加强基础理论教育的“颜色科学与技术”课程改革

丁 颖，徐丽慧，沈 勇，潘 虹

（上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620）

颜色科学是轻化工程专业的一门重要课程，是一门专业性较强的学科，也是一门与很多有关专业有交叉联系的学科，与“印染”“数码成像”“显示器应用”“彩色打印”“交通信号”“军事伪装”和“高分子”等专业有千丝万缕的联系。可用于颜色的评价、比较及颜色的数字描述等方面[1]。

“计算机测色与配色”在印染行业的应用主要是为了加快颜色的传输速度与效率以及对颜色的评判。最早的颜色传输是通过实样来实现的，后来随着计算机以及电子分光元件的发展，特别是在颜色按一定的、标准化的公式进行数字化转换后，可以实现通过电子邮件进行颜色的传递与共享。颜色的数字化是按照一定的方法，将人眼所能看见的各种颜色用数字形式来表述，以完成对颜色的分类、命名、比较、测量以及各种颜色叠加的数字化计算，数字化后的颜色使用更加简便、直观，且对人眼的辨色无任何要求[2]。

随着科学检测技术的发展，特别是检测仪器的不断发展，颜色的数字化转换越来越普遍，颜色数字化的应用也越来越多。在“计算机测色与配色”课程的教学中发现，学生能够运用测色配色仪测量颜色的差异，测量标样与实样之间颜色和亮度的差异，用K/S值对物体的表观色深进行表征，对色差进行评判与计算等。但对于颜色怎样转化为数字、色差建立在怎样的基础之上、K/S值表示的含义是什么以及如何得到等，没有全面的理解，或者是只会操作而对这些基础原理完全不了解。针对上述现象，认为有必要对教学的内容以及教学的方法进行改革，而课程改革也是高校课程建设的重要组成部分，因此本课题组对教材、教学内容、教学重点以及理论教学与实践教学的安排进行了大量的研究与分析，一致认为，学生对计算机测色配色仪器的操作容易上手，但对基础知识的理解（如：颜色与数字转化、色差的定义、K/S值的计算等）掌握不够全面，知道怎么做，但不知道为什么这么做。所以在教学中要把重点放在基础知识的全面教学上，相应地把课程名称定为《颜色科学与技术》。

本文从教材的选择、教学方法的实施以及实验的选择与进行，阐述了本课题组的一些思路。

1 颜色科学教材的选择

与颜色科学相关的课程在全国部分高校均有开设，理论上讲，由于颜色科学的牵涉面很广，与颜色科学相关的专业（包括：染整、电子与数码、高分子等等）均应开设与之有关的课程。就染整专业而言，各校常用的教材有：朱谱新，丁颖等编著的《染织色彩原理及配色》[3]；董振礼等编著的《测色与计算机配色》[4]；薛朝华编写的《颜色科学与计算机测色配色实用技术》[5]；东华大学何国兴老师编写的《颜色科学》[2]。经过对教材的仔细研究与讨论，一致认为上述教材不符合突出基础理论教学理念的要求，也不符合我校对教学学时改革的要求。所以上述教材对于我校的专业教学不是非常适用。

第一，教材《染织色彩原理及配色》介绍了织物和纤维的一些光学特性（如纤维的折光与反射性能、织物的织法对外观光学性能的影响等），染料和颜料的着色性能，阐述了一些与颜色科学有关的内容。教材里提到了颜色科学与色度学的一些基本知识，同时提到了色差、色深和配色的应用方法等。但教材中对于颜色科学的实践用了较多篇幅进行讲解，而对基础知识及理论的叙述较少。适合在实践中使用，但不符合对教材的要求。

第二，教材《测色与计算机配色》主要是培养学生综合运用计算机软件进行颜色的评价和配色的能力。教材《颜色科学与计算机测色配色实用技术》虽然对标准色度学系统进行了叙述，但主要侧重于介绍测色配色仪在纺织印染、皮革染色及涂料和塑料工业中的应用，对喷墨印刷、电子制版等技术作了较为详尽的介绍。而本课题组的教学目的是使学生全面掌握测色配色理论的基础知识，在掌握基础理论知识的基础上运用计算机知识来进行电脑测色配色仪的操作与应用。这两本教材对操作、应用介绍较多，而对基础理论知识介绍不够，显然也不符合本课题组的要求。

第三，《颜色科学》是一本较为完整的教材，适合用于理科教学。但《颜色科学》的篇幅较大，不适合我校的教学安排。我校的《颜色科学与技术》课时为32节课，要在32课时的教育时间内完成《颜色科学》的教学任务是不可能的。

学生的复习工作很大部分是以教材为主进行的，所以通过对上述教材的分析与讨论，决定采用自编教材来完成教学任务。课程的名称定为《颜色科学与技术》，以讲解基础理论知识为重点，同时对教学方法进行改革。教材的内容包括：光和颜色、颜色视觉、色度学系统、均匀颜色空间以及色差、颜色评价、色序系统、光源色度学等，同时将计算机测色、配色及计算机的其他应用作为实验内容，分别穿插到各个章节中，各个章节的编写工作侧重在基础知识的掌握上。

2 《颜色科学与技术》的教学方法与教学重点

《颜色科学与技术》课程的教学拟根据自编的教学讲义进行，自编讲义的内容将侧重于颜色的数字化描述、各种颜色测试与比较、表面色深的测量和颜色评价等内容的基础理论知识。在教学中强调所有内容的基础是颜色的数字化转换。并配合理论教学开展与颜色科学相关的讨论。

鉴于颜色科学与技术的课程特点，形象、直观地重现颜色的复现、混合以及色度学系统的建立等颜色特性，使得课堂教学形象、生动，学生易学、易理解、易记忆，便于课后复习，也为了在规定课时内完成教学任务，在自行编写《颜色科学与技术》教学讲义的基础上，授课全程使用ppt作为教学手段，通过ppt的使用能使学生更形象地接受颜色的特性、特征以及颜色的属性等基本概念。

另外，对于各个章节的讲课要求也不尽相同，有些牵涉到基础理论知识的章节进行重点讲解，有些章节作简单的介绍，并结合课堂外的作业进行教学。举例如下：

2.1 “颜色视觉”与“色度学系统”章节是颜色科学的基础

在讲解颜色的数字化理论的建立时，由颜色转盘与颜色的色光匹配入手，介绍颜色方程和RGB系统的建立，强调颜色的匹配由色光匹配完成，产生的颜色是视觉器官内混合成的。而颜色转盘是视觉器官外颜色的混合，只是比较直观，更适合用在教学上。颜色方程只是说明颜色匹配成功。并且要求学生通过颜色的匹配了解RGB系统是怎样通过颜色方程的转化建立的。

关于RGB系统向XYZ系统的转化，强调RGB系统向XYZ转化的目的是要在RGB系统中去掉负值，即XYZ系统的建立是为了符合人眼观色的习惯。原来的RGB系统图在许多区域出现了负值，人们理解不便，对颜色的数字化转化也较难理解。本章节的重点就是要建立起XYZ系统以去掉这些负值。XYZ系统的建立是寻找新的三原色，新的三原色是存在的，但人眼是无法看到的，所以不是物理色。新的颜色三角形顶点分别是X、Y、Z，由三角形的三条边相交得到，所以首先要建立三条边的方程，要求学生运用以前学的解析几何的知识，结合课题的讲解内容建立三角形三条边的方程，再解联立方程，得到X、Y、Z的坐标。然后通过矩阵方程，求得变化后的新三角形顶点。对于矩阵转换。留给学生作为课后作业来完成，原因一是学生对于矩阵的换算方法应该在数学课上已经教授了，二是在有限的课堂教时里无法完成这一教学任务。

学会使用XYZ系统，首先要求学生能够看懂XYZ系统色度图，对于新的色度图包含的意义要掌握，在课堂上指导学生怎样解读新色度图的含义。对XYZ色度图的解读也是本章的重点之一。

2.2 “均匀颜色空间以及色差”章节是染整专业的学生用测色配色仪测量颜色差异的主要理论依据

XYZ系统在空间上是不均匀的，而色差的计算一定要在均匀颜色空间上进行。均匀颜色空间的建立是为了更科学地计算样品与标样之间的颜色差异（色差）。国际照明委员会（CIE：Commission Internation de l'Eclairage）所推荐的均匀颜色空间与相应的色差计算公式有很多，不可能在课堂上一一叙述。考虑将色差公式的来源以及常用的色差公式进行较为详细的介绍，由于所面对的学生是染整专业的，所以重点介绍UCS图与FMC-Ⅱ色差公式。介绍UCS图的目的是引入均匀颜色空间以及引入的方法，讲解FMC-Ⅱ色差公式是因为这是一个在纺织印染行业应用较广泛的色差计算公式，这个色差公式的结果与人的视觉观察结果有很好的相关性。其他的色差公式作为课后阅读材料，由学生在课堂外完成。

2.3 K/S值是由kubelka-munk理论得出的，现大多由计算机来完成

在函数的推导过程中进行了一系列的简化与假设，考虑了织物表面染料对光的吸收与反射效果，综合表示了织物的染色效果。其中，K表示染料的吸收系数，S表示染料的散射系数。由于在求解kubelka-munk函数的过程中，牵涉到解微分方程等解题方法，顾对学生不作微分方程求解的要求，重点是要求学生学会如何使用与测量K/S值。

3 《颜色科学与技术》的实验

实验是理论的深化与应用，是培养学生提高分析问题能力与加强解决问题能力的教学环节[6]。《颜色科学与技术》是一门同时具有理论性与实践性的课程，在教学中不能忽视实践。但由于教学改革的需要，《颜色科学与技术》的教学时数被削减到32学时，因此在有限的教学时间内进行实践教学是一件不可能完成的任务。我们把实践教学安排在理论教学课时之外进行，实验教学结合理论教学进行。在得到了实验室有关实验老师及工作人员的支持下，用理论结合实验的教学方法进行教学。一共进行测色与配色（颜色的三刺激值的测量）、颜色的比较（试样与标样的颜色差）、颜色的评价方法（用K/S值对标样与试样进行比较）等实验内容，实验的内容均是理论教学的重点内容。

4 结语

根据教学教改的目的，经研究和讨论，将与颜色有关的课程名称定为《颜色科学与技术》，采用自编教材进行理论教学，加强对课程的部分内容的基础理论的讲解。整个教学的过程采用ppt教学的方法进行，以期更好地展现颜色的特性、特征以及颜色的属性等，使教学形象、生动，也便于学生课后复习。实验教学安排在课堂外进行，将理论教学的重点作为实验内容，以加强学生对课堂教学的理解。适当布置一些课堂外的作业并开展课外讨论。