图形技术类系列课程教学内容的综合分析及其教学探讨

杨刚　上官大堰　曹卫群

摘要：以计算机图形学、虚拟现实技术、游戏程序设计、计算机动画原理与技术4门课程为研究对象，从图形技术知识模块的角度出发，系统地分析各课程中教学内容间的体系结构和紧密联系，并在此基础上，以北京林业大学为例，对课程教学中存在的问题进行探讨，提出相应的调整措施与建议。

关键词：计算机图形学；虚拟现实；图形技术类课程；教学内容规划

0.引言

近20年来，图形技术获得了飞速发展，应用日益广泛。同时其也成为当前教育、培训的热点内容。各个大学与教育机构纷纷开设了图形技术类的课程，有以介绍图形基础理论为主的计算机图形学课程；以介绍图形技术应用为主的虚拟现实技术、游戏编程技术等；以设计训练为主的三维图形设计、计算机动画设计等。这些课程有着不同的理论深度要求以及不同的技术侧重点，但它们都以图形技术为本，在许多教学内容上是相互连通、相互映照的。并且这些课程分别是从不同的层次上对图形理论进行阐述，其教学内容在安排上也有着先后顺序的要求。因此，为了能够让学生由浅入深、循序渐进、理论联系实践地系统掌握图形技术，图形技术类课程教学内容的统筹规划和统一设计是非常必要的。

目前，北京林业大学开设的图形技术类课程包括：计算机图形学、虚拟现实技术、游戏程序设计、计算机动画原理与技术4门课程，主要面对计算机科学与技术、数字媒体艺术、动画及地理信息系统等专业的学生。其中计算机图形学讲授图形技术的基础理论与重要算法；动画原理与技术讲授图形技术中动画制作的理论与实现技术；而虚拟现实技术、游戏程序设计则在基础理论和算法的基础上讲授图形技术在两个重要领域的应用技术。笔者首先简要介绍4门图形技术类课程的教学内容；然后对其教学内容进行综合分析，系统划分其知识模块，并对知识模块间的联系进行科学分析；在此基础上，对课程内容的规划与调整提出了具体的想法和建议，以供广大教学工作者参考与讨论。

1.图形技术类课程教学内容介绍

本节简要介绍4门图形技术类课程的主要教学内容，并进行一定分析。所介绍的教学内容主要以北京林业大学的课程内容为参考。笔者对计算机图形学、虚拟现实技术、游戏程序设计、计算机动画原理与技术这4门课程有多年的教学经验，在教学过程中依据经典教材，结合自己的心得总结形成了比较系统的教学内容。因此所介绍的教学内容在目前国内相关课程的教学中具有很强的代表性。

1.1计算机图形学

计算机图形学主要以介绍图形基本理论为主，是4门课程中理论性最强，也是掌握难度最大的课程。其主要教学内容包括：

①计算机图形学及图形系统概论；②二维图形算法；③计算机图形流程；④三维建模技术；⑤真实感图形学；⑥图形编程技术——OpenGL介绍。

从以上的教学内容来看，第1、2部分是对图形理论的基本理解；第3、5部分是有关绘制的技术；第4部分是建模；而第6部分则是图形编程实践。建模、绘制和动画是计算机图形学的3项主要研究内容。目前的课程内容循序渐进地对基础图形概念，以及绘制和建模技术进行了介绍，并配合OpenGL进行深入理解，其教学内容基本合理。之所以没有涉及动画技术是因为动画技术太过于庞杂，很难在有限的课时内进行系统介绍，而且相对于绘制与建模来说，动画技术是较高级内容，可留在后续课程系统介绍。

1.2计算机动画原理与技术

与计算机图形学相呼应，这门课对图形学中的动画技术进行系统介绍。通过本课程的学习，使学生对计算机动画的低层运动控制与高层运动控制技术的基本概念、基本理论以及运动控制技术在计算机动画中的运用有个基本的认识和理解，并使学生掌握各类动画制作的基本技术。其主要教学内容包括：

①动画技术概述与动画基础知识；②各类动画技术的系统介绍，包括参数关键帧技术、轨迹驱动动画技术、变形动画技术、关节动画技术、粒子动画技术等，每种动画技术都将在介绍基础理论、算法的基础上结合3DS Max进行演示与实验教学；③动画脚本语言，讲授MAXScript脚本语言。

计算机动画是计算机图形技术的重要研究内容。该课程从理论到实践，对计算机动画的主要技术进行了系统讲授，对学生完整掌握计算机图形技术体系具有补充作用。

1.3虚拟现实技术

虚拟现实技术是指运用计算机生成能够给人多种感官刺激的虚拟环境的技术。在此虚拟环境中，用户应该能够以自然的方式与这个环境交互，从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感、沉浸感和身临其境的感觉。严格说来，虚拟现实技术所包含的技术范围大于图形技术范畴，它还涉及听觉、触觉、心理学等诸多学科技术。但是由于视觉在人类感知活动中占有绝对优势地位，因此图形技术是虚拟现实应用中最关注的技术，而虚拟现实也是图形技术的一个重要应用领域。虚拟现实技术的主要教学内容包括：

①虚拟现实技术概论；②虚拟现实系统的接口设备；③虚拟现实系统的相关软件；④虚拟现实系统中的相关图形技术，包括几何建模、实时绘制、实时碰撞检测等。

虚拟现实可以看成图形技术的一个直接应用领域，其各种虚拟现实平台软件，如VRML、Virtools同时也是一种图形平台软件，而虚拟现实中虚拟景观表现都是三维图形技术的运用与实现。因此这门课与前述计算机图形课程紧密相关，其第4部分的教学内容是计算机图形学的延伸与扩充，而第3部分所介绍的软件也是图形技术的应用实践。

1.4游戏程序设计

该课程讲授游戏程序设计理论，并使学生掌握游戏程序的基本框架、游戏中的常用算法原理、游戏策略实施及游戏智能实现的基本方法。在实践上，该课程的教学将使学生能通过游戏制作环境，制作出实际可玩可用的游戏。其主要教学内容包括：

①计算机游戏概述；②游戏程序设计概述及游戏制作环境介绍；③二维游戏的设计实现，讲授二维游戏的基本流程和架构，并涉及一系列重要图形、图像概念，如图像文件格式及存取方法、透明贴图等；④三维游戏编程基础，由于三维游戏设计与编程是建立在对三维图形技术深入理解的基础上，因此本部分将涉及一系列三维图形技术，包括三维游戏场景组织技术、三维游戏高级图形技术等，此外还包括一些音效三维化的技术；⑤游戏中的人工智能技术和人机界面设计。

第4部分是该课程的教授重点，也是学生能否掌握游戏编程的关键所在，而这部分的学习与图形技术密切相关。其讲授内容正是图形技术在游戏场景构建方面的一系列具体应用技术，也是对学生图形技能的扩充和加深。

2.4门图形技术类课程教学内容的综合分析

从以上4门课程的教学内容可以看出，虽然每门课程各有侧重，但是其重点的理论基础和技术难点都在图形技术的理解和掌握。计算机图形学给出了基础理论和算法；计算机动画原理与技术深入讲解了计算机图形学中计算机动画的基础理论和实现技术；虚拟现实技术和游戏编程技术则从2个具体的应用领域对计算机图形技术中的建模和绘制技术进行了更深入更具体的阐述。4门课程循序渐进、由基础到实用，形成了对计算机图形技术主要内容的完整介绍。图1所示是图形技术类课程教学内容关系图，是我们根据图形技术的研究内容对4门课程的教学内容之间的关系进行的总结。

计算机图形学中图形概念和图形算法众多，而且由于图形涉及了三维空间的变换和大量的数学运算，使其学习难度较大。如果仅从算法理论角度来讲解很难使学生有深刻的体会，也很难使其仅通过一门课程就完全掌握。同时，计算机图形学又是一门应用性很强的学科，只有与具体的应用相结合才能使学生真正理解图形理论。而这4门课程的搭配正好形成了一种先理论后实用、逐渐补充、逐渐深入的格局，这是符合图形技术教学规律要求的，也符合学生的认知习惯。从图1中可以看出，学生先学习计算机图形学课程就建立了图形技术在建模和绘制方面的理论基础；之后通过学习计算机动画原理与技术来补充动画理论和动画制作的实用技术；通过学习虚拟现实技术和游戏程序设计不仅掌握了两种重要的应用技能，而且通过实际应用将对图形中建模和绘制的理论有更深入、更具体的理解。从课程教学的先后来看，计算机图形学应当先于其他3门课程的安排，一般安排在三年级上半学期为宜；而其他3门学科可安排在三年级下半学期。

4门课程采用不同的实验工具，包括OpenGL、3DS Max、VRML、Virtools等。这些工具都是目前最具有代表性的图形工具，并且涵盖了图形技术从基础编程到高级实用，从通用应用到专业应用的不同方面。其中OpenGL是图形编程的业界标准之一，适用于专业图形编程人员；而3DS Max、VRML、Virtools相对更容易掌握，适用于高级应用，并有不同的应用侧重点。

3.图形技术类课程教学的探讨与改进

从以上对教学内容的综合分析可以看出，我们对4门课程的设置基本合理，能够使学生系统地掌握主要图形理论和图形实用技术。但是由于图形技术本身的复杂性，也由于讲授各门课程的教师间缺乏细致的沟通，使得图形技术类课程在教学上还存在一些问题，如各门课程内容衔接不够密切、原理与应用联系不紧、教学枯燥、学生反映学习困难等。经过对问题的分析和对图形技术类课程教学的综合考虑，我们对教学内容和实验内容提出了如下一些调整建议，供大家参考。

1）加强不同课程教学内容的一致性和教学内容的相互呼应。

由于图形技术的发展日新月异，往往学术界和应用领域对同一概念有不同的称呼，甚至不同的定义。而各门课程没有经过统一规划，往往使得不同课程对同一概念出现不同的叫法或解释。如目前在计算机图形学课程中称rendering为绘制，而虚拟现实技术中则称为渲染；计算机图形学课程中提出了片元（fragment）的概念，而游戏程序设计中则统一称为像素。这些叫法上的差异容易使学生发生混淆，并影响学生对图形技术的理解。为此我们应当对各门课程的主要概念进行一个统一规划，保持其叫法和概念上的一致性。

更重要的是，教师在讲授各门课程的过程中，应当对其他课程讲过的图形概念进行一个呼应性的介绍，并鼓励学生回顾相关课程内容，这样可以大大加深学生对图形概念的理解。例如虚拟现实技术课程第4部分“虚拟现实系统中的相关图形技术”涉及了图形流水线和图形绘制的大量概念，教师应当在讲解这部分内容前对计算机图形学的相关内容进行回顾，这样更容易让学生联系起所学内容，加深印象。还比如目前在计算机图形学课程中还没有安排有关动画技术的教学内容，如果课时允许的话，可以考虑安排1～2个学时对动画技术进行概述，这样一方面使得教学内容更为完整，另一方面也可以对计算机动画原理与技术课程的教学起到一个先导的作用。

2）任课教师应加强对图形技术的理论学习。

虽然都是图形技术类课程，但是有些课程主要以技术应用为主，任课教师并不一定具备对图形技术理论的深入掌握就可以展开教学。比如虚拟现实技术和游戏程序设计两门课程更偏重于图形技术的应用，其所使用的工具往往也属于高层次设计软件，使用中不需要涉及基础的图形理论。这样使得任课教师即使没有系统深入地学习过图形理论也能够教授给学生应用技术。但是，如果教师能够对图形理论有系统深入的掌握，将会使教学质量有很大提高。一方面教师能够在教学时有大局观，能够对各部分教学内容有更清晰的认识和安排；另一方面，教师能够更好地引导学生从应用中体会理论，从而加深对基础理论的理解，提高应用效果。

3）建立统一性、延续性的实验体系。

实验是图形类技术课程中不可或缺的教学环节。由于各门课程有着不同的教学要求和应用侧重，各门课程采用了不同的实验工具，并且在实验内容的布置上没有必然的联系。但是，这些不同的实验工具都是从不同应用层次体现了共同的图形技术；并且动画、游戏、虚拟现实等不同应用技术间也有着相同之处，具有一定的共通性。如果能够将实验内容统筹考虑，使不同课程的实验工具及具体实验内容有所呼应，可以从一定程度上提高学生的实验兴趣，并加强其对应用技术的掌握。比如，计算机图形学课程实验的内容之一是建立一个能够运动的机器人；而机器人的运动也在计算机动画原理与技术中关节动画技术的实验内容中有所涉及。这样，在机器人实验中，完全可以建立不同课程间实验内容上的连续性。又如，虚拟现实技术和游戏程序设计实验内容中都涉及了虚拟三维场景的构建，并且采用的建模工具都为3DS Max，如果能将这两部分实验内容统一起来，将使学生有更充足的课时完善实验作品。而计算机动画原理与技术课程实验中所涉及的3DS Max软件及其脚本编程技术也可以对虚拟现实技术和游戏程序设计课程实验起到辅助作用。由此可见，各门图形技术类课程的实验内容间可以进行一个统筹的规划，建立一个具有一定统一性、延续性的实验内容体系，这样不但可以提高实验效果，还可以加强不同课程教学内容间的呼应。

4.结语

通过以上分析可以发现，4门图形技术类课程的教学内容有明确的理论教学要求和应用侧重点。4门课程由底层理论到高层应用、由基础编程到交互设计、循序渐进地形成了对计算机图形技术主要内容的完整介绍，其教学内容设置基本合理；但是由于缺乏统筹规划，在教学内容的一致性和实验环节的设计上有一定问题。为此笔者进一步从3个方面提出了相应的改进建议，以作为本学科今后图形技术类课程教学及实验内容设计的参考。

参考文献：

[1]唐荣锡，汪嘉业，彭群生，计算机图形学教程[M]，修订版，北京：科学出版社，2001：15-26.

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[3]杨刚，黄心渊，“虚拟现实技术”课程的教学设计与讨论[J]，计算机教育，2008（2）：41-44.

[4]吕建德，游戏程序设计概论[M]，北京：中国铁道出版社，2006：14-22.

（见习编辑：刘丽丽）