与游戏开发应用结合的计算机图形学课程建设探讨

黄睿 邢艳

摘  要： 计算机图形学是计算机和多媒体技术等相关专业的一门重要的专业基础课程。由于其涵盖数学、物理、程序设计语言和算法等多方面的知识，导致课程的学习难度较大。同时，由于没有后续课程使用计算机图形学的知识，致使学生无法将图形学理论与实际应用较好的结合，从而影响计算机图形学的教学效果。为了使学生理解图形学相关算法及其应用场景，与游戏开发应用结合，探讨计算机图形学的课程建设。

关键词： 计算机图形学; 游戏开发; 课程建设; 应用场景

中图分类号：G642          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）01-83-03

Discussion on the construction of computer graphics course

combined with game development

Huang Rui， Xing Yan

（College of Computer Science and Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： Computer graphics is an important basic course of computer and multimedia technology specialties. Since it covers mathematics， physics， programming language and algorithms， it is difficult to learn the course. At the same time， because there is no follow-up course using computer graphics knowledge， students cannot combine graphics theory with practical application， which affects the teaching effect of computer graphics. In order to enable students to understand the graphics related algorithms and their application scenarios， this paper discusses the constructing computer graphics curriculum with combining application of its knowledge in game development.

Key words： computer graphics; game development; curriculum construction; application scenarios

0 引言

计算机图形学是一门研究如何用数字计算机生成、处理和显示图形原理、方法与技术的学科。其方法和技术应用于科学计算可视化、计算机辅助制造/设计、三维仿真、虚拟现实、电影和游戏等领域。本科教学中，学习计算机图形学的主要目的是使学生掌握图形学的基本概念、基本原理和图形的基本生成方法，并且可使用程序设计语言实现基本的图形生成算法，提高学生的编程和项目能力。

计算机图形学涵盖了数学、物理、程序设计语言和算法等多方面的知识，需要学生具有较好的数学基础和较强的编程能力。以中国民航大学计算机专业为例，计算机图形学的教学主要以44學时算法理论为重点，辅助10学时的验证性实验。学生在学习过程中感到算法难以理解、学习过程枯燥。另外，计算图形学课程无后续课程使用其相关的原理、方法和技术。课程结束后，不能将计算机图形学的理论知识与具体的应用联系起来。导致无法突显出计算机图形学在计算机专业中的作用和地位，常常被认为是一门不重要的课程。

如何在有限的课时内，改革教学内容、方式，引起学生的学习兴趣;将抽象的理论知识和具体的实际应用相结合，了解对应知识点的用途，从而促使学生更加深刻的理解相应的算法，是一个值得深入探讨的问题。

本文研究计算机图形学的课程内容与Unity游戏开发中使用到的相关技术的关联性，建立起理论知识和游戏开发应用的桥梁，并提出一种与游戏开发应用结合的计算机图形学课程教学改革方法，来提高计算机图形学的教学效果和质量，提升计算机图形学在计算机专业课程中的地位。

1 计算机图形学理论教学的现状分析

⑴ 课程内容繁杂，学时少

计算机图形学课程主要由不同的算法组成，涉及到基本图形的生成与显示、二维图形的裁剪、二维图形变换、三维图形变换、曲线曲面、消隐、真实感图形绘制等。算法数量多、难于理解。如直线生成算法，主要以数值微分法、中点画线法、Bresenham画线法为例，讲解基本图形的光珊化方法，学生需要4个学时才能掌握该知识点的内容。又如曲线曲面部分，仅Bezier曲线的内容就需要3到4个学时。以机械工业出版社出版的《计算机图形学基础及应用教程》[1]为例，全书共分十个章节，每一章都有4到5个较大的知识点需要掌握。目前大多数高校本科计算机图形学授课时间设置在50学时左右[2]，其中还有近10学时用于课内实验。繁重的教学内容和较少的学时，导致无法将计算机图形学的所有知识点展开讲解。因此，需要合理安排教学内容、改革教学模式。

⑵ 偏重理论教学，实践环节不足

传统的计算机图形学的教学活动偏重理论，实践不足，且缺少实际应用场景。以中国民航大学计算机专业的计算机图形学课程为例，总共54学时，其中理论部分44学时，实验部分10學时。实验部分包括：基本图形的生成、多边形的扫描转换与区域填充、线段裁剪、多边形变换和消隐算法。实验以验证计算机图形学中的基本理论和算法为主，没有真正的涉及到计算机图形学算法的具体应用场景。此外，由于没有后续课程直接用到计算机图形学的知识，致使学生无法将图形学理论与实际应用较好的结合，从而影响计算机图形学的教学效果。

⑶ 均衡化培养，无法因材施教

传统课程的学习由教师安排授课内容，教师讲什么，学生就学什么。针对学生进行均衡化教育，忽略了学生由于能力、兴趣以及未来工作设想的不同导致的学习计算机图形学课程目的的不同。通常可以根据学生学习目的将学生分为学分型、深造型和工作型[3]。学分型的学生不关注课程内容，只关注拿到学院要求的学分;深造型的学生对计算机图形学、计算机视觉等有着较浓厚的兴趣，希望通过课程的学习掌握更深层次的知识;工作型的同学希望能将所学到的知识用于以后工作，如游戏开发等。

2 游戏开发与计算机图形学理论的对应关系

近年来，随着智能手机的普及，手机游戏成为一种普遍的休闲方式。很大一部分大学生都会在课间或者休息时间，玩不同的手机游戏进行放松。甚至一些学生通过玩手机游戏从而产生开发手机游戏的想法。但由于计算机专业注重学生综合能力的培养，无法像游戏设计专业一样，有一套完整的游戏开发理论和实践教学体系[4]。为了提高学生的学习兴趣，将游戏开发应用中所涉及到的技术与计算机图形学的理论建立对应关系。借助游戏，加深学生对图形学相关理论的理解。本文以当前流行的Unity游戏开发为例，建立如表1所示计算机图形学理论与《Unity游戏开发》[5]中使用到的计算机图形学知识的对应关系。表1中，除了基本图形的生成与显示部分计算机图形学与游戏开发没有直接关系外，其他各部分内容都与游戏开发有紧密的联系。如果能从游戏的角度讲解计算机图形学的理论知识，相比于直接灌输理论知识，更具有吸引力。

3 与游戏开发应用结合的计算机图形学课程建设思路

⑴ 合理安排教学内容，多种教学模式并行

由于计算机图形学的内容繁杂、课时少，因此应合理的安排教学内容，结合多种教学模式。以游戏场景为例，先介绍原始资源，如何渲染得到最终的效果。介绍GPU渲染流程，CPU与GPU数据传递，使学生形成一个整体印象。然后再将其细拆到图形学中的各个知识点。根据计算机图形学的主要内容在实际应用中的重要程度，选择主要知识点进行讲解。重点讲解二维变换、三维变换、投影变换、曲线曲面、裁剪、消隐、三维形体表示和光照模型。简单介绍颜色模型、基本图形生成、交互技术和计算机图形学应用。合理安排二三四课堂，采用线上线下混合式教学模式，将部分第一课堂上简单介绍的内容作为第四课堂的重点学习内容，利用慕课资源对第一课堂中的重点内容进行相关的预习、学习和复习[6]。

⑵ 理论与实践结合，引入综合性实践内容

理论学习的目标是为了指导实践，但在传统的计算机图形学的教学活动中，理论课时占比较大，实践主要以验证性实验为主。无法综合利用所学知识，完成较大的计算机图形学作品。考虑到无法降低图形学理论课时的现实情况，可以将验证性实验作为课外实验，让学生在完成每个知识点的学习后进行练习，并使用微信或QQ小视频方式提交。同时结合游戏开发应用，设定适用性和综合性较强的实验内容，利用课内实验课时指导学生完成相关实验。实验最终搭建一个完整的场景作为课程考核的一个环节。具体实验教学内容如表2所示。从表中可见，针对实验教学方案的改革，使用综合性的实验内容取代了验证性的实验内容。在引入新的内容的同时，保留了传统的内容，使教学内容更加充实，极大的提高了计算机图形学的实用性。

⑶ 因材施教，差异化培养

以中国民航大学为例，计算机图形学是计算机专业开设的一门专业选修课。为了修够专业选修课学分，大部分计算机专业的学生都选择了该课程。但由于计算机图形学不属于专业核心课，只有一位授课教师，一百多位学生，无法通过理论教学对学生进行差异化培养。为了实现大班教学中的因材施教和差异化培养的目的，在每次理论课程中拿出3至5分钟，作为知识扩展环节。在扩展环节中给出一些新的算法的基本思想、优缺点，以及推荐阅读资料。同时使用增量化考核的方式，在学生达到正常要求的情况下，如果可以超额完成，可适当增加1至10分，直至整体成绩达到100分为止。在实验环节，不必要求所有学生都严格按照表2中的实验教学方案完成所有的实验内容。可以从验证性的实验和综合性的实验中选择自己感兴趣的5个实验。通过增加扩展环节和增量化考核的方式，实现因材施教，差异化培养。

4 结束语

本文分析了传统计算机图形学教学中的问题，建立了计算机图形学理论与《Unity游戏开发》中计算机图形学知识的对应关系，提出了与游戏开发应用结合的计算机图形学课程建设思路。从教学内容、教学模式、课程实践、差异化教学等多个方面，对计算机图形学课程教学改革进行了探讨。希望通过游戏开发的实际应用与计算机图形学理论的结合激起学生的学习兴趣，提高计算机图形学的教学效果和质量，提升计算机图形学在计算机专业课程中的地位。

参考文献（References）：

[1] 张怡芳，李继芳，柴本成.计算机图形学基础及应用教程[M].机械工业出版社，2008.

[2] 倪波，邓丹君，姚莉等.“计算机图形学”课程建设探究——面向游戏开发导向[J].现代商贸工业，2017.1：168-169

[3] 韩峰，赵庆展，汪传建等.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] 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，2009.6：36-38

[5] 迈克?吉格（著），王东明（译）.Unity游戏开发[M]. 机械工业出版社，2019.

[6] 马天.慕课形势下普通高校计算机图形学课程建设探索[J].软件导刊，2019.18（8）：45-46

收稿日期：2020-08-25

作者简介：黄睿（1987-），男，宁夏中卫人，博士研究生，讲师，主要研究方向：机器学习、计算机视觉。