與游戲開發(fā)應用結合的計算機圖形學課程建設探討

黃睿 邢艷

摘? 要： 計算機圖形學是計算機和多媒體技術等相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程。由于其涵蓋數(shù)學、物理、程序設計語言和算法等多方面的知識，導致課程的學習難度較大。同時，由于沒有后續(xù)課程使用計算機圖形學的知識，致使學生無法將圖形學理論與實際應用較好的結合，從而影響計算機圖形學的教學效果。為了使學生理解圖形學相關算法及其應用場景，與游戲開發(fā)應用結合，探討計算機圖形學的課程建設。

關鍵詞： 計算機圖形學; 游戲開發(fā); 課程建設; 應用場景

中圖分類號：G642????????? 文獻標識碼：A???? 文章編號：1006-8228（2021）01-83-03

Discussion on the construction of computer graphics course

combined with game development

Huang Rui， Xing Yan

（College of Computer Science and Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： Computer graphics is an important basic course of computer and multimedia technology specialties. Since it covers mathematics， physics， programming language and algorithms， it is difficult to learn the course. At the same time， because there is no follow-up course using computer graphics knowledge， students cannot combine graphics theory with practical application， which affects the teaching effect of computer graphics. In order to enable students to understand the graphics related algorithms and their application scenarios， this paper discusses the constructing computer graphics curriculum with combining application of its knowledge in game development.

Key words： computer graphics; game development; curriculum construction; application scenarios

0 引言

計算機圖形學是一門研究如何用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形原理、方法與技術的學科。其方法和技術應用于科學計算可視化、計算機輔助制造/設計、三維仿真、虛擬現(xiàn)實、電影和游戲等領域。本科教學中，學習計算機圖形學的主要目的是使學生掌握圖形學的基本概念、基本原理和圖形的基本生成方法，并且可使用程序設計語言實現(xiàn)基本的圖形生成算法，提高學生的編程和項目能力。

計算機圖形學涵蓋了數(shù)學、物理、程序設計語言和算法等多方面的知識，需要學生具有較好的數(shù)學基礎和較強的編程能力。以中國民航大學計算機專業(yè)為例，計算機圖形學的教學主要以44學時算法理論為重點，輔助10學時的驗證性實驗。學生在學習過程中感到算法難以理解、學習過程枯燥。另外，計算圖形學課程無后續(xù)課程使用其相關的原理、方法和技術。課程結束后，不能將計算機圖形學的理論知識與具體的應用聯(lián)系起來。導致無法突顯出計算機圖形學在計算機專業(yè)中的作用和地位，常常被認為是一門不重要的課程。

如何在有限的課時內，改革教學內容、方式，引起學生的學習興趣;將抽象的理論知識和具體的實際應用相結合，了解對應知識點的用途，從而促使學生更加深刻的理解相應的算法，是一個值得深入探討的問題。

本文研究計算機圖形學的課程內容與Unity游戲開發(fā)中使用到的相關技術的關聯(lián)性，建立起理論知識和游戲開發(fā)應用的橋梁，并提出一種與游戲開發(fā)應用結合的計算機圖形學課程教學改革方法，來提高計算機圖形學的教學效果和質量，提升計算機圖形學在計算機專業(yè)課程中的地位。

1 計算機圖形學理論教學的現(xiàn)狀分析

⑴ 課程內容繁雜，學時少

計算機圖形學課程主要由不同的算法組成，涉及到基本圖形的生成與顯示、二維圖形的裁剪、二維圖形變換、三維圖形變換、曲線曲面、消隱、真實感圖形繪制等。算法數(shù)量多、難于理解。如直線生成算法，主要以數(shù)值微分法、中點畫線法、Bresenham畫線法為例，講解基本圖形的光珊化方法，學生需要4個學時才能掌握該知識點的內容。又如曲線曲面部分，僅Bezier曲線的內容就需要3到4個學時。以機械工業(yè)出版社出版的《計算機圖形學基礎及應用教程》[1]為例，全書共分十個章節(jié)，每一章都有4到5個較大的知識點需要掌握。目前大多數(shù)高校本科計算機圖形學授課時間設置在50學時左右[2]，其中還有近10學時用于課內實驗。繁重的教學內容和較少的學時，導致無法將計算機圖形學的所有知識點展開講解。因此，需要合理安排教學內容、改革教學模式。

⑵ 偏重理論教學，實踐環(huán)節(jié)不足

傳統(tǒng)的計算機圖形學的教學活動偏重理論，實踐不足，且缺少實際應用場景。以中國民航大學計算機專業(yè)的計算機圖形學課程為例，總共54學時，其中理論部分44學時，實驗部分10學時。實驗部分包括：基本圖形的生成、多邊形的掃描轉換與區(qū)域填充、線段裁剪、多邊形變換和消隱算法。實驗以驗證計算機圖形學中的基本理論和算法為主，沒有真正的涉及到計算機圖形學算法的具體應用場景。此外，由于沒有后續(xù)課程直接用到計算機圖形學的知識，致使學生無法將圖形學理論與實際應用較好的結合，從而影響計算機圖形學的教學效果。

⑶ 均衡化培養(yǎng)，無法因材施教

傳統(tǒng)課程的學習由教師安排授課內容，教師講什么，學生就學什么。針對學生進行均衡化教育，忽略了學生由于能力、興趣以及未來工作設想的不同導致的學習計算機圖形學課程目的的不同。通常可以根據(jù)學生學習目的將學生分為學分型、深造型和工作型[3]。學分型的學生不關注課程內容，只關注拿到學院要求的學分;深造型的學生對計算機圖形學、計算機視覺等有著較濃厚的興趣，希望通過課程的學習掌握更深層次的知識;工作型的同學希望能將所學到的知識用于以后工作，如游戲開發(fā)等。

2 游戲開發(fā)與計算機圖形學理論的對應關系

近年來，隨著智能手機的普及，手機游戲成為一種普遍的休閑方式。很大一部分大學生都會在課間或者休息時間，玩不同的手機游戲進行放松。甚至一些學生通過玩手機游戲從而產(chǎn)生開發(fā)手機游戲的想法。但由于計算機專業(yè)注重學生綜合能力的培養(yǎng)，無法像游戲設計專業(yè)一樣，有一套完整的游戲開發(fā)理論和實踐教學體系[4]。為了提高學生的學習興趣，將游戲開發(fā)應用中所涉及到的技術與計算機圖形學的理論建立對應關系。借助游戲，加深學生對圖形學相關理論的理解。本文以當前流行的Unity游戲開發(fā)為例，建立如表1所示計算機圖形學理論與《Unity游戲開發(fā)》[5]中使用到的計算機圖形學知識的對應關系。表1中，除了基本圖形的生成與顯示部分計算機圖形學與游戲開發(fā)沒有直接關系外，其他各部分內容都與游戲開發(fā)有緊密的聯(lián)系。如果能從游戲的角度講解計算機圖形學的理論知識，相比于直接灌輸理論知識，更具有吸引力。

3 與游戲開發(fā)應用結合的計算機圖形學課程建設思路

⑴ 合理安排教學內容，多種教學模式并行

由于計算機圖形學的內容繁雜、課時少，因此應合理的安排教學內容，結合多種教學模式。以游戲場景為例，先介紹原始資源，如何渲染得到最終的效果。介紹GPU渲染流程，CPU與GPU數(shù)據(jù)傳遞，使學生形成一個整體印象。然后再將其細拆到圖形學中的各個知識點。根據(jù)計算機圖形學的主要內容在實際應用中的重要程度，選擇主要知識點進行講解。重點講解二維變換、三維變換、投影變換、曲線曲面、裁剪、消隱、三維形體表示和光照模型。簡單介紹顏色模型、基本圖形生成、交互技術和計算機圖形學應用。合理安排二三四課堂，采用線上線下混合式教學模式，將部分第一課堂上簡單介紹的內容作為第四課堂的重點學習內容，利用慕課資源對第一課堂中的重點內容進行相關的預習、學習和復習[6]。

⑵ 理論與實踐結合，引入綜合性實踐內容

理論學習的目標是為了指導實踐，但在傳統(tǒng)的計算機圖形學的教學活動中，理論課時占比較大，實踐主要以驗證性實驗為主。無法綜合利用所學知識，完成較大的計算機圖形學作品。考慮到無法降低圖形學理論課時的現(xiàn)實情況，可以將驗證性實驗作為課外實驗，讓學生在完成每個知識點的學習后進行練習，并使用微信或QQ小視頻方式提交。同時結合游戲開發(fā)應用，設定適用性和綜合性較強的實驗內容，利用課內實驗課時指導學生完成相關實驗。實驗最終搭建一個完整的場景作為課程考核的一個環(huán)節(jié)。具體實驗教學內容如表2所示。從表中可見，針對實驗教學方案的改革，使用綜合性的實驗內容取代了驗證性的實驗內容。在引入新的內容的同時，保留了傳統(tǒng)的內容，使教學內容更加充實，極大的提高了計算機圖形學的實用性。

⑶ 因材施教，差異化培養(yǎng)

以中國民航大學為例，計算機圖形學是計算機專業(yè)開設的一門專業(yè)選修課。為了修夠專業(yè)選修課學分，大部分計算機專業(yè)的學生都選擇了該課程。但由于計算機圖形學不屬于專業(yè)核心課，只有一位授課教師，一百多位學生，無法通過理論教學對學生進行差異化培養(yǎng)。為了實現(xiàn)大班教學中的因材施教和差異化培養(yǎng)的目的，在每次理論課程中拿出3至5分鐘，作為知識擴展環(huán)節(jié)。在擴展環(huán)節(jié)中給出一些新的算法的基本思想、優(yōu)缺點，以及推薦閱讀資料。同時使用增量化考核的方式，在學生達到正常要求的情況下，如果可以超額完成，可適當增加1至10分，直至整體成績達到100分為止。在實驗環(huán)節(jié)，不必要求所有學生都嚴格按照表2中的實驗教學方案完成所有的實驗內容。可以從驗證性的實驗和綜合性的實驗中選擇自己感興趣的5個實驗。通過增加擴展環(huán)節(jié)和增量化考核的方式，實現(xiàn)因材施教，差異化培養(yǎng)。

4 結束語

本文分析了傳統(tǒng)計算機圖形學教學中的問題，建立了計算機圖形學理論與《Unity游戲開發(fā)》中計算機圖形學知識的對應關系，提出了與游戲開發(fā)應用結合的計算機圖形學課程建設思路。從教學內容、教學模式、課程實踐、差異化教學等多個方面，對計算機圖形學課程教學改革進行了探討。希望通過游戲開發(fā)的實際應用與計算機圖形學理論的結合激起學生的學習興趣，提高計算機圖形學的教學效果和質量，提升計算機圖形學在計算機專業(yè)課程中的地位。

參考文獻（References）：

[1] 張怡芳，李繼芳，柴本成.計算機圖形學基礎及應用教程[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 倪波，鄧丹君，姚莉等.“計算機圖形學”課程建設探究——面向游戲開發(fā)導向[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017.1：168-169

[3] 韓峰，趙慶展，汪傳建等.計算機圖形學教學中的“差別”培養(yǎng)[J].計算機時代，2017.2：73-75

[4] 李蓉.面向游戲開發(fā)方向的“計算機圖形學”課程建設探討[J].計算機教育，2009.6：36-38

[5] 邁克?吉格（著），王東明（譯）.Unity游戲開發(fā)[M]. 機械工業(yè)出版社，2019.

[6] 馬天.慕課形勢下普通高校計算機圖形學課程建設探索[J].軟件導刊，2019.18（8）：45-46

收稿日期：2020-08-25

作者簡介：黃睿（1987-），男，寧夏中衛(wèi)人，博士研究生，講師，主要研究方向：機器學習、計算機視覺。