面向游戏开发的计算机图形学立体化实践教学框架研究

李 丹, 袁 凌, 胡迎松, 朱玲玲

(华中科技大学 计算机学院, 湖北 武汉 430074)

面向游戏开发的计算机图形学立体化实践教学框架研究

李 丹, 袁 凌, 胡迎松, 朱玲玲

(华中科技大学 计算机学院, 湖北 武汉 430074)

针对计算机游戏产业不断壮大的现象,围绕面向计算机游戏方向人才培养的计算机图形学教学和评价问题展开研究。探索了以计算机图形学为主线维度,将计算机专业软硬件课程横向贯穿,并引入基于权重的教学评价第三维度,提出了计算机图形学多维度立体化实践教学框架。通过多角度、多渠道的专业理论与实践的交叉渐进教学培养模式,结合客观的教学评价标准,全面提升学生的积极性和专业综合应用能力,使其具备较好的游戏开发基本素质和创新能力。

计算机图形学； 立体化实践教学框架； 多维度

2009年由教育部颁布的“国家教育十二五规划纲要”中明确提出创新人才培养模式,指出“适应国家和社会发展需要,遵循教育规律和人才成长规律,深化教育教学改革,创新教育教学方法,探索多种培养方式,形成各类人才辈出、拔尖创新人才不断涌现的局面”[1]。随着计算机技术和经济水平不断提高,计算机游戏产业不断壮大,已经成为最快的经济增长点,社会对计算机游戏开发创新型人才的需求急剧加大[2-3]。本文提出具备3个维度的计算机图形学立体化教学框架：图形学理论到实践的纵向深入挖掘维度、关联课程横向穿插扩展迁移维度以及权重机制的教学评价维度,提出系统化能力培养模式,为计算机图形学教学开拓一种教—评一体化的新教学体系,从而为学生今后从事游戏产业的开发打下坚实的基础[4]。

1 计算机图形学教学在游戏开发方向的地位及存在的问题

游戏开发以动态的三维图形渲染来生成游戏画面,从建模、渲染、光照、纹理等,全部都是基于计算机图形学的算法和理论,因此,“计算机图形学”是游戏开发方向的一门重要专业基础课[5]。该课程是建立在图论、现代数学、物理和计算机科学基础之上的一门新兴综合课程,涉及计算机软硬件知识、图形化程序开发等领域,具有知识面广、内容跨度大、实践能力要求高等特点[6-7]。因此,在“计算机图形学”的教学中应理论与实践并重,既要讲解清楚基本理论和算法,又要给学生充分的实践训练,为学生后续展开游戏开发领域的相关工作打下坚实的基础。

在当前的计算机图形学理论与实践教学中,长期存在以下几个方面的问题:

(1) 课程教学缺乏系统性和关联课程知识的融合性。传统的计算机图形学教学中缺乏对图形学不同模块知识的交叉结合,更缺乏软硬件关联课程知识的融入,进而难以建立计算机图形学知识体系框架,无法形成图形化思维创新能力。

(2) 实验项目的设置缺乏实践性和创新性。常见的实验项目中,如果是普通的图形算法验证性实验,则理论性强,与实际应用问题的关联不大；而真正的一些实际应用问题综合性强、难度过大,容易让学生产生畏难情绪,也阻碍了发散性思维的启迪。因此,设计一些既具备实际意义且难度恰当的,又能提高学生学习兴趣和创新能力的计算机图形学实验项目,已成为计算机图形学教学迫切需要解决的问题。

(3) 教学效果的评价机制缺乏科学性和客观性。传统的教学评价方式往往只注重理论考试和实验结果,而且由于知识点的离散性和实验项目的孤立性,使得对教学效果的评价较为片面,欠缺客观性。考虑知识点的耦合性和实验项目的关联性、重视培养学生掌握解决问题的方法、建立基于过程的权重评价方式,对计算机图形学课程教学的深化有重要的作用[8]。

2 计算机图形学立体化教学框架构建

为培养学生掌握“计算机图形学”系统知识,以验证性和综合性相结合的实验项目为依托,纵向深入计算机图形学基本理论和算法,横向引入关联课程,辅以教学跟踪评价维度,从多层次、多维度上构建立体化教学模型。根据以上思路,结合本院计算机图形学的教学计划[9-10],我们将计算机图形学划分为理论教学和实践环节2个主体部分,其中实践环节,把实验依据知识难度划分为阶梯状的3个实验,以此为主线构建了计算机图形学立体化教学的总体框架,如图1所示。整个框架由3个维度组成:计算机图形学基本理论到实验项目的主线纵向深化维度；软硬件类关联课程到计算机图形学的横向扩展维度；基于权重的教学评价维度。

图1 计算机图形学立体化实践教学总体框架

2.1 计算机图形学理论与实践的主线纵向深化维度

从基础理论到实验项目的主线深化维度的主要目标是进行知识体系的纵向深化,在系统介绍理论知识的过程中,通过2个基础性实验和1个综合性实验,使学生循序渐进掌握计算机图形学一般应用问题的解决方法,并巩固所学习的基础理论知识,如图1所示理论与实践主线维。

实验项目的安排除了基本理论的验证和基本算法的实现外,还包含各种理论和算法有机结合而进行的综合设计,以利于培养学生自主学习、独立思考、分析解决问题的能力。

第1个实验设置为“二维分形图形的绘制”,作为基础性实验,借由二维分形图形的绘制,将二维图形学的核心知识点如直线的扫描转换算法、二维图形的几何变换、裁剪等理论融入到实际问题中。第2个实验设置为“三维模型真实感绘制”,基于第一个二维图形实验来扩展三维图形学概念,将多边形表面模型、三维几何变换、投影变换、消隐算法、光照模型三维图形学的知识点序列进行,通过几何变换和投影变换的综合应用建立学生的空间概念,并将消隐算法和光照模型与像素信息之间关系映射的计算方法有效结合,使学生掌握三维真实感模型形成的基本原理和流程。

以二、三维图形学理论和前2个实验为基础,将实验3设计为综合性实验,题目为“实时三维自然场景绘制”,主要将各类图形学算法综合应用到实际问题中。在该实验中,将三维规则对象和非规则对象建模综合考虑,并将漫游、碰撞检测等技术融入进去,以解决现实生活中碰到的自然现象和有效性问题。通过该实验,可把绝大多数计算机游戏方面的理论和实践知识点包含进去,在后续学习中,学生可在此基础上对计算机游戏开发领域中各项感兴趣的分支点进行进一步深入探索即可。

通过上述3个实验,将计算机图形学内容体系有

效整合,以二维图形学→三维图形学→交互式图形学的逻辑性层次知识予以衔接和贯穿,既遵循了知识环环相扣、层层递进的基本特点,又符合学生从易到难掌握知识的一般规律,建立计算机图形学的系统化体系。

2.2 关联课程的横向扩展维度

在解决计算机游戏开发的问题中,除了需要计算机图形学课程自身内容的纵向支撑,还离不开与计算机图形学紧密相关的其他软硬件课程的横向辅助,如软件类课程“程序设计基础”和“算法分析与设计”等,硬件类课程“操作系统”和“高性能计算”等。因此,为使学生循序渐进地深入理解关联课程在计算机图形学中起到的作用,我们提出以纵向深化主线中的实验为中心,把软硬件关联课程分阶段、交错来进行横向维度扩展的策略,如图1所示的关联课程维。

关联课程的横向扩展维度实施的基本思想是以学生容易形象化和直观化理解的软件类关联课程为切入点,逐步开拓学生思维,建立学生学科综合能力。可直接将软件类基础课程“程序设计方法”迁移到第一个实验“二维分形图形的绘制”,将C语言中变量、表达式、函数、控制结构等自底向上的结构化机制引入到分形计算中,将程序设计方法的抽象概念具体、形象化,并着重掌握图形游戏编程的基本方法。在实验2中,可交叉进行硬件类课程的扩展,如“操作系统”。将操作系统中的任务调度策略引入到真实感渲染的问题中,将要渲染任务根据优先级别划分成不同小任务,以解决三维真实感渲染中效率和效果的矛盾冲突问题。

进一步在实验3的实时三维自然场景绘制中,可综合软件类课程“算法分析与设计”中的递归、迭代等算法进行全方位的融入,如:将地形绘制采用LOD四叉树迭代算法来实现；将硬件类课程“高性能计算”中的并行思想应用到实时场景绘制中的空间插值问题上,在GPU中建立二级索引并利用多线程分块策略执行并行插值计算,充分理解GPU的工作原理并利用GPU在并行计算上的优势。

随着未来动画游戏更多元化的发展,计划将网络计算、人工智能、动力学等相关知识逐步关联到课程的横向扩展体系中,使学生不仅获得扎实的理论基础,而且同时具备较强的实践能力,从而掌握最先进的主流游戏开发技术。

2.3 基于权重的教学评价维度

经过2年的摸索和实践,通过对计算机图形学课程理论以及软硬件关联课程的知识点横纵学习,我们初步构建了计算机图形学的纵向深入和横向知识扩展的教学体系。该教学体系能否取得预期的效果,与教学效果的跟踪评价机制有着紧密的关系。我们在上述教学体系中扩展了一个维度,如图1所示教学评价维,采用基于权重的教学评价机制,构建一个客观、科学的基于教与评的一体化、立体化框架并予以实施。

基于立体化教学框架的层次化、模块化特点,我们采用分模块的权重评价标准。根据理论和实践的比重、各知识点在游戏开发领域的比重,在对学生考查中分项进行评价,最后加权计算得到综合成绩。计算机图形学立体化教学框架建立前后的权重分配如图2所示。

图2 立体化教学框架建立前后的权重分配

针对游戏开发领域实践性要求高的特点,将原来计算机图形学理论教学和课程的考查比例由8∶2调整为6∶4,强调理论知识到实践能力的转化。同时,将理论教学部分的二维图形学比重降低至20%,仅作基本算法的引入,重点建立学生三维图形学的计算流程概念。进一步,将原本的2个验证性实验扩展为2个验证性实验加1个综合性实验,且该综合性实验赋予验证性实验2倍的权重,以激励学生挑战实际应用中的综合性问题。上述比重的设置,既是对各知识点、理论和实践所占重要性的客观评价,也是希望学生从基础出发,不断提升解决问题的能力。

由于对实践性要求的提高,我们对实验的考查也设置了更加全面的标准,对于2个基础性实验均要求提交实验源代码和实验报告,并按照6∶4的比例分别来进行评价。在实验源代码的评价中,我们将代码的合理性、注释的饱满性、功能的完整性作为考查要素；同时实验报告的评价从功能模块划分、算法实现原理、程序设计流程、结果测试分析以及未来优化方案等几个方面进行,使学生重塑实践之后的理论回溯意识。基于权重客观评价机制的采用,极大促进了学生学习图形学的热情。例如,基于实验1学生完成的作品有较为简单易行的二维分形树,也有形态复杂的朱利亚集等。朱利亚集是一个在复平面上形成分形的点的集合,具有异常美丽的形状,并且利用其可以模拟出山峰、云彩、湖泊等自然景观。实验2更是由于该实验的开放性,极大激发了学生思维的发散性,完成的作品有主要针对长方体做几何变换的书桌,也有各种形状实体组合而成的房屋,更有一些经典建筑模型的建立,如水立方和埃菲尔铁塔等。

对于第3个综合性实验,由于扩大了涉及知识面,加深了难度,我们要求学生以3人左右的小组形式来完成。综合课堂理论知识,查阅国内外前沿技术,进行头脑风暴和团队协作,提出具体解决方案并共同完成。该项实验以程序演示和口头报告为评价依据,两者各自占比6∶4,组内各位成员分别上台介绍自己所完成的工作部分以及与其他成员之间的衔接任务,由班上同学来进行评价[11-12]。这种方式的采用不仅激发了学生的创新性思维,如完成的内容既有雨中的埃菲尔铁塔下漫步,又有野外山丘森林的导航等,更重要的是锻炼了工科学生的语言组织和表达能力,培养了学生之间的团队协作能力。

2.4 实际教学效果

在近2年教学改革与建设的过程中,在这些复杂度不断递进的实验训练中,既检验了学生对相关知识点的掌握,又循序渐进锻炼了学生理论到实践的动手能力。通过实验反馈到理论知识的进一步深化,课程考试总体成绩有了10%左右的提高,实际教学效果有了较大改善。同时激发了学生对图形学的热情,积极主动参与和图形学相关的科研创新活动,成功申请和结题多项大学生科技创新项目,如“基于Android人像卡通化生成技术”和“二维图形搜索及推荐系统”。

综上3个维度的应用,在激发学生积极性的同时,能切实提高学生的实践动手能力,并扩展学生思维空间和创新能力,使学生可以自主发现新问题、探索新问题、解决新问题,使能力得到系统化培养。

3 结束语

计算机游戏开发领域的发展速度非常快,使其以计算机图形学为中心的专业知识面不断拓宽,知识内容也不断更新,要想把所有的知识在有限的教学时间内全部讲授并让学生有全面的掌握是非常困难的。因此,本文提出“计算机图形学”立体化教学框架,从计算机图形学基本理论到实验项目的主线纵向深化维度、软硬件类关联课程到计算机图形学的横向扩展维度和基于权重的教学评价维度3个维度形成立体化的教—评体系。根据立体化教学培养与评价模式,使学生对计算机图形学的知识体系有全面认识,并传授学生延展性问题解决的行之有效的学习方法。这种计算机图形学立体化教学框架,既是对教学实践和评价机制的进一步整合、凝练,也是对学生学习和实践模式的新探索,是一个切实可行并行之有效的教学思路与框架。

References)

[1] 教育部.国家教育事业发展第十二个五年规划[Z].2012.

[2] 宋瑾钰,俞成海,舒挺.移动游戏开发系列课程多层次实践教学体系的构建[J].新课程研究,2014,14(6):45-46.

[3] 徐文鹏,强晓焕,侯守明.面向问题解决的图形学教学改革探讨[J].高等理科教育,2013,5(5):107-111.

[4] 黄晓生,曹义亲.多模态学习理论在“计算机图形学”实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2012,29(4):162-165

[5] 李蓉.面向游戏开发方向的“计算机图形学”课程建设探讨[J].计算机教育,2009,9(6):34-36.

[6] 常明,李丹,罗年猛.计算机图形学算法与应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2009.

[7] 何援军.论计算机图形学的若干问题[J].上海交通大学学报,2008,42(4):513-517.

[8] 程丽.教学手段三维评价模型的构建与应用[J].现代教育技术,2014,24(8):41-46.

[9] 陆枫,何云峰.计算机图形学基础[M].2版.北京:电子工业出版社,2008.

[10] Donald Hearn,M Pauline Baker.Computer Graphics withOpenGL[M].3d ed.Prentice Hall,2003.

[11] 刘煜岗,蔡洪斌.计算机图形学实验教学研究与探讨[J].实验科学与技术,2012,10(6):262-264

[12] 甘早斌,鲁宏伟,赵贻竹.科创项目模式在本科课堂教学和课程设计中的探索[J].现代教育技术,2014,24(8):114-118.

Research on stereo practice teaching framework of Computer Graphics for game development

Li Dan, Yuan Ling,Hu Yingsong,Zhu Lingling

(School of Computer Science & Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

With the deep development of computer game industry, the research on Computer Graphics teaching and evaluation for the professional talents training should be done. This paper proposes a multi-dimensions stereo practice teaching framework of Computer Graphics.In this framework,the Computer Graphics is set as main dimension,the computer software and hardware courses traverse through it,and the third dimension of weight-based teaching evaluation is also introduced into it.With the multi-angles and multi-channels cross progressive teaching training mode of professional theories and practices, combining the objective teaching evaluation standard, the proposed framework can improve students’ enthusiasm and professional comprehensive application ability,and make the students cultivate the research and innovation ability of game development.

computer graphics; stereo practice teaching framework; multi-dimensions

2015- 01- 09 修改日期：2015- 03- 18

华中科技大学教学研究项目“基于渐进项目驱动的计算机图形学实验改革研究”(12033)；华中科技大学教学研究项目“基于立体化构建的面向对象程序设计课程实验体系改革研究” (14031)

李丹(1975—),女,湖北武汉,博士,讲师,研究方向为计算机图形学,计算机动画和游戏开发技术.

E-mail：lidanhust@mail.hust.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)7- 0202- 04