程的主要任務設定為使學生掌握3D計算機圖形學的基本概念和方法，以及使用基于著色器的常用圖形API進行基本圖形編程的技能，通過學習計算機圖形學的理論和技術并結合軟件開發技術，達到制作交互式動畫及進行游戲開發的目標。該課程于2015年獲得廣東省精品資源共享課項目立項，目前已完成預定任務目標并通過驗收，本文對該課程的建設思路和方法進行總結，以供兄弟院校參考。

二、課程建設探索與實踐

（一）課程教學內容改革與組織

傳統的計算機圖形學課程重理論和底層算法，不適合獨立學院層次的應用型本科，因此我們對課程教學內容進行了改革與重組。1.課程內容摒棄了部分底層算法細節的講授（如Bresenham算法、裁剪算法、光柵化算法等），將重點放在3D計算機圖形學的基本概念和方法，以及用基于著色器的WebGL進行圖形編程的技能上，主要內容包括圖形學概述、基本WebGL編程、交互與動畫、變換與觀察、光照與著色、紋理映射。選用WebGL的原因是其相對于OpenGL更簡單，易于入門，另外WebGL作品可直接在瀏覽器上運行，更易于展示。2.采用“自頂向下”的方式對教學內容進行組織，盡快讓學生接觸到圖形編程，在有了實際動手的經驗后，更容易理解底層算法的思想。3.整個教學內容圍繞圖形流水線的各處理環節展開（采用WebGL 1.0的簡化圖形流水線）。

（二）實驗實踐教學實施

對于應用型人才培養而言，實驗實踐教學是重中之重，為此，我們設置了32學時的實驗教學課時以及32學時的配套實踐課《3D圖形編程實踐》。實驗課共設計了12個實驗：開始圖形編程、分形圖形繪制、動畫與交互、鼠標位置輸入、索引數組、插值與變形、實例化變換、太陽系、攝像機漫游、拾取、光照與材質、紋理映射、Obj模型導入。每個實驗分為基礎實驗、擴展實驗和自由創作3個部分：基礎實驗為驗證型實驗，對照實驗指導書即可完成;擴展實驗則需要根據提示和要求，舉一反三式地完成更多的實驗內容，或是引導學生對實驗程序進行修改，發現一些知識點和規律;自由創作部分則要求學生完全脫離給定的實驗程序，利用所學自由創作圖形作品。這種三層次遞進式的實驗教學內容，可照顧到不同層次的學生，自由創作部分可激發學生的學習興趣，也可避免抄襲。《3D圖形編程實踐》在課程結束后開始，指導學生利用課程所學開發一個較復雜的3D交互式圖形作品，主要包括：場景搭建與漫游實現、光照與紋理映射實現、Obj模型導入以及選做部分，選做部分主要涉及從圖形方面完善程序的功能，以及利用著色器實現各種特效。

（三）教學資源建設

作為精品資源共享課，建設豐富而有特色的教學資源并搭建課程網站是必須的一環。此外，對于獨立學院層次的應用型本科而言，很難在64學時（32理論/32上機）的課程內涵蓋的所有的課程內容，需要在豐富教學資源的支持下進行混合式教學。我們從以下幾個方面開展了教學資源建設：

1.基于Unity開發3D交互式圖形課件，將文本、圖像、演示動畫、演示和示例程序融合到3D課件中，同時也實現了傳統PPT中主要的交互方式，從而替代傳統的PPT課件，一方面可以更直觀地展示3D圖形及效果，更易于學生理解，另一方面也較傳統課件更具趣味性和吸引力。整合式的3D課件容量較大，因此我們也將其中部分3D交互演示程序單獨發布為WebGL程序，放入課程網站相應的章節中，這樣學生可直接在網上運行。

2.建設完善的實驗指導資源，包括實驗指導書、實驗指導視頻和相關資料等，在編寫指導書和錄制指導視頻時，注重引導學生思考、發現和解決問題。此外我們編寫了兩套實驗指導書，一套是基于WebGL的，一套是基于OpenGL的，這樣方便感興趣的學生在課外學習OpenGL。

3.演示和示例程序的開發。除了利用Unity開發3D交互演示程序，也基于WebGL或OpenGL開發了數十個演示和示例程序，盡可能多地將計算機圖形學中的知識點以形象直觀的方式展現出來，或是為學生提供相應圖形知識的應用示例。

4.錄制理論教學視頻，便于學生課后溫故或自學相關內容;此外也請優秀的畢業生錄制學長寄語視頻，給師弟師妹介紹一些學習經驗和建議，以及工作后所獲得的一些行業經驗或是所了解到的行業現狀。

5.將數百份優秀學生作品展示到網站上，包括實驗作品、課程設計作品、圖形學相關的競賽作品和畢業設計作品等，其中基于WebGL的作品可直接在網站上運行，這樣大大激發了學生的學習興趣和創作熱情。

6.在超星泛雅平臺上搭建了較完善的課程網站，將上述資源全部上網，學生可利用網站進行課程內容的自學，教師可利用該網站提供的功能查看學生的學習情況，此外師生也可利用該網站進行作業的提交和批復，以及進行討論和溝通。

三、總結與展望

上述精品課程建設成果已應用于電子科技大學中山學院數字媒體技術專業，各類教學資源和教學網站在教學中發揮了重要作用。以2018年的教學班為例，網站統計數據顯示有30%的學生完成了所有116個視頻任務點，30%的學生網站訪問次數達到300次以上，在課程結束后的半年內，每月仍有一定的學生訪問量;從學生作品可以反應出，學生的圖形編程能力有明顯提高，課程平臺上展示了大量的學生各類優秀作品，課程設計作品的展示率達到30%。

當然，課程建設仍存在一些不足，后續擬從以下幾個方面進行進一步的完善：1.3D圖形課件效果很好，但開發難度大，同時不便于修改，更好的方式是把圖形課件碎片化，按小知識點開發圖形課件，這樣也易于發布為WebGL程序，可直接在網頁上運行;2.增加獨立演示軟件的開發，覆蓋更多的知識點;3.在教學視頻方面增加以知識點為單位的微視頻，對知識點進行索引，方便學生查看各個知識點的講解;4.開發更多的課外實驗指導書和配套視頻;5.按照工作過程系統化的思想對課程內容進行重新組織。

參考文獻

[1]鄒昆.交互式三維課件在《計算機圖形學》課程教學中的應用初探[J].福建電腦，2016（11）：86-87.

[2]鄒昆，李贊，徐翔.基于OpenGL著色器的應用型本科計算機圖形學教學初探[C].International Conference on Education and Teaching，2013，Wuhan，China，261-266.

[3]王鶯歌.應用型本科院校省級精品資源共享課建設體系[J].教育教學論壇，2019（40）：202-204.

[4]陳鵬，張璇，靳蓓蓓.創新思維在“計算機圖形學”教學中的實踐[J].教育教學論壇，2020（3）：244-246.