基于OpenGL的计算机图形学教学改革探索

杜利峰，李竹林

（1.延安大学 计算中心，陕西 延安 716000；2.延安大学 计算机学院，陕西 延安 716000）

社会已经进入数字化时代，这个时代的特征是“世界图形/图像时代”，它的主要认知方式是视觉形象方式，这是一种全球化的联络模式，语言的阻隔被打破，文字的垄断被消解，同时 “虚拟空间”介入了现实空间，成为对现实的阐发、复制和扭曲。计算机图形学研究的就是用一种最直接的形式来表示和表现生活中多彩多姿的世界。具体地说，计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科[1]。主要研究两个问题:一是如何在计算机中构造一个客观世界，即几何模型的描述、创建和处理；二是如何将计算机中的虚拟世界用最为形象的方式，静态或动态地展现出来，即绘制模型[2]。随着科学技术与计算机图形学设备的发展，计算机图形学技术得到了快速的发展并逐渐渗透到人们生活的各个领域[3-4]，对人类的生产与生活发挥着越来越重要的作用。

计算机图形学作为计算机专业本科生的专业课程，不仅要求学生掌握本课程的教学内容，更重要的培养学生发现问题、解决问题以及创新的能力。本文总结计算机图形学实验教学过程中存在的问题，提出了改革的思路，并在教学过程中进行探索与总结，结果表明该方法是有效的。

1 计算机图形学实验教学中存在的问题

计算机图形学具有广泛的应用领域，因此很多学生往往在刚刚接触这门课时有很大的兴趣，当然也会有很大的期望。然而，在后续的学习过程中，学生的主动性和积极性逐渐消失，学习的目的仅仅成为完成学分，根本谈不上培养创新能力。下面就根据对学生的调查结果分析主要原因。

1.1 学科难度太大

学生表示计算机图形学用到的基础知识涉及数学太多，因此难度较大，不易掌握。事实上，计算机图形学是建立在图论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科，涉及计算几何、图像处理、模式识别等多个学科的相关知识，学科交叉繁杂，使该学科成为一门以数学为基础、算法为主线的强理论、重实践的课程。因此学生体会到学习理论知识抽象，计算机实现算法难度较大。故而渐渐地失去了学习的兴趣。

1.2 教学观念落后

传统的教学观念强调的是老师传授知识，看重的是学生对知识点的掌握程度。因此教师备课时是根据教学大纲要求来安排课堂内容，对章节的重要知识点作较详细的讲解。这样，一般会形成老师满堂灌，学生被动跟着老师学；老师不设置问题，学生不解决问题；老师学生互动太少，学生不能发挥主动性、积极性自然也不会太高。而且传统的教学观念还往往不特别重视实验教学，更谈不上在讨论中发现问题、在实验中解决问题。显然，这种教学模式不利于培养学生的兴趣、不利于培养学生的发现问题、解决问题以及创新的能力。

1.3 实验工具与内容陈旧

在计算机图形学的实验教学过程中，好多高校还一直使用C或VC++实现编程，使得学生实现起来难度太大，特别是绘制模型的实现。再加之实验内容阵旧，考核方式单一，学时又较少。这只能导致学生对实验兴趣不浓，也没有足够的实验课时系统完成一个实验项目，且不能体现和培养学生的综合能力。可见传统的实验教学没有很好地发挥应有的作用。

2 实验教学改革方法与目标

2.1 改变传统的教学观念

将以教师为主动，以传授知识为主的传统教学模式改变为以学生为中心，以培养学生能力为目标的新型教学模式。计算机图形学课程是以传统经典算法为主线的一门专业课程，因此教师在讲授算法的基础上，分析算法，发现问题，并引导学生改进算法，解决问题。比如：扫描线种子填充算法[1]、Cohen-Sutherland直线裁剪算法[1，3]等。在扫描线种子填充算法，存在的问题有：对于各种图形是否有漏填的区域；种子选取与像素填充的过程分步进行；算法中堆栈的操作频繁等。在Cohen-Sutherland直线裁剪算法中，存在的问题有：完全在窗口之外的线段的判断不充分；求交次数多、运算量大等。引导学生在分析的过程中发现总结问题，然后分组讨论，给出合理的解决方案。这样，不但激发学生的兴趣，提高学生发现问题、解决问题的能力，而且能培养培养学生的创新能力。

2.2 调整实验工具，设置实验项目

OpenGL是个专业的图形程序接口，OpenGL是一个功能强大的开放图形库，提供了基本库、实用库和辅助库3个函数库，涵盖了开发二、三维图形程序所需的各个方面[4]。而且OpenGL独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植，与Visual C++有紧密接口。因此，结合OpenGL实现图形算法是最佳选择。另外，必须结合实际应用需求与学生的能力培养，设置新的实验项目，如表1所示。

表1所示的实验项目设置方案，不仅要求学生掌握基本算法，更注重学生能力的培养，包括学习应用新技术的能力、综合编程能力、分析问题的能力、解决问题的能力以及创新能力。在此基础上，引导学生将自己的实验分析、问题发现、解决方案、实现过程以及实验结果分析整理并撰写成文章，培养学生的科研能力。

表1 计算机图形学课程的实验项目Tab.1 Experiment project of computer graphics course

2.3 综合评定学生成绩

在本课程的教学过程中，根据学生的情况，设计了多因素、异权重的考核方法，取得了较好了效果。具体如表2所示。

考核是保证教学质量的重要手段，科学合理的考核有利于调动学生主动性，培养学生的学习兴趣、能力与创新思维。同时，也有利于老师发现学生学习过程中存在的问题，根据情况改进教学方法。表2所示的考核方法在近三年的本科《计算机图形学》课程中进行了实践与探索，取得了较好的教学效果，也得到了学生的高度好评。

表2 综合评定考核因子与权重Tab.2 Evaluation factors and weight of comprehensive assessment

3 结束语

计算机图形学课程是一门理论性与实践性均很强的计算机专业课程，要求学生掌握的内容与算法有很多值得研究与分析，因此对于培养学生的能力应该发挥重要的作用。文中是结合课堂教学与实践教学的亲自经历，总结了计算机图形学课程教学中存在的问题，并提出了相应的教学改革措施。经过三年的教改实践，取得了较好的教学效果。当然，该方法还有待于在教学过程中进一步的改进与完善，以更好地提升计算机图形学课程的教学质量，提高学生的综合能力。

[1]孙家广，胡事民.计算机图形学基础教程[M].北京:清华大学出版社，2009.

[2]何援军.计算机图形学[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.

[3]吴婷.从OpenGL图形系统谈计算机图形学的应用领域[J].科技广场，2010（6）：64-66.WU Ting.Discussion of the computer graphics application by OpenGL graphics system[J].Science Mosaic，2010（6）：64-66.

[4]柳海兰.浅谈计算机图形学的发展及应用[J].电脑知识与技术，2010（3）：9551-9552.LIU Hai-lan.On development and application of computer graphics[J].Computer Knowledge and Technology，2010（3）：9551-9552.

[5]孔德慧，尹宝才，刘媛媛.对Cohen-sutherland线段裁剪算法的改进[J].北京工业大学学报，2002，28（4）:483-486.KONG De-hui，YIN Bao-cai，LIU Yuan-yuan.Improvement in the algorithm of Cohen-Surtherland segment clipping[J].Journal of Beijing Polytechnic University，2002，28（4）:483-486.

[6]Francis SHill.计算机图形学（OpenGL版）[M].3版.胡事民等，译.北京：清华大学出版社，2010.