突出实践需求的GIS专业《计算机图形学》课程优化改革

韩院彬

摘要：本文以GIS专业“计算机图形学”课程中重实践、跨学科的教学需求为出发点，以突出实践性、适用性的课程教学为目标进行课程优化改革，以进一步提升GIS专业学生“计算机图形学”课程的教学效果。

关键词：地理信息系统;计算机图形学;OpenGL

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0134-02

一、引言

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一门交叉性强的学科，计算机图形学承担着GIS中图形显示、数字信息图形化等重要角色，在大多数本科院校的GIS专业中以专业基础课进行设置[1]。计算机图形学作为计算机科学中最为活跃的一个分支[2]，包含大量诸如数学、物理、算法等理论性强的知识，如何强调计算机图形学的实践性以及对于GIS专业的学生如何合理的设置计算机图形学课程得到了本科院校的广泛关注[1，3-7]。

GIS是一个强调实践和具备特定工程背景（地理学）的专业，如果按照计算机专业学生的要求进行计算机图形学课程教学，一方面大量原理性的知识势必会使得课程教学枯燥，另一方面计算机图形学中大量的算法对计算机的专业知识和技能要求较高，势必会使得GIS专业的学生在计算机图形学知识学习和动手实践上存在较大难度。从课程学习的意义上来讲，使学生充分认知到计算机图形学作为GIS专业基础课的必要性，以及学习计算机图形学将会为他们提供哪些专业上的帮助，能够有效提升学生学习计算机图形学的积极性;学生能够对当前计算机图形学的一些实用前沿技术进行入门，会进一步加强学生的专业能力和提升学生毕业后的就业竞争力。针对以上几点需求，本文从重实践、跨学科的角度给出了“计算机图形学”课程优化的一些建议。

二、课程内容和教学改革

（一）课程内容的适用性

目前国内所开设的计算机图形学主要针对计算机专业的学生，侧重于图形学相关的数学原理、算法，缺乏适用于GIS专业的相关教材和大纲设置。而通常计算机图形学的课时设置非常有限（以河北工程大学为例，计算机图形学在GIS专业课时设置为40学时，其中实践部分10学时），如何在有限的课时内让学生系统的学习计算机图形学相关知识和技术是一个必须重视的问题。

针对上述问题，对于原理性的知识点进行有效压缩且同时保证课程知识体系的完整性就显得非常重要了，因此在教学过程中要贯穿举一反三和重实践的教学思路。例如在光栅图形学、曲线生成知识点中分别有很多算法，课堂通过讲解其中典型的一类算法，点出其他算法由学生以课后作业的形式自行学习。而对于理论性特别强的知识，如真实感图形学中涉及到的各种光照模型的物理和数学原理，在课堂教学中对其做概述性的介绍，对于理论性强的知识（如模型的推导）不作细致的讲解，而将本部分重点放到基于OpenGL的图形学中，使学生能够更为真实的通过程序体验光照模型对于图形显示的作用。

（二）计算机图形学在GIS中的定位

GIS专业学生在学习计算机图形学课程中从开始到结尾的每节课都会思考“计算机图形学对于地理信息系统有什么意义，对GIS专业整体知识体系有何帮助”的学习价值问题，让学生充分认识到课程对于GIS的重要性，将有力提升学生学习计算机图形学知识的主动性和积极性。计算机图形学和GIS在很多概念和算法上具有相通性，如GIS中矢量数据的栅格化中有大量算法与计算机图形学中光栅图形学相对应，例如直线扫描转换算法、区域填充等，特别是四叉树/八叉树的应用，在计算机图形学和地理信息系统原理的课程中曾多次用到。文献[3]指出计算机图形学的大多数算法几乎都在GIS中得到了应用。针对上述需求，在课程安排上组织一次2个学时的主题讨论课，由学生和教师根据专业知识和工程实际需求讨论图形学原理、实践与GIS的结合，以及图形学在GIS中的定位，最后以作业的形式让学生在课后对课堂讨论内容分别提出自己的看法，并进行整理，让学生自主性的认识到计算机图形学对于GIS专业的重要性。

（三）加强GIS学生计算机图形学的实践能力

计算机图形学中包含大量的图形学算法，若只重视算法的原理却忽略程序实现将会使得课堂教学枯燥无味，学生也将逐渐失去对该课程学习的兴趣。随着3D可视化在GIS中变得愈发重要，OpenGL（Open Graphics Library）具有跨平台、开放标准等符合当前图形学实践潮流的特点[8]，成为当前业界图形学程序设计最为流行的一种技术，在GIS中具有广泛的应用前景。因此，课程改革将OpenGL作为整个课程教学的第二大主要部分突出课程的实用性。通过以实例构成的几个涵盖基本知识的模块化教学，如OpenGL编程环境搭建、基本图形绘制、视图、颜色及光照模型（主要参考教材[8]的前五章，结合其中的实例介绍前五章的基础入门知识），使得学生对OpenGL有一定的入门认知和动手能力。另一方面，相对于计算机专业的学生，GIS专业的学生在程序设计能力上尚有欠缺。

通过对程序设计语言和多种编程环境进行对比分析，并综合我校GIS专业学生的实际情况，在学生实践环节，建议选定以Visual C++加OpenGL作为学生实践的编程环境。一方面，Visual C++是GIS专业学生前述计算机类课程主要的编程环境，学生对其较为熟悉，容易上手;另一方面，在Visual C++中可以方便的搭建OpenGL编程环境[8]，学生通过调用OpenGL的函数能够较快的上手实现一些基本的OpenGL实验。

（四）课程安排

结合近年来的教学实践，以突出图形学教学相对于GIS专业学生的适用性、实用性和强调课程在GIS专业中的定位为出发点，建议面向GIS专业的计算机图形学课程和实践内容分为4个部分，如表1所示。

三、结语

本文重点论述了在满足学习计算机图形学知识体系的基础上，让学生从GIS的专业需求上充分认识课程的定位，加强学生实践能力的锻炼。通过分析GIS专业需求，文章从教学大纲的适用性、重实践出发给出了计算机图形学课程的一些改革建议。

参考文献：

[1]吴正升，郭健.GIS专业《计算机图形学》课程建设与教学改革[J].测绘与空间地理信息，2011，34（2）：10-12.

[2]孙家广，胡事民.计算机图形学基础教程[M].第2版.北京：清华大学出版社，2009.

[3]赵明.GIS专业《计算机图形学》课程建设与改革初探[J].教育教学论坛，2012，（38）：83-84.

[4]刘永和.面向GIS本科专业的计算机图形学课程教学改革[J].高等理科教育，2012，（1）：142-145.

[5]袁国武，徐丹，赵杨.“计算机图形学”实验课程改革经验与探索[J].计算机教育，2009，（15）：29-32.

[6]刘晋钢，孔令德，王进忠.“计算机图形学”课程新教学模式的研究与实践[J].计算机教育，2010，（3）：63-65.

[7]闫志刚.GIS专业地学可视化课程的建设与教学实践[J].地理空间信息，2011，9（4）：159-161.

[8]D.Shreiner，等.OpenGL编程指南[M].第7版.李军，等，译.北京：机械工业出版社，2010.