时间：2022-08-10 01:57:24
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机图形学课程，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
摘要：本文多方面系统论述了学习“计算机图形学”课程的必要性，分析了该课程的学习没有受到人们重视的原因，指出系统学习该课程是读者掌握数据计算类型的程序系统设计基本方法与计算机仿真入门的有效途径，使读者对“计算机图形学”课程的学习有一个正确的认识。
关键词：计算机图形学；计算机仿真；科学计算；程序设计基本方法；可视化
中图分类号：G642
文献标识码：B
1 “计算机图形学”的学科特性
所谓“计算机图形学”是计算机仿真(即按模型计算以生成图像)与科学计算(即通过在计算机上建立模型并模拟物理过程来进行科学调查和研究)的一种基本形式，是研究图形数据模型在计算机内部的产生、设计与构造过程，它是显示图形不可分割的前提(这相当于画家作画之前，对绘画作品的设计思想、表达方式、绘画构思、作品内容与结构等的创作与思考过程；只有当这个绘画作品设计方案成熟之后，画家才动笔绘画)；而图形显示是用点、线、面、色彩、纹理等可视化的数学方式表达这种数据仿真计算结果的数学含义、或表达仿真过程中各种实体仿真模型与场景效果的物理含义的一种直观表达方式。参考文献[1，2]已向读者证明这一结论，只有这样，才能较好的理顺“计算机图形学”课程的授课关系，使读者建立用计算机生成图形的完整概念。
我们用这一指导思想主导“计算机图形学”教育20多年，并用“计算机图形学”的授课内容解决了多年来国内计算机程序设计课程没有解决好的计算可行性(可计算性的实现前提)这一教学难题，使该课程成为初学者学习计算机程序设计基本方法、认识图形数据模型构造与显示的一般规律、进行可视化应用程序开发三位一体教学目的的最佳选择，并有效地弥补了从算法语言、数据结构到软件工程之间关于应用程序编程系统训练与计算机仿真等教学环节的缺失。这种教学方法使“计算机图形学”的教学内容完全纳入了计算机科学的教育体系，同时使“计算机图形学”与“数据库”、“网络通信”这三门课程成为现代计算机应用程序的三个基本特征(数据计算、数据存储与检索、数据联网通信)的典型代表，由此转变了“计算机图形学”课程的教育观念与教育思想。在教学过程中，作者曾遇到学生们提出的多种学习问题，今整理成文，以飨读者。
2学习“计算机图形学”的原因与重要性
为什么要学“计算机图形学”，这是计算机专业选修“计算机图形学”课程的读者关心的首要问题。众所周知，计算机科学是处理信息技术(IT)的一门学科，通信科学是传输信息技术的一门学科。对于信息技术而言，常用于表达信息数据含义的4种方式分别是①数字与字符方式表述；②图形方式显示；③播放声音表述；④用机械力表达(即把电信号转换成机械运动)。这4种表达信息数据含义的方式又称信息数据的多媒体表达方式(即多媒体技术)。其中，用图形显示这种方式表达信息数据的含义符合人们观察了解事物运动规律的习惯，而且信息容量大，直观方便，同时是人们获得外部世界信息来源的主要依据；也就是说信息数据的可视化是信息技术与计算机科学发展的一种潮流与必然趋势。随着计算机工业的发展与进步，实际应用课题与现代程序设计对信息数据的可视化处理要求已经越来越高，这就要求人们深入研究并掌握图形显示的一般规律，才能更好的为计算机信息数据的可视化服务。
按现代教科书对“计算机图形学”的新定义，“计算机图形学”代表了计算机应用学科的一个重要发展方向――科学计算、计算机仿真、计算机辅助设计、信息数据的可视化、动画与游戏、虚拟现实、数字娱乐，其编程应用还涉及程序设计方法。它们代表了当今计算机技术的发展潮流与应用水平，是解决计算机专业人才出路的有效途径之一；而“计算机图形学”是该方向的公共基础课程，是目前国内计算机本科教育应当加强的内容。显然，仅仅靠学习计算机程序设计语言、数据结构、编译原理、操作系统、数据库、软件工程、形式语言与自动机理论等课程还不能完全使学生的能力直接达到开发这些应用软件的目的，因为原则上这些课程是为用户使用计算机的计算功能而系统量身打造的软件使用工具(数据结构、软件工程除外)，它们的教学目的是为用户掌握并研制这些软件工具服
务、而不是为用户使用这些软件工具系统地开发应用程序而开设的课程。计算机专业主要沿这条主线向前发展：研究、设计、制造计算机硬件设备，为用户使用计算机的计算等功能提供一切便利的手段、方法与软件辅助工具，这包括总结用户使用计算机的基本类型与模式，而对于复杂且很难全面概括使用计算机的方法等、则留给一般用户自己解决，这或许是计算机专业本科课堂教学没有介绍对数据计算类型的应用软件系统开发要遵循的基本规律与发展模式的原因之一，“计算机图形学”的教学正好可以弥补这个缺陷。
由于计算机教育本身并不能直接提供认识世界、改造世界的能力，加之我国没有掌握具有国际竞争能力的计算机硬件与系统软件的核心开发技术，这使中国大量的优秀人才在计算机专业上的最后发展受到了严重制约。而“计算机图形学”的仿真方法为计算机专业人员的发展提供了这样一种新的学习方法与重新选择的机遇，它能为计算机专业人员学习其他行业的专业知识(即学习新专业的物理、数学方法)、成为其他行业的专家助手，进行新行业系统仿真与系统设计以获得新生；由于各行业都有各自的研究领域与待解决的研究问题、研究方法与理论研究模型等，当用计算机仿真的方法对这些研究课题进行辅助研究，并用图形等可视化的方法表达计算机仿真研究的中间结果与最终成果时，这将使计算机的应用走向深入。
科学研究的目的就是探索未知世界、认识世界、改造世界、造福于人类自己，而“计算机图形学”的教育正是遵循这样一条主线：通过物理实验认识待解决问题的本质，并用数学模型的方法来描述这种物理现象的变化过程，从而达到用计算机程序设计的方法来仿真光线在自然界中的传播，以及光线在照相机中传播而生成图像效果，这类物理仿真过程是科学研究方法中的一种基本形式，这种科学研究方法的教育思想(包括人文精神)是国内计算机专业本科课堂教育所欠缺的(计算机专业往往专注于数理逻辑思想的基础训练)――即“计算机图形学”的教育，不仅拓展了计算机专业人才的知识领域，也为其毕业增加了就业渠道，同时能培养计算机专业人员的基本科学研究素养，这正是目前国内计算机教育改革所追求的目标之一。
需要说明，全日制普通本科教育是普适教育，它需要建立各专业自己的知识框架，学习基本的概念，了解基本的范畴，明确其发展方向，计算机专业也是如此。本科教育重在基础，提高本科教育质量与水平并非拔高与创新，而是要做到全面、均衡的发展，除要求学生掌握本学科专业已成熟的系统理论知识外，还需培养学生用学科的基本思想与方法独立自主分析问题、解决问题的能力，这种理论与实践相结合的教育方法，能确保学生今后得到稳步的发展。“计算机图形学”就是培养学生利用计算机、数学、物理等学科的系统知识解决实际应用问题能力的一种有效方法，这样培养的学生才能适应社会竞争与选择的需求；只有在研究生阶段，通过再次系统学习、阅读原著与相关论文并参与项目开发等活动，达到全面提升对学科的认识能力，并向某一个研究方向发展、去探索未知世界的变化规律、解决前人没有解决好的难题、逐步走入学术研究的殿堂(即创新教育)；当然人们也能在日后的工作中慢慢积累这种工作能力。
文献[2，3]系统论述了“计算机图形学”课程在计算机科学教育中的作用与地位。目前很难找出一门具有像“计算机图形学”类似重要性与多样性的其它计算机本科专业基础课程，能使读者正确掌握数据计算类型的计算机应用程序设计的基本方法，并使计算机这一工具直接服务于社会，这是我们应该重视“计算机图形学”教育的根本原因。
3学习“计算机图形学”的方法
由于“计算机图形学”属于计算机应用软件的范畴，因此，数据计算类型的应用软件的设计方法就是学习“计算机图形学”应该遵循的原则。就“计算机图形学”课程的学习而言，它要求：
(1) 全面掌握程序设计语言的特性与数据结构的基本内容，是实现“计算机图形学”编程的基础。
(2) 掌握建立解决实际应用问题的数学模型与软件系统的概念，是计算机程序设计的两个关键点。软件系统是一个能自动运行的综合执行程序，它能从输入、存储、运算处理、输出等方面全面处理用户在某个领域中提出的诸多数学模型并完成其模型描述数据的加工任务，使用户很容易明确这种软件的组成、功能与使用范围。一般利用二维图形的简单性，可以较完整的介绍二维图形软件系统这一概念。软件系统的概念是目前程序设计语言与数据结构课程中所欠缺的关键内容。
(3) 正确的认识“计算机图形学”与计算机仿真的相互关系。“计算机图形学”的重点与难点在三维图形的数学模型研制(包括照相机模型，灯光模型，颜色模型，照明模型，物体的几何模型，物体表面的材质与纹理模型等)与模型描述数据的构造上；由于计算机图形学追求像照相机拍照一样的三维真实感图形显示效果，这决定了要在计算机中使用物理学仿真的方法(仿真光线在自然界中的传播所产生的显示效果或把这种传播效果映射至物体的表面上)才能达到这一目的，这自然需要读者对相应的物理知识有个基本的了解才能进行。
(4) 需要了解一些计算机仿真的基础知识，以确保“计算机图形学”的物理仿真教学过程不会出现偏差。
计算机仿真的主要过程分系统、模型、编程实现(仿真算法)、评估四个步骤。这里①系统是指相互关联又相互作用着的研究对象的有机组合，它决定了被研究考察对象的组成与边界范围。②计算机仿真一般可以用数学模型(简称模型)的方法代替实物研究对象，事实上模型也可以是对现实世界的事务、现象、过程或系统的简化描述，但它反映了实际问题最本质的特征和量的关系。目前“计算机图形学”所述的模型多限于对所研究对象的物理性质、运动变化规律等特性的一种数学描述，它使人们能解释那些难以直接观察到的事物的内部构造、事物的变化以及事物之间的关系――即模型描述了现实世界中有显著影响的因素和相互关系。但这种描述有一定的使用条件与限制范围，研究的目的不同，对该研究对象的数学模型的描述方法以及模型的种类会不一样。③仿真(编程实现)就是在模型上做实验，从理论上测试构建的理想系统的动态行为特性，以评估系统的效能。④系统的用途不一样，评估的方法也不同，人们往往用事先约定的一组指标来评估仿真系统的结果；当所得仿真结果没有达到预期的理想效果时，人们往往不断改进仿真模型与仿真算法。例如计算机图形系统，用途可以是显示三维图形，查看它的真实感逼真显示效果就是人们主要关心的问题；模型的运动与操作(如游戏)，看它的操作性与故事情节等如何表达用户的情感与智能(简称好玩)就是人们关心的主要问题；机械设备的综合运动与仿真，考察所设计的复杂设备的工作性能就是人们关心的主要问题；电气系统的系统仿真，能考察系统工作参数如何设计以满足用户的不同需求；作战系统的仿真模拟，能考察作战人员的训练水平、武器性能、指挥作战方式对作战进程的不同影响与作战效能，等等。
(5) 努力把图形学所介绍的各种模型与算法(算法是对模型描述数据的加工与变换处理的步骤与方法，“计算机图形学”中的主要算法有各种线段图形的生成与实面积多边形的填充算法、着色算法、消隐算法、纹理映射算法、阴影算法，光线跟踪算法与辐射度算法)都编写成程序代码，这使读者能直接体验自己的学习效果，也是其它课程不容易做到的。编程时要考虑算法的复杂度，特别是按照软件系统的方法把编写的程序代码组成一个系统整体，这是形成成熟商品软件很重要的前提。显然，此时软件系统中的各种数学模型反映了仿真系统中研究对象之间的相互关系。
(6) 掌握“计算机图形学”打造的绘图工具，是可视化应用软件编程的重要基础。用“计算机图形学”知识研制的工具常用的有OpenGL与Direct3D等三维图形标准，虚拟现实建模语言VRML。而三维动画与CAD等软件可以看成是“计算机图形学”为影视制作、游戏建模与计算机辅助设计部门打造的专业计算工具。仅把图形标准与计算机绘图等应用当作“计算机图形学”很不完备，因为它不能在课堂教学中向读者正确、完整、系统地展示计算机图形学学科发展的基本规律，并人为地割裂了计算机图形数据模型的构造与显示这两个过程。
(7) 学会看中英文专业杂志等参考资料，这些参考资料记录了学科的发展历程与学科当前的研究热点(一本教科书不可能全部包含这些内容)，且是一种更重要、复杂、深入的学习研究方法，也是目前国内本科教育的弱项(因为国际上最新的研究成果多用英文发表)。只有这样，才能跟踪计算机图形学的最新发展并站在学科发展的前沿、才能开阔人们的视野并有所鉴别，便于读者日后针对用户的多种需求展开开创性创新或针对已有成果的不足、提出修补与改进等渐进性创新等学术研究活动。
(8) 勇于参与课程实践与项目开发，是巩固、检验所学知识、提高实际动手能力的好方法。实际软件开发工作往往是多种知识的综合应用，它需要对实际处理事务有一个比较透彻的了解(用户需求报告)、并建立这些待解决问题的数学模型与系统流程后才能有效进行(按照软件工程的方法组织实施)。
只有把自己开发的软件做成有效商品、服务于社会，才能使所学的知识转变成生产力，才能使自己得到升华；同时也应注意把自己的心得与研究成果总结发表，与人共享；还应参加学术活动，注意留意不同学术流派之间的观点、思想、方法与学术动态，取长补短，形成自己的风格，广结人缘，相互交流，为学科建设添砖加瓦。
(9) 一本计算机图形学教科书的容量使其只能介绍计算机图形学发展历程中产生的最基本、最经典的模型与算法，这些内容是人们耳熟能详的物理原理与相对简单的数学知识在计算机中的综合应用，太复杂的计算关系因会影响图形的显示速度而一般不采用；目前计算机图形学教科书的理论体系已成熟且“计算机图形学”的教学内容已经构成了一个大系统，这使“计算机图形学”的教学过程变得简单、容易。
4目前国内“计算机图形学”教育未受到重视的原因分析
既然如此，为什么目前人们感觉“计算机图形学”教育的受重视的程度不如数据库与网络通信等计算机应用软件呢？笔者认为其原因之一在于：这是因为“计算机图形学”造就的工具即图形标准的特殊应用环境要求限制了它在很大一部分应用程序中的具体应用；三维图形标准目前仅仅在游戏领域获得了商业上的成功，一些应用软件不调用图形标准也能自己绘图；国内的计算机应用程序可视化的开发要求暂时还较低；关键是作为学科领头羊的美国人目前还没有把“计算机图形学”课程作为计算机本科专业的核心课程，这是因为他们对“计算机图形学”课程的本质与其在计算机学科中的作用与地位认识不到位所致，美国人图形学这种教育现状(目前多以图形标准的原理讲授为主)和局限性与美国人在3D游戏、计算机动画、计算机辅助设计等应用软件的开发上执世界牛耳之地位不相称。
当然，早期计算机图形学教科书编写内容、体系的不够成熟，也影响了人们对“计算机图形学”课程的认识与学习的积极性。例如仅停留在数学公式与算法的层面上介绍二维、三维图形的生成而不注重其建模思想与方法的介绍，且人为的把物体几何模型的构建与其图形显示分解成“计算机辅助几何设计”与“计算机图形学”这两门课程，这直接导致图形学课程教学内容缺少被处理的图形显示对象，加之计算机课程与图形学的教育又没有软件系统的概念，这样安排虽然能满足图形标准等商业软件的发展需求，但却很难让初学者全面掌握“计算机图形学”学科系统性的概念、思想和方法与学科发展的基本规律――用数学模型的方法指导编程实践，在计算复杂性可接受的条件下，针对已有成果中存在的不足，不断用新的数学模型与仿真算法等方法对其进行改进，使图形学的数学仿真过程不断的逼近现实物体模型(包括刚体、软体、流体、气体)的构造、运动、变形、切割和拼接与反光效果的显示这一真实的物理变化过程。即初学者没有用计算机生成图形的完整概念，这也是以往人们认为计算机图形学课程难教、难学的主要原因。
由于“计算机图形学”的绘图原理不像数据库软件那样，数据库的功能可以被所有的应用程序所调用；也不像通信软件那样，所有要联网的计算机都离不开通信技术与网络技术，而计算机显卡工业、3D游戏、计算机动画、计算机辅助设计等产业的市场份额小于数据库与计算机通信等产业的市场份额，即应用软件的商业价值决定了它们在人们工作与学习中的地位。
参考文献：
[1] 魏海涛. 计算机图形学(第2版)[M]. 北京:电子工业出版社,2007.
[2] 魏海涛. 科学的构建‘计算机图形学’的教学内容,促进计算学科的全面发展[J]. 计算机教育,2008,(10).
关键词：计算机图形学;信息与计算科学;教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）46-0114-02
目前，计算机图形学及相关课程在国内高校的信息计算科学专业中进行了开设。不同学校的信息计算科学专业依托的专业背景及师资队伍不一样，其对应课程体系及人才培养目标差异较大，进而导致了计算机图形学课程的教学内容、教学模式不尽相同。
本文以湖北民族学院信息与计算科学专业及其人才培养目标为基础，结合课程教学实际，对计算机图形学课程的教学内容设置及其后续课程的设置等问题的教学改革进行了探讨研究。
一、专业现状及课程特点
湖北民族学院信息与计算科学专业开办于2002年，依托于数学学科。本专业开设的主干课程包括：数学基础（分析、代数、几何）、概率统计、微分方程、数学模型、物理学、计算机基础（计算机概论、算法与数据结构、软件系统基础）、信息科学基础、理论计算机科学基础、数值计算方法、计算机图形学、运筹与优化等。
该专业设置了两个核心方向：信息科学和科学计算（计算数学）。在信息科学方向中，其核心方向由：（1）信息处理（图像处理、信号分析等）;（2）信息编码与信息安全（编码理论等）;（3）计算智能（人工智能、模式识别等）等组成。
计算机图形学是方向（1）中的图像处理课程和方向（3）中的模式识别课程的先修课程，也是虚拟现实、计算机视觉等课程的先修课程，由此计算机图形学的重要地位是不言而喻的。
二、课程教学现状
湖北民族学院最新人才培养方案中，计算机图形学课程在第六学期开设，之前已经开设了高等代数、数学分析、离散数学、程序设计基础、数据结构等基础课程，学生有了一定的数学基础及计算机基础。然而计算机图形学涉及到的内容广泛并且理论性很强，在课堂上和实际应用结合起来比较难，导致在课程的讲授过程中枯燥，学生的学习积极性不能够很好地调动起来。
目前，计算机图形学课程教学过程中存在以下几方面的问题：
1.教学内容丰富而教学深度不够。计算机图形学课程研究内容丰富、理论性很强。在传统教学内容设置中，需要从计算机图形系统及图形硬件介绍入手，介绍用户接口和交互式技术、图形的表示与数据结构、图形的生成、变换、消隐、光照等直到真实感图形生成。然而专业培养计划中，该课程总学时为56学时，其中实验10学时，课堂上很难对内容进行深入的讲解，导致学生一知半解，不能很好地理解计算机图形学，从而失去学习兴趣。
2.理论和实践结合不紧密。计算机图形学课程中的算法（如DDA算法、Bresenham算法、Cohen-Sutherland算法、Weiler-Atherton算法等）都很巧妙，需要学生有很好的数学基础和编程基础以便对算法进行理解并实现。而实践学时相对较少，学生对算法的掌握程度一般，也会影响学生的学习兴趣。
三、课程教学改革
1.理清计算机图形学与相应方向课程间的关系，突出图形学的重要性。目前修订的湖北民族学院信息与计算科学专业培养方案中，计算机课程主要包括高级语言程序设计、数据结构、操作系统、计算机图形学、图形图像处理、模式识别等。计算机图形学是信息科学方向中比较重要的一门课程，它是信息处理方向中的图像处理课程以及计算智能方向中的模式识别等课程的先修课程，它们之间的关系如图1。事实上，把计算机图形学作为计算机类课程的一门核心课程，能弥补计算机应用软件编程系统训练的不足，能较好地促进学生的计算机开发能力培养[1-3]。
2.优化理论教学内容，突出教学重点。计算机图形学的最终目的就是用计算机程序的方法在计算机显示器屏幕上生成图像效果，特别是生成类似照相机拍摄的三维图像[3]。从基本的图形元素到真实感图形生成，中间要经过生成、裁剪、变换、消隐、光照等处理过程。
图2中粗线部分为本科生教学核心内容，要求学生必须掌握其基本算法原理及实现方法，细线部分实现从算法的角度来说难度较高，结合目前流行的OpenGL、Direct3D等技术，直接调用函数等构件类来实现，教学时以案例的形式进行分析。通过理论授课将知识框架展示给学生，剩下的内容由学生通过自学、合作讨论给予填充，从而完成整个课程体系的学习过程。
3.构建教学网站，加强课外教学。为加强师生课外交流互动，在程序设计类课程教学改革[4]构建的课程平台基础上，开设计算机图形学课程网站。按周次及时教学任务，与学生进行交流互动，促进学生课外学习。
4.构建实验教学内容，强化实践教学。实践教学内容设置如表1所示。实验内容贯穿整个学习过程，在理论学习的基础上，加深学生对所学理论知识的理解。
四、总结
计算机图形学是一门综合性很强的课程。我们结合湖北民族学院信息与计算科学专业实际，分析了计算机图形学课程在信息科学方向课程中的地位，从优化课程理论教学内容、设置实验主题、实验内容及实验项目，强化学生基于计算机图形学的应用开发能力等方面对计算机图形学课程进行了教学改革探讨。
参考文献：
[1]刘圣军，韩旭里.信息与计算科学专业《计算机图形学》课程教学改革探索[J].数学理论与应用，2011，31（3）：97-102.
[2]魏海涛，鲁汉榕，杨瑞娟，等.科学地构建“计算机图形学”的教学内容，促进计算学科的全面发展――对“高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）”的思考[J].计算机教育，2008，（20：035.
关键词 计算机图形学；图形学理论教学；图形学实践教学
中图分类号：G642.44 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）04-0162-03
Teaching Research of Theory and Practice in Course of Com-puter Graphics//LIAO Bin， HU Jinlong
Abstract Through analyzing the main problems in the course of computer graphics， the teaching reform of the computer graphics course is proposed about theoretical teaching and practical teaching. We divide the course of computer graphics into theory course and practice course， and make the theory course of computer graphics become the pre-course for the practice course of computer graphics. Students’ learning interest is stimulated and their ability to contact the theory with practice is improved through integration the theory and practice of the computer graphics course.
Key words computer graphics； graphics theoretical teaching； graphics practical teaching
1 引言
计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的原理、方法与技术的一门学科[1]。它以图形用户界面和可视化技术为典型应用，是信息技术中不可缺少的部分。近年来，国内外大学逐渐将其列为计算机应用类课程中的专业课。现在，计算机图形学已经在诸如影视动漫、军事仿真、医学图像处理、气象等科学可视化领域获得成功运用，在带来经济效益的同时，也给计算机图形学的发展提供了机遇与挑战。
本文通过分析计算机图形学传统教学中存在的问题，提出改革思路。在教学中，将课程设置为理论教学与实践教学两门独立课程，针对理论教学与实践教学分别进行教学设计，转变传统教学中实验教学的附属性质，使理论知识为实践教学铺路，增强教学效果，促使学生积极动手操作、思考，促进新旧知识的结合，通过教学过程的探索与总结，增强计算机图形学的教学效果。
2 计算机图形学课程教学中存在的问题
传统的计算机图形学教学重点一般侧重于考核学生对知识点的掌握[2]，课程实践所占比例较低。然而计算机图形学课程本身的特点不适于传统的教学模式，若仍采用传统教学模式，不仅不利于维持学生的学习兴趣，更不利于学生发现问题、解决问题能力以及创新能力的培养。
计算机图形学教学内容与学生的学习兴趣 传统的计算机图形学内容主要有[3]计算机图形系统概述、二维图形生成和变换技术、三维图形生成和变换技术、真实感图形生成技术、计算机动画技术与实践。该课程入门阶段需要的数学知识主要涉及代数、三角学和线性代数，数学原理与图形的结合在理论教学中占据了一定比重。
传统的计算机图形学教学目标侧重于培养学生对计算机图形学理论知识的了解与掌握，在教学内容的设置上主要强调图形学知识、概念的系统性与整体性，重点是概念解释与原理讲解，体现为大量的公式推导。
未进入图形学教学前，学生对该课程的理解主要分为两类：一类认为该课程主要讲述游戏开发，学完本课程后就可立即完成诸如游戏编程、动画设计、特效处理等任务；另一类认为是艺术设计，主要为广告传媒等行业服务。实际上，在本科阶段开设的计算机图形学课程，通常立足于计算机图形学科的入门，教学内容主要是理解与掌握基本的图形绘制原理及其实现算法，能进行基本图形的程序设计。由此，图形学课程认知的不全面将导致学生学习兴趣的下降。学习内容的枯燥、教学内容与现实应用的巨大落差会导致部分学生的学习兴趣随课程的深入而进一步下降。
计算机图形学课程实验的设置 计算机图形学的实验内容主要集中于基本图形算法的实现，需要学生运用高级程序语言进行编程，然而作为专业基础课程学习的此类高级程序设计课程，往往以基本知识、程序设计、数据组织三方面为主要内容，一般不涉及图形库编程接口（API）。这导致在本课程的实验教学时，需要针对授课学生原先所学的高级程序语言，补充对应的图形库编程知识，这使得实际的有效实验学时被缩减，而且增大了学生实现算法的难度，以至于进一步加剧了理论与实践脱节的现象。
3 理论教学与实践教学的改革方法与目标
在大学本科第7学期开设计算机图形学课程，并将其分为理论课与实验课两门课程，两门课程单独核算成绩。其中，理论课为32学时，2.0学分；实验课为16学时，0.5学分。在理论课程完成后开始实验课程，计算机图形学的实验不再是传统教学中对理论课上知识点的简单重复与验证，而是对所学知识的综合运用与深化。由此，需要合理选择理论课教学内容，以完成与实验课程的衔接。同时，设计合适的实验项目使学生掌握课程基础知识，提高学生的动手能力，以提升计算机图形学的教学质量。
理论课教学内容设计 计算机图形学技术在快速发展，与之相适应，图形学课程的教学也发生变化[4]。现阶段，在计算机图形学教学中主要有3种教学体系，大致分为理论为主、编程为主、问题为主。
1）理论为主是传统的教学体系，强调对计算机图形学理论的理解与掌握，以公式推导为主要呈现方式，国内外此类教材有Floey的《计算机图形学原理及实践――C语言描述》（原书第2版）、孙家广的《计算机图形学》等。
2）编程为主的教学体系侧重于培养学生初步掌握一种典型的图形学API，以图形学使用者的角度讲授计算机图形学所需的理论与概念，去除非必需的数学原理与公式推导。国内外此类教材有Donald的《计算机图形学》（第四版）、徐文鹏的《计算机图形学基础（OpenGL版）》等。
3）问题为主的教学体系的教学目标着重于培养利用计算机图形学知识建立与用户交流的能力，从而实现问题的图形化建模并解决问题。相应的教学内容既涵盖了图形学中的基本概念和技术，也涉及了实现这些概念和技术的图形学工具，然而重点在于介绍如何使用计算机图形学知识来解决实际问题以及如何有效地进行结果展示。Steve Cunningham的《计算机图形学》是此类教学体系的典型教材。此类问题为主的教学体系近年来在美国兴起。
在本科教学中，考虑到学生前期课程的设置与掌握情况，采用结合OpenGL实现算法的编程为主的教学体系。在实际教学中，既要保证计算机图形学基本概念、理论的完整讲述，也为后续的实践课程做铺垫，有针对性地介绍图形支撑软件，使学生在掌握图形学基本知识的同时，能够在一定程度上自主实践，保持与激发学生的学习兴趣。
实验课教学内容的设计 计算机图形学传统教学中的实践一般使用C++来实现相关算法[5]，实现难度过大，导致学生没有时间和兴趣去完成[6]。实践教学的本意是对理论教学的巩固、完善与提高，为实现理论与实践教学的平稳衔接，在实践教学环节中采用OpenGL作为图形算法接口，让学生有针对性地完成若干实验项目。
OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形接口软件，其具有的功能基本上涵盖了图形系统要求提供的所有功能。此外，OpenGL具有的跨平台性、可扩展性、绘制专一性、网络透明性等特点使其应用广泛，降低了对学生编程能力的要求，且由于其开源的特性，使得学生可通过参考其中的算法实现获得编程能力的提高。
结合图形学的实际应用与学生的实践能力，设置如表1所示的实践项目。
4 小结
计算机图形学随着计算机理论与技术的进步、社会应用的需要而有了迅速发展，是理论与实践并重的学科，对教学有较高要求。本文从计算机图形学的学科特点出发，分析了计算机图形学传统教学中存在的问题，提出将理论与实验相融合的教学思路，改变传统教学中实验教学的附属地位，从实践的角度出发，在理论教学中进行概念、理论向实践的平稳过渡，一定程度上降低了学生完成课程实验的难度，激发了学生的学习兴趣。从教学效果来看，本文提出的教学方法取得较好的成效，同时对计算机专业的类似课程也具有一定的参考意义。
参考文献
[1]徐文鹏，王玉琨.计算机图形学基础（OPENGL版）[M].北京：清华大学出版社，2014.
[2]杜利峰，李竹林.基于OpenGL的计算机图形学教学改革探索[J].电子设计工程，2012（13）：6-8.
[3]王汝传，黄海平，林巧民，等.计算机图形学教程[M].3版.北京：人民邮电出版社，2014.
[4]刘贵松，房秀芬，陈文宇.基于计算思维能力培养的计算机图形学知识体系[J].实验科学与技术，2015，13（2）：
160-162.
摘要：本文分析了“计算机图形学”课程的学科特点和当前的教学形式，指出了当前教学过程中所面临的问题，从而提出了一些新的教学思路和方法。实践表明，这些方法对提高课程的易理解性、学习趣味性和教学质量有明显的作用。
关键词：计算机图形学；教学改革；教学实践
中图分类号：G642 文献标识码：A
“计算机图形学”是大部分院校计算机专业或相关专业中的一门重要课程。本课程的教学目的是使学生掌握计算机图形系统软硬件技术以及图形生成、处理、输出的基本原理和方法，培养学生利用计算机解决图形问题的程序设计能力，为开发图形软件打下必要的基础。
1计算机图形学的教学现状
计算机图形学是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科。该学科综合了计算机科学、数学、物理学等其它相关学科的知识，而且学科发展日新月异，新的应用领域不断拓展，这使计算机图形学具有学科内容丰富、理论性强、算法众多、实践性强这几方面特点。
学科内容丰富和理论性强造成该课程讲授起来比较枯燥；同时，传统地讲授教材上的理论将使学生感到该课程难于理解、难学、学习积极性和主动性受到影响，整个学习过程基本是被动接受。
目前，国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述计算机图形学的算法。许多算法为了追求高效率从而精益求精，算法本身构思独特且实现精巧，但也导致了算法本身及其实现都难于理解；而且传统的授课方案侧重于强调算法实现的数学基础。这种强调图形算法基础的教学方案适合于数学基础优秀的学生，但对本校这样的工科类院校，学生往往被一些必须掌握的算法所困扰，从而对该课程产生畏难心理。
计算机图形学这门课程实践性强的特点则要求学生具有较强的动手操作能力和编程能力，从另外一个方面来说，要求老师有更强的实践能力。如果理论与实践互动性不够，容易造成学生实践动手能力薄弱。
通过以上分析，可以看出在计算机图形学中采用传统的课堂上讲授理论，课下让学生去做实验的教学方式很难达到预期的教学效果，急切需要探讨新的教学思路和教学方法。
2计算机图形学课程的教学改革
本校针对现有教学中的不足，在总结多所知名大学在该门课程教学经验基础上，制定了计算机图形学的教改目标和教改方案，具体认识和做法如下。
2.1教学内容的组织
以教学大纲为依据，从学生的实际情况出发，以课堂讲授为主，上机实验为辅的方式组织教学内容。其中课堂讲授48学时，上机实验16学时。以讲清基本原理和概念为第一目标，以培养学生图形学算法的设计能力、图形软件的开发能力为原则，合理安排课堂教学内容。
根据学生的接受程度，教学内容首先注重基础，强调基本概念、基本原理；其次突出重点，对一些要求掌握的算法，要仔细分析，强调其基本思想。只要算法的基本思想掌握了，算法的实现就容易理解，对相关算法就可举一反三、触类旁通；再者教学内容中应该介绍一些当前的研究热点，使学生了解学科发展情况，也同时增加课堂教学的趣味性；最后在教学内容中应该注意理论与实用软件之间的关系，适当介绍计算机图形学理论、算法在流行的图形设计和动画制作软件(如AutoCAD、3DMAX等)中的应用，促进理论学习和实用软件使用之间形成互动。
根据以上原则，本校在2005届计算机专业本科生中，采用了清华大学出版社出版，孙家广主编的《计算机图形学》作为基本教材。同时引进国外一流大学的先进教材Donald Hearn, M. Pauline Baker编写的Computer Graphics(C Version)作为教辅资料，其中引用了一些最新的图形学研究成果，在彩页中体现了几乎乱真的图形效果。
2.2教学方法的选择
在讲授必须掌握的基础算法之前，强调启发式教学，提出课前思考题。这些思考题可以引导学生预习和自学，减轻课堂负担，使课堂教学目标清晰，任务简化。如在讲授多边形裁剪算法之前，应思考多边形由线段构成，是否可用已学过的二维线段裁剪算法逐边裁剪多边形？如果不能，原因如何？应如何解决？
在讲授同类算法之后，对解决同一问题的算法进行比较，强调对比性学习。如区域填充中，应对漫水法填充、边界填充算法、扫描线种子算法进行比较，说明其相同之处皆为在填充过程中搜索新种子点，不同之处在于搜索新种子点的方法不同。通过对比学习，学生在学习过程中不再孤立学习一种算法，而是同时掌握一类算法，为后续的扫描转换填充算法打下基础。
2.3教学手段的应用
在计算机图形学课堂教学过程中，本校采用多媒体教学与传统教学方式相结合。为了充分发挥图形图示、动画演示的作用，主讲教师精心制作了计算机图形学多媒体教学课件。在该多媒体教学课件中，对教学内容的各个知识点间用超链接进行链接，引入音频、视频等媒体信息，既增加了教学内容的连贯性，又使课堂教学变得生动有趣。
为了合理利用网络，拓展教学空间，主讲教师开设了自己的个人博客，在网上列出与课程相关的权威网络资源。在保留传统的面对面交流的基础上，学生可以通过网络与教师、同学讨论问题；教师则可以根据学生的反馈意见，及时了解学生的学习现状，调整下一步的教学方式。
除了网上讨论答疑外，教师根据学生的意见还采取了MSN、QQ 等学生喜爱的交流方式。通过这种网上交流，一方面使同学们不知不觉中利用课余实践学习巩固了图形学知识，扩展了知识面；另一方面也兼顾了图形学的教学大纲和同学们的兴趣。一般说来，教学大纲强调基本的概念算法，而学生则对如何生成各种漂亮的图形效果感兴趣，将如何基于图形学算法使用工具软件生成图形效果的资料放在网上，在课堂上就可以集中精力讲授算法理论。通过网上交流，给学生提供了一种获取知识的新渠道，这对于刚读完两年大学，已初步具备自学能力的大三学生而言，效果较好。
2.4上机实验的分配
计算机图形学涉及大量图形造形、图形生成和变换的算法，上机实验必不可少，应该结合课程特点设计实验内容，强调学习、研究和实验的有机结合，鼓励创新性。通过实验，发现问题，解决问题。
本校根据学生的实际情况，把实验环节分为必做的课内验证性实验、课内设计性实验、选做的课外创新性实验，并且要求学生将自己实现的各类图形算法统一到一个整体框架中。到课程结束时，每个学生都完成了一个具有自己特点的小型交互型计算机图形系统。在这个过程中，学生不仅学习了计算机图形学的各种算法，而且培养了学生的学习兴趣。
在上机实验过程中，由于本校学生在开设计算机图形学这门课程之前并没有学习过GUI编程，往届学生的上机实验都是基于Turbo C环境下的编程练习。由于TC的陈旧性和古板性，多数学生对它并不感兴趣，因此在2005届学生上机实验之前，本校教师将计算机图形学中的上机实验移植到VC、VB、C++ Builder等可视化的编程环境上来。这一方面让同学们学习编程时有与时俱进的感觉，另一方面又能学到新的内容。
2.5算法演示系统的设计
计算机图形学算法中涉及到较复杂的公式推导，在理解算法时要求有比较强的空间想像能力。为了帮助同学们更好地理解算法，本校组织毕业生在主讲教师的帮助下制作了“计算机图形学算法演示系统”，该系统利用Visual C++ 6.0结合OpenGL进行开发。
由于该系统主要用来进行辅助教学，而一般程序实现速度快，且操作的像素人眼看不见，这样的程序用于课堂讲解，虽然可以提高同学们的学习兴趣，但同学们看不到算法的具体实现过程。为了解决这个问题，本系统以放大的可见点模拟人眼看不见的屏幕像素，并且以动画的形式完成计算机图形学中各种算法的实现过程。系统中每一种算法都被设计为一个独立的类，各种算法根据其分类被组织在相应的菜单下，通过菜单调出设置参数和控制程序的对话框。采用该算法演示系统后，在学习相关算法时，同学们可以清楚地看到算法的分步执行结果，帮助同学从直观角度理解各种抽象算法，极大地提高了学生的学习兴趣，增强教学效果。
2.6课后习题的安排
课后习题对于帮助学生预习和自学, 激发学生兴趣等方面有重要作用。由于计算机图形学这门课程的特殊性，课后习题较少，因此根据课程教学需要，在参阅著名计算机图形学教材的基础上，本校教师经过收集整理，设计编写了教学辅助材料《计算机图形学习题集》，目前已基本成型，并在2005届学生中试用。
在设计习题的时候要精心设计和选择，特别避免作业形式单一、难度较大，否则就会使学生产生畏难情绪。注意循序渐进、难易适度。注重基础，注意多层次(如基础知识、算法设计和综合应用题等)、多形式(如判断题、选择题、填空题、简答题、算法设计题和综合应用题等)，使学生得到全面的训练。习题应注意启迪学生的思维, 培养独立思考的能力。
在每章习题的最后，都是这章内容的学习小结，要求学生回答：通过这一章的学习，掌握了哪些知识？哪些没有听懂？对老师有没有更好的建议等等。字数不限，但必须回答。从教师的角度出发，这种小结有利于了解学生的心理动态，了解自己的授课得失，有利于进一步改进教学质量；从学生的角度出发，这种小结客观上促进了学生进行课后复习，巩固了课堂效果，而且内容灵活，可长可短。
2.7教学过程的考核
重视教学的过程化管理与考核是保证教学质量的重要手段。对课堂、作业、实验等环节进行有效的管理，及时发现和纠正每一环节中存在的问题。应该在过程中解决教学中的问题，不能让其积累起来，避免学生感到课程的难学，以致学习积极性下降。
过程化管理和考核体现在评定学生的课程成绩时，全面考核各重要教学环节(如上课、作业、上机实验、期末考试等)的学习情况，应充分重视平时的学习情况，鼓励在平时作业、上机实践中独立思考，并有所创新的学生。对于平时作业，上机实验中存在的抄袭现象，教师要求学生用电子邮箱提交作业，两份完全雷同的作业，按照提交时间先后次序判断抄袭者。对于上机过程中，第一个完成的同学或者实现方法有所改进的同学都给予加分奖励。每次作业、上机实验都要给出等级，各环节的学习情况都有逐一的评定成绩，并按比例记入到课程的总成绩中。
3小结
通过本校2005届教学效果和往届学生教学效果的对比分析，在试卷难度相同的情况下，2005届计算机本科生图形学考核平均成绩提高5%，且成绩分布更趋向正态分布；网上评教系统表明，在2005届本科生中，学生对计算机图形学的畏难心理有较大的降低，仅有一人反映学习过程中听不懂，难度很大，这说明学生的学习兴趣和学习信心有一定的提高。从对比结果可看出本文所提出的方法有一定的实效，同时对其他课程也有一些参考意义。
参考文献
[1] 唐泽圣. 计算机图形学基础[M]. 北京:清华大学出版社,2003.
[2] 吴元斌. “计算机图形学”教学的几点体会[J]. 安康师专学报,2004,(16):119-121.
[3] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京:清华大学出版社,1998.
[4] 杨长强. “计算机图形学教学演示系统”的设计与实现[J]. 教育信息化,2006,(3):41-43.
Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics
Duan Jiang
(College of Information Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)
关键词：计算机图形学 教学改革 教学模式 案例材料
1. 引言
计算机图形学是研究如何在计算机中生成、显示和处理图形的一门学科。计算机图形学具有较高的实用价值，掌握它需要较深的理论基础，国内高等院校均设置了相关的本科课程。但是，由于各学校以及学校各专业之间培养目的、学生基础、师资配备以及课程安排等方面的差异，加之计算机图形学本身既需要较高的数学基础且需要很好的实际编程能力，使得学生在学习过程中普遍感到枯燥无味、无法吸收，难以达到应有的教学效果。本文分析了计算机图形学的课程特点及教学中存在的问题，对计算机图形学的教学改革进行了一些有益探讨。
2. 课程教学中存在的问题
计算机图形学是一门理论和实践兼顾、综合性很强的交叉学科，涉及内容和应用领域都很广泛。以下笔者根据自身的教学实践来阐述该课程教学过程中存在的一些问题。
（一）学习的积极性
对于接触计算机较多的学生而言，对计算机图形学的应用感受较为深刻，例如赏心悦目的动画、逼真的游戏场面等。学生初学本课程时，一般均有较高的兴趣，但随着课程学习的持续深入，发现课程理论艰深、晦涩难学，与期望值偏差较大，会逐渐影响学习的积极性。
（二）先修课程
先修课程内容的掌握情况直接影响着学生对计算机图形学课程的学习，先修课包括高等数学、线性代数、数据结构和程序设计课程。由于开课多安排在大学四年级，因而数学知识对学生学习该课程已经够用。本门课程实践性很强，程序设计课程知识对学生理解图形学算法并进行实验非常重要，掌握不好会使学生做实验时处处碰壁。 数据结构则用于描述图形内部结构，使用得当可由基本形体构建复杂图形。
（三）授课偏重理论
图形学课程内容庞杂，理论内涵丰富，数学公式繁多。要给学生讲清楚一个算法，需要从算法来源、图形实现建模到算法推导等方面着手。老师的很多精力放在了课程内容的讲授上，学生则被动灌输了大量知识，然而由于学时有限，学生不能全面动手进行实践巩固所学，因此最后对于课程的理解就只限于泛泛的概念了。计算机图形学是一门实践性很强的学科，上机实践是学好这门课的必要手段。但是，由于学时的限制，使原本很重要的实践活动变成了搭配，上机平台采用的多是目前已不作为主流平台的Turbo C，致使学生无法在实验中学到将来就业时需要掌握的编程知识，大幅降低学生的上机兴趣。
3. 教学改革
（一）科学使用教学模式
在计算机图形学课程教学中， 教学内容的选择是核心，其次是教学模式的选用。加强可视化多媒体教学，运用PPT、flash制作经典算法的仿真演示。该措施一方面可以使学生形象直观地理解教学内容，另一方面还可以增加教学的信息量，由此对教学带来的好处是显而易见的。电子课件制作应尽可能生动有趣、富有创意，尽可能多的准备与教学内容有关的多媒体素材。通过 flash 动画演示，把复杂枯燥的数学推导和算法描述成生动有趣的动画，激发学生的学习兴趣，提高学生的感性认识。传统的“粉笔＋黑板”讲课模式也有优势，教师教授起来有声有色，可通过肢体语言感染学生，提高教师与学生之间的互动性。对于需要严谨逻辑推导证明以及需要学生思考的教学内容，采用传统教学模式的效果会更好一些。 比如，在讲解经典图形生成算法时，对数学推导过程，可以采用传统教学模式，这样便于学生理解，并能给学生留出足够的思考时间。面向教学的网络教学平台的使用，则为师生之间的课下交流提供了便利条件。为此，根据学校的实际教学条件，可采取以多媒体教学模式为主，辅之以传统教学模式，并注重利用课下网络教学平台模式。
（二）案例材料设计
为了培养学生的实践能力，有必要编写一套与教学内容、教学进度相适宜、与教材相配套的教学案例材料。该案例教材可以设计一个游戏场景为目标，贯穿整门课程从基本经典图形生成算法到高级光照渲染等内容，使得学生一步步通过编程实践，从易到难，有针对性的掌握教学内容。
（三）调整授课内容和方法
由于课程学时短，内容多，算法推导繁琐，因此可在教学过程中对于基本经典内容重点讲授，而相似性内容泛讲。如针对直线 Bresenham 光栅扫描算法的教授，可选择从算法的来源、数学建模、原理算法推导及实现等过程详细讲，而针对圆和椭圆等其它相似图形，则只讲清原理和关键技术点，让学生自己推导。这样的教学方式，不仅有助于学生掌握知识，有效的缩短学时，而且有助于培养学生独立学习的能力。图形学高级主题部分如真实感图形学等均有一定的深度和广度，每一个相关部分都可看做一个独立的研究分支，如果全部面面俱到，重点教授，不但学时不允许，学生接受难度大，也超出了一般教学大纲范围。对这部分内容，可选择少量内容深入讲，而对其它内容采用专题讲座的形式。比如对于经典的 Phong 光照模型，由于不是很复杂，只要讲授方法得当，学生不难理解。因此，可给学生讲清其原理、推导及应用局限性，并把它作为学生实验的一部分。考虑到部分学生对实验过程所依赖的内容如点积实现可能会有难度，因此应事先为学生准备好这些实验条件。 对于其它的高级主题，可采用讲座形式，并给出最新搜集的演示图片或视频，帮助学生扩大知识面，以备将来应用之需。针对高级主题，采用这样的教学方法，可以做到有点有面，适当地加大深度，确保教学任务的高效完成。学生不仅学到了必要的知识和方法，开阔了视野，体会到基本原理的应用过程和乐趣。
4. 结语
经过这些年的教学实践和探索，从教学反馈结果看，本文所提出的方法和措施学生普遍能够接受，明显地提高了学生学习的积极性，使得他们发自内心地意识到抽象理论学习的重要性。同时，在学习过程中学生们也主动加强锻炼自己的实践能力，大幅度的提高了综合能力水平。但是，应该看到，计算机图形学学科发展日新月异，如何科学合理地将最新的研究成果纳入到教学内容中，还需要在今后的教学和科研工作中不断的实践和探索。
作者简介
1. 引言
随着集成电路制造工艺的快速发展，图形处理器(GPU，Graphics Processing Unit)作为计算机显示系统的核心部件在最近几年得到了飞速发展，众多计算机图形学应用得以迅速普及。这些应用表明，三维图形生成和显示技术将成为未来软件产品能否成功的一个关键因素。计算机图形学应成为计算机及其相关专业学生必须掌握的一门基础专业课程。
目前，国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述20世纪70年代、80年代的图形技术，强调计算机图形学的数学基础。此外，国内计算机图形学课程的从教人员年龄差别很大，大部分于20世纪80年代或90年代初从事该门课程的教学工作。由于成长环境的局限性和教学方法的沿袭，很多青年教师讲授计算机图形学课程时也强调图形学的数学基础，使得计算机图形学成为计算机及其相关专业学生很难掌握的一门课程。这种强调数学基础的教学方案适合数学基础优秀的学生，对于数学功底一般的计算机类学生难以适用。虽然有教师从实用角度出发来讲授计算机图形学技术，但对理论基础涉及较少，也难以深入，学生很难建立计算机图形学这门学科的体系框架。
针对上述教学中的不足，我们在吸收美国知名大学在该门课程的教学经验基础上，制定了计算机图形学的教学方案和实践环节。通过与微软亚洲研究院等工业界研究机构进行精品课程和科研项目交流与合作，进一步修订了课程方案，强调培养学生的创新能力。我们还在教学过程中增加了面向学科前沿的内容，使学生能及时了解学科发展的最前沿，开阔视野，为从事科学研究打下良好的基础。
2. 指导原则和教学目标
我们吸收了计算机图形学领域国际顶尖大学（如Stanford、UC Berkeley、MIT、CMU、 Princeton、UIUC）教材选择、实验环节和课件的优点，通过与微软亚洲研究院进行精品课程和研究项目资助活动，在CC2001、SE2004、SGE2004[CC2001][SE2004][SGE2004]的基础上进一步修订教学内容，使得它能够反映工业界对人才的需求和学科最新进展。同时，授课内容也反映任课教师自己的研究方向和特色，用科研来促进教学和人才培养。
该课程主要面向复旦大学软件学院高年级本科生，其教学目标要求与学院整个办学思路和人才培养理念保持一致。计算机图形学课程的教学目标包括三个层次。首先，通过本门课程的学习，学生可使用当代图形API（如Direct3D、OpenGL等）编写图形应用程序，并将这类程序与其他应用相结合。其次，通过课程学习，学生不仅对计算机图形学有一个全面、感性的认识，了解学科前沿，同时能够理解和实现部分经典算法。再次，寻找一个可行解决方法对模型进行求解，利用解决方法对问题进行测试，验证模型及其解决方案的正确性训练学生以图形作为工具，对实际问题进行可视分析、建模和求解技能。
尽管国际和国内计算机图形学课程涉及的学生专业背景和从教人员背景具有很大差异，我们相信上述这种重实践、求创新、着重培养解决问题能力的课程教学和人才培养模式都具有很大的参考价值。在保持上述教学和人才培养模式精髓前提下，从教人员可以根据具体情况来制定教学方案和实践环节。
3．教学方案
我院计算机图形学课程设置为2个学分，讲授36学时。学分和学时数比国内和美国高校偏少，因此我们在教材选择、教学内容和实践环节等方面都进行了仔细思考和精心设计，来实现上述教学目标。
我们选择Donald Hearn和M. Pauline Baker合著的《Computer Graphics with OpenGL》第三版作为教材[Hearn2003]。该教材取材丰富，以跨平台的开放图形库OpenGL为基础，介绍计算图形学的基础理论、基本概念和基本算法。学生可将教材示例程序在PC上运行，从而获得对教学内容的直观理解。由于这本教材的理论讲解不够深入，我们推荐[Moller2002][Foley97]作为参考书，并指定[Woo97] 作为必读资料，通过熟悉OpenGL编程接口规范并进行应用程序编写，让学生对图形学基础理论、基本概念和基本算法有深入理解。
考虑到计算机图形学课程涉及领域较多，我们没有采用双语教学，而是以中文讲授课程，但使用英文教材、英文课件和板书，而且作业和考试也采用英文命题。在教学方面，我们借鉴美国优秀大学的先进教育方法，主讲教师上课主要侧重课程的要点、难点和方法以及理念，具体细节要求学生课后学习和实践。这种授课方法要求学生在课后自学来强化对基本概念、基础理论和算法的理解和掌握，有效地弥补了学时的不足。同时，我们借鉴国外大学经验，为该课程配备3名教学助理(Teaching Assistant―TA)，达到了平均20名学生配备一名TA。TA和主讲教师一起，根据课程内容和学生反馈意见设计作业(Homework)和实习项目(Project)，并通过多种方式给予学生指导和帮助。
该门课程的教学内容涵盖了ACM SIGGRAPH和Eurographics教育委员会推荐方案的绝大部分内容[SGE2004]，同时考虑到软件工业的特点、工业界需求和学院的科研特色，我们还增加了该学科的最新进展的相关内容，具体教学安排如下。
第一讲为引言。首先介绍计算机图形学的研究内容、应用领域、典型图形系统的构成和获得ACM 图灵奖(Turning Award)的两位图形学者。接着，讲述图形系统的输入设备和显示设备。然后，以图形绘制为主线，回顾真实感和非真实感图形的历史，直到目前最热门的表面细节绘制、基于图像的绘制和基于相机阵列的绘制技术。
第二讲主要介绍二维图形技术。以画直线算法为例，讲解光栅图形与矢量图形的不同之处。介绍曲线离散为多个直线段的思想和原理，从而完成曲线绘制。通过多边形扫描转化和种子添充算法，介绍简单二维几何图形的光栅化技术。
第三讲重点讲述几何变换。包括物体的平移、旋转、错切、缩放变换；几何变换的矩阵表示形式和多个变换的复合方法，重点解释齐次坐标引入的必要性。最后，以场景图(Scene Graph)为例, 介绍变换的层次控制方法。
第四讲和第五讲围绕图形绘制流水线，讲述绘制流水线涉及的每个环节。包括物体的多边形表示方法、模型变换、取景变换、投影变换、视口变换、二维几何元语裁剪等多个关键步骤和算法。
第六讲为场景消隐技术。介绍了背面剔除、画家算法等物体空间隐藏面去除算法，以及多个图像空间消隐算法，如Z-buffer、面积细分、光线投射(Ray casting)、BSP树等。
关键词：计算机；图形教学；实践；创新
中图分类号：TP391.41
随着近些年来信息技术狂飙突进式的发展，计算机已经大范围普及，人们已经进入了计算机时代。而计算机教育也逐渐在整个教育体系中占据了重要的位置。所谓计算机图形学，“就是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。”[1]它是计算机教学体系中非常重要的一门课程。
直观地说，计算机图形学能够教会人们利用技术手段设计出逼真的图形。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法。计算机图形学是一门系统性非常强的学科，学生在学习时，需要注意课程的技术性、应用性、特殊性。计算机图形学是一门综合性的、包容性的学科，融合了数学、物理等知识。社会的不断变迁，促进了学科的不断变化，然而众多学校在本课程的安排上，学时都偏少，加之本身课程又偏难，这对学生更好的掌握本门课程又很不利。本课程的教学目标是要让学生掌握图形学的理论知识和基本原理，在教师的引导下，更好的掌握图形软件的使用方法。
就目前的学情状况来看，图形教学的上课效果并不是很好。一方面原因是知识点繁杂，课程对学生的要求也比较高。另一方面看，传统的教学方式也无法适应快速变化的学情。现存的教学问题迫使我们需要对教学方式进行改革，教师们应该以效率至上，去考虑如很能够利用有限的教学时间给学生传递出更多的知识，让学生更好的掌握图形制作流程，提高学生在学习图形学的兴趣，增加学习的主动性，让学生了解到课程和社会联系的紧密型。
创新是一个民族的灵魂，同时也是一门课程能够保持活力的催化剂。教师需要对课程设置进行创新、授课方式进行创新，建立一些列的创新体制，结合不同的教学实践，对计算机图形教学进行改革，以提高教学质量，力求达到最佳的上课效果。
1 图形教学中存在的问题
1.1 教学模式单一。图形教学离不开电脑。多媒体教学的普及，使得整个教学手段和教学内容都丰富了起来。但是通常情况下，教师在授课时，会将自己做好的课件播放讲解，老师甚至不会站起来，学生就直面大屏幕投影。老师无法将多媒体的优势融合到教学中，却放大了其缺点。整个课堂中，教师无法同学生进行有效的交流和沟通，老师也无法观察到学生的状态，课堂气氛比较低沉，学生也容易产生困倦之感，教学效果将大打折扣。
1.2 理论与实践脱节。学以致用，这是教学中必须要掌握的原则。而传统的教学中，通常教师只是注重理论的培养，甚至是机械的为了完成教学任务，给学生灌知识，忽视了培养学生的实践能力。这个体现在，理论授课的学时要远远多于实验的学时。图形教学是理论性和实践性融合很强的一门课程，如果单单是传授理论知识，忽视实践培养，好似是“瘸腿教育”，最终的结果则是学生纸上谈兵，很难达到预期的上课效果，学生也很难将知识融会贯通。
1.3 课程定位难言合理。目前的图形教学中，更多老师更加注重本学科的数学基础。传统的图形学都是以数学为基础的，然而这并不利于一些数学基础不好的学生学习图形学。课程的定位有些失准，有点“窄众化”，并不利于计算机专业的学生学习。如果单纯的去讲解计算机图形技术，却又不好深入，学生学得比较浅。
1.4 实际教学内容不够深入。总体来讲，由于各个学校对计算机专业并没有升学等成绩的要求，众多学生的计算机基础比较薄弱。由于计算机图形是一个知识点众多、技术性理论性都很强的专业，这对学生的基础性要求比较高，需要学生有较高的思维逻辑能力，较强的理解能力。但是学生现实的基础是无法满足上述要求的。学生的基本能力决定了老师的讲课深度，很多教师由于受学生能力的限制，在讲课时，讲授内容会略显简单，或者是比较浅，因为再深入后，学生并不好理解，再加上没有升学的压力，一些老师就干脆讲一些通俗易懂的，点到为止。真正的精髓学生是无法学到的。
1.5 考核模式不健全。传统的图形教学考核模式，以理论为基础，以卷面考试为住。这种考试模式，容易让学生只是应付性的去背一些理论。俗话说，没有压力就没有动力。考试好似一种走过场，并不能让人们去好好准备。本身图形教育就是注重实践的操作能力，一个合理的考核模式就是要调动起来学生的积极性，以考带动学。
2 图形教学的创新举措
2.1 丰富教学模式。教学内容是核心，教学模式为催化剂。上述的那种大屏幕模式，实际上，这种模式也有其有点，毕竟是电脑来操作，更加直观，而且，操作简单方便，但是，多媒体毕竟只是一种辅助工具。很多老师用电脑课件将绘图的过程都很快展现在同学面前，这不利于学生的思考。笔者通过多年的教学经验，认为，多媒体加黑板两种模式相结合，比如，需要展开分析的部分，由教师在黑板上一点点推导出来，也算是帮助学生一点一点的去推到，引导他们去思考，再配以多媒体的那种直观性。教师在利用多媒体时候，可以连接网络，共享网络上的资源，让学生开阔眼界。教师再多搜索一些与图形教学有关的案例，使整个教学过程中的元素能够有机的融合在一起。
2.2 理论与实践有机结合。图形学是抽象的，如果只是让学生与这些繁琐的公式、枯燥的理论打交道，学生的兴趣恐怕被消磨殆尽。关键是学这些东西不去实践，等于是白学。实验不仅能够锻炼学生的实操能力，也能够让学生在具体的操作中去感受理论的应用，让学生自己去糅合知识。只有自己的感悟才能够记忆深刻。学校来讲，要加大图形实验课的比例，要加大对实验课的重视，目的就是为了“用”。因为学生的自制力较差，他们不会在私下去联系，所以学校只能采取强制措施，慢慢的引导，增加他们的主动性。
2.3 对课程要进行合理定位。对课程合理的定位，是保证课堂质量，完成任务的重要举措。教师在讲课时，要将基础的理论和概念传递给同学。图形学是针对整个计算机专业的学生，教师如何去根据学生的基础去制定合理的课程进度。其定位必须要以实践性为导向。
2.4 教学内容的精选和合理组合。教学内容的合理选择关系到整个图形教学的质量。教学内容是包括理论与实践的。理论内容上，类似于图形的基本知识、图形的生成、变换等内容，通过对以上内容的学习，并配合上实践操作，学生能够掌握图形课程的一整套流程、基本原理和方法，逐渐熟练图形学的部分技术，促进图形学的实际应用。教学内容不仅仅只是体现在肤浅的表面，还有适当的传授给学生一些更加有深度的内容，因为图形学本身就是一个很有深度的课程，如果只是点到为止，这既不能进一步挖掘图形学的深度内容，也不利于学生的图形制作水平的提升。
2.5 健全考核模式。考核的目标是要让学生知道计算机图形学习的重要性。让学生去重视起来。教师应在课堂、实验以及作业上进行学生的考核。考核的过程中，教师能够及时发现学生存在的问题。要对学生进行适当的鼓励，要发挥教师的主导作用，也要充分发挥学生的主体作用。平时的考核和最后的考试相结合，避免学生“学习为了考试”的片面理念。
计算机图形教学的复杂特性，值得我们去深入研究。计算机图形教学处在一个发展过程中，需要更多的教师去探索，逐步挖掘创新的教育模式，促进图形教育的发展。
参考文献：
[1]吴元斌.计算机图形学教学的几点体会[J].安康师专学报，2004.
本文作者：成轲 单位：中原工学院
三维动画作为一种新兴的动画形式，近几年发展非常迅速，逐渐成为了主流的动画形式。中国开展动画专业的高校现在也都基本开设了针对三维动画的课程。三维动画不同于传统的二维手绘动画，是和计算机技术结合非常紧密的一门交叉学科，基本所有的制作过程都要借助于计算机硬件和软件，这使得三维动画的教育方式和方法需要同传统的二维动画教育区分开来，不论从教学方法还是教学内容都需要进行很大调整。国内三维动画教育目前还处于起步和摸索阶段，相比较来说，欧美发达国家三维动画教育起步较早，发展也相对完善。如果可以吸收和借鉴其中成功的经验，并加以利用，一定能对中国的三维动画教育帮助良多，解决目前存在的一些问题，并能推进国内整个三维动画产业的发展。在所有的欧洲三维动画教育中，英国的教育模式是比较富有代表性的也是发展较为成功的。英国高校的三维动画教育一般采取三位一体的教学模式。其中包括计算机图形学技术的学习，艺术知识的学习和计算机应用软件的学习。这三方面互为补充，构成了一个比较完善的教学体系。
一、计算机图形学技术的学习
目前中国国内的三维动画产业发展较慢，也较为混乱，是和缺乏足够的计算机技术相关的。而计算机图形学技术的学习也是目前中国三维动画教育中比较欠缺，急需改进的重点。因为三维动画里面的各种效果都是产生于与之相对应的各种计算机技术。例如海浪，火焰，毛发，还有模拟各种真实的动作等。没有相应的计算机技术，也无从谈起三维动画。也正是各种各样日新月异的计算机技术推动了三维动画在世界领域的快速发展。所以，软件开发技术不论从任何方面都是三维动画领域里面的重中之重。英国三维动画教育很重视这方面技术的教学和实践，也针对这些技术也开设了一系列课程。例如面向现在比较热门的Mo-tionCapture（动作捕捉）技术，英国的Bristol大学的CharacterAn-imation（人物动画）专业就开设立了MotionCaptureRetargeting方向的研究工作，主要面向解决MotionCapture后人物动作变形的问题，并在这一领域取得了一定成功。而类似Bristol大学的例子还有很多。Bournemouth大学甚至开设了计算机动画（ComputerAnima-tion）的博士生项目，并和中国的高校建立了合作关系。由此我们可以看出，英国的三维动画教育很重视计算机图形学，特别是三维图形学的教育工作。而且强调三维图形学和三维动画有机的整合在一起，使学生能真正理解三维动画的原理，有能力去开发和拓展三维动画领域。相比较来说，中国的三维动画教育一直忽视计算机图形学技术的教学和科研，导致学生严重缺乏必要的计算机技术，这也大大桎梏了三维动画在中国的发展。
二、艺术知识的学习
众所周知，三维动画的的魅力是由动画艺术本身独特的特点所体现出来的，对于动画艺术知识的学习自然是学好三维动画学科的基础。除了和中国基本相同的美术设计知识学习之外，英国的动画专业教育很重视电影学知识的学习，也针对性的开设了一系列课程。例如Bristol大学的CharacterAnimation（人物动画）专业就跟戏剧专业（DramaDepartmen）t合作开设了FromBodytoAvatar，ProjectDesignandStoryboarding等课程。专门讲授塑造人物性格，编排剧情，制作故事板，剪辑电影，添加音效等方面的内容。这些课程对于设计，制作和最后完成三维动画都很有必要。目前中国高校的三维动画教育对于美术知识的教育还是比较重视的，可是针对电影学方面的课程安排较少。如果能够参照英国的教学模式，适当增加电影学的教学环节，对于学生对于动画知识的全面了解和制作动画都会带来很多益处。
三、计算机应用软件的学习
毫无疑问计算机应用软件的学习也是三维动画教育中必不可少的一环，只知道原理却不会操作各种应用软件将会寸步难行。这些软件包括Maya，Premiere，AE，Photoshop，Audition等等。大型软件的应用在未来的三维动画发展中也会越来越重要。在英国的三维动画教育中，不论是本科还是研究生教育都有很大一部分比例的学分专门为这些课程安排的。这其中Maya作为权威的三维动画制作工具，是最难，最花时间，也是最重要的。学生通过课堂上的学习只是了解其基本操作，真要做到熟悉操纵Maya还要通过长时间的上机和实践。在国外的三维动画教育中，老师一般只花很少时间教学生操作，更多是给学生布置一些作业，在完成作业的过程中进行实践。针对中国的三维动画教育，应当适当延长计算机软件课程的教授时间，因为只让学生自己摸索，对于Maya这样复杂的软件实在勉为其难。何况Maya是全英文软件，对于中国学生是很有必要详细解释各种操作的。
四、总结
中国三维动画教育这么多年虽然一直在被强调，各种学习班也层出不穷。可是绩效不明显，专业和市场与欧美的差距也越来越大。我认为根源是出在教育模式上，没有系统化的教育，是不会产生大量真正专业化的人才的。现在国内三维动画教育缺乏对计算机技术，尤其是计算机图形学知识的学习，过分强调美术设计，甚至连电影学的课程也很少涉及，这使得学生无法获得全方位和良性的发展。我们应该清楚的认识到，仅仅掌握美术设计和几个软件是无法成为真正的动画人才的。而且国内的三维动画教育过分注重通才教育，缺乏人性化和个性化，使得学生本身的特点和优势受到遏制，缺少真正精通的方面，反倒不利于专业素质的提高，这也是目前动画学生就业难的主要原因之一。相比较来说，英国动画教育不但注重培养的学生的团队精神，更注重学生个性和专长的发展，这点是国内的动画教育可以借鉴的一个主要方向。本人希望国内的三维动画教育能够借鉴和参考国外较为成熟的教育体系，取其精华、弃其糟粕，和国内的国情相结合，一定能够探索出更为完善，更为适合的中国三维动画教育模式。
关键词:计算机图形学;选修课教学;知识导航链;知识屏蔽;自我成就感
中图分类号:G642 文献标识码:B
1引言
计算机图形学(以下简称CG)是研究如何利用计算机显示、生成和处理图形的学科。目前它已经成为一门发展最活跃、应用最广泛的前沿学科。CG涉及物理学、数学、计算机科学、心理学及艺术等诸多方面的内容,因此,该课程的特点是综合性较强,多学科交叉,课程本身具有极强的理论性和实践性。
由于CG自身的特点,使得它的讲授有别于其他课程。在讲授这门课程时,经常会遇到下面几个问题:
(1) 由于学科本身涉及的内容多、变化快、应用广,容易使学生在学习过程中混淆所学知识、疲于应付。
(2) 由于课程本身具有极强的理论性和实践性,教学过程中较难把握两者的轻重。作为选修课时,以上几个问题显得尤为严重。学生往往对选修课不够重视,难以提起学习兴趣。另外,作为选修课,学时相对较少,学生又来自不同专业,基础参差不齐,给教师授课内容的组织及进度安排也带来了困难。
针对该课程特点及选修课学生的特点,我们对教学中的一些问题进行了深入思考并提出了新的教学思路,即“五要”,要重视第一次课,要让学生始终保持思路清晰,要注意知识屏蔽,要强调实用性,要能增强学生自我成就感。实践表明,这些教学新思路对培养学生学习兴趣,提高学习热情,改进教学质量具有很好的指导和促进作用。
2教学中的思考
2.1要重视第一次课
很多学生在选修CG这门课时,不知道它是讲什么的,往往会误以为只是介绍一种图形软件的课程,因此就没有很明确的学习目标,这也直接导致学生有怠慢的情绪。作为教师,应该在第一次课的时候就纠正学生的错误理解,强调该课程所学习的内容,那就是“我们是做一个图形软件,而不是用一个图形软件”。
“万事开头难!”在给学生讲第一次课的时候,如果能让学生对这门课有一个正确的认识,不产生厌烦、畏惧心理,而是建立起学习激情、学习兴趣,确立较清晰明确的学习目标,那么对今后学习这门课的其他内容是有很好的指导作用的。
CG已有40多年的历史,其应用已经深入到方方面面。就人们经常可以接触到的广告、游戏、动画等而言,无一不用到它的知识,将这些实际应用以图示、动画等形式充分展示在学生面前,让学生看到CG的魅力所在,不但可以激发学生的学习兴趣,而且可以让学生了解到学习这门课的用处。在举例子时,不要只考虑到炫目,应该让这些
应用在后继的学习中与相关内容有联系,否则如果出现学生的强烈期望与枯燥现实的矛盾时,会挫伤学生的学习热情。课上,教师可以让学生列举他所认为的用到了CG知识来解决的问题,采用讨论的形式,活跃课堂气氛。课下还可以要求学生利用网络资源、图书馆资源等,去了解如何用CG技术制作诸如羽毛、雪景、水、海面、火焰等效果,加深学生对CG的认识。
总之,第一次课下来,应能达到以下两个目标:
(1) 学生明确知道了这门课的学习内容,确立了学习目标。
(2) 激发学生学习CG的兴趣和热情。
2.2要让学生始终保持思路清晰
在教授这门课的过程中,我们发现有些学生在学习了几种算法之后,竟然混淆了各算法所解决的问题。究其原因,学生在学习过程中没有一个清晰的学习框架和路线,在学习一个知识点的时候,不知道它所处的位置,造成了“只见树木,不见森林”的情况。
CG其实就是研究如何利用计算机“逼真”地模拟现实世界景物,而模拟景物的过程可以用图形流水线来给出如图1所示。依次将利用流水线上各技术处理的典型示例及效果图展示出来,让学生知道各部分大致完成的功能,并且要让学生知道,在学习过程中,他们也可以利用所学知识做出同样的效果,完成同样的功能,这样学生就会有清晰的学习思路,不会感到混乱,也有了学习兴趣。采用图形流水线的顺序组织课程内容,符合学生理解问题的逻辑顺序,有利于学生理解课程的知识结构,便于掌握各知识点间的关系,可以解决“只见树木,不见森林”的问题,使学生始终保持思路清晰,提高学习效果。
整体的学习思路按照上述流水线来进行,而在实际讲解各知识点时,可以通过加入导航的方式来给学生提供学习线索。如对Bresenham算法而言,既有画圆的Bresenham算法,也有的画直线的Bresenham算法,如果它是在图2所示的一个知识导航链上的,学生就会很清楚它所处的位置和完成的功能了。这种方式使学生无论在学习哪一个知识点的时候,都知道自己身处何地,不至于迷失在CG这座“森林”里。
2.3要注意知识屏蔽
CG涉及到很多方面的知识,如果不采取一定的“知识屏蔽”措施,学生会觉得自己掉进了一个知识的深渊,变得毫无目标,这会极大地影响学习热情。
比如,CG涉及很多数学知识,有些学生数学基础比较差,看到这种情况就会产生畏惧心理。其实就CG基础部分来说,涉及到的数学知识是有限的、简单的。老师在讲授涉及数学知识的部分时,要进行必要的数学知识的复习,但不必讲太深。如在学习几何变换时,要涉及到矩阵运算,主要是矩阵乘法,那么就可以通过下面的提问方式来做复习:“求矩阵T12×3和矩阵T23×4的乘法?结果矩阵的行数列数分别是多少?能否求T2×T1?”这个例子涉及了几个知识点,然而都是相当基本简单的,“第一个矩阵的列数要和第二个矩阵的行数相同才能进行矩阵乘法运算”,稍微提示一下学生就可以回忆起来,这样学生就有信心了。千万不要长篇细研,能不讲就不讲,毕竟在有限的时间能接受的知识也是有限的。
CG还涉及到人类视觉系统,这是一个复杂的系统,至今人类也没有完全搞清楚它是怎样工作的,所以也不要给学生详细讲解这个系统,而是能避则避。比如抖动技术的实现,本来只是两种颜色的图形简单地交错拼接在一起,怎么人眼就会看到另外一种颜色呢?如图3所示,黑白方格交错,从远处看就是灰色。这种情况只讲实际人们的经历体会,而不要太细地去探究人眼的工作机理。日常发生的情况,一说学生就会知道有这种现象,至于为什么,不去管它,这种情况只要“想当然”地接受就好了。
CG涉及的知识面太广,选修课课时又相对较少,因此对很多知识进行“知识屏蔽”,并“想当然”地接受并不是坏事,反而可以让学生专注于必要知识的学习。这就像人们想要走过一条路,走到一半时,发现路面发生了一些变化,但并不会影响继续行走,与其停下来探究路为什么发生变化,不如继续走下去,毕竟路的问题不是我们要解决的事,这条路我们只是用而已。
2.4要强调实用性
学习知识的最终目的是为了解决实际问题。如果不知道学的东西会有什么用、怎么用,学生就会感觉到很盲目,没有目标,会丧失学习兴趣和热情。“学这有什么用啊?我以后用得着吗?”,这几句话是学生经常会问的问题。有些课程的内容可能确实很难给出具体的应用,但CG不同,它是一门实践性很强的课,应用非常广泛,应用实例随手可得,教师应该充分利用这种资源,让学生看到学所用,这是调动学习积极性、明确学习目标的一个非常好的途径。
如何强调实用性呢?在介绍CG理论和算法时,要配合它们在流行的图形设计和动画制作软件(如AutoCAD、3D MAX、MAYA等)中的应用来讲解,促进理论学习和软件使用形成互动。如在介绍真实感图形时,播放由计算机绘制出来的各种云彩、山峰、海绵等效果,动画片中的各种变形效果等等,这样本显枯燥的理论内容通过实际应用展示出来,非常有利于学生理解和接受,也容易激发学习兴趣,进一步明确学习目标。
2.5要能增强学生自我成就感
这一点放在最后讲,是因为相对其他几点来讲,它是更加重要的。
通过分析有关心理因素认为:成就感是学习动机的基础,是建立主动学习动机的保证,是被动学习转化为主动学习的桥梁。因此,形成不同程度的成就感,是提高学习效果的有效手段。
现在许多学生为什么厌学?因为他们找不到“成就感”。在学习上看不到收获,感到的只是挫折和疲倦,如此这般,想让他们自觉努力地学习,是不可能的。所以一个明智的老师,应该研究一下学生的学习心理,想办法让他们不断找到“自我成就感”,保持学习的积极性。
对CG来说,由于实践性强、应用广泛,因而讲起来其实更容易些。在讲理论课时,充分利用现有的CG应用资源,尽量用实际应用中的图、动画、游戏等来展示,学生更易接受。一张图所能传达信息的内容和速度都是言语所不及的,学生一看一听就明白,也就会愿意继续学习下去。课上课下还要提供氛围,加强教学互动,可以让学生分组讨论,让学生有时间思考,也要让学生及时展示他的理解、他的想法,如果能得到肯定,自我成就感油然而生,一定会鼓舞学生的学习士气。
在实践教学方面时,实验的内容应是学生力所能及的,并且鼓励创新。当学生发现自己也能有新的想法时,学习的快乐会像一缕温暖的阳光激励他继续前进。实验内容的安排上还要考虑系统性,将每次实验内容、实现的程序综合到一个系统上(这个系统框架最好先由老师事先架设好)。到学期末,学生就会看到自己的作品――一个简单的图形系统,这无疑是一个最大的鼓励和肯定,也会让学生有继续深入学习的期望和热情。
当然增强学生自我成就感并不就是盲目的肯定和夸奖,不能让学生产生怠慢的心理,认为这门课好学。必须适当增加需要认真思考,甚至多人合作、讨论才能解决的问题,这样有伸有缩,才会既不减学习热情,又不使有怠慢情绪。
3小结
CG是一门综合性学科,有其自身不同于其他课程的特点,教授起来会有一定困难,特别是作为选修课时,会面临更多问题。依据课程特点及教授过程中的心得体会,我们总结出了以上教学思路。教学实践表明,学生普遍反映较好,教学效果明显提高。教学过程中,“学生是主体”这一点是毋庸置疑的,文中每一个想法和思路都以学生为出发点来思考问题,相信对学生的学习是有帮助的,当然这也对教师的教学工作提出了挑战。
参考文献:
[1] 覃雄派. 计算机专业本科的图形学实践教学[J]. 计算机教育,2007(11):80-83.
[2] 周芳芳,赵颖. 高校《计算机图形学》教学改革探索[J]. 科技信息,2008(15):11-14.
[3] 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(8):6-11.
1、计算机专业开设的主要课程有：电子技术、离散数学、程序设计、数据结构、操作系统、计算机组成原理、微机系统、计算机系统结构、编译原理、计算机网络、数据库系统、软件工程、人工智能、计算机图形学、数字图像处理、计算机通讯原理、多媒体信息处理技术、数字信号处理、计算机控制、网络计算、算法设计与分析、信息安全、应用密码学基础、信息对抗、移动计算、数论与有限域基础、人机界面设计、面向对象程序设计等。
2、学电脑的方法：首先认识电脑的基本组成设备；然后认识电脑的接线，这里的接线是指主机机箱外部的接线，机箱内部的接线；接着掌握电脑基本操作，如开关机、鼠标键盘的使用；最后掌握操作系统的基本操作即可。
（来源：文章屋网 ）
关键词：游戏设计；课程体系；课程设计
文章编号：1672-5913（2017）07-0001-05
中图分类号：G642
0 引 言
随着市场对游戏开发人员的需求量越来越大，很多学校陆续开设了游戏相关的课程或专业。就目前高校游戏方向的发展情况来看，课程设置或多或少还存在一些问题：大多只是简单地进行课程堆积，未认真梳理。解决这个问题的根本在于要清楚游戏设计方向的定位，即学生进入社会后会从事哪些岗位，这些岗位需要具备哪些核心能力，通过对这些核心能力的分析提炼出支撑这些核心能力需要的课程。
1 游戏设计方向的专业定位
内的游戏行业开始于20世纪90年代中期，经历了萌芽、单机游戏、网游等阶段，现在进入移动时代。这些发展给中国游戏产业结构带来了根本的变化。分析产业的发展可以帮助我们对游戏行业的未来发展趋势进行预判，确定行业未来的技术需求。2008年以来国内各种平台游戏用户的增长情况如图1所示。从图1可以看出游戏用户主要分为3类：端游用户、网游用户、移动游戏用户。其中2014年，中国客户端网络游戏用户数量约达到1.58亿人，比2013年增长了3.9%；中国网页游戏用户数量约达到3.07亿人，比2013年下降了6.5%；中国移动游戏用户数量约为3.58亿人，比2013年增长了15.1%。
游戏销售量变化如图2所示，2014年，中国客户端网络游戏市场实际销售收入608.9亿元人民币，比2013年增长了13.5%；中国网页游戏市场实际销售收入202.7亿元人民币，比2013年增长了58.8%；中国移动游戏市场实际销售收入274.9亿元人民币，比2013年增长了144.6%。
通过上述分析，我们认为：
（1）游戏行业整体仍有望保持高速增长。
（2）客户端游戏市场规模仍继续扩大，但市场占有率逐年降低；基于其每年很大的销售收入来看，仍属于游戏产业中的核心组成部分。
（3）网络游戏进入高速平稳发展阶段，移动游戏开始快速发展，其市场占有率将会逐渐提升；这两类游戏将形成游戏产业中的新兴市场。
2 人才需求分析
目前国内游戏产业的人才需求分为3个层次：初级游戏产业的人员包括运营人员、技术支持、售后服务等；中级游戏产业的人员包括游戏策划、游戏美术、游戏程序等；高级游戏产业的人员包括主程序员、美术总监、策划总监等。今后几年我国中高级游戏产业人员的缺口仍然很大。
游戏开发公司目前主要职位见表1，其中三大岗位群是程序开发、策划和美工。
3 岗位能力结构分析与课程设计
由于专业原因，我们仅从游戏开发技术层面对能力结构进行分析，提出相应课程设计。游戏开发主要包含美术制作、剧情创作和程序设计3部分内容。
美术制作和剧情创作定位偏艺术方向，游戏设计方向培养重点主要为游戏程序设计，培养的人员主要为客户端程序员与服务器端程序员。客户端程序员主要要求学生具备基础编程能力、设计算法能力、图形编程能力、软件设计能力、脚本编程能力、熟悉游戏引擎以及具有界面设计能力。服务器端程序员主要要求学生具备基础编程能力、网络编程能力、数据库编程能力和软件设计能力。
3.1 基础编程能力
基础编程能力是专业学习的起点，用人单位也喜欢将基础编程能力作为公司选拔毕业学生的重要标准。许多学生因为基础编程能力无法达到而放弃了专业课程的深入学习，针对这一现象，我们在进行课程设计时，将通过增加语言课程的学时和严格考核标准来提升学生的编程能力，为此，我们设置了C语言、面向对象程序设计（C++） 、Java编程和C#程序设计课程，均采用上机考核方式。
3.2 设计算法能力
游戏中的AI、图形的绘制及效率优化算法以及模拟现实的物理现象都需要学生具有较好的设计算法的能力。AI要求学生熟悉数据结构、A*算法等知识，为此我们设置了数据结构和游戏常用算法两门课程来帮助学生初识游戏AI。图形的绘制及效率优化要求学生熟悉计算机图形学，能熟练使用OpenGL或Direct3D中的一种API来进行验证算法。模拟现实的物理现象要求学生能用已经学习的数学和物理知识，构造算法模拟真实场景。通过学习计算机图形学、高级图形编程及游戏引擎编程课程，学生能够掌握游戏场景的渲染，并能基于引擎了解真实场景的模拟。
3.3 3D图形编程能力
为了增强游戏的真实效果，某些类型的游戏会以3D的方式呈现给玩家，制作3D游戏需要编程人员具备熟练的3D图形编程能力。通过计算机图形学让游戏编程人员熟悉各种3D基本图元的生成。高级图形编程帮助学生了解3D场景建模、光照与纹理和一些图形特效的模拟等。
3.4 软件设计能力
游戏的类型非常多，如动作类、冒险类、模拟类、角色扮演类、休闲类等，设计不同类型的游戏在开发过程中软件的架构是不一样的，需要在学习过程中引导学生熟悉常见类型的游戏的总体架构。另一方面，目前游戏市场成功的游戏大多集中在中重度游戏开发，开发的代码量大约可以到10万行的量级，尽管不能算是一个大型的软件项目，但游戏开发具有很强的时效性，往往几周或几个月的时间延迟对于游戏项目的损失是巨大的。因此，游戏开发对软件工作知识要求很高，如何有效地进行软件的维护，如何最优地实现代码的扩展，团队如何进行合理的协助等，这些基本的软件开发原则都需要学生掌握。面向对象程序设计课程的部分案例间接地为学生勾画出如何进行软件设计；软件工程课程能够让学生在工程实践课程及毕业设计过程中体会到软件设计的精髓。
3.5 脚本程能力
游戏发展与普通软件发展路线类似，都是基础框架+脚本逻辑的模式。我们在创建游戏项目时发现，最好的办法就是将游戏脚本集成到程序中，这样可以很好地控制游戏的流程并节省开发时间。我们主要通过C#编程技术与游戏脚本编程两门课程培养学生的脚本编程能力。
3.6 熟悉游戏引擎
游戏开发具有很强的实效性，目前大多数游戏公司在开发中都是使用引擎来进行开发，游戏引擎在项目开发中充当搭建游戏骨架的角色，游戏引擎开发可以把游戏中的基本元素如画面、剧情、关卡、操作等有效地拼接在一起，构建成一款完整的游戏，同时赋予制作者实现其设计理想的可能性。游戏引擎编程课程介绍游戏引擎架构中的核心技术，而工程实践及毕业设计则帮助学生了解甚至尝试开发引擎。
3.7 界面设计能力
游戏界面设计是评价游戏软件品质等级的重要指标，随着玩家交互性要求的提升，游戏的界面设计已经不是早期的界面设计。游戏编程人员也需要知道可玩性（gameplay）的基本原则，并体现在具体的游戏界面设计中，界面设计能力所需要承载的课程有信息架构与可视化、游戏美术设计、用户研究与价值创造、用户界面设计等。
3.8 网络编程能力
国内游戏基本以网游为主，大部分游戏都需要具备网络环境下的多玩家功能，需要开发人员熟悉如何使用Socket库进行数据传输、如何进行TCP/IP编程等。为此我们设置了计算机网络和网络游戏编程两门课程。
3.9 数据库编程能力
游戏数据的管理是网络游戏的根本，熟练的数据库编程能力对于游戏服务器编程人员是必需的。数据库技术课程教授数据库的相关原理和基本语法，相应的工程实践则锻炼学生在游戏项目进行数据库设计的能力。
4 游戏开发课程路线设计
针对端游、页游、手游等不同开发路线，考虑对开发平台的选择，我们设计了以下3条开发课程路线。
1）端游开发课程路线。
端游开发对平台知识要求较多，目前端游还是主要运行在Windows系统上，因此我们前端开设了Windows编程，图形渲染部分设置了计算机图形学和高级图形编程。端游开发课程路线如图3所示。
2）手游开发课程路线。
手游开发需要对移动终端开发和设计方面的知识有所了解，因此开设了移动终端编程及用户界面设计等课程；目前手游需要兼顾两大主要平台，熟悉Html5技术是非常必要的；同时手机游戏中界面的交互性要通过信息架构可视化课程来解决。手游开发课程路线如图4所示。
3）页游开发课程路线。
页游开发过程要求学生对Web编程有所了解，目前页游和手游结合紧密，这就需要学生同时了解手游的相关知识。页游开发对学生的服务器编程能力要求较高，同时由于学时限制，学生无法系统学习Java方向课程，为此我们在课程设计中开设了与服务器开发相关的课程，如Web编程技术、XML设计与应用等。页游开发课程路线如图5所示。
5 结 语
游戏行业发展很快，很难建立一个长期稳定的课程体系。课程体系建设应该从需求本质进行剖析，提炼出经典的知识作为专业的固定培养内容，同时将根据市场需求调整的内容作为可变的培养内容，形成稳定的持续改进模式。我们将本着满足社会需求、培养高素质人才的基本理念，持续改进完善课程体系。
参考文献：
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[3] 骆斌， 王浩然， 丁二玉. 面向软件系统设计的软件工程专业关键课程建设[J]. 中国大学教学， 2015（2）： 58-61.
【关键词】虚拟现实 数字媒体 艺术设计
虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术，也称灵境技术或人工环境。VR技术领域几乎是所有发达国家都在大力研究的前沿领域，它的发展速度非常迅速。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。
一、虚拟现实课程简介
随着国内宽带网络的普及和多媒体技术的发展，虚拟现实技术逐渐应用于信息多媒体展示方面。而三维网络展示系统将是虚拟现实技术未来发展的重要方向之一，因此全国各高校相继开设数字媒体艺术设计专业，其中的虚拟现实技术的课程成为国内外教育技术学及媒体传播领域的研究热点和发展趋势之一，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络等技术的最新成果，以其沉浸性、交互性和构想性等无可比拟的优点。虚拟现实技术在各行各业得到了广泛的应用和重视，比如在教育培训、城市规划、文物保护、游戏娱乐等领域取得了巨大的发展，市场前景广阔；同时国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划和863计划等都已将虚拟现实技术列入了研究项目。
虚拟现实课程是以往多个计算机辅助设计软件的一个综合运用，课程主要涉及到多个软件与课程的结合，软件包含有Photoshop、AutoCad、3dsmax、Virtools 等，涉及课程有建筑制图、建筑场景漫游、景观绿地设计等专业范围。课程主要运用虚拟现实技术完成一个三维场景的漫游浏览系统， 使其能够流畅，完整的再现一个实际的环境或建筑。其中主要运用virtools 这个软件来实现交互浏览的制作， 这一步骤是整个系统实现人机交互的核心， 最后完成系统的制作并。
二、虚拟现实在国内高校的研究现状
国内在VR方面有较多研究成果的其他单位有国防科技大学、天津大学、北京理工大学、中国科学院自动化研究所、西北大学、山东大学、大连海事大学和香港中文大学等。
北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究的机构之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟世界中物体物理特性的表示与处理，在VR中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法。他们还实现了分布式虚拟世界网络设计，建立了网上VR研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供VR演示世界，提供用行员训练的VR系统，提供开发VR系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。
清华大学计算机科学和技术系对VR和临场感的方面进行了研究，他们还针对室内环境中水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三维结构的新颖算法。
西安交通大学信息工程研究所对VR中的关键技术——立体显示技术——进行了研究。他们在分析人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码的新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。
2004年南京大学成立了南京大学虚拟现实与数字媒体研究中心，对VR技术及应用进行研究，并把重点放在虚拟体育仿真、数字文化遗产保护和自然人机交互等方面。
三、虚拟现实课程开设的重要性
虚拟现实技术是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，并通过传感设备与之交互的新技术。作为一门新兴的学科，它已经被众多高校纳入计算机科学与技术专业的选修课范畴，但是却没有在数字媒体技术专业中普遍开设。其实无论从技术特点，还是从社会需求来讲，虚拟现实技术都与数字媒体技术有着非常密切的关系，具体体现在如下几个方面。
1） 虚拟现实是一门典型的交叉学科，它所涵盖的知识结构与数字媒体技术具有非常大相似性，例如计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、视音频技术等。除此之外，它还涉及了仿真技术、人工智能技术、计算机网络技术、多传感器技术等内容。虚拟现实强调这些技术的综合应用。
2） 虚拟现实强调技术创新性和应用创新性。从技术上来讲，虚拟现实在不同学科的交叉融合中，能够不断产生新思想和新方法，例如近几年出现的各种人机交互新方法，各种立体显示新技术等；从应用上来讲，虚拟现实具有强烈的“身临其境”的沉浸感和发人想象的刺激性。因此，利用虚拟现实技术，学生们能够将自己的任何创意和想象进行实践，在虚拟场景中进行规划、设计和测试，从而激发出新的创意。
