计算机图形学选修课实验教学改革探讨

2018-08-21刘宇王瑜蕾

计算机时代 2018年6期

刘宇王瑜蕾

摘要：分析了计算机图形学选修课上机实践环节中存在的问题，结合课程定位、学科特点和学科发展趋势，提出了对上机实践教学环节的改革思路。选用开放式三维图形标准接口OpenGL作为实验平台，调整实验教学内容，采取类似于翻转课堂的教学模式。通过让学生在实验课堂上接触具体研究项目，更好地利用有限课时提高实践能力。

关键词：计算机图形学；实验教学；教学改革；实践能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）06-91-03

Discussion on the teaching reform of experimental section

in computer graphics elective course

Liu Yu， Wang Yulei

（School of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun， Jilin 130025， China）

Abstract： This paper analyzes the problems existing in the experimental sections of computer graphics elective course. Combined with the curriculum orientation， discipline characteristics and disciplinary development trend， the reform ideas are put forward. Open 3D graphics standard interface OpenGL is chosen as experiment platform， the experimental teaching content is adjusted， and the teaching mode similar to flipped-classroom is adopted. By allowing students to engage in specific research projects in the experimental section， the limited class hours can better be used to improve their practical ability.

Key words： computer graphics； experimental teaching； teaching reform； practical ability

0 引言

计算机图形学，主要研究利用计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术，是一门建立在传统图形学理论、应用数学及计算机科学基础上的交叉学科[1]。随着计算機软、硬件技术的迅速发展，计算机图形学也在图形基础算法、图形软件与图形硬件方面取得了长足的进步，成为当代绝大多数科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。为了顺应形势发展，国内外的大学教程均把它列为计算机及相关专业中一门必不可少的基础课程[2]。近些年，鉴于计算机图形学在现代制造业中发挥的重要作用，许多国内高等院校也为机械、材料、汽车等工科专业开设了计算机图形学选修课程，为相关专业的学生开拓视野，并方便他们借助计算机图形学知识解决本专业的问题。

该门课程知识覆盖面广、涉及的内容丰富多样，理论性和实践性均较强，作为公共选修课，其学时安排却有限。这就使得教学难以把握，学生学习感到吃力，特别是其涉及的数学知识较多，相关算法晦涩难懂，如果没有大量的实践练习，学生会感到空洞乏味。本文以高校开设的计算机图形学选修课为例，在分析当前高校计算机图形学实验教学过程中存在问题基础上，通过调整实验内容、改进实验教学方法和手段等，实验教学改革进行一些探讨。

1 计算机图形学实验课程存在的问题

该门课程的设立初衷是本着理论与实践相结合的原则，通过向学生灌输图形学基本概念、算法原理，并指导学生上机实践，使学生掌握计算机图形学基本原理、方法和技术，培养学生动手能力。由于该课程涉及数据结构、算法程序、物理学等内容，对于没有图形学相关领域研究经历和项目编程经验的本科生而言，理论学习和实际操作的难度较大，上机实践环节开展困难，在实验教学过程中面临一系列问题[3]。

首先，采用的计算机图形软件过于陈旧。计算机软硬件技术日新月异，相应的产品不断更新换代。然而，笔者当前所授计算机图形学的实验仍在Turbo C下，用graphics.h定义的图形函数编写绘图程序。在此环境下，学生只能进行一些最基本的二维图形生成、填充、变换等操作，无法进行三维图形生成、光照、纹理贴图、视点变换等操作。这就极大地限制了计算机图形学实验的开展，沿用此种绘图环境进行上机练习没有实际意义。

其次，实验内容仍侧重于上世纪七、八十年代的图形学技术。依据笔者当前所授计算机图形学校本教材内容而制定的实验方案，主要针对二维图形绘制以及平移、旋转、投影等图形变换进行练习，再加上少量的二维曲线设计及真实感图形绘制。这些上机实践内容一方面与计算机图形学热点问题不符，另一方面也与现今工程领域所用到的计算机图形技术存在很大差距，继续投入大量精力练习这些内容对学生利用计算机图形理论及技术解决自身专业问题帮助不大。

再次，有限的实验课时导致丰富的实践内容被严重压缩。计算机图形学涵盖的内容非常广泛，包括光栅图形学与算法、几何造型技术与算法、真实感图形学与算法、计算机动画、图形标准等等。每部分内容均需通过上机实践练习程序实例加强巩固。然而笔者所授计算机图形学选修课仅分配6学时用于上机实践，这就导致两种不良结果的产生：

⑴ 压缩后的实验内容无法全部覆盖理论课所学知识，有些教学内容在实验环节势必舍弃，而计算机图形学这门课程的理论性和实践性很强，最终所有的理论均需通过实践验证。舍弃掉的教学内容得不到很好的实践验证，导致理论与实践的互动不足，除了会使学生感到这门课程空洞、枯燥外，还会影响学生对于理论知识的理解，达不到教学目的。

⑵ 在有限的课时内需要完成的实验内容密度大、难度高，加之选择该门课程的学生来自不同年级不同专业，知识储备和动手能力不同，导致学生往往在实验过程中或多或少地出现编制程序困难、无法独立运行调试实例，且抓不到训练重点的问题，从而影响学生的学习积极性和主动性。

通过以上分析可以看出，若要提高实验教学质量和效率、解决课时少与内容多的矛盾、调动学生的积极性，就必须对现有的计算机图形学公选课实验环节进行改革，制定新的实验内容，并探讨新的教学思路、方法和手段，才能实现设立该门课程的初衷，更好的完成培养计划。

2 计算机图形学实验课程改革探讨

2.1 实验平台

為了贴近学科前沿并更好地演示和验证计算机图形学的算法，选用国际通用的开放式三维图形标准接口OpenGL作为本门课程的实验平台。OpenGL是一个专业的、功能强大的3D图形接口，可以方便、高效地绘制多种3D图形视觉效果，如光照、纹理、半透明、阴影和材质等[4]。OpenGL具有平台无关性，也即可以实现跨平台操作，由其开发的软件可以在各种硬件和操作系统上应用，且其核心函数库不包含任何输入或窗口函数[5]。该图形标准的使用能够让学生避开复杂的Windows编程中输入和窗口的交互函数，把更多的精力放在图形学本身的内容上。此外，OpenGL在3D方面的强大功能，也能极大地激发学生的学习兴趣。

2.2 实验内容

笔者所授计算机图形学的实验课时共6学时，分三次进行，每次2学时，对应每次上机练习的内容为：①平面图形绘制；②图形变换；③曲线设计和真实感图形绘制。平面图形主要练习直线、圆、正多边形、函数曲线及拼图等的绘制。图形变换主要练习二维图形的平移变换、缩放变换、旋转变换、对称变换、错切变换等。曲线设计和真实感图形绘制主要练习绘制二次B样条曲线和利用外法线消隐算法设计的三维立体正等测图。平面图形绘制和图形变换内容相对基础浅显，算法程序思路基本一致且与计算机图形学的实际应用关系不大。因此，取消这些内容的上机实践，选择具有代表性的两种图形和变换方法在课堂上进行演示，其余的练习由学生课下自行完成。

考虑到选修该门课程学生的专业背景，为了突出计算机图形学在工程制造领域的应用，增加几何造型的实验课时并分配如下：曲线设计2学时、曲面设计2学时。曲线设计部分保持当前Bézier曲线、B样条曲线的实践内容，增加NURBS曲线设计。增加曲面设计，包括Bézier曲面、B样条曲面、Coons曲面。增加利用实体造型系统生成并处理三角网格的练习。这部分内容能够与逆向工程、有限元分析、产品设计等工程实际应用相联系，且能体现计算机图形学的学科特色，是学生感兴趣的内容，应在上机实践时重点练习。在当前真实感图形的实验计划基础上，增加实验学时至2学时，并增加该部分的实验内容，包括指定光源和材质、生成纹理及纹理映射等。在实验过程中注意控制实例的难易程度，让学生直观、轻松地理解每种模型的思路、效果，进而领会对应的算法。

2.3 实验教学方法和手段

为了在有限的课时内达到上机实践的教学目的和要求，需要对现有的实验教学方法和手段进行改进。首先，在上机实践环节中直接带领学生练习曲线曲面及真实感图形设计的核心问题；对于实验环境设置及一些基础操作，包括OpenGL的安装、GLUT框架的使用、基本图元的绘制、颜色的设置、用鼠标对图形进行交互控制和用键盘对图形进行交互控制等，采取类似于慕课的形式，由教师将这部分内容做成示范演示的教学视频，学生在上机实践之前先通过视频自行学习相应的基础操作[6]。其次，选择具有实用性和趣味性的实例来激发学生的学习兴趣，采取类似于翻转课堂的教学模式，在上机实践之前先将实例的应用背景介绍给学生，布置学生自学实例涉及到的相关知识，自学过程中遇到的问题在实验课堂上直接解决。再次，利用笔者所在高校的工科背景，通过与负责相关科研项目的老师合作，邀请相关老师的研究生以助学的方式参与到实验教学环节中与学生互动，使每位学生在实验过程中遇到的问题都能得到及时快速的指导[7-8]。

除了日常实验教学所用大屏幕演示和教师实时答疑外，还应顺应计算机图形学发展的趋势，在介绍当前的研究热点，如计算机辅助设计与制造、科学可视化、真实感图形实时绘制、计算机动画、虚拟现实技术时，使用AutoCAD、CATIA、MATLAB等模拟造型软件进行教学演示。例如，使用AutoCAD软件演示计算机辅助设计对工业产品进行二次开发；使用CATIA、MATLAB等软件演示复杂的自由曲线、自由曲面创建；使用ABAQUS等有限元软件演示网格划分等。

3 结束语

随着现代社会科学技术的快速发展，计算机图形学的应用领域也不断拓展。为了能在有限的学时内尽量让学生掌握计算机图形处理技能，以促进学生借助计算机图形学解决本专业的研究问题，必须充分考虑学生对知识的接受程度和不同专业与计算机图形学的结合特色，选取精要内容进行实际演练。同时，注重实例的实用性和趣味性，使学生在扎实掌握基本计算机图形操作的基础上更广泛地接触高级应用。教师也要在教学过程中不断地更新教学理念，适时地调整实验内容和实验教学方案以顺应科技发展的大趋势，使学生觉得这门课新颖有用，真正用心去学，从而为以后学习相关课程和从事相关研究工作奠定坚实的基础。

参考文献（References）：

[1] 黄文斌.计算机图形学的应用领域研究[J].科技展望，2017.2.

[2] 张瑞秋，刘林，王京.计算机图形学的发展现状与教学改革[J].

机械管理开发，2007.4：6-11

[3] 韩峰，赵庆展，汪传建，宁川.计算机图形学教学中的“差别”培

养[J].计算机时代，2017.2：73-75

[4] 孙家广，胡事民.计算机图形学基础教程[M].清华大学出版

社，2009.

[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].教改纵横，2009.15：29-32

[6] 赵明.基于“慕课+翻转课堂”的《计算机图形学》课程建设和

改革[J].教育教学论坛，2016.48：122-123