時間：2022-08-10 01:57:24
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機圖形學課程，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
摘要：本文多方面系統論述了學習“計算機圖形學”課程的必要性，分析了該課程的學習沒有受到人們重視的原因，指出系統學習該課程是讀者掌握數據計算類型的程序系統設計基本方法與計算機仿真入門的有效途徑，使讀者對“計算機圖形學”課程的學習有一個正確的認識。
關鍵詞：計算機圖形學；計算機仿真；科學計算；程序設計基本方法；可視化
中圖分類號：G642
文獻標識碼：B
1 “計算機圖形學”的學科特性
所謂“計算機圖形學”是計算機仿真(即按模型計算以生成圖像)與科學計算(即通過在計算機上建立模型并模擬物理過程來進行科學調查和研究)的一種基本形式，是研究圖形數據模型在計算機內部的產生、設計與構造過程，它是顯示圖形不可分割的前提(這相當于畫家作畫之前，對繪畫作品的設計思想、表達方式、繪畫構思、作品內容與結構等的創作與思考過程；只有當這個繪畫作品設計方案成熟之后，畫家才動筆繪畫)；而圖形顯示是用點、線、面、色彩、紋理等可視化的數學方式表達這種數據仿真計算結果的數學含義、或表達仿真過程中各種實體仿真模型與場景效果的物理含義的一種直觀表達方式。參考文獻[1，2]已向讀者證明這一結論，只有這樣，才能較好的理順“計算機圖形學”課程的授課關系，使讀者建立用計算機生成圖形的完整概念。
我們用這一指導思想主導“計算機圖形學”教育20多年，并用“計算機圖形學”的授課內容解決了多年來國內計算機程序設計課程沒有解決好的計算可行性(可計算性的實現前提)這一教學難題，使該課程成為初學者學習計算機程序設計基本方法、認識圖形數據模型構造與顯示的一般規律、進行可視化應用程序開發三位一體教學目的的最佳選擇，并有效地彌補了從算法語言、數據結構到軟件工程之間關于應用程序編程系統訓練與計算機仿真等教學環節的缺失。這種教學方法使“計算機圖形學”的教學內容完全納入了計算機科學的教育體系，同時使“計算機圖形學”與“數據庫”、“網絡通信”這三門課程成為現代計算機應用程序的三個基本特征(數據計算、數據存儲與檢索、數據聯網通信)的典型代表，由此轉變了“計算機圖形學”課程的教育觀念與教育思想。在教學過程中，作者曾遇到學生們提出的多種學習問題，今整理成文，以饗讀者。
2學習“計算機圖形學”的原因與重要性
為什么要學“計算機圖形學”，這是計算機專業選修“計算機圖形學”課程的讀者關心的首要問題。眾所周知，計算機科學是處理信息技術(IT)的一門學科，通信科學是傳輸信息技術的一門學科。對于信息技術而言，常用于表達信息數據含義的4種方式分別是①數字與字符方式表述；②圖形方式顯示；③播放聲音表述；④用機械力表達(即把電信號轉換成機械運動)。這4種表達信息數據含義的方式又稱信息數據的多媒體表達方式(即多媒體技術)。其中，用圖形顯示這種方式表達信息數據的含義符合人們觀察了解事物運動規律的習慣，而且信息容量大，直觀方便，同時是人們獲得外部世界信息來源的主要依據；也就是說信息數據的可視化是信息技術與計算機科學發展的一種潮流與必然趨勢。隨著計算機工業的發展與進步，實際應用課題與現代程序設計對信息數據的可視化處理要求已經越來越高，這就要求人們深入研究并掌握圖形顯示的一般規律，才能更好的為計算機信息數據的可視化服務。
按現代教科書對“計算機圖形學”的新定義，“計算機圖形學”代表了計算機應用學科的一個重要發展方向――科學計算、計算機仿真、計算機輔助設計、信息數據的可視化、動畫與游戲、虛擬現實、數字娛樂，其編程應用還涉及程序設計方法。它們代表了當今計算機技術的發展潮流與應用水平，是解決計算機專業人才出路的有效途徑之一；而“計算機圖形學”是該方向的公共基礎課程，是目前國內計算機本科教育應當加強的內容。顯然，僅僅靠學習計算機程序設計語言、數據結構、編譯原理、操作系統、數據庫、軟件工程、形式語言與自動機理論等課程還不能完全使學生的能力直接達到開發這些應用軟件的目的，因為原則上這些課程是為用戶使用計算機的計算功能而系統量身打造的軟件使用工具(數據結構、軟件工程除外)，它們的教學目的是為用戶掌握并研制這些軟件工具服
務、而不是為用戶使用這些軟件工具系統地開發應用程序而開設的課程。計算機專業主要沿這條主線向前發展：研究、設計、制造計算機硬件設備，為用戶使用計算機的計算等功能提供一切便利的手段、方法與軟件輔助工具，這包括總結用戶使用計算機的基本類型與模式，而對于復雜且很難全面概括使用計算機的方法等、則留給一般用戶自己解決，這或許是計算機專業本科課堂教學沒有介紹對數據計算類型的應用軟件系統開發要遵循的基本規律與發展模式的原因之一，“計算機圖形學”的教學正好可以彌補這個缺陷。
由于計算機教育本身并不能直接提供認識世界、改造世界的能力，加之我國沒有掌握具有國際競爭能力的計算機硬件與系統軟件的核心開發技術，這使中國大量的優秀人才在計算機專業上的最后發展受到了嚴重制約。而“計算機圖形學”的仿真方法為計算機專業人員的發展提供了這樣一種新的學習方法與重新選擇的機遇，它能為計算機專業人員學習其他行業的專業知識(即學習新專業的物理、數學方法)、成為其他行業的專家助手，進行新行業系統仿真與系統設計以獲得新生；由于各行業都有各自的研究領域與待解決的研究問題、研究方法與理論研究模型等，當用計算機仿真的方法對這些研究課題進行輔助研究，并用圖形等可視化的方法表達計算機仿真研究的中間結果與最終成果時，這將使計算機的應用走向深入。
科學研究的目的就是探索未知世界、認識世界、改造世界、造福于人類自己，而“計算機圖形學”的教育正是遵循這樣一條主線：通過物理實驗認識待解決問題的本質，并用數學模型的方法來描述這種物理現象的變化過程，從而達到用計算機程序設計的方法來仿真光線在自然界中的傳播，以及光線在照相機中傳播而生成圖像效果，這類物理仿真過程是科學研究方法中的一種基本形式，這種科學研究方法的教育思想(包括人文精神)是國內計算機專業本科課堂教育所欠缺的(計算機專業往往專注于數理邏輯思想的基礎訓練)――即“計算機圖形學”的教育，不僅拓展了計算機專業人才的知識領域，也為其畢業增加了就業渠道，同時能培養計算機專業人員的基本科學研究素養，這正是目前國內計算機教育改革所追求的目標之一。
需要說明，全日制普通本科教育是普適教育，它需要建立各專業自己的知識框架，學習基本的概念，了解基本的范疇，明確其發展方向，計算機專業也是如此。本科教育重在基礎，提高本科教育質量與水平并非拔高與創新，而是要做到全面、均衡的發展，除要求學生掌握本學科專業已成熟的系統理論知識外，還需培養學生用學科的基本思想與方法獨立自主分析問題、解決問題的能力，這種理論與實踐相結合的教育方法，能確保學生今后得到穩步的發展?！坝嬎銠C圖形學”就是培養學生利用計算機、數學、物理等學科的系統知識解決實際應用問題能力的一種有效方法，這樣培養的學生才能適應社會競爭與選擇的需求；只有在研究生階段，通過再次系統學習、閱讀原著與相關論文并參與項目開發等活動，達到全面提升對學科的認識能力，并向某一個研究方向發展、去探索未知世界的變化規律、解決前人沒有解決好的難題、逐步走入學術研究的殿堂(即創新教育)；當然人們也能在日后的工作中慢慢積累這種工作能力。
文獻[2，3]系統論述了“計算機圖形學”課程在計算機科學教育中的作用與地位。目前很難找出一門具有像“計算機圖形學”類似重要性與多樣性的其它計算機本科專業基礎課程，能使讀者正確掌握數據計算類型的計算機應用程序設計的基本方法，并使計算機這一工具直接服務于社會，這是我們應該重視“計算機圖形學”教育的根本原因。
3學習“計算機圖形學”的方法
由于“計算機圖形學”屬于計算機應用軟件的范疇，因此，數據計算類型的應用軟件的設計方法就是學習“計算機圖形學”應該遵循的原則。就“計算機圖形學”課程的學習而言，它要求：
(1) 全面掌握程序設計語言的特性與數據結構的基本內容，是實現“計算機圖形學”編程的基礎。
(2) 掌握建立解決實際應用問題的數學模型與軟件系統的概念，是計算機程序設計的兩個關鍵點。軟件系統是一個能自動運行的綜合執行程序，它能從輸入、存儲、運算處理、輸出等方面全面處理用戶在某個領域中提出的諸多數學模型并完成其模型描述數據的加工任務，使用戶很容易明確這種軟件的組成、功能與使用范圍。一般利用二維圖形的簡單性，可以較完整的介紹二維圖形軟件系統這一概念。軟件系統的概念是目前程序設計語言與數據結構課程中所欠缺的關鍵內容。
(3) 正確的認識“計算機圖形學”與計算機仿真的相互關系?！坝嬎銠C圖形學”的重點與難點在三維圖形的數學模型研制(包括照相機模型，燈光模型，顏色模型，照明模型，物體的幾何模型，物體表面的材質與紋理模型等)與模型描述數據的構造上；由于計算機圖形學追求像照相機拍照一樣的三維真實感圖形顯示效果，這決定了要在計算機中使用物理學仿真的方法(仿真光線在自然界中的傳播所產生的顯示效果或把這種傳播效果映射至物體的表面上)才能達到這一目的，這自然需要讀者對相應的物理知識有個基本的了解才能進行。
(4) 需要了解一些計算機仿真的基礎知識，以確保“計算機圖形學”的物理仿真教學過程不會出現偏差。
計算機仿真的主要過程分系統、模型、編程實現(仿真算法)、評估四個步驟。這里①系統是指相互關聯又相互作用著的研究對象的有機組合，它決定了被研究考察對象的組成與邊界范圍。②計算機仿真一般可以用數學模型(簡稱模型)的方法代替實物研究對象，事實上模型也可以是對現實世界的事務、現象、過程或系統的簡化描述，但它反映了實際問題最本質的特征和量的關系。目前“計算機圖形學”所述的模型多限于對所研究對象的物理性質、運動變化規律等特性的一種數學描述，它使人們能解釋那些難以直接觀察到的事物的內部構造、事物的變化以及事物之間的關系――即模型描述了現實世界中有顯著影響的因素和相互關系。但這種描述有一定的使用條件與限制范圍，研究的目的不同，對該研究對象的數學模型的描述方法以及模型的種類會不一樣。③仿真(編程實現)就是在模型上做實驗，從理論上測試構建的理想系統的動態行為特性，以評估系統的效能。④系統的用途不一樣，評估的方法也不同，人們往往用事先約定的一組指標來評估仿真系統的結果；當所得仿真結果沒有達到預期的理想效果時，人們往往不斷改進仿真模型與仿真算法。例如計算機圖形系統，用途可以是顯示三維圖形，查看它的真實感逼真顯示效果就是人們主要關心的問題；模型的運動與操作(如游戲)，看它的操作性與故事情節等如何表達用戶的情感與智能(簡稱好玩)就是人們關心的主要問題；機械設備的綜合運動與仿真，考察所設計的復雜設備的工作性能就是人們關心的主要問題；電氣系統的系統仿真，能考察系統工作參數如何設計以滿足用戶的不同需求；作戰系統的仿真模擬，能考察作戰人員的訓練水平、武器性能、指揮作戰方式對作戰進程的不同影響與作戰效能，等等。
(5) 努力把圖形學所介紹的各種模型與算法(算法是對模型描述數據的加工與變換處理的步驟與方法，“計算機圖形學”中的主要算法有各種線段圖形的生成與實面積多邊形的填充算法、著色算法、消隱算法、紋理映射算法、陰影算法，光線跟蹤算法與輻射度算法)都編寫成程序代碼，這使讀者能直接體驗自己的學習效果，也是其它課程不容易做到的。編程時要考慮算法的復雜度，特別是按照軟件系統的方法把編寫的程序代碼組成一個系統整體，這是形成成熟商品軟件很重要的前提。顯然，此時軟件系統中的各種數學模型反映了仿真系統中研究對象之間的相互關系。
(6) 掌握“計算機圖形學”打造的繪圖工具，是可視化應用軟件編程的重要基礎。用“計算機圖形學”知識研制的工具常用的有OpenGL與Direct3D等三維圖形標準，虛擬現實建模語言VRML。而三維動畫與CAD等軟件可以看成是“計算機圖形學”為影視制作、游戲建模與計算機輔助設計部門打造的專業計算工具。僅把圖形標準與計算機繪圖等應用當作“計算機圖形學”很不完備，因為它不能在課堂教學中向讀者正確、完整、系統地展示計算機圖形學學科發展的基本規律，并人為地割裂了計算機圖形數據模型的構造與顯示這兩個過程。
(7) 學會看中英文專業雜志等參考資料，這些參考資料記錄了學科的發展歷程與學科當前的研究熱點(一本教科書不可能全部包含這些內容)，且是一種更重要、復雜、深入的學習研究方法，也是目前國內本科教育的弱項(因為國際上最新的研究成果多用英文發表)。只有這樣，才能跟蹤計算機圖形學的最新發展并站在學科發展的前沿、才能開闊人們的視野并有所鑒別，便于讀者日后針對用戶的多種需求展開開創性創新或針對已有成果的不足、提出修補與改進等漸進性創新等學術研究活動。
(8) 勇于參與課程實踐與項目開發，是鞏固、檢驗所學知識、提高實際動手能力的好方法。實際軟件開發工作往往是多種知識的綜合應用，它需要對實際處理事務有一個比較透徹的了解(用戶需求報告)、并建立這些待解決問題的數學模型與系統流程后才能有效進行(按照軟件工程的方法組織實施)。
只有把自己開發的軟件做成有效商品、服務于社會，才能使所學的知識轉變成生產力，才能使自己得到升華；同時也應注意把自己的心得與研究成果總結發表，與人共享；還應參加學術活動，注意留意不同學術流派之間的觀點、思想、方法與學術動態，取長補短，形成自己的風格，廣結人緣，相互交流，為學科建設添磚加瓦。
(9) 一本計算機圖形學教科書的容量使其只能介紹計算機圖形學發展歷程中產生的最基本、最經典的模型與算法，這些內容是人們耳熟能詳的物理原理與相對簡單的數學知識在計算機中的綜合應用，太復雜的計算關系因會影響圖形的顯示速度而一般不采用；目前計算機圖形學教科書的理論體系已成熟且“計算機圖形學”的教學內容已經構成了一個大系統，這使“計算機圖形學”的教學過程變得簡單、容易。
4目前國內“計算機圖形學”教育未受到重視的原因分析
既然如此，為什么目前人們感覺“計算機圖形學”教育的受重視的程度不如數據庫與網絡通信等計算機應用軟件呢？筆者認為其原因之一在于：這是因為“計算機圖形學”造就的工具即圖形標準的特殊應用環境要求限制了它在很大一部分應用程序中的具體應用；三維圖形標準目前僅僅在游戲領域獲得了商業上的成功，一些應用軟件不調用圖形標準也能自己繪圖；國內的計算機應用程序可視化的開發要求暫時還較低；關鍵是作為學科領頭羊的美國人目前還沒有把“計算機圖形學”課程作為計算機本科專業的核心課程，這是因為他們對“計算機圖形學”課程的本質與其在計算機學科中的作用與地位認識不到位所致，美國人圖形學這種教育現狀(目前多以圖形標準的原理講授為主)和局限性與美國人在3D游戲、計算機動畫、計算機輔助設計等應用軟件的開發上執世界牛耳之地位不相稱。
當然，早期計算機圖形學教科書編寫內容、體系的不夠成熟，也影響了人們對“計算機圖形學”課程的認識與學習的積極性。例如僅停留在數學公式與算法的層面上介紹二維、三維圖形的生成而不注重其建模思想與方法的介紹，且人為的把物體幾何模型的構建與其圖形顯示分解成“計算機輔助幾何設計”與“計算機圖形學”這兩門課程，這直接導致圖形學課程教學內容缺少被處理的圖形顯示對象，加之計算機課程與圖形學的教育又沒有軟件系統的概念，這樣安排雖然能滿足圖形標準等商業軟件的發展需求，但卻很難讓初學者全面掌握“計算機圖形學”學科系統性的概念、思想和方法與學科發展的基本規律――用數學模型的方法指導編程實踐，在計算復雜性可接受的條件下，針對已有成果中存在的不足，不斷用新的數學模型與仿真算法等方法對其進行改進，使圖形學的數學仿真過程不斷的逼近現實物體模型(包括剛體、軟體、流體、氣體)的構造、運動、變形、切割和拼接與反光效果的顯示這一真實的物理變化過程。即初學者沒有用計算機生成圖形的完整概念，這也是以往人們認為計算機圖形學課程難教、難學的主要原因。
由于“計算機圖形學”的繪圖原理不像數據庫軟件那樣，數據庫的功能可以被所有的應用程序所調用；也不像通信軟件那樣，所有要聯網的計算機都離不開通信技術與網絡技術，而計算機顯卡工業、3D游戲、計算機動畫、計算機輔助設計等產業的市場份額小于數據庫與計算機通信等產業的市場份額，即應用軟件的商業價值決定了它們在人們工作與學習中的地位。
參考文獻：
[1] 魏海濤. 計算機圖形學(第2版)[M]. 北京:電子工業出版社,2007.
[2] 魏海濤. 科學的構建‘計算機圖形學’的教學內容,促進計算學科的全面發展[J]. 計算機教育,2008,(10).
關鍵詞：計算機圖形學;信息與計算科學;教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）46-0114-02
目前，計算機圖形學及相關課程在國內高校的信息計算科學專業中進行了開設。不同學校的信息計算科學專業依托的專業背景及師資隊伍不一樣，其對應課程體系及人才培養目標差異較大，進而導致了計算機圖形學課程的教學內容、教學模式不盡相同。
本文以湖北民族學院信息與計算科學專業及其人才培養目標為基礎，結合課程教學實際，對計算機圖形學課程的教學內容設置及其后續課程的設置等問題的教學改革進行了探討研究。
一、專業現狀及課程特點
湖北民族學院信息與計算科學專業開辦于2002年，依托于數學學科。本專業開設的主干課程包括：數學基礎（分析、代數、幾何）、概率統計、微分方程、數學模型、物理學、計算機基礎（計算機概論、算法與數據結構、軟件系統基礎）、信息科學基礎、理論計算機科學基礎、數值計算方法、計算機圖形學、運籌與優化等。
該專業設置了兩個核心方向：信息科學和科學計算（計算數學）。在信息科學方向中，其核心方向由：（1）信息處理（圖像處理、信號分析等）;（2）信息編碼與信息安全（編碼理論等）;（3）計算智能（人工智能、模式識別等）等組成。
計算機圖形學是方向（1）中的圖像處理課程和方向（3）中的模式識別課程的先修課程，也是虛擬現實、計算機視覺等課程的先修課程，由此計算機圖形學的重要地位是不言而喻的。
二、課程教學現狀
湖北民族學院最新人才培養方案中，計算機圖形學課程在第六學期開設，之前已經開設了高等代數、數學分析、離散數學、程序設計基礎、數據結構等基礎課程，學生有了一定的數學基礎及計算機基礎。然而計算機圖形學涉及到的內容廣泛并且理論性很強，在課堂上和實際應用結合起來比較難，導致在課程的講授過程中枯燥，學生的學習積極性不能夠很好地調動起來。
目前，計算機圖形學課程教學過程中存在以下幾方面的問題：
1.教學內容豐富而教學深度不夠。計算機圖形學課程研究內容豐富、理論性很強。在傳統教學內容設置中，需要從計算機圖形系統及圖形硬件介紹入手，介紹用戶接口和交互式技術、圖形的表示與數據結構、圖形的生成、變換、消隱、光照等直到真實感圖形生成。然而專業培養計劃中，該課程總學時為56學時，其中實驗10學時，課堂上很難對內容進行深入的講解，導致學生一知半解，不能很好地理解計算機圖形學，從而失去學習興趣。
2.理論和實踐結合不緊密。計算機圖形學課程中的算法（如DDA算法、Bresenham算法、Cohen-Sutherland算法、Weiler-Atherton算法等）都很巧妙，需要學生有很好的數學基礎和編程基礎以便對算法進行理解并實現。而實踐學時相對較少，學生對算法的掌握程度一般，也會影響學生的學習興趣。
三、課程教學改革
1.理清計算機圖形學與相應方向課程間的關系，突出圖形學的重要性。目前修訂的湖北民族學院信息與計算科學專業培養方案中，計算機課程主要包括高級語言程序設計、數據結構、操作系統、計算機圖形學、圖形圖像處理、模式識別等。計算機圖形學是信息科學方向中比較重要的一門課程，它是信息處理方向中的圖像處理課程以及計算智能方向中的模式識別等課程的先修課程，它們之間的關系如圖1。事實上，把計算機圖形學作為計算機類課程的一門核心課程，能彌補計算機應用軟件編程系統訓練的不足，能較好地促進學生的計算機開發能力培養[1-3]。
2.優化理論教學內容，突出教學重點。計算機圖形學的最終目的就是用計算機程序的方法在計算機顯示器屏幕上生成圖像效果，特別是生成類似照相機拍攝的三維圖像[3]。從基本的圖形元素到真實感圖形生成，中間要經過生成、裁剪、變換、消隱、光照等處理過程。
圖2中粗線部分為本科生教學核心內容，要求學生必須掌握其基本算法原理及實現方法，細線部分實現從算法的角度來說難度較高，結合目前流行的OpenGL、Direct3D等技術，直接調用函數等構件類來實現，教學時以案例的形式進行分析。通過理論授課將知識框架展示給學生，剩下的內容由學生通過自學、合作討論給予填充，從而完成整個課程體系的學習過程。
3.構建教學網站，加強課外教學。為加強師生課外交流互動，在程序設計類課程教學改革[4]構建的課程平臺基礎上，開設計算機圖形學課程網站。按周次及時教學任務，與學生進行交流互動，促進學生課外學習。
4.構建實驗教學內容，強化實踐教學。實踐教學內容設置如表1所示。實驗內容貫穿整個學習過程，在理論學習的基礎上，加深學生對所學理論知識的理解。
四、總結
計算機圖形學是一門綜合性很強的課程。我們結合湖北民族學院信息與計算科學專業實際，分析了計算機圖形學課程在信息科學方向課程中的地位，從優化課程理論教學內容、設置實驗主題、實驗內容及實驗項目，強化學生基于計算機圖形學的應用開發能力等方面對計算機圖形學課程進行了教學改革探討。
參考文獻：
[1]劉圣軍，韓旭里.信息與計算科學專業《計算機圖形學》課程教學改革探索[J].數學理論與應用，2011，31（3）：97-102.
[2]魏海濤，魯漢榕，楊瑞娟，等.科學地構建“計算機圖形學”的教學內容，促進計算學科的全面發展――對“高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）”的思考[J].計算機教育，2008，（20：035.
關鍵詞 計算機圖形學；圖形學理論教學；圖形學實踐教學
中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2016）04-0162-03
Teaching Research of Theory and Practice in Course of Com-puter Graphics//LIAO Bin， HU Jinlong
Abstract Through analyzing the main problems in the course of computer graphics， the teaching reform of the computer graphics course is proposed about theoretical teaching and practical teaching. We divide the course of computer graphics into theory course and practice course， and make the theory course of computer graphics become the pre-course for the practice course of computer graphics. Students’ learning interest is stimulated and their ability to contact the theory with practice is improved through integration the theory and practice of the computer graphics course.
Key words computer graphics； graphics theoretical teaching； graphics practical teaching
1 引言
計算機圖形學是研究如何利用計算機生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術的一門學科[1]。它以圖形用戶界面和可視化技術為典型應用，是信息技術中不可缺少的部分。近年來，國內外大學逐漸將其列為計算機應用類課程中的專業課。現在，計算機圖形學已經在諸如影視動漫、軍事仿真、醫學圖像處理、氣象等科學可視化領域獲得成功運用，在帶來經濟效益的同時，也給計算機圖形學的發展提供了機遇與挑戰。
本文通過分析計算機圖形學傳統教學中存在的問題，提出改革思路。在教學中，將課程設置為理論教學與實踐教學兩門獨立課程，針對理論教學與實踐教學分別進行教學設計，轉變傳統教學中實驗教學的附屬性質，使理論知識為實踐教學鋪路，增強教學效果，促使學生積極動手操作、思考，促進新舊知識的結合，通過教學過程的探索與總結，增強計算機圖形學的教學效果。
2 計算機圖形學課程教學中存在的問題
傳統的計算機圖形學教學重點一般側重于考核學生對知識點的掌握[2]，課程實踐所占比例較低。然而計算機圖形學課程本身的特點不適于傳統的教學模式，若仍采用傳統教學模式，不僅不利于維持學生的學習興趣，更不利于學生發現問題、解決問題能力以及創新能力的培養。
計算機圖形學教學內容與學生的學習興趣 傳統的計算機圖形學內容主要有[3]計算機圖形系統概述、二維圖形生成和變換技術、三維圖形生成和變換技術、真實感圖形生成技術、計算機動畫技術與實踐。該課程入門階段需要的數學知識主要涉及代數、三角學和線性代數，數學原理與圖形的結合在理論教學中占據了一定比重。
傳統的計算機圖形學教學目標側重于培養學生對計算機圖形學理論知識的了解與掌握，在教學內容的設置上主要強調圖形學知識、概念的系統性與整體性，重點是概念解釋與原理講解，體現為大量的公式推導。
未進入圖形學教學前，學生對該課程的理解主要分為兩類：一類認為該課程主要講述游戲開發，學完本課程后就可立即完成諸如游戲編程、動畫設計、特效處理等任務；另一類認為是藝術設計，主要為廣告傳媒等行業服務。實際上，在本科階段開設的計算機圖形學課程，通常立足于計算機圖形學科的入門，教學內容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實現算法，能進行基本圖形的程序設計。由此，圖形學課程認知的不全面將導致學生學習興趣的下降。學習內容的枯燥、教學內容與現實應用的巨大落差會導致部分學生的學習興趣隨課程的深入而進一步下降。
計算機圖形學課程實驗的設置 計算機圖形學的實驗內容主要集中于基本圖形算法的實現，需要學生運用高級程序語言進行編程，然而作為專業基礎課程學習的此類高級程序設計課程，往往以基本知識、程序設計、數據組織三方面為主要內容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導致在本課程的實驗教學時，需要針對授課學生原先所學的高級程序語言，補充對應的圖形庫編程知識，這使得實際的有效實驗學時被縮減，而且增大了學生實現算法的難度，以至于進一步加劇了理論與實踐脫節的現象。
3 理論教學與實踐教學的改革方法與目標
在大學本科第7學期開設計算機圖形學課程，并將其分為理論課與實驗課兩門課程，兩門課程單獨核算成績。其中，理論課為32學時，2.0學分；實驗課為16學時，0.5學分。在理論課程完成后開始實驗課程，計算機圖形學的實驗不再是傳統教學中對理論課上知識點的簡單重復與驗證，而是對所學知識的綜合運用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學內容，以完成與實驗課程的銜接。同時，設計合適的實驗項目使學生掌握課程基礎知識，提高學生的動手能力，以提升計算機圖形學的教學質量。
理論課教學內容設計 計算機圖形學技術在快速發展，與之相適應，圖形學課程的教學也發生變化[4]。現階段，在計算機圖形學教學中主要有3種教學體系，大致分為理論為主、編程為主、問題為主。
1）理論為主是傳統的教學體系，強調對計算機圖形學理論的理解與掌握，以公式推導為主要呈現方式，國內外此類教材有Floey的《計算機圖形學原理及實踐――C語言描述》（原書第2版）、孫家廣的《計算機圖形學》等。
2）編程為主的教學體系側重于培養學生初步掌握一種典型的圖形學API，以圖形學使用者的角度講授計算機圖形學所需的理論與概念，去除非必需的數學原理與公式推導。國內外此類教材有Donald的《計算機圖形學》（第四版）、徐文鵬的《計算機圖形學基礎（OpenGL版）》等。
3）問題為主的教學體系的教學目標著重于培養利用計算機圖形學知識建立與用戶交流的能力，從而實現問題的圖形化建模并解決問題。相應的教學內容既涵蓋了圖形學中的基本概念和技術，也涉及了實現這些概念和技術的圖形學工具，然而重點在于介紹如何使用計算機圖形學知識來解決實際問題以及如何有效地進行結果展示。Steve Cunningham的《計算機圖形學》是此類教學體系的典型教材。此類問題為主的教學體系近年來在美國興起。
在本科教學中，考慮到學生前期課程的設置與掌握情況，采用結合OpenGL實現算法的編程為主的教學體系。在實際教學中，既要保證計算機圖形學基本概念、理論的完整講述，也為后續的實踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學生在掌握圖形學基本知識的同時，能夠在一定程度上自主實踐，保持與激發學生的學習興趣。
實驗課教學內容的設計 計算機圖形學傳統教學中的實踐一般使用C++來實現相關算法[5]，實現難度過大，導致學生沒有時間和興趣去完成[6]。實踐教學的本意是對理論教學的鞏固、完善與提高，為實現理論與實踐教學的平穩銜接，在實踐教學環節中采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學生有針對性地完成若干實驗項目。
OpenGL是一個工業標準的三維計算機圖形接口軟件，其具有的功能基本上涵蓋了圖形系統要求提供的所有功能。此外，OpenGL具有的跨平臺性、可擴展性、繪制專一性、網絡透明性等特點使其應用廣泛，降低了對學生編程能力的要求，且由于其開源的特性，使得學生可通過參考其中的算法實現獲得編程能力的提高。
結合圖形學的實際應用與學生的實踐能力，設置如表1所示的實踐項目。
4 小結
計算機圖形學隨著計算機理論與技術的進步、社會應用的需要而有了迅速發展，是理論與實踐并重的學科，對教學有較高要求。本文從計算機圖形學的學科特點出發，分析了計算機圖形學傳統教學中存在的問題，提出將理論與實驗相融合的教學思路，改變傳統教學中實驗教學的附屬地位，從實踐的角度出發，在理論教學中進行概念、理論向實踐的平穩過渡，一定程度上降低了學生完成課程實驗的難度，激發了學生的學習興趣。從教學效果來看，本文提出的教學方法取得較好的成效，同時對計算機專業的類似課程也具有一定的參考意義。
參考文獻
[1]徐文鵬，王玉琨.計算機圖形學基礎（OPENGL版）[M].北京：清華大學出版社，2014.
[2]杜利峰，李竹林.基于OpenGL的計算機圖形學教學改革探索[J].電子設計工程，2012（13）：6-8.
[3]王汝傳，黃海平，林巧民，等.計算機圖形學教程[M].3版.北京：人民郵電出版社，2014.
[4]劉貴松，房秀芬，陳文宇.基于計算思維能力培養的計算機圖形學知識體系[J].實驗科學與技術，2015，13（2）：
160-162.
摘要：本文分析了“計算機圖形學”課程的學科特點和當前的教學形式，指出了當前教學過程中所面臨的問題，從而提出了一些新的教學思路和方法。實踐表明，這些方法對提高課程的易理解性、學習趣味性和教學質量有明顯的作用。
關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；教學實踐
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
“計算機圖形學”是大部分院校計算機專業或相關專業中的一門重要課程。本課程的教學目的是使學生掌握計算機圖形系統軟硬件技術以及圖形生成、處理、輸出的基本原理和方法，培養學生利用計算機解決圖形問題的程序設計能力，為開發圖形軟件打下必要的基礎。
1計算機圖形學的教學現狀
計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科。該學科綜合了計算機科學、數學、物理學等其它相關學科的知識，而且學科發展日新月異，新的應用領域不斷拓展，這使計算機圖形學具有學科內容豐富、理論性強、算法眾多、實踐性強這幾方面特點。
學科內容豐富和理論性強造成該課程講授起來比較枯燥；同時，傳統地講授教材上的理論將使學生感到該課程難于理解、難學、學習積極性和主動性受到影響，整個學習過程基本是被動接受。
目前，國內的計算機圖形學課程教學基本取材于幾本經典的教科書，這些教科書重點講述計算機圖形學的算法。許多算法為了追求高效率從而精益求精，算法本身構思獨特且實現精巧，但也導致了算法本身及其實現都難于理解；而且傳統的授課方案側重于強調算法實現的數學基礎。這種強調圖形算法基礎的教學方案適合于數學基礎優秀的學生，但對本校這樣的工科類院校，學生往往被一些必須掌握的算法所困擾，從而對該課程產生畏難心理。
計算機圖形學這門課程實踐性強的特點則要求學生具有較強的動手操作能力和編程能力，從另外一個方面來說，要求老師有更強的實踐能力。如果理論與實踐互動性不夠，容易造成學生實踐動手能力薄弱。
通過以上分析，可以看出在計算機圖形學中采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生去做實驗的教學方式很難達到預期的教學效果，急切需要探討新的教學思路和教學方法。
2計算機圖形學課程的教學改革
本校針對現有教學中的不足，在總結多所知名大學在該門課程教學經驗基礎上，制定了計算機圖形學的教改目標和教改方案，具體認識和做法如下。
2.1教學內容的組織
以教學大綱為依據，從學生的實際情況出發，以課堂講授為主，上機實驗為輔的方式組織教學內容。其中課堂講授48學時，上機實驗16學時。以講清基本原理和概念為第一目標，以培養學生圖形學算法的設計能力、圖形軟件的開發能力為原則，合理安排課堂教學內容。
根據學生的接受程度，教學內容首先注重基礎，強調基本概念、基本原理；其次突出重點，對一些要求掌握的算法，要仔細分析，強調其基本思想。只要算法的基本思想掌握了，算法的實現就容易理解，對相關算法就可舉一反三、觸類旁通；再者教學內容中應該介紹一些當前的研究熱點，使學生了解學科發展情況，也同時增加課堂教學的趣味性；最后在教學內容中應該注意理論與實用軟件之間的關系，適當介紹計算機圖形學理論、算法在流行的圖形設計和動畫制作軟件(如AutoCAD、3DMAX等)中的應用，促進理論學習和實用軟件使用之間形成互動。
根據以上原則，本校在2005屆計算機專業本科生中，采用了清華大學出版社出版，孫家廣主編的《計算機圖形學》作為基本教材。同時引進國外一流大學的先進教材Donald Hearn, M. Pauline Baker編寫的Computer Graphics(C Version)作為教輔資料，其中引用了一些最新的圖形學研究成果，在彩頁中體現了幾乎亂真的圖形效果。
2.2教學方法的選擇
在講授必須掌握的基礎算法之前，強調啟發式教學，提出課前思考題。這些思考題可以引導學生預習和自學，減輕課堂負擔，使課堂教學目標清晰，任務簡化。如在講授多邊形裁剪算法之前，應思考多邊形由線段構成，是否可用已學過的二維線段裁剪算法逐邊裁剪多邊形？如果不能，原因如何？應如何解決？
在講授同類算法之后，對解決同一問題的算法進行比較，強調對比性學習。如區域填充中，應對漫水法填充、邊界填充算法、掃描線種子算法進行比較，說明其相同之處皆為在填充過程中搜索新種子點，不同之處在于搜索新種子點的方法不同。通過對比學習，學生在學習過程中不再孤立學習一種算法，而是同時掌握一類算法，為后續的掃描轉換填充算法打下基礎。
2.3教學手段的應用
在計算機圖形學課堂教學過程中，本校采用多媒體教學與傳統教學方式相結合。為了充分發揮圖形圖示、動畫演示的作用，主講教師精心制作了計算機圖形學多媒體教學課件。在該多媒體教學課件中，對教學內容的各個知識點間用超鏈接進行鏈接，引入音頻、視頻等媒體信息，既增加了教學內容的連貫性，又使課堂教學變得生動有趣。
為了合理利用網絡，拓展教學空間，主講教師開設了自己的個人博客，在網上列出與課程相關的權威網絡資源。在保留傳統的面對面交流的基礎上，學生可以通過網絡與教師、同學討論問題；教師則可以根據學生的反饋意見，及時了解學生的學習現狀，調整下一步的教學方式。
除了網上討論答疑外，教師根據學生的意見還采取了MSN、QQ 等學生喜愛的交流方式。通過這種網上交流，一方面使同學們不知不覺中利用課余實踐學習鞏固了圖形學知識，擴展了知識面；另一方面也兼顧了圖形學的教學大綱和同學們的興趣。一般說來，教學大綱強調基本的概念算法，而學生則對如何生成各種漂亮的圖形效果感興趣，將如何基于圖形學算法使用工具軟件生成圖形效果的資料放在網上，在課堂上就可以集中精力講授算法理論。通過網上交流，給學生提供了一種獲取知識的新渠道，這對于剛讀完兩年大學，已初步具備自學能力的大三學生而言，效果較好。
2.4上機實驗的分配
計算機圖形學涉及大量圖形造形、圖形生成和變換的算法，上機實驗必不可少，應該結合課程特點設計實驗內容，強調學習、研究和實驗的有機結合，鼓勵創新性。通過實驗，發現問題，解決問題。
本校根據學生的實際情況，把實驗環節分為必做的課內驗證性實驗、課內設計性實驗、選做的課外創新性實驗，并且要求學生將自己實現的各類圖形算法統一到一個整體框架中。到課程結束時，每個學生都完成了一個具有自己特點的小型交互型計算機圖形系統。在這個過程中，學生不僅學習了計算機圖形學的各種算法，而且培養了學生的學習興趣。
在上機實驗過程中，由于本校學生在開設計算機圖形學這門課程之前并沒有學習過GUI編程，往屆學生的上機實驗都是基于Turbo C環境下的編程練習。由于TC的陳舊性和古板性，多數學生對它并不感興趣，因此在2005屆學生上機實驗之前，本校教師將計算機圖形學中的上機實驗移植到VC、VB、C++ Builder等可視化的編程環境上來。這一方面讓同學們學習編程時有與時俱進的感覺，另一方面又能學到新的內容。
2.5算法演示系統的設計
計算機圖形學算法中涉及到較復雜的公式推導，在理解算法時要求有比較強的空間想像能力。為了幫助同學們更好地理解算法，本校組織畢業生在主講教師的幫助下制作了“計算機圖形學算法演示系統”，該系統利用Visual C++ 6.0結合OpenGL進行開發。
由于該系統主要用來進行輔助教學，而一般程序實現速度快，且操作的像素人眼看不見，這樣的程序用于課堂講解，雖然可以提高同學們的學習興趣，但同學們看不到算法的具體實現過程。為了解決這個問題，本系統以放大的可見點模擬人眼看不見的屏幕像素，并且以動畫的形式完成計算機圖形學中各種算法的實現過程。系統中每一種算法都被設計為一個獨立的類，各種算法根據其分類被組織在相應的菜單下，通過菜單調出設置參數和控制程序的對話框。采用該算法演示系統后，在學習相關算法時，同學們可以清楚地看到算法的分步執行結果，幫助同學從直觀角度理解各種抽象算法，極大地提高了學生的學習興趣，增強教學效果。
2.6課后習題的安排
課后習題對于幫助學生預習和自學, 激發學生興趣等方面有重要作用。由于計算機圖形學這門課程的特殊性，課后習題較少，因此根據課程教學需要，在參閱著名計算機圖形學教材的基礎上，本校教師經過收集整理，設計編寫了教學輔助材料《計算機圖形學習題集》，目前已基本成型，并在2005屆學生中試用。
在設計習題的時候要精心設計和選擇，特別避免作業形式單一、難度較大，否則就會使學生產生畏難情緒。注意循序漸進、難易適度。注重基礎，注意多層次(如基礎知識、算法設計和綜合應用題等)、多形式(如判斷題、選擇題、填空題、簡答題、算法設計題和綜合應用題等)，使學生得到全面的訓練。習題應注意啟迪學生的思維, 培養獨立思考的能力。
在每章習題的最后，都是這章內容的學習小結，要求學生回答：通過這一章的學習，掌握了哪些知識？哪些沒有聽懂？對老師有沒有更好的建議等等。字數不限，但必須回答。從教師的角度出發，這種小結有利于了解學生的心理動態，了解自己的授課得失，有利于進一步改進教學質量；從學生的角度出發，這種小結客觀上促進了學生進行課后復習，鞏固了課堂效果，而且內容靈活，可長可短。
2.7教學過程的考核
重視教學的過程化管理與考核是保證教學質量的重要手段。對課堂、作業、實驗等環節進行有效的管理，及時發現和糾正每一環節中存在的問題。應該在過程中解決教學中的問題，不能讓其積累起來，避免學生感到課程的難學，以致學習積極性下降。
過程化管理和考核體現在評定學生的課程成績時，全面考核各重要教學環節(如上課、作業、上機實驗、期末考試等)的學習情況，應充分重視平時的學習情況，鼓勵在平時作業、上機實踐中獨立思考，并有所創新的學生。對于平時作業，上機實驗中存在的抄襲現象，教師要求學生用電子郵箱提交作業，兩份完全雷同的作業，按照提交時間先后次序判斷抄襲者。對于上機過程中，第一個完成的同學或者實現方法有所改進的同學都給予加分獎勵。每次作業、上機實驗都要給出等級，各環節的學習情況都有逐一的評定成績，并按比例記入到課程的總成績中。
3小結
通過本校2005屆教學效果和往屆學生教學效果的對比分析，在試卷難度相同的情況下，2005屆計算機本科生圖形學考核平均成績提高5%，且成績分布更趨向正態分布；網上評教系統表明，在2005屆本科生中，學生對計算機圖形學的畏難心理有較大的降低，僅有一人反映學習過程中聽不懂，難度很大，這說明學生的學習興趣和學習信心有一定的提高。從對比結果可看出本文所提出的方法有一定的實效，同時對其他課程也有一些參考意義。
參考文獻
[1] 唐澤圣. 計算機圖形學基礎[M]. 北京:清華大學出版社,2003.
[2] 吳元斌. “計算機圖形學”教學的幾點體會[J]. 安康師專學報,2004,(16):119-121.
[3] 孫家廣. 計算機圖形學[M]. 北京:清華大學出版社,1998.
[4] 楊長強. “計算機圖形學教學演示系統”的設計與實現[J]. 教育信息化,2006,(3):41-43.
Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics
Duan Jiang
(College of Information Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)
關鍵詞：計算機圖形學 教學改革 教學模式 案例材料
1. 引言
計算機圖形學是研究如何在計算機中生成、顯示和處理圖形的一門學科。計算機圖形學具有較高的實用價值，掌握它需要較深的理論基礎，國內高等院校均設置了相關的本科課程。但是，由于各學校以及學校各專業之間培養目的、學生基礎、師資配備以及課程安排等方面的差異，加之計算機圖形學本身既需要較高的數學基礎且需要很好的實際編程能力，使得學生在學習過程中普遍感到枯燥無味、無法吸收，難以達到應有的教學效果。本文分析了計算機圖形學的課程特點及教學中存在的問題，對計算機圖形學的教學改革進行了一些有益探討。
2. 課程教學中存在的問題
計算機圖形學是一門理論和實踐兼顧、綜合性很強的交叉學科，涉及內容和應用領域都很廣泛。以下筆者根據自身的教學實踐來闡述該課程教學過程中存在的一些問題。
（一）學習的積極性
對于接觸計算機較多的學生而言，對計算機圖形學的應用感受較為深刻，例如賞心悅目的動畫、逼真的游戲場面等。學生初學本課程時，一般均有較高的興趣，但隨著課程學習的持續深入，發現課程理論艱深、晦澀難學，與期望值偏差較大，會逐漸影響學習的積極性。
（二）先修課程
先修課程內容的掌握情況直接影響著學生對計算機圖形學課程的學習，先修課包括高等數學、線性代數、數據結構和程序設計課程。由于開課多安排在大學四年級，因而數學知識對學生學習該課程已經夠用。本門課程實踐性很強，程序設計課程知識對學生理解圖形學算法并進行實驗非常重要，掌握不好會使學生做實驗時處處碰壁。 數據結構則用于描述圖形內部結構，使用得當可由基本形體構建復雜圖形。
（三）授課偏重理論
圖形學課程內容龐雜，理論內涵豐富，數學公式繁多。要給學生講清楚一個算法，需要從算法來源、圖形實現建模到算法推導等方面著手。老師的很多精力放在了課程內容的講授上，學生則被動灌輸了大量知識，然而由于學時有限，學生不能全面動手進行實踐鞏固所學，因此最后對于課程的理解就只限于泛泛的概念了。計算機圖形學是一門實踐性很強的學科，上機實踐是學好這門課的必要手段。但是，由于學時的限制，使原本很重要的實踐活動變成了搭配，上機平臺采用的多是目前已不作為主流平臺的Turbo C，致使學生無法在實驗中學到將來就業時需要掌握的編程知識，大幅降低學生的上機興趣。
3. 教學改革
（一）科學使用教學模式
在計算機圖形學課程教學中， 教學內容的選擇是核心，其次是教學模式的選用。加強可視化多媒體教學，運用PPT、flash制作經典算法的仿真演示。該措施一方面可以使學生形象直觀地理解教學內容，另一方面還可以增加教學的信息量，由此對教學帶來的好處是顯而易見的。電子課件制作應盡可能生動有趣、富有創意，盡可能多的準備與教學內容有關的多媒體素材。通過 flash 動畫演示，把復雜枯燥的數學推導和算法描述成生動有趣的動畫，激發學生的學習興趣，提高學生的感性認識。傳統的“粉筆＋黑板”講課模式也有優勢，教師教授起來有聲有色，可通過肢體語言感染學生，提高教師與學生之間的互動性。對于需要嚴謹邏輯推導證明以及需要學生思考的教學內容，采用傳統教學模式的效果會更好一些。 比如，在講解經典圖形生成算法時，對數學推導過程，可以采用傳統教學模式，這樣便于學生理解，并能給學生留出足夠的思考時間。面向教學的網絡教學平臺的使用，則為師生之間的課下交流提供了便利條件。為此，根據學校的實際教學條件，可采取以多媒體教學模式為主，輔之以傳統教學模式，并注重利用課下網絡教學平臺模式。
（二）案例材料設計
為了培養學生的實踐能力，有必要編寫一套與教學內容、教學進度相適宜、與教材相配套的教學案例材料。該案例教材可以設計一個游戲場景為目標，貫穿整門課程從基本經典圖形生成算法到高級光照渲染等內容，使得學生一步步通過編程實踐，從易到難，有針對性的掌握教學內容。
（三）調整授課內容和方法
由于課程學時短，內容多，算法推導繁瑣，因此可在教學過程中對于基本經典內容重點講授，而相似性內容泛講。如針對直線 Bresenham 光柵掃描算法的教授，可選擇從算法的來源、數學建模、原理算法推導及實現等過程詳細講，而針對圓和橢圓等其它相似圖形，則只講清原理和關鍵技術點，讓學生自己推導。這樣的教學方式，不僅有助于學生掌握知識，有效的縮短學時，而且有助于培養學生獨立學習的能力。圖形學高級主題部分如真實感圖形學等均有一定的深度和廣度，每一個相關部分都可看做一個獨立的研究分支，如果全部面面俱到，重點教授，不但學時不允許，學生接受難度大，也超出了一般教學大綱范圍。對這部分內容，可選擇少量內容深入講，而對其它內容采用專題講座的形式。比如對于經典的 Phong 光照模型，由于不是很復雜，只要講授方法得當，學生不難理解。因此，可給學生講清其原理、推導及應用局限性，并把它作為學生實驗的一部分?？紤]到部分學生對實驗過程所依賴的內容如點積實現可能會有難度，因此應事先為學生準備好這些實驗條件。 對于其它的高級主題，可采用講座形式，并給出最新搜集的演示圖片或視頻，幫助學生擴大知識面，以備將來應用之需。針對高級主題，采用這樣的教學方法，可以做到有點有面，適當地加大深度，確保教學任務的高效完成。學生不僅學到了必要的知識和方法，開闊了視野，體會到基本原理的應用過程和樂趣。
4. 結語
經過這些年的教學實踐和探索，從教學反饋結果看，本文所提出的方法和措施學生普遍能夠接受，明顯地提高了學生學習的積極性，使得他們發自內心地意識到抽象理論學習的重要性。同時，在學習過程中學生們也主動加強鍛煉自己的實踐能力，大幅度的提高了綜合能力水平。但是，應該看到，計算機圖形學學科發展日新月異，如何科學合理地將最新的研究成果納入到教學內容中，還需要在今后的教學和科研工作中不斷的實踐和探索。
作者簡介
1. 引言
隨著集成電路制造工藝的快速發展，圖形處理器(GPU，Graphics Processing Unit)作為計算機顯示系統的核心部件在最近幾年得到了飛速發展，眾多計算機圖形學應用得以迅速普及。這些應用表明，三維圖形生成和顯示技術將成為未來軟件產品能否成功的一個關鍵因素。計算機圖形學應成為計算機及其相關專業學生必須掌握的一門基礎專業課程。
目前，國內的計算機圖形學課程教學基本取材于幾本經典的教科書，這些教科書重點講述20世紀70年代、80年代的圖形技術，強調計算機圖形學的數學基礎。此外，國內計算機圖形學課程的從教人員年齡差別很大，大部分于20世紀80年代或90年代初從事該門課程的教學工作。由于成長環境的局限性和教學方法的沿襲，很多青年教師講授計算機圖形學課程時也強調圖形學的數學基礎，使得計算機圖形學成為計算機及其相關專業學生很難掌握的一門課程。這種強調數學基礎的教學方案適合數學基礎優秀的學生，對于數學功底一般的計算機類學生難以適用。雖然有教師從實用角度出發來講授計算機圖形學技術，但對理論基礎涉及較少，也難以深入，學生很難建立計算機圖形學這門學科的體系框架。
針對上述教學中的不足，我們在吸收美國知名大學在該門課程的教學經驗基礎上，制定了計算機圖形學的教學方案和實踐環節。通過與微軟亞洲研究院等工業界研究機構進行精品課程和科研項目交流與合作，進一步修訂了課程方案，強調培養學生的創新能力。我們還在教學過程中增加了面向學科前沿的內容，使學生能及時了解學科發展的最前沿，開闊視野，為從事科學研究打下良好的基礎。
2. 指導原則和教學目標
我們吸收了計算機圖形學領域國際頂尖大學（如Stanford、UC Berkeley、MIT、CMU、 Princeton、UIUC）教材選擇、實驗環節和課件的優點，通過與微軟亞洲研究院進行精品課程和研究項目資助活動，在CC2001、SE2004、SGE2004[CC2001][SE2004][SGE2004]的基礎上進一步修訂教學內容，使得它能夠反映工業界對人才的需求和學科最新進展。同時，授課內容也反映任課教師自己的研究方向和特色，用科研來促進教學和人才培養。
該課程主要面向復旦大學軟件學院高年級本科生，其教學目標要求與學院整個辦學思路和人才培養理念保持一致。計算機圖形學課程的教學目標包括三個層次。首先，通過本門課程的學習，學生可使用當代圖形API（如Direct3D、OpenGL等）編寫圖形應用程序，并將這類程序與其他應用相結合。其次，通過課程學習，學生不僅對計算機圖形學有一個全面、感性的認識，了解學科前沿，同時能夠理解和實現部分經典算法。再次，尋找一個可行解決方法對模型進行求解，利用解決方法對問題進行測試，驗證模型及其解決方案的正確性訓練學生以圖形作為工具，對實際問題進行可視分析、建模和求解技能。
盡管國際和國內計算機圖形學課程涉及的學生專業背景和從教人員背景具有很大差異，我們相信上述這種重實踐、求創新、著重培養解決問題能力的課程教學和人才培養模式都具有很大的參考價值。在保持上述教學和人才培養模式精髓前提下，從教人員可以根據具體情況來制定教學方案和實踐環節。
3．教學方案
我院計算機圖形學課程設置為2個學分，講授36學時。學分和學時數比國內和美國高校偏少，因此我們在教材選擇、教學內容和實踐環節等方面都進行了仔細思考和精心設計，來實現上述教學目標。
我們選擇Donald Hearn和M. Pauline Baker合著的《Computer Graphics with OpenGL》第三版作為教材[Hearn2003]。該教材取材豐富，以跨平臺的開放圖形庫OpenGL為基礎，介紹計算圖形學的基礎理論、基本概念和基本算法。學生可將教材示例程序在PC上運行，從而獲得對教學內容的直觀理解。由于這本教材的理論講解不夠深入，我們推薦[Moller2002][Foley97]作為參考書，并指定[Woo97] 作為必讀資料，通過熟悉OpenGL編程接口規范并進行應用程序編寫，讓學生對圖形學基礎理論、基本概念和基本算法有深入理解。
考慮到計算機圖形學課程涉及領域較多，我們沒有采用雙語教學，而是以中文講授課程，但使用英文教材、英文課件和板書，而且作業和考試也采用英文命題。在教學方面，我們借鑒美國優秀大學的先進教育方法，主講教師上課主要側重課程的要點、難點和方法以及理念，具體細節要求學生課后學習和實踐。這種授課方法要求學生在課后自學來強化對基本概念、基礎理論和算法的理解和掌握，有效地彌補了學時的不足。同時，我們借鑒國外大學經驗，為該課程配備3名教學助理(Teaching Assistant―TA)，達到了平均20名學生配備一名TA。TA和主講教師一起，根據課程內容和學生反饋意見設計作業(Homework)和實習項目(Project)，并通過多種方式給予學生指導和幫助。
該門課程的教學內容涵蓋了ACM SIGGRAPH和Eurographics教育委員會推薦方案的絕大部分內容[SGE2004]，同時考慮到軟件工業的特點、工業界需求和學院的科研特色，我們還增加了該學科的最新進展的相關內容，具體教學安排如下。
第一講為引言。首先介紹計算機圖形學的研究內容、應用領域、典型圖形系統的構成和獲得ACM 圖靈獎(Turning Award)的兩位圖形學者。接著，講述圖形系統的輸入設備和顯示設備。然后，以圖形繪制為主線，回顧真實感和非真實感圖形的歷史，直到目前最熱門的表面細節繪制、基于圖像的繪制和基于相機陣列的繪制技術。
第二講主要介紹二維圖形技術。以畫直線算法為例，講解光柵圖形與矢量圖形的不同之處。介紹曲線離散為多個直線段的思想和原理，從而完成曲線繪制。通過多邊形掃描轉化和種子添充算法，介紹簡單二維幾何圖形的光柵化技術。
第三講重點講述幾何變換。包括物體的平移、旋轉、錯切、縮放變換；幾何變換的矩陣表示形式和多個變換的復合方法，重點解釋齊次坐標引入的必要性。最后，以場景圖(Scene Graph)為例, 介紹變換的層次控制方法。
第四講和第五講圍繞圖形繪制流水線，講述繪制流水線涉及的每個環節。包括物體的多邊形表示方法、模型變換、取景變換、投影變換、視口變換、二維幾何元語裁剪等多個關鍵步驟和算法。
第六講為場景消隱技術。介紹了背面剔除、畫家算法等物體空間隱藏面去除算法，以及多個圖像空間消隱算法，如Z-buffer、面積細分、光線投射(Ray casting)、BSP樹等。
關鍵詞：計算機；圖形教學；實踐；創新
中圖分類號：TP391.41
隨著近些年來信息技術狂飆突進式的發展，計算機已經大范圍普及，人們已經進入了計算機時代。而計算機教育也逐漸在整個教育體系中占據了重要的位置。所謂計算機圖形學，“就是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法?！盵1]它是計算機教學體系中非常重要的一門課程。
直觀地說，計算機圖形學能夠教會人們利用技術手段設計出逼真的圖形。計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法。計算機圖形學是一門系統性非常強的學科，學生在學習時，需要注意課程的技術性、應用性、特殊性。計算機圖形學是一門綜合性的、包容性的學科，融合了數學、物理等知識。社會的不斷變遷，促進了學科的不斷變化，然而眾多學校在本課程的安排上，學時都偏少，加之本身課程又偏難，這對學生更好的掌握本門課程又很不利。本課程的教學目標是要讓學生掌握圖形學的理論知識和基本原理，在教師的引導下，更好的掌握圖形軟件的使用方法。
就目前的學情狀況來看，圖形教學的上課效果并不是很好。一方面原因是知識點繁雜，課程對學生的要求也比較高。另一方面看，傳統的教學方式也無法適應快速變化的學情。現存的教學問題迫使我們需要對教學方式進行改革，教師們應該以效率至上，去考慮如很能夠利用有限的教學時間給學生傳遞出更多的知識，讓學生更好的掌握圖形制作流程，提高學生在學習圖形學的興趣，增加學習的主動性，讓學生了解到課程和社會聯系的緊密型。
創新是一個民族的靈魂，同時也是一門課程能夠保持活力的催化劑。教師需要對課程設置進行創新、授課方式進行創新，建立一些列的創新體制，結合不同的教學實踐，對計算機圖形教學進行改革，以提高教學質量，力求達到最佳的上課效果。
1 圖形教學中存在的問題
1.1 教學模式單一。圖形教學離不開電腦。多媒體教學的普及，使得整個教學手段和教學內容都豐富了起來。但是通常情況下，教師在授課時，會將自己做好的課件播放講解，老師甚至不會站起來，學生就直面大屏幕投影。老師無法將多媒體的優勢融合到教學中，卻放大了其缺點。整個課堂中，教師無法同學生進行有效的交流和溝通，老師也無法觀察到學生的狀態，課堂氣氛比較低沉，學生也容易產生困倦之感，教學效果將大打折扣。
1.2 理論與實踐脫節。學以致用，這是教學中必須要掌握的原則。而傳統的教學中，通常教師只是注重理論的培養，甚至是機械的為了完成教學任務，給學生灌知識，忽視了培養學生的實踐能力。這個體現在，理論授課的學時要遠遠多于實驗的學時。圖形教學是理論性和實踐性融合很強的一門課程，如果單單是傳授理論知識，忽視實踐培養，好似是“瘸腿教育”，最終的結果則是學生紙上談兵，很難達到預期的上課效果，學生也很難將知識融會貫通。
1.3 課程定位難言合理。目前的圖形教學中，更多老師更加注重本學科的數學基礎。傳統的圖形學都是以數學為基礎的，然而這并不利于一些數學基礎不好的學生學習圖形學。課程的定位有些失準，有點“窄眾化”，并不利于計算機專業的學生學習。如果單純的去講解計算機圖形技術，卻又不好深入，學生學得比較淺。
1.4 實際教學內容不夠深入?？傮w來講，由于各個學校對計算機專業并沒有升學等成績的要求，眾多學生的計算機基礎比較薄弱。由于計算機圖形是一個知識點眾多、技術性理論性都很強的專業，這對學生的基礎性要求比較高，需要學生有較高的思維邏輯能力，較強的理解能力。但是學生現實的基礎是無法滿足上述要求的。學生的基本能力決定了老師的講課深度，很多教師由于受學生能力的限制，在講課時，講授內容會略顯簡單，或者是比較淺，因為再深入后，學生并不好理解，再加上沒有升學的壓力，一些老師就干脆講一些通俗易懂的，點到為止。真正的精髓學生是無法學到的。
1.5 考核模式不健全。傳統的圖形教學考核模式，以理論為基礎，以卷面考試為住。這種考試模式，容易讓學生只是應付性的去背一些理論。俗話說，沒有壓力就沒有動力?？荚嚭盟埔环N走過場，并不能讓人們去好好準備。本身圖形教育就是注重實踐的操作能力，一個合理的考核模式就是要調動起來學生的積極性，以考帶動學。
2 圖形教學的創新舉措
2.1 豐富教學模式。教學內容是核心，教學模式為催化劑。上述的那種大屏幕模式，實際上，這種模式也有其有點，畢竟是電腦來操作，更加直觀，而且，操作簡單方便，但是，多媒體畢竟只是一種輔助工具。很多老師用電腦課件將繪圖的過程都很快展現在同學面前，這不利于學生的思考。筆者通過多年的教學經驗，認為，多媒體加黑板兩種模式相結合，比如，需要展開分析的部分，由教師在黑板上一點點推導出來，也算是幫助學生一點一點的去推到，引導他們去思考，再配以多媒體的那種直觀性。教師在利用多媒體時候，可以連接網絡，共享網絡上的資源，讓學生開闊眼界。教師再多搜索一些與圖形教學有關的案例，使整個教學過程中的元素能夠有機的融合在一起。
2.2 理論與實踐有機結合。圖形學是抽象的，如果只是讓學生與這些繁瑣的公式、枯燥的理論打交道，學生的興趣恐怕被消磨殆盡。關鍵是學這些東西不去實踐，等于是白學。實驗不僅能夠鍛煉學生的實操能力，也能夠讓學生在具體的操作中去感受理論的應用，讓學生自己去糅合知識。只有自己的感悟才能夠記憶深刻。學校來講，要加大圖形實驗課的比例，要加大對實驗課的重視，目的就是為了“用”。因為學生的自制力較差，他們不會在私下去聯系，所以學校只能采取強制措施，慢慢的引導，增加他們的主動性。
2.3 對課程要進行合理定位。對課程合理的定位，是保證課堂質量，完成任務的重要舉措。教師在講課時，要將基礎的理論和概念傳遞給同學。圖形學是針對整個計算機專業的學生，教師如何去根據學生的基礎去制定合理的課程進度。其定位必須要以實踐性為導向。
2.4 教學內容的精選和合理組合。教學內容的合理選擇關系到整個圖形教學的質量。教學內容是包括理論與實踐的。理論內容上，類似于圖形的基本知識、圖形的生成、變換等內容，通過對以上內容的學習，并配合上實踐操作，學生能夠掌握圖形課程的一整套流程、基本原理和方法，逐漸熟練圖形學的部分技術，促進圖形學的實際應用。教學內容不僅僅只是體現在膚淺的表面，還有適當的傳授給學生一些更加有深度的內容，因為圖形學本身就是一個很有深度的課程，如果只是點到為止，這既不能進一步挖掘圖形學的深度內容，也不利于學生的圖形制作水平的提升。
2.5 健全考核模式?？己说哪繕耸且寣W生知道計算機圖形學習的重要性。讓學生去重視起來。教師應在課堂、實驗以及作業上進行學生的考核。考核的過程中，教師能夠及時發現學生存在的問題。要對學生進行適當的鼓勵，要發揮教師的主導作用，也要充分發揮學生的主體作用。平時的考核和最后的考試相結合，避免學生“學習為了考試”的片面理念。
計算機圖形教學的復雜特性，值得我們去深入研究。計算機圖形教學處在一個發展過程中，需要更多的教師去探索，逐步挖掘創新的教育模式，促進圖形教育的發展。
參考文獻：
[1]吳元斌.計算機圖形學教學的幾點體會[J].安康師專學報，2004.
本文作者：成軻 單位：中原工學院
三維動畫作為一種新興的動畫形式，近幾年發展非常迅速，逐漸成為了主流的動畫形式。中國開展動畫專業的高?，F在也都基本開設了針對三維動畫的課程。三維動畫不同于傳統的二維手繪動畫，是和計算機技術結合非常緊密的一門交叉學科，基本所有的制作過程都要借助于計算機硬件和軟件，這使得三維動畫的教育方式和方法需要同傳統的二維動畫教育區分開來，不論從教學方法還是教學內容都需要進行很大調整。國內三維動畫教育目前還處于起步和摸索階段，相比較來說，歐美發達國家三維動畫教育起步較早，發展也相對完善。如果可以吸收和借鑒其中成功的經驗，并加以利用，一定能對中國的三維動畫教育幫助良多，解決目前存在的一些問題，并能推進國內整個三維動畫產業的發展。在所有的歐洲三維動畫教育中，英國的教育模式是比較富有代表性的也是發展較為成功的。英國高校的三維動畫教育一般采取三位一體的教學模式。其中包括計算機圖形學技術的學習，藝術知識的學習和計算機應用軟件的學習。這三方面互為補充，構成了一個比較完善的教學體系。
一、計算機圖形學技術的學習
目前中國國內的三維動畫產業發展較慢，也較為混亂，是和缺乏足夠的計算機技術相關的。而計算機圖形學技術的學習也是目前中國三維動畫教育中比較欠缺，急需改進的重點。因為三維動畫里面的各種效果都是產生于與之相對應的各種計算機技術。例如海浪，火焰，毛發，還有模擬各種真實的動作等。沒有相應的計算機技術，也無從談起三維動畫。也正是各種各樣日新月異的計算機技術推動了三維動畫在世界領域的快速發展。所以，軟件開發技術不論從任何方面都是三維動畫領域里面的重中之重。英國三維動畫教育很重視這方面技術的教學和實踐，也針對這些技術也開設了一系列課程。例如面向現在比較熱門的Mo-tionCapture（動作捕捉）技術，英國的Bristol大學的CharacterAn-imation（人物動畫）專業就開設立了MotionCaptureRetargeting方向的研究工作，主要面向解決MotionCapture后人物動作變形的問題，并在這一領域取得了一定成功。而類似Bristol大學的例子還有很多。Bournemouth大學甚至開設了計算機動畫（ComputerAnima-tion）的博士生項目，并和中國的高校建立了合作關系。由此我們可以看出，英國的三維動畫教育很重視計算機圖形學，特別是三維圖形學的教育工作。而且強調三維圖形學和三維動畫有機的整合在一起，使學生能真正理解三維動畫的原理，有能力去開發和拓展三維動畫領域。相比較來說，中國的三維動畫教育一直忽視計算機圖形學技術的教學和科研，導致學生嚴重缺乏必要的計算機技術，這也大大桎梏了三維動畫在中國的發展。
二、藝術知識的學習
眾所周知，三維動畫的的魅力是由動畫藝術本身獨特的特點所體現出來的，對于動畫藝術知識的學習自然是學好三維動畫學科的基礎。除了和中國基本相同的美術設計知識學習之外，英國的動畫專業教育很重視電影學知識的學習，也針對性的開設了一系列課程。例如Bristol大學的CharacterAnimation（人物動畫）專業就跟戲劇專業（DramaDepartmen）t合作開設了FromBodytoAvatar，ProjectDesignandStoryboarding等課程。專門講授塑造人物性格，編排劇情，制作故事板，剪輯電影，添加音效等方面的內容。這些課程對于設計，制作和最后完成三維動畫都很有必要。目前中國高校的三維動畫教育對于美術知識的教育還是比較重視的，可是針對電影學方面的課程安排較少。如果能夠參照英國的教學模式，適當增加電影學的教學環節，對于學生對于動畫知識的全面了解和制作動畫都會帶來很多益處。
三、計算機應用軟件的學習
毫無疑問計算機應用軟件的學習也是三維動畫教育中必不可少的一環，只知道原理卻不會操作各種應用軟件將會寸步難行。這些軟件包括Maya，Premiere，AE，Photoshop，Audition等等。大型軟件的應用在未來的三維動畫發展中也會越來越重要。在英國的三維動畫教育中，不論是本科還是研究生教育都有很大一部分比例的學分專門為這些課程安排的。這其中Maya作為權威的三維動畫制作工具，是最難，最花時間，也是最重要的。學生通過課堂上的學習只是了解其基本操作，真要做到熟悉操縱Maya還要通過長時間的上機和實踐。在國外的三維動畫教育中，老師一般只花很少時間教學生操作，更多是給學生布置一些作業，在完成作業的過程中進行實踐。針對中國的三維動畫教育，應當適當延長計算機軟件課程的教授時間，因為只讓學生自己摸索，對于Maya這樣復雜的軟件實在勉為其難。何況Maya是全英文軟件，對于中國學生是很有必要詳細解釋各種操作的。
四、總結
中國三維動畫教育這么多年雖然一直在被強調，各種學習班也層出不窮。可是績效不明顯，專業和市場與歐美的差距也越來越大。我認為根源是出在教育模式上，沒有系統化的教育，是不會產生大量真正專業化的人才的。現在國內三維動畫教育缺乏對計算機技術，尤其是計算機圖形學知識的學習，過分強調美術設計，甚至連電影學的課程也很少涉及，這使得學生無法獲得全方位和良性的發展。我們應該清楚的認識到，僅僅掌握美術設計和幾個軟件是無法成為真正的動畫人才的。而且國內的三維動畫教育過分注重通才教育，缺乏人性化和個性化，使得學生本身的特點和優勢受到遏制，缺少真正精通的方面，反倒不利于專業素質的提高，這也是目前動畫學生就業難的主要原因之一。相比較來說，英國動畫教育不但注重培養的學生的團隊精神，更注重學生個性和專長的發展，這點是國內的動畫教育可以借鑒的一個主要方向。本人希望國內的三維動畫教育能夠借鑒和參考國外較為成熟的教育體系，取其精華、棄其糟粕，和國內的國情相結合，一定能夠探索出更為完善，更為適合的中國三維動畫教育模式。
關鍵詞:計算機圖形學;選修課教學;知識導航鏈;知識屏蔽;自我成就感
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B
1引言
計算機圖形學(以下簡稱CG)是研究如何利用計算機顯示、生成和處理圖形的學科。目前它已經成為一門發展最活躍、應用最廣泛的前沿學科。CG涉及物理學、數學、計算機科學、心理學及藝術等諸多方面的內容,因此,該課程的特點是綜合性較強,多學科交叉,課程本身具有極強的理論性和實踐性。
由于CG自身的特點,使得它的講授有別于其他課程。在講授這門課程時,經常會遇到下面幾個問題:
(1) 由于學科本身涉及的內容多、變化快、應用廣,容易使學生在學習過程中混淆所學知識、疲于應付。
(2) 由于課程本身具有極強的理論性和實踐性,教學過程中較難把握兩者的輕重。作為選修課時,以上幾個問題顯得尤為嚴重。學生往往對選修課不夠重視,難以提起學習興趣。另外,作為選修課,學時相對較少,學生又來自不同專業,基礎參差不齊,給教師授課內容的組織及進度安排也帶來了困難。
針對該課程特點及選修課學生的特點,我們對教學中的一些問題進行了深入思考并提出了新的教學思路,即“五要”,要重視第一次課,要讓學生始終保持思路清晰,要注意知識屏蔽,要強調實用性,要能增強學生自我成就感。實踐表明,這些教學新思路對培養學生學習興趣,提高學習熱情,改進教學質量具有很好的指導和促進作用。
2教學中的思考
2.1要重視第一次課
很多學生在選修CG這門課時,不知道它是講什么的,往往會誤以為只是介紹一種圖形軟件的課程,因此就沒有很明確的學習目標,這也直接導致學生有怠慢的情緒。作為教師,應該在第一次課的時候就糾正學生的錯誤理解,強調該課程所學習的內容,那就是“我們是做一個圖形軟件,而不是用一個圖形軟件”。
“萬事開頭難!”在給學生講第一次課的時候,如果能讓學生對這門課有一個正確的認識,不產生厭煩、畏懼心理,而是建立起學習激情、學習興趣,確立較清晰明確的學習目標,那么對今后學習這門課的其他內容是有很好的指導作用的。
CG已有40多年的歷史,其應用已經深入到方方面面。就人們經常可以接觸到的廣告、游戲、動畫等而言,無一不用到它的知識,將這些實際應用以圖示、動畫等形式充分展示在學生面前,讓學生看到CG的魅力所在,不但可以激發學生的學習興趣,而且可以讓學生了解到學習這門課的用處。在舉例子時,不要只考慮到炫目,應該讓這些
應用在后繼的學習中與相關內容有聯系,否則如果出現學生的強烈期望與枯燥現實的矛盾時,會挫傷學生的學習熱情。課上,教師可以讓學生列舉他所認為的用到了CG知識來解決的問題,采用討論的形式,活躍課堂氣氛。課下還可以要求學生利用網絡資源、圖書館資源等,去了解如何用CG技術制作諸如羽毛、雪景、水、海面、火焰等效果,加深學生對CG的認識。
總之,第一次課下來,應能達到以下兩個目標:
(1) 學生明確知道了這門課的學習內容,確立了學習目標。
(2) 激發學生學習CG的興趣和熱情。
2.2要讓學生始終保持思路清晰
在教授這門課的過程中,我們發現有些學生在學習了幾種算法之后,竟然混淆了各算法所解決的問題。究其原因,學生在學習過程中沒有一個清晰的學習框架和路線,在學習一個知識點的時候,不知道它所處的位置,造成了“只見樹木,不見森林”的情況。
CG其實就是研究如何利用計算機“逼真”地模擬現實世界景物,而模擬景物的過程可以用圖形流水線來給出如圖1所示。依次將利用流水線上各技術處理的典型示例及效果圖展示出來,讓學生知道各部分大致完成的功能,并且要讓學生知道,在學習過程中,他們也可以利用所學知識做出同樣的效果,完成同樣的功能,這樣學生就會有清晰的學習思路,不會感到混亂,也有了學習興趣。采用圖形流水線的順序組織課程內容,符合學生理解問題的邏輯順序,有利于學生理解課程的知識結構,便于掌握各知識點間的關系,可以解決“只見樹木,不見森林”的問題,使學生始終保持思路清晰,提高學習效果。
整體的學習思路按照上述流水線來進行,而在實際講解各知識點時,可以通過加入導航的方式來給學生提供學習線索。如對Bresenham算法而言,既有畫圓的Bresenham算法,也有的畫直線的Bresenham算法,如果它是在圖2所示的一個知識導航鏈上的,學生就會很清楚它所處的位置和完成的功能了。這種方式使學生無論在學習哪一個知識點的時候,都知道自己身處何地,不至于迷失在CG這座“森林”里。
2.3要注意知識屏蔽
CG涉及到很多方面的知識,如果不采取一定的“知識屏蔽”措施,學生會覺得自己掉進了一個知識的深淵,變得毫無目標,這會極大地影響學習熱情。
比如,CG涉及很多數學知識,有些學生數學基礎比較差,看到這種情況就會產生畏懼心理。其實就CG基礎部分來說,涉及到的數學知識是有限的、簡單的。老師在講授涉及數學知識的部分時,要進行必要的數學知識的復習,但不必講太深。如在學習幾何變換時,要涉及到矩陣運算,主要是矩陣乘法,那么就可以通過下面的提問方式來做復習:“求矩陣T12×3和矩陣T23×4的乘法?結果矩陣的行數列數分別是多少?能否求T2×T1?”這個例子涉及了幾個知識點,然而都是相當基本簡單的,“第一個矩陣的列數要和第二個矩陣的行數相同才能進行矩陣乘法運算”,稍微提示一下學生就可以回憶起來,這樣學生就有信心了。千萬不要長篇細研,能不講就不講,畢竟在有限的時間能接受的知識也是有限的。
CG還涉及到人類視覺系統,這是一個復雜的系統,至今人類也沒有完全搞清楚它是怎樣工作的,所以也不要給學生詳細講解這個系統,而是能避則避。比如抖動技術的實現,本來只是兩種顏色的圖形簡單地交錯拼接在一起,怎么人眼就會看到另外一種顏色呢?如圖3所示,黑白方格交錯,從遠處看就是灰色。這種情況只講實際人們的經歷體會,而不要太細地去探究人眼的工作機理。日常發生的情況,一說學生就會知道有這種現象,至于為什么,不去管它,這種情況只要“想當然”地接受就好了。
CG涉及的知識面太廣,選修課課時又相對較少,因此對很多知識進行“知識屏蔽”,并“想當然”地接受并不是壞事,反而可以讓學生專注于必要知識的學習。這就像人們想要走過一條路,走到一半時,發現路面發生了一些變化,但并不會影響繼續行走,與其停下來探究路為什么發生變化,不如繼續走下去,畢竟路的問題不是我們要解決的事,這條路我們只是用而已。
2.4要強調實用性
學習知識的最終目的是為了解決實際問題。如果不知道學的東西會有什么用、怎么用,學生就會感覺到很盲目,沒有目標,會喪失學習興趣和熱情。“學這有什么用啊?我以后用得著嗎?”,這幾句話是學生經常會問的問題。有些課程的內容可能確實很難給出具體的應用,但CG不同,它是一門實踐性很強的課,應用非常廣泛,應用實例隨手可得,教師應該充分利用這種資源,讓學生看到學所用,這是調動學習積極性、明確學習目標的一個非常好的途徑。
如何強調實用性呢?在介紹CG理論和算法時,要配合它們在流行的圖形設計和動畫制作軟件(如AutoCAD、3D MAX、MAYA等)中的應用來講解,促進理論學習和軟件使用形成互動。如在介紹真實感圖形時,播放由計算機繪制出來的各種云彩、山峰、海綿等效果,動畫片中的各種變形效果等等,這樣本顯枯燥的理論內容通過實際應用展示出來,非常有利于學生理解和接受,也容易激發學習興趣,進一步明確學習目標。
2.5要能增強學生自我成就感
這一點放在最后講,是因為相對其他幾點來講,它是更加重要的。
通過分析有關心理因素認為:成就感是學習動機的基礎,是建立主動學習動機的保證,是被動學習轉化為主動學習的橋梁。因此,形成不同程度的成就感,是提高學習效果的有效手段。
現在許多學生為什么厭學?因為他們找不到“成就感”。在學習上看不到收獲,感到的只是挫折和疲倦,如此這般,想讓他們自覺努力地學習,是不可能的。所以一個明智的老師,應該研究一下學生的學習心理,想辦法讓他們不斷找到“自我成就感”,保持學習的積極性。
對CG來說,由于實踐性強、應用廣泛,因而講起來其實更容易些。在講理論課時,充分利用現有的CG應用資源,盡量用實際應用中的圖、動畫、游戲等來展示,學生更易接受。一張圖所能傳達信息的內容和速度都是言語所不及的,學生一看一聽就明白,也就會愿意繼續學習下去。課上課下還要提供氛圍,加強教學互動,可以讓學生分組討論,讓學生有時間思考,也要讓學生及時展示他的理解、他的想法,如果能得到肯定,自我成就感油然而生,一定會鼓舞學生的學習士氣。
在實踐教學方面時,實驗的內容應是學生力所能及的,并且鼓勵創新。當學生發現自己也能有新的想法時,學習的快樂會像一縷溫暖的陽光激勵他繼續前進。實驗內容的安排上還要考慮系統性,將每次實驗內容、實現的程序綜合到一個系統上(這個系統框架最好先由老師事先架設好)。到學期末,學生就會看到自己的作品――一個簡單的圖形系統,這無疑是一個最大的鼓勵和肯定,也會讓學生有繼續深入學習的期望和熱情。
當然增強學生自我成就感并不就是盲目的肯定和夸獎,不能讓學生產生怠慢的心理,認為這門課好學。必須適當增加需要認真思考,甚至多人合作、討論才能解決的問題,這樣有伸有縮,才會既不減學習熱情,又不使有怠慢情緒。
3小結
CG是一門綜合性學科,有其自身不同于其他課程的特點,教授起來會有一定困難,特別是作為選修課時,會面臨更多問題。依據課程特點及教授過程中的心得體會,我們總結出了以上教學思路。教學實踐表明,學生普遍反映較好,教學效果明顯提高。教學過程中,“學生是主體”這一點是毋庸置疑的,文中每一個想法和思路都以學生為出發點來思考問題,相信對學生的學習是有幫助的,當然這也對教師的教學工作提出了挑戰。
參考文獻:
[1] 覃雄派. 計算機專業本科的圖形學實踐教學[J]. 計算機教育,2007(11):80-83.
[2] 周芳芳,趙穎. 高?！队嬎銠C圖形學》教學改革探索[J]. 科技信息,2008(15):11-14.
[3] 張瑞秋,劉林,王京.計算機圖形學的發展現狀與教學改革[J]. 機械管理開發,2007(8):6-11.
1、計算機專業開設的主要課程有：電子技術、離散數學、程序設計、數據結構、操作系統、計算機組成原理、微機系統、計算機系統結構、編譯原理、計算機網絡、數據庫系統、軟件工程、人工智能、計算機圖形學、數字圖像處理、計算機通訊原理、多媒體信息處理技術、數字信號處理、計算機控制、網絡計算、算法設計與分析、信息安全、應用密碼學基礎、信息對抗、移動計算、數論與有限域基礎、人機界面設計、面向對象程序設計等。
2、學電腦的方法：首先認識電腦的基本組成設備；然后認識電腦的接線，這里的接線是指主機機箱外部的接線，機箱內部的接線；接著掌握電腦基本操作，如開關機、鼠標鍵盤的使用；最后掌握操作系統的基本操作即可。
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞：游戲設計；課程體系；課程設計
文章編號：1672-5913（2017）07-0001-05
中圖分類號：G642
0 引 言
隨著市場對游戲開發人員的需求量越來越大，很多學校陸續開設了游戲相關的課程或專業。就目前高校游戲方向的發展情況來看，課程設置或多或少還存在一些問題：大多只是簡單地進行課程堆積，未認真梳理。解決這個問題的根本在于要清楚游戲設計方向的定位，即學生進入社會后會從事哪些崗位，這些崗位需要具備哪些核心能力，通過對這些核心能力的分析提煉出支撐這些核心能力需要的課程。
1 游戲設計方向的專業定位
內的游戲行業開始于20世紀90年代中期，經歷了萌芽、單機游戲、網游等階段，現在進入移動時代。這些發展給中國游戲產業結構帶來了根本的變化。分析產業的發展可以幫助我們對游戲行業的未來發展趨勢進行預判，確定行業未來的技術需求。2008年以來國內各種平臺游戲用戶的增長情況如圖1所示。從圖1可以看出游戲用戶主要分為3類：端游用戶、網游用戶、移動游戲用戶。其中2014年，中國客戶端網絡游戲用戶數量約達到1.58億人，比2013年增長了3.9%；中國網頁游戲用戶數量約達到3.07億人，比2013年下降了6.5%；中國移動游戲用戶數量約為3.58億人，比2013年增長了15.1%。
游戲銷售量變化如圖2所示，2014年，中國客戶端網絡游戲市場實際銷售收入608.9億元人民幣，比2013年增長了13.5%；中國網頁游戲市場實際銷售收入202.7億元人民幣，比2013年增長了58.8%；中國移動游戲市場實際銷售收入274.9億元人民幣，比2013年增長了144.6%。
通過上述分析，我們認為：
（1）游戲行業整體仍有望保持高速增長。
（2）客戶端游戲市場規模仍繼續擴大，但市場占有率逐年降低；基于其每年很大的銷售收入來看，仍屬于游戲產業中的核心組成部分。
（3）網絡游戲進入高速平穩發展階段，移動游戲開始快速發展，其市場占有率將會逐漸提升；這兩類游戲將形成游戲產業中的新興市場。
2 人才需求分析
目前國內游戲產業的人才需求分為3個層次：初級游戲產業的人員包括運營人員、技術支持、售后服務等；中級游戲產業的人員包括游戲策劃、游戲美術、游戲程序等；高級游戲產業的人員包括主程序員、美術總監、策劃總監等。今后幾年我國中高級游戲產業人員的缺口仍然很大。
游戲開發公司目前主要職位見表1，其中三大崗位群是程序開發、策劃和美工。
3 崗位能力結構分析與課程設計
由于專業原因，我們僅從游戲開發技術層面對能力結構進行分析，提出相應課程設計。游戲開發主要包含美術制作、劇情創作和程序設計3部分內容。
美術制作和劇情創作定位偏藝術方向，游戲設計方向培養重點主要為游戲程序設計，培養的人員主要為客戶端程序員與服務器端程序員?？蛻舳顺绦騿T主要要求學生具備基礎編程能力、設計算法能力、圖形編程能力、軟件設計能力、腳本編程能力、熟悉游戲引擎以及具有界面設計能力。服務器端程序員主要要求學生具備基礎編程能力、網絡編程能力、數據庫編程能力和軟件設計能力。
3.1 基礎編程能力
基礎編程能力是專業學習的起點，用人單位也喜歡將基礎編程能力作為公司選拔畢業學生的重要標準。許多學生因為基礎編程能力無法達到而放棄了專業課程的深入學習，針對這一現象，我們在進行課程設計時，將通過增加語言課程的學時和嚴格考核標準來提升學生的編程能力，為此，我們設置了C語言、面向對象程序設計（C++） 、Java編程和C#程序設計課程，均采用上機考核方式。
3.2 設計算法能力
游戲中的AI、圖形的繪制及效率優化算法以及模擬現實的物理現象都需要學生具有較好的設計算法的能力。AI要求學生熟悉數據結構、A*算法等知識，為此我們設置了數據結構和游戲常用算法兩門課程來幫助學生初識游戲AI。圖形的繪制及效率優化要求學生熟悉計算機圖形學，能熟練使用OpenGL或Direct3D中的一種API來進行驗證算法。模擬現實的物理現象要求學生能用已經學習的數學和物理知識，構造算法模擬真實場景。通過學習計算機圖形學、高級圖形編程及游戲引擎編程課程，學生能夠掌握游戲場景的渲染，并能基于引擎了解真實場景的模擬。
3.3 3D圖形編程能力
為了增強游戲的真實效果，某些類型的游戲會以3D的方式呈現給玩家，制作3D游戲需要編程人員具備熟練的3D圖形編程能力。通過計算機圖形學讓游戲編程人員熟悉各種3D基本圖元的生成。高級圖形編程幫助學生了解3D場景建模、光照與紋理和一些圖形特效的模擬等。
3.4 軟件設計能力
游戲的類型非常多，如動作類、冒險類、模擬類、角色扮演類、休閑類等，設計不同類型的游戲在開發過程中軟件的架構是不一樣的，需要在學習過程中引導學生熟悉常見類型的游戲的總體架構。另一方面，目前游戲市場成功的游戲大多集中在中重度游戲開發，開發的代碼量大約可以到10萬行的量級，盡管不能算是一個大型的軟件項目，但游戲開發具有很強的時效性，往往幾周或幾個月的時間延遲對于游戲項目的損失是巨大的。因此，游戲開發對軟件工作知識要求很高，如何有效地進行軟件的維護，如何最優地實現代碼的擴展，團隊如何進行合理的協助等，這些基本的軟件開發原則都需要學生掌握。面向對象程序設計課程的部分案例間接地為學生勾畫出如何進行軟件設計；軟件工程課程能夠讓學生在工程實踐課程及畢業設計過程中體會到軟件設計的精髓。
3.5 腳本程能力
游戲發展與普通軟件發展路線類似，都是基礎框架+腳本邏輯的模式。我們在創建游戲項目時發現，最好的辦法就是將游戲腳本集成到程序中，這樣可以很好地控制游戲的流程并節省開發時間。我們主要通過C#編程技術與游戲腳本編程兩門課程培養學生的腳本編程能力。
3.6 熟悉游戲引擎
游戲開發具有很強的實效性，目前大多數游戲公司在開發中都是使用引擎來進行開發，游戲引擎在項目開發中充當搭建游戲骨架的角色，游戲引擎開發可以把游戲中的基本元素如畫面、劇情、關卡、操作等有效地拼接在一起，構建成一款完整的游戲，同時賦予制作者實現其設計理想的可能性。游戲引擎編程課程介紹游戲引擎架構中的核心技術，而工程實踐及畢業設計則幫助學生了解甚至嘗試開發引擎。
3.7 界面設計能力
游戲界面設計是評價游戲軟件品質等級的重要指標，隨著玩家交互性要求的提升，游戲的界面設計已經不是早期的界面設計。游戲編程人員也需要知道可玩性（gameplay）的基本原則，并體現在具體的游戲界面設計中，界面設計能力所需要承載的課程有信息架構與可視化、游戲美術設計、用戶研究與價值創造、用戶界面設計等。
3.8 網絡編程能力
國內游戲基本以網游為主，大部分游戲都需要具備網絡環境下的多玩家功能，需要開發人員熟悉如何使用Socket庫進行數據傳輸、如何進行TCP/IP編程等。為此我們設置了計算機網絡和網絡游戲編程兩門課程。
3.9 數據庫編程能力
游戲數據的管理是網絡游戲的根本，熟練的數據庫編程能力對于游戲服務器編程人員是必需的。數據庫技術課程教授數據庫的相關原理和基本語法，相應的工程實踐則鍛煉學生在游戲項目進行數據庫設計的能力。
4 游戲開發課程路線設計
針對端游、頁游、手游等不同開發路線，考慮對開發平臺的選擇，我們設計了以下3條開發課程路線。
1）端游開發課程路線。
端游開發對平臺知識要求較多，目前端游還是主要運行在Windows系統上，因此我們前端開設了Windows編程，圖形渲染部分設置了計算機圖形學和高級圖形編程。端游開發課程路線如圖3所示。
2）手游開發課程路線。
手游開發需要對移動終端開發和設計方面的知識有所了解，因此開設了移動終端編程及用戶界面設計等課程；目前手游需要兼顧兩大主要平臺，熟悉Html5技術是非常必要的；同時手機游戲中界面的交互性要通過信息架構可視化課程來解決。手游開發課程路線如圖4所示。
3）頁游開發課程路線。
頁游開發過程要求學生對Web編程有所了解，目前頁游和手游結合緊密，這就需要學生同時了解手游的相關知識。頁游開發對學生的服務器編程能力要求較高，同時由于學時限制，學生無法系統學習Java方向課程，為此我們在課程設計中開設了與服務器開發相關的課程，如Web編程技術、XML設計與應用等。頁游開發課程路線如圖5所示。
5 結 語
游戲行業發展很快，很難建立一個長期穩定的課程體系。課程體系建設應該從需求本質進行剖析，提煉出經典的知識作為專業的固定培養內容，同時將根據市場需求調整的內容作為可變的培養內容，形成穩定的持續改進模式。我們將本著滿足社會需求、培養高素質人才的基本理念，持續改進完善課程體系。
參考文獻：
[1] 中國音數協游戲工委. 2014年中國游戲產業報告[M]. 北京： 中國書籍出版社， 2014.
[2] 趙豐年， 陳朔鷹.“數字媒體技術專業”課程體系探討[J]. 計算機教育， 2008（15）： 28-30.
[3] 駱斌， 王浩然， 丁二玉. 面向軟件系統設計的軟件工程專業關鍵課程建設[J]. 中國大學教學， 2015（2）： 58-61.
【關鍵詞】虛擬現實 數字媒體 藝術設計
虛擬現實，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術，也稱靈境技術或人工環境。VR技術領域幾乎是所有發達國家都在大力研究的前沿領域，它的發展速度非常迅速。作為一項尖端科技，虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境，從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。
一、虛擬現實課程簡介
隨著國內寬帶網絡的普及和多媒體技術的發展，虛擬現實技術逐漸應用于信息多媒體展示方面。而三維網絡展示系統將是虛擬現實技術未來發展的重要方向之一，因此全國各高校相繼開設數字媒體藝術設計專業，其中的虛擬現實技術的課程成為國內外教育技術學及媒體傳播領域的研究熱點和發展趨勢之一，它集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、多傳感器、網絡等技術的最新成果，以其沉浸性、交互性和構想性等無可比擬的優點。虛擬現實技術在各行各業得到了廣泛的應用和重視，比如在教育培訓、城市規劃、文物保護、游戲娛樂等領域取得了巨大的發展，市場前景廣闊；同時國家自然科學基金會、國家高技術研究發展計劃和863計劃等都已將虛擬現實技術列入了研究項目。
虛擬現實課程是以往多個計算機輔助設計軟件的一個綜合運用，課程主要涉及到多個軟件與課程的結合，軟件包含有Photoshop、AutoCad、3dsmax、Virtools 等，涉及課程有建筑制圖、建筑場景漫游、景觀綠地設計等專業范圍。課程主要運用虛擬現實技術完成一個三維場景的漫游瀏覽系統， 使其能夠流暢，完整的再現一個實際的環境或建筑。其中主要運用virtools 這個軟件來實現交互瀏覽的制作， 這一步驟是整個系統實現人機交互的核心， 最后完成系統的制作并。
二、虛擬現實在國內高校的研究現狀
國內在VR方面有較多研究成果的其他單位有國防科技大學、天津大學、北京理工大學、中國科學院自動化研究所、西北大學、山東大學、大連海事大學和香港中文大學等。
北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究的機構之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬世界中物體物理特性的表示與處理，在VR中的視覺接口方面開發出了部分硬件，并提出了有關算法及實現方法。他們還實現了分布式虛擬世界網絡設計，建立了網上VR研究論壇，可以提供實時三維動態數據庫，提供VR演示世界，提供用行員訓練的VR系統，提供開發VR系統的開發平臺，并將要實現與有關單位的遠程連接。
清華大學計算機科學和技術系對VR和臨場感的方面進行了研究，他們還針對室內環境中水平特征豐富的特點，提出借助圖像變換，使立體視覺圖像中對應水平特征呈現形狀一致性，以利于實現特征匹配，并獲取物體三維結構的新穎算法。
西安交通大學信息工程研究所對VR中的關鍵技術——立體顯示技術——進行了研究。他們在分析人類視覺特性的基礎上提出了一種基于JPEG標準壓縮編碼的新方案，并獲得了較高的壓縮比、信噪比以及解壓速度，并且已經通過實驗結果證明了這種方案的優越性。
2004年南京大學成立了南京大學虛擬現實與數字媒體研究中心，對VR技術及應用進行研究，并把重點放在虛擬體育仿真、數字文化遺產保護和自然人機交互等方面。
三、虛擬現實課程開設的重要性
虛擬現實技術是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境，并通過傳感設備與之交互的新技術。作為一門新興的學科，它已經被眾多高校納入計算機科學與技術專業的選修課范疇，但是卻沒有在數字媒體技術專業中普遍開設。其實無論從技術特點，還是從社會需求來講，虛擬現實技術都與數字媒體技術有著非常密切的關系，具體體現在如下幾個方面。
1） 虛擬現實是一門典型的交叉學科，它所涵蓋的知識結構與數字媒體技術具有非常大相似性，例如計算機圖形學、數字圖像處理、計算機視覺、視音頻技術等。除此之外，它還涉及了仿真技術、人工智能技術、計算機網絡技術、多傳感器技術等內容。虛擬現實強調這些技術的綜合應用。
2） 虛擬現實強調技術創新性和應用創新性。從技術上來講，虛擬現實在不同學科的交叉融合中，能夠不斷產生新思想和新方法，例如近幾年出現的各種人機交互新方法，各種立體顯示新技術等；從應用上來講，虛擬現實具有強烈的“身臨其境”的沉浸感和發人想象的刺激性。因此，利用虛擬現實技術，學生們能夠將自己的任何創意和想象進行實踐，在虛擬場景中進行規劃、設計和測試，從而激發出新的創意。
