計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

1、 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討 劉宇 王瑜蕾Summary： 分析了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)中存在的問題，結(jié)合課程定位、學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，提出了對(duì)上機(jī)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革思路。選用開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)接口OpenGL作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采取類似于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。通過讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上接觸具體研究項(xiàng)目，更好地利用有限課時(shí)提高實(shí)踐能力。Keys： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 教學(xué)改革； 實(shí)踐能力G642.0 ：A ：1006-8228（2018）06-91-03Discussion on the teaching reform of experimental sect

2、ionin computer graphics elective courseLiu Yu， Wang Yulei（School of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）Abstract： This paper analyzes the problems existing in the experimental sections of computer graphics elective course. Combined with the curriculum

3、 orientation， discipline characteristics and disciplinary development trend， the reform ideas are put forward. Open 3D graphics standard interface OpenGL is chosen as experiment platform， the experimental teaching content is adjusted， and the teaching mode similar to flipped-classroom is adopted. By

4、 allowing students to engage in specific research projects in the experimental section， the limited class hours can better be used to improve their practical ability.Key words： computer graphics； experimental teaching； teaching reform； practical ability0 引言計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，主要研究利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和

5、技術(shù)，是一門建立在傳統(tǒng)圖形學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的交叉學(xué)科1。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為當(dāng)代絕大多數(shù)科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來加強(qiáng)信息理解和傳遞的技術(shù)和工具。為了順應(yīng)形勢(shì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的大學(xué)教程均把它列為計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)中一門必不可少的基礎(chǔ)課程2。近些年，鑒于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮的重要作用，許多國(guó)內(nèi)高等院校也為機(jī)械、材料、汽車等工科專業(yè)開設(shè)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課程，為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開拓視野，并方便他們借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)解決本專業(yè)的問題。該門課程知識(shí)覆蓋面廣、涉及的內(nèi)容豐富多樣，理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)

6、，作為公共選修課，其學(xué)時(shí)安排卻有限。這就使得教學(xué)難以把握，學(xué)生學(xué)習(xí)感到吃力，特別是其涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，相關(guān)算法晦澀難懂，如果沒有大量的實(shí)踐練習(xí)，學(xué)生會(huì)感到空洞乏味。本文以高校開設(shè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課為例，在分析當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在問題基礎(chǔ)上，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行一些探討。1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題該門課程的設(shè)立初衷是本著理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則，通過向?qū)W生灌輸圖形學(xué)基本概念、算法原理，并指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本原理、方法和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。由于該課程涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法程序、物理學(xué)等內(nèi)容，對(duì)于沒有圖形學(xué)相

7、關(guān)領(lǐng)域研究經(jīng)歷和項(xiàng)目編程經(jīng)驗(yàn)的本科生而言，理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作的難度較大，上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)開展困難，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中面臨一系列問題3。首先，采用的計(jì)算機(jī)圖形軟件過于陳舊。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)日新月異，相應(yīng)的產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。然而，筆者當(dāng)前所授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)仍在Turbo C下，用graphics.h定義的圖形函數(shù)編寫繪圖程序。在此環(huán)境下，學(xué)生只能進(jìn)行一些最基本的二維圖形生成、填充、變換等操作，無法進(jìn)行三維圖形生成、光照、紋理貼圖、視點(diǎn)變換等操作。這就極大地限制了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，沿用此種繪圖環(huán)境進(jìn)行上機(jī)練習(xí)沒有實(shí)際意義。其次，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍側(cè)重于上世紀(jì)七、八十年代的圖形學(xué)技術(shù)。依據(jù)筆者當(dāng)前所授計(jì)算

8、機(jī)圖形學(xué)校本教材內(nèi)容而制定的實(shí)驗(yàn)方案，主要針對(duì)二維圖形繪制以及平移、旋轉(zhuǎn)、投影等圖形變換進(jìn)行練習(xí)，再加上少量的二維曲線設(shè)計(jì)及真實(shí)感圖形繪制。這些上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容一方面與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)熱點(diǎn)問題不符，另一方面也與現(xiàn)今工程領(lǐng)域所用到的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)存在很大差距，繼續(xù)投入大量精力練習(xí)這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)圖形理論及技術(shù)解決自身專業(yè)問題幫助不大。再次，有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)導(dǎo)致豐富的實(shí)踐內(nèi)容被嚴(yán)重壓縮。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，包括光柵圖形學(xué)與算法、幾何造型技術(shù)與算法、真實(shí)感圖形學(xué)與算法、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、圖形標(biāo)準(zhǔn)等等。每部分內(nèi)容均需通過上機(jī)實(shí)踐練習(xí)程序?qū)嵗訌?qiáng)鞏固。然而筆者所授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)選修課僅分配6學(xué)時(shí)用于上

9、機(jī)實(shí)踐，這就導(dǎo)致兩種不良結(jié)果的產(chǎn)生： 壓縮后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法全部覆蓋理論課所學(xué)知識(shí)，有些教學(xué)內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)勢(shì)必舍棄，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這門課程的理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)，最終所有的理論均需通過實(shí)踐驗(yàn)證。舍棄掉的教學(xué)內(nèi)容得不到很好的實(shí)踐驗(yàn)證，導(dǎo)致理論與實(shí)踐的互動(dòng)不足，除了會(huì)使學(xué)生感到這門課程空洞、枯燥外，還會(huì)影響學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，達(dá)不到教學(xué)目的。 在有限的課時(shí)內(nèi)需要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容密度大、難度高，加之選擇該門課程的學(xué)生來自不同年級(jí)不同專業(yè)，知識(shí)儲(chǔ)備和動(dòng)手能力不同，導(dǎo)致學(xué)生往往在實(shí)驗(yàn)過程中或多或少地出現(xiàn)編制程序困難、無法獨(dú)立運(yùn)行調(diào)試實(shí)例，且抓不到訓(xùn)練重點(diǎn)的問題，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。通過以上分

10、析可以看出，若要提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率、解決課時(shí)少與內(nèi)容多的矛盾、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，就必須對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)公選課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，制定新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并探討新的教學(xué)思路、方法和手段，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)立該門課程的初衷，更好的完成培養(yǎng)計(jì)劃。2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革探討2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了貼近學(xué)科前沿并更好地演示和驗(yàn)證計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法，選用國(guó)際通用的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)接口OpenGL作為本門課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。OpenGL是一個(gè)專業(yè)的、功能強(qiáng)大的3D圖形接口，可以方便、高效地繪制多種3D圖形視覺效果，如光照、紋理、半透明、陰影和材質(zhì)等4。OpenGL具有平臺(tái)無關(guān)性，也即可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)操作，由其開發(fā)的軟

11、件可以在各種硬件和操作系統(tǒng)上應(yīng)用，且其核心函數(shù)庫(kù)不包含任何輸入或窗口函數(shù)5。該圖形標(biāo)準(zhǔn)的使用能夠讓學(xué)生避開復(fù)雜的Windows編程中輸入和窗口的交互函數(shù)，把更多的精力放在圖形學(xué)本身的內(nèi)容上。此外，OpenGL在3D方面的強(qiáng)大功能，也能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容筆者所授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)共6學(xué)時(shí)，分三次進(jìn)行，每次2學(xué)時(shí)，對(duì)應(yīng)每次上機(jī)練習(xí)的內(nèi)容為：平面圖形繪制；圖形變換；曲線設(shè)計(jì)和真實(shí)感圖形繪制。平面圖形主要練習(xí)直線、圓、正多邊形、函數(shù)曲線及拼圖等的繪制。圖形變換主要練習(xí)二維圖形的平移變換、縮放變換、旋轉(zhuǎn)變換、對(duì)稱變換、錯(cuò)切變換等。曲線設(shè)計(jì)和真實(shí)感圖形繪制主要練習(xí)繪制二次B樣條

12、曲線和利用外法線消隱算法設(shè)計(jì)的三維立體正等測(cè)圖。平面圖形繪制和圖形變換內(nèi)容相對(duì)基礎(chǔ)淺顯，算法程序思路基本一致且與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用關(guān)系不大。因此，取消這些內(nèi)容的上機(jī)實(shí)踐，選擇具有代表性的兩種圖形和變換方法在課堂上進(jìn)行演示，其余的練習(xí)由學(xué)生課下自行完成?？紤]到選修該門課程學(xué)生的專業(yè)背景，為了突出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工程制造領(lǐng)域的應(yīng)用，增加幾何造型的實(shí)驗(yàn)課時(shí)并分配如下：曲線設(shè)計(jì)2學(xué)時(shí)、曲面設(shè)計(jì)2學(xué)時(shí)。曲線設(shè)計(jì)部分保持當(dāng)前Bzier曲線、B樣條曲線的實(shí)踐內(nèi)容，增加NURBS曲線設(shè)計(jì)。增加曲面設(shè)計(jì)，包括Bzier曲面、B樣條曲面、Coons曲面。增加利用實(shí)體造型系統(tǒng)生成并處理三角網(wǎng)格的練習(xí)。這部分內(nèi)容能

13、夠與逆向工程、有限元分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等工程實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，且能體現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科特色，是學(xué)生感興趣的內(nèi)容，應(yīng)在上機(jī)實(shí)踐時(shí)重點(diǎn)練習(xí)。在當(dāng)前真實(shí)感圖形的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基礎(chǔ)上，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)至2學(xué)時(shí)，并增加該部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括指定光源和材質(zhì)、生成紋理及紋理映射等。在實(shí)驗(yàn)過程中注意控制實(shí)例的難易程度，讓學(xué)生直觀、輕松地理解每種模型的思路、效果，進(jìn)而領(lǐng)會(huì)對(duì)應(yīng)的算法。2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段為了在有限的課時(shí)內(nèi)達(dá)到上機(jī)實(shí)踐的教學(xué)目的和要求，需要對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段進(jìn)行改進(jìn)。首先，在上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)中直接帶領(lǐng)學(xué)生練習(xí)曲線曲面及真實(shí)感圖形設(shè)計(jì)的核心問題；對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置及一些基礎(chǔ)操作，包括OpenGL的安裝、G

14、LUT框架的使用、基本圖元的繪制、顏色的設(shè)置、用鼠標(biāo)對(duì)圖形進(jìn)行交互控制和用鍵盤對(duì)圖形進(jìn)行交互控制等，采取類似于慕課的形式，由教師將這部分內(nèi)容做成示范演示的教學(xué)視頻，學(xué)生在上機(jī)實(shí)踐之前先通過視頻自行學(xué)習(xí)相應(yīng)的基礎(chǔ)操作6。其次，選擇具有實(shí)用性和趣味性的實(shí)例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，采取類似于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，在上機(jī)實(shí)踐之前先將實(shí)例的應(yīng)用背景介紹給學(xué)生，布置學(xué)生自學(xué)實(shí)例涉及到的相關(guān)知識(shí)，自學(xué)過程中遇到的問題在實(shí)驗(yàn)課堂上直接解決。再次，利用筆者所在高校的工科背景，通過與負(fù)責(zé)相關(guān)科研項(xiàng)目的老師合作，邀請(qǐng)相關(guān)老師的研究生以助學(xué)的方式參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中與學(xué)生互動(dòng)，使每位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題都能得到及時(shí)

15、快速的指導(dǎo)7-8。除了日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用大屏幕演示和教師實(shí)時(shí)答疑外，還應(yīng)順應(yīng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，在介紹當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、科學(xué)可視化、真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，使用AutoCAD、CATIA、MATLAB等模擬造型軟件進(jìn)行教學(xué)演示。例如，使用AutoCAD軟件演示計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)；使用CATIA、MATLAB等軟件演示復(fù)雜的自由曲線、自由曲面創(chuàng)建；使用ABAQUS等有限元軟件演示網(wǎng)格劃分等。3 結(jié)束語隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。為了能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡量讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)圖形處理技能，以促進(jìn)學(xué)生借

16、助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)解決本專業(yè)的研究問題，必須充分考慮學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度和不同專業(yè)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的結(jié)合特色，選取精要內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際演練。同時(shí)，注重實(shí)例的實(shí)用性和趣味性，使學(xué)生在扎實(shí)掌握基本計(jì)算機(jī)圖形操作的基礎(chǔ)上更廣泛地接觸高級(jí)應(yīng)用。教師也要在教學(xué)過程中不斷地更新教學(xué)理念，適時(shí)地調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案以順應(yīng)科技發(fā)展的大趨勢(shì)，使學(xué)生覺得這門課新穎有用，真正用心去學(xué)，從而為以后學(xué)習(xí)相關(guān)課程和從事相關(guān)研究工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Reference（References）：1 黃文斌.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域研究J.科技展望，2017.2.2 張瑞秋，劉林，王京.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與教學(xué)改革J.機(jī)械管理開發(fā)，2007.4：6-113 韓峰，趙慶展，汪傳建，寧川.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的“差別”培養(yǎng)J.計(jì)算機(jī)時(shí)代，20