發(fā)布時(shí)間：2023-03-21 17:07:28
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)圖形學(xué);教學(xué)改革;OpenGL
中圖分類(lèi)號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”是研究如何利用計(jì)算機(jī)顯示、生成和處理圖形的原理、方法、技術(shù)的一門(mén)學(xué)科,是計(jì)算機(jī)科學(xué)中發(fā)展最活躍、應(yīng)用最廣泛的分支之一。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)新一輪教學(xué)改革中,確定了計(jì)算機(jī)科學(xué)方向的16門(mén)主干核心課程,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是其中之一。
1 “計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題及改革的方向
國(guó)內(nèi)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)過(guò)分強(qiáng)調(diào)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),使得“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”成為計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生很難掌握的一門(mén)課程。這種強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)方式適合數(shù)學(xué)基礎(chǔ)優(yōu)秀的學(xué)生,對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一般的學(xué)生難以適用,往往造成很多學(xué)生有厭學(xué)、為難的情緒。如何讓學(xué)生更好地掌握?qǐng)D形學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)呢?注意到圖形學(xué)的輸出結(jié)果和相關(guān)應(yīng)用是最吸引學(xué)生的,于是,通過(guò)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”實(shí)驗(yàn)的演示、驗(yàn)證和開(kāi)發(fā),來(lái)鞏固學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)的理解,就顯得非常有必要。
計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,致使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的范圍和形式也發(fā)生了一些改變。十年前,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)往往在Turbo C下,用graphics.h下定義的圖形函數(shù)進(jìn)行程序的編寫(xiě)。在這個(gè)環(huán)境下,只能進(jìn)行一些最基本的二維圖形生成、填充、變換的實(shí)驗(yàn),程序復(fù)雜,不能進(jìn)行三維圖形生成、紋理貼圖、光照、視點(diǎn)變換等等這些實(shí)驗(yàn),極大的限制了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。如今,計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展,改革計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)勢(shì)在必行。
我校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)從2002年開(kāi)始,在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入了OpenGL,所有實(shí)驗(yàn)都要求在安裝了GLUT的Visual C++ 6.0的環(huán)境下進(jìn)行。
八年的教學(xué)表明,利用OpenGL開(kāi)展圖形學(xué)實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生理解相關(guān)的圖形學(xué)知識(shí),提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,提高學(xué)生在圖形圖像方面的程序開(kāi)發(fā)能力非常有好處。結(jié)合多年教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入OpenGL后一些需要注意的問(wèn)題,特撰寫(xiě)本文,希望對(duì)從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的老師有一定的借鑒作用。
2我校“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置
我校計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)業(yè)的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程目前所使用的教材為Donald Hearn和M.Pauline Baker編著的《Computer Graphics with OpenGL,Third Edition》,該教材取材豐富,以開(kāi)放圖形庫(kù)OpenGL為基礎(chǔ),介紹計(jì)算圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本概念和基本算法。教材提供了大量的示例程序,學(xué)生可將教材示例程序在PC上運(yùn)行,從而獲得對(duì)教學(xué)內(nèi)容的直觀理解。該教材的采用,極大的方便了用OpenGL展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該課程是專(zhuān)業(yè)必修課和雙語(yǔ)課程,4個(gè)學(xué)分,講授54學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)36學(xué)時(shí)。
2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇
OpenGL是一個(gè)發(fā)展成熟的、性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn),它是20世紀(jì)后20年在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下,以SGI的GL三維圖形庫(kù)為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用共享的開(kāi)放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。目前,包括Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作為三維圖形標(biāo)準(zhǔn),許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出自己的產(chǎn)品,其中比較著名的產(chǎn)品包括動(dòng)畫(huà)制作軟件Soft Image和3D Studio MAX、仿真軟件Open Inventor等等。OpenGL具有七大功能:建模、變換、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示和圖象增強(qiáng)、雙緩存動(dòng)畫(huà)。OpenGL 的基本函數(shù)都做到了硬件無(wú)關(guān),甚至是平臺(tái)無(wú)關(guān),開(kāi)發(fā)的軟件可以在各種硬件和操作系統(tǒng)上應(yīng)用。相比較而言,微軟的Direct3D雖然也是十分優(yōu)秀的圖形應(yīng)用接口,但它只用于Windows系統(tǒng),具有一定的局限性。因此,選用OpenGL作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái),能非常好的演示和驗(yàn)證各種圖形學(xué)的算法,能緊貼學(xué)科前沿,給學(xué)生今后從事圖形學(xué)相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。此外,OpenGL在3D方面的強(qiáng)大功能,也能極大的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
由于OpenGL核心函數(shù)庫(kù)都是平臺(tái)無(wú)關(guān)的,所以O(shè)penGL的核心函數(shù)庫(kù)不包含任何輸入或窗口函數(shù)。原因很簡(jiǎn)單,因?yàn)檫@兩者都嚴(yán)重依賴(lài)于特定的平臺(tái)。但是,無(wú)論圖形程序運(yùn)行在何種平臺(tái)上(Windows、Linux或Macintosh),都不可避免地要和操作系統(tǒng)或本地窗口系統(tǒng)進(jìn)行交互。面對(duì)這種情況,在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)中,我們采取一種折中的策略――借助一個(gè)簡(jiǎn)單的工具集,即OpenGL實(shí)用工具集(OpenGL Utility Toolkit,GLUT)。GLUT在標(biāo)準(zhǔn)編程環(huán)境中都有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn),其API包含大多數(shù)窗口系統(tǒng)所共有的標(biāo)準(zhǔn)操作,并允許我們?cè)趹?yīng)用程序中使用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。GLUT的使用能讓學(xué)生避開(kāi)復(fù)雜的Windows編程中的窗口和輸入的交互函數(shù),把更多的精力放到圖形學(xué)的內(nèi)容上。
2.2圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展項(xiàng)目
目前,課程開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示,其中實(shí)驗(yàn)類(lèi)型分為三類(lèi):驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生對(duì)理論課程學(xué)習(xí)的圖形學(xué)基本算法和OpenGL的基本語(yǔ)法進(jìn)行編程驗(yàn)證;綜合性實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生在經(jīng)過(guò)一個(gè)階段的學(xué)習(xí)后,具有了一定的基本知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用圖形學(xué)的多種知識(shí),對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是一種探索性的實(shí)驗(yàn),不但要求學(xué)生綜合多種知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,而且要求學(xué)生能充分運(yùn)用已學(xué)到的知識(shí),去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生自己選題、自己設(shè)計(jì),在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行,以最大限度發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。
表1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展項(xiàng)目
實(shí)驗(yàn)名稱(chēng) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型
實(shí)驗(yàn)1
OpenGL編程初步 (1)OpenGL的安裝;
(2)OpenGL GLUT 框架的使用;
(3)OpenGL下圖形的繪制原理;
(4)OpenGL下基本圖元的繪制。 驗(yàn)證性
實(shí)驗(yàn)2
二維基本圖元的生成 (1)DDA、Bresenham直線生成算法的實(shí)現(xiàn);
(2)中點(diǎn)圓算法的實(shí)現(xiàn);
(3)中點(diǎn)橢圓算法的實(shí)現(xiàn)。 驗(yàn)證性
實(shí)驗(yàn)3
二維圖元的填充 (1)熟悉OpenGL中對(duì)顏色的設(shè)置;
(2)邊界填充算法的理解與實(shí)現(xiàn);
(3)泛濫填充算法的理解與實(shí)現(xiàn);
(4)掃描線填充算法的理解與實(shí)現(xiàn)。 驗(yàn)證性
實(shí)驗(yàn)4
OpenGL下圖形的交互控制 (1)了解glut中的各種回調(diào)函數(shù);
(2)用鼠標(biāo)對(duì)圖形進(jìn)行交互控制;
(3)用鍵盤(pán)對(duì)圖形進(jìn)行交互控制。 驗(yàn)證性
實(shí)驗(yàn)5
OpenGL下的二維圖形變換 (1)直接設(shè)置投影矩陣,對(duì)圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放,理解變換的原理;
(2)掌握OpenGL下平移、旋轉(zhuǎn)、縮放變換的方法;
(3)掌握以上方法的組合變換。 驗(yàn)證性
綜合性
關(guān)鍵詞：雙語(yǔ)教學(xué)；專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)閱讀；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一直是我院高年級(jí)開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)選修課。在我校積極推進(jìn)雙語(yǔ)教學(xué)改革，提高學(xué)生的英語(yǔ)水平和專(zhuān)業(yè)能力的背景下，經(jīng)過(guò)多年努力，我們準(zhǔn)備在英語(yǔ)基礎(chǔ)較好的計(jì)算機(jī)工程學(xué)院對(duì)該門(mén)課程實(shí)行雙語(yǔ)教學(xué)的改革與實(shí)踐。
一、實(shí)施雙語(yǔ)教學(xué)的目標(biāo)
所謂的雙語(yǔ)教學(xué)是指教師可以同時(shí)使用英語(yǔ)和漢語(yǔ)這兩種語(yǔ)言進(jìn)行授課，而不是只用英語(yǔ)進(jìn)行講課，它應(yīng)該是兩種語(yǔ)言的合理的搭配，在講課中教師應(yīng)該考慮講授范圍的針對(duì)性、對(duì)象的理解性、專(zhuān)業(yè)知識(shí)的主導(dǎo)性，其主要目的不是學(xué)習(xí)英語(yǔ)，而是為了使學(xué)生通過(guò)外語(yǔ)這一語(yǔ)言工具學(xué)好專(zhuān)業(yè)課程，為推廣知識(shí)面打好基礎(chǔ)。專(zhuān)業(yè)課雙語(yǔ)教學(xué)的目標(biāo)就是致力于如何為學(xué)生創(chuàng)造使用外語(yǔ)進(jìn)行學(xué)術(shù)思考和語(yǔ)言交流的環(huán)境，提升學(xué)生應(yīng)用英語(yǔ)進(jìn)行工作交流的能力，作為傳統(tǒng)英語(yǔ)教學(xué)的一種有效補(bǔ)充，為日后走上工作崗位進(jìn)行科研打下基礎(chǔ)。具體而言，在課程開(kāi)展過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)逐步適應(yīng)以下教學(xué)方式：英文授課乃至英學(xué)術(shù)報(bào)告，進(jìn)而參與和主持有英文學(xué)術(shù)的討論和辯論；要求學(xué)生能準(zhǔn)確、全面地理解原版教材內(nèi)容，流暢地閱讀原版專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)，用英文撰寫(xiě)作業(yè)或與專(zhuān)業(yè)相關(guān)原版文章，在專(zhuān)業(yè)教育上保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，以求教學(xué)內(nèi)容與國(guó)際接軌；雙語(yǔ)教學(xué)應(yīng)激發(fā)學(xué)生雙語(yǔ)學(xué)習(xí)的積極性，開(kāi)拓學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)面的深度和廣度，這就對(duì)雙語(yǔ)教學(xué)的專(zhuān)業(yè)課任課教師提出了更高的要求。
二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)的模式
1.選擇合適的教材。應(yīng)根據(jù)本專(zhuān)業(yè)學(xué)科的特點(diǎn)及專(zhuān)業(yè)學(xué)生水平選擇原版教材，合適的、好的教材可以幫助教師學(xué)習(xí)國(guó)外現(xiàn)代的教學(xué)理念和借鑒國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，因此要綜合考慮幾個(gè)方面的因素，如教材內(nèi)容的新穎，教材是否反映了新的教育思想和與國(guó)際接軌的人才培養(yǎng)新體系，是否為該學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的資深學(xué)者所編寫(xiě)，以便使學(xué)生及時(shí)了解到該門(mén)課程及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的新動(dòng)態(tài)。選擇原版教材要切合實(shí)際，生詞量適中，否則會(huì)影響閱讀效率，甚至于理解率。鑒于我院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的學(xué)生實(shí)際情況，我們選用了Zhigang Xiang編著的《Computer Graphics with OpenGL》，該書(shū)以O(shè)penGL為開(kāi)發(fā)背景，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專(zhuān)業(yè)詞匯豐富，學(xué)生從中不但可以學(xué)習(xí)英文詞匯，還可以學(xué)到以O(shè)penGL為開(kāi)發(fā)背景的圖形知識(shí)。
2.制定靈活的大綱和可調(diào)的學(xué)時(shí)。由于使用兩種語(yǔ)言授課，且學(xué)生接受能力參差不齊，雙語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中最好采用交互式授課，教師多與學(xué)生交流，以便讓學(xué)生理解透徹所授內(nèi)容，這樣就難免出現(xiàn)課程進(jìn)度減緩的情形，教學(xué)計(jì)劃無(wú)法準(zhǔn)確執(zhí)行的情況。因此，教學(xué)大綱制訂得彈性些，教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行可以靈活些，授課教師可根據(jù)課堂教學(xué)的實(shí)際情況確定向?qū)W生講的內(nèi)容，有些內(nèi)容可以多講些，有些內(nèi)容可以少講些，有些內(nèi)容可以不講，沒(méi)有必要照搬，對(duì)于學(xué)生沒(méi)有搞清楚的，可以重復(fù)講，但對(duì)基礎(chǔ)理論和重點(diǎn)內(nèi)容一定要講得清清楚楚、透透徹徹，多花費(fèi)一些課時(shí)也是應(yīng)該的。
3.授課的方式。在專(zhuān)業(yè)方向上，考慮到學(xué)生間英語(yǔ)水平參差不齊，在講課時(shí)應(yīng)注意由淺入深，先適當(dāng)使用較多的中文，之后慢慢地增加英文內(nèi)容。在教學(xué)方面可以采用多種方式：板書(shū)、多媒體、專(zhuān)題討論、大作業(yè)、論文等方式。由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是專(zhuān)業(yè)選修課程，以學(xué)習(xí)圖形基礎(chǔ)知識(shí)和圖形算法為主，因此教學(xué)過(guò)程中可以采用多種方法或多種方式，如一些比較專(zhuān)業(yè)的術(shù)語(yǔ)：簡(jiǎn)單的內(nèi)容可以全用英文講解，復(fù)雜的內(nèi)容可以英文、中文混雜在一起講解；在算法、原理等核心內(nèi)容部分可以先用中文講解，然后用英文對(duì)所講內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，這樣既營(yíng)造出一個(gè)英文的學(xué)習(xí)環(huán)境，又讓學(xué)生很好地理解本章節(jié)的重點(diǎn)。隨著學(xué)習(xí)的深入，可以在課件中加大英文的比率，直到全部使用英文。這樣的教學(xué)方法不會(huì)因?yàn)閷W(xué)生外語(yǔ)水平的原因而失去對(duì)這門(mén)功課的學(xué)習(xí)興趣。這就需要任課教師具備很好的授課技巧，在適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)境中完成專(zhuān)業(yè)知識(shí)的授業(yè)，讓學(xué)生提高了專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)水平的同時(shí)又學(xué)會(huì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。而在一些較難的知識(shí)點(diǎn)中，教師需要通過(guò)適當(dāng)?shù)慕换シ绞絹?lái)幫助學(xué)生理解概念，如用中文對(duì)話圖片、動(dòng)畫(huà)等方式，避免由于語(yǔ)言滯后造成學(xué)生的思維混亂甚至錯(cuò)誤。此外、教師還要不斷地補(bǔ)充專(zhuān)業(yè)詞匯，在課堂上把教材中的詞匯、關(guān)鍵概念、基礎(chǔ)理論和原理等有針對(duì)性地提取出來(lái)進(jìn)行講解。教師要仔細(xì)觀察、經(jīng)常與學(xué)生交流、及時(shí)捕捉學(xué)生的反饋，若發(fā)現(xiàn)學(xué)生沒(méi)有很好地掌握所教知識(shí)要點(diǎn)，就要用中文及時(shí)講解一下，使學(xué)生充分理解，然后再用英文講一遍。
4.教學(xué)方法的改革?！耙远嗝襟w教學(xué)為主、板書(shū)為輔、現(xiàn)場(chǎng)程序演示、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)作為常規(guī)教學(xué)的補(bǔ)充”，多種教學(xué)手段，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程“內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少”的特點(diǎn)，提出并采用了“金字塔式”教學(xué)法；針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程重在培養(yǎng)學(xué)生思維能力的特點(diǎn)，采用了“發(fā)現(xiàn)式”教學(xué)法；針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出并采用了“四結(jié)合式”教學(xué)法：教學(xué)與科研相結(jié)合，算法講解與程序演示相結(jié)合，理論學(xué)習(xí)與編程實(shí)踐和圖形軟件應(yīng)用相結(jié)合，教師課堂知識(shí)講授與學(xué)生課外文獻(xiàn)閱讀相結(jié)合。
5.改革考試方式。有效的考核方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程是一個(gè)良好的鞭策，高年級(jí)學(xué)生具備一定的計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)，對(duì)他們的學(xué)習(xí)應(yīng)實(shí)行多元化的評(píng)價(jià)方式。以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，應(yīng)考慮對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的考核方式，應(yīng)從多個(gè)部分去進(jìn)行。針對(duì)本課程實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，為了考查學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，采取了階段考核成績(jī)累計(jì)方式，分別從算法設(shè)計(jì)與編程實(shí)踐能力、軟件應(yīng)用與創(chuàng)新能力、文獻(xiàn)閱讀與綜述能力和卷面筆試，四個(gè)方面來(lái)評(píng)定學(xué)生成績(jī)。
6.改革傳統(tǒng)的答疑方式。借助于面向教師的課程網(wǎng)站（http：//class.jmu.省略/C394/Asp/Root/Index.asp）實(shí)現(xiàn)全部教學(xué)資源上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)教師的教學(xué)資源的共享，對(duì)課程進(jìn)行統(tǒng)一管理。利用面向?qū)W生的在線教學(xué)網(wǎng)站（http：//class.jmu.省略/C394/Asp/Root/Index.asp）實(shí)現(xiàn)教師的個(gè)性化教學(xué)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)資源共享、師生自由討論提供了一個(gè)平臺(tái)。在保留傳統(tǒng)的教師與學(xué)生面對(duì)面答疑方式的基礎(chǔ)上，又增加了網(wǎng)絡(luò)在線答疑方式，拓展“教”與“學(xué)”的空間和時(shí)間。
三、雙語(yǔ)教學(xué)的思考
1.師資隊(duì)伍。雙語(yǔ)教師的師資應(yīng)兼顧英語(yǔ)和專(zhuān)業(yè)水平，雙語(yǔ)教學(xué)具有很大的難度，雙語(yǔ)課程不但要講好專(zhuān)業(yè)課，還要運(yùn)用好外語(yǔ)，最重要的是，必須將兩者都很好的兼顧，因此雙語(yǔ)課程的任課教師不是專(zhuān)業(yè)水平高或是英文底子好就可以勝任的。雙語(yǔ)教師本身應(yīng)熱愛(ài)雙語(yǔ)教學(xué)，能夠以最大的熱情投入到雙語(yǔ)教學(xué)中去。同時(shí)如何使學(xué)生能夠接受，如何熟練運(yùn)用兩種語(yǔ)言授課，合理分配兩種語(yǔ)言整合知識(shí)點(diǎn)，必須成為雙語(yǔ)教師對(duì)自身的要求。如果雙語(yǔ)教師的熱情不夠，備課不充分，往往會(huì)造成投入大收效微的情況。第二、雙語(yǔ)教師有一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并在在教學(xué)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)下一定的功夫，必須有能力把握課堂的進(jìn)度，有能力根據(jù)課堂情況對(duì)教學(xué)活動(dòng)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。要有仔細(xì)分析所授課程的特點(diǎn)，能夠揣摩學(xué)生的認(rèn)知心理，并根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程合理地設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，在講課中多與學(xué)生交流，并注重觀察學(xué)生的反饋，能根據(jù)課上學(xué)生的反饋理解情況及時(shí)合理地調(diào)整教學(xué)方案。這就要求雙語(yǔ)型教師必須不斷創(chuàng)造環(huán)境，使自身同時(shí)具備用英文思考和表達(dá)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力。平時(shí)要經(jīng)常跟讀詞典，力求發(fā)音準(zhǔn)確。這些是雙語(yǔ)教師自身素質(zhì)所應(yīng)具備的。
2.積極探索和尋找有效的雙語(yǔ)教學(xué)方式。由于學(xué)生的水平層次差別較大，教師在采用任何教學(xué)方式的時(shí)候，都應(yīng)該把施教對(duì)象的接受程度因素考慮到，所以在雙語(yǔ)教學(xué)推行的初期，不應(yīng)把雙語(yǔ)教學(xué)的目標(biāo)和形式定位太高，一下子推廣的課程不要太多，可考慮采用以下幾種辦法試行：先在部分選修課程或部分英語(yǔ)好的學(xué)生中試行，課本可采用中英文對(duì)照翻譯教材，上課可考慮采用中文或英文講授，慢慢過(guò)渡到原版教材，并逐步增加講授英語(yǔ)的分量、直至用英文授課與考核，學(xué)生數(shù)及考核比例。如何構(gòu)思雙語(yǔ)教學(xué)中教學(xué)過(guò)程是非常關(guān)鍵的，它決定了一門(mén)雙語(yǔ)課程是否真正成功的重要因素。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是課前先英文回顧，然后給出本次課可能用到的關(guān)鍵詞，對(duì)于簡(jiǎn)單的關(guān)鍵詞可以用英文描述、講解，對(duì)于重點(diǎn)或難點(diǎn)的關(guān)鍵詞可以用中文描述、英文講解，但最后必須用英文對(duì)本次課的主要內(nèi)容做一個(gè)總結(jié)。對(duì)于學(xué)生特別感到困難或困惑的，教師應(yīng)采用從少到多、從易到難的方法進(jìn)行，即開(kāi)始時(shí)的幾次課教師盡量用少量的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的英文解釋和簡(jiǎn)單過(guò)渡性陳述講清楚主要內(nèi)容，隨著學(xué)生對(duì)雙語(yǔ)形式的適應(yīng)，慢慢加大英文分量，教師授課時(shí)可以采用全英文的課件，但在授課時(shí)應(yīng)注意循序漸進(jìn)，對(duì)于簡(jiǎn)單的概念和理論可以采用英文解釋?zhuān)瑢?duì)于不太難的算法解釋可采用中英文兩種語(yǔ)言配合解釋?zhuān)詈笾鸩竭^(guò)渡到全英文簡(jiǎn)要介紹新的知識(shí)點(diǎn)。
3.調(diào)動(dòng)教師雙語(yǔ)教學(xué)的積極性。雙語(yǔ)授課對(duì)授課老師的要求較高，不但要求專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還要要求英語(yǔ)水平較高，特別是口語(yǔ)較好。因此要充分調(diào)動(dòng)教師的雙語(yǔ)教學(xué)的積極性，學(xué)校應(yīng)給予一些特殊政策，如適當(dāng)提高授課系數(shù)，給予授課教師以一定的進(jìn)修的機(jī)會(huì)，以積極、穩(wěn)妥地推進(jìn)雙語(yǔ)教學(xué)的開(kāi)展。
4.提高學(xué)習(xí)興趣。對(duì)學(xué)生興趣的培養(yǎng)要最好將雙語(yǔ)課程和他們今后職業(yè)教育相結(jié)合。由于很多學(xué)生由于外語(yǔ)差的緣故，對(duì)于雙語(yǔ)課程的學(xué)習(xí)與開(kāi)展有一定的畏難甚至抵觸情緒，因此雙語(yǔ)課程的開(kāi)展不要攤得太大，最好能開(kāi)在選修課程里，可以讓學(xué)生自由選擇，有一定數(shù)目的可供選擇的雙語(yǔ)專(zhuān)業(yè)課程，這樣可以在一定程度上避免學(xué)生外語(yǔ)水平參差不齊的情況，同時(shí)又兼顧所希望的專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容，使學(xué)生的積極性、參與性都能發(fā)揮出來(lái)，學(xué)習(xí)效果得到提高。隨著學(xué)習(xí)的深入，再由少數(shù)人帶動(dòng)多數(shù)人，逐漸過(guò)渡到在整個(gè)專(zhuān)業(yè)展開(kāi)。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)改革的目的，不但是為了提高學(xué)生的英語(yǔ)水平和專(zhuān)業(yè)能力，如掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、理論、原理等，為以后學(xué)習(xí)相關(guān)課程和從事相關(guān)研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，更要注重學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合能力的培養(yǎng)，如掌握相關(guān)開(kāi)發(fā)工具軟件如C++、OPENGL等開(kāi)發(fā)圖形程序，高年級(jí)學(xué)生即將走向工作崗位或進(jìn)一步深造，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐及如何做研究非常重要。要指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目中逐步培養(yǎng)這方面的能力，并在做項(xiàng)目過(guò)程中提出具體的要求。評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)效果的最終宗旨是提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，以求真正達(dá)到面向世界、面向現(xiàn)代化的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
[1]中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》的通知（教高[2001]4號(hào)）[M].北京師范大學(xué)出版社，2001.
3D圖形學(xué)游戲數(shù)字媒體技術(shù)一、前言
數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)是近年來(lái)新增的專(zhuān)業(yè)，數(shù)字媒體技術(shù)是通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算和通信手段，綜合處理文字、聲音、圖形、圖像等信息，使抽象的信息變成可感知、可管理和可交互的一種技術(shù)，主要包含場(chǎng)景設(shè)計(jì)、角色形象設(shè)計(jì)、游戲程序設(shè)計(jì)、多媒體后期處理、人機(jī)交互技術(shù)。圖形學(xué)是該專(zhuān)業(yè)的核心課程之一。
“3D游戲圖形學(xué)”是一門(mén)在對(duì)傳統(tǒng)課程“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)新開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)課。該課程主要介紹三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、算法與編程實(shí)現(xiàn)，以及3D圖形開(kāi)發(fā)技術(shù)的最新進(jìn)展。
本文首先對(duì)傳統(tǒng)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了開(kāi)設(shè)“3D游戲圖形學(xué)”的必要性；然后就“3D游戲圖形學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了討論；最后總結(jié)我們的經(jīng)驗(yàn)與不足。
二、開(kāi)設(shè)“3D游戲圖形學(xué)”課程的必要性
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，在各方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣，特別是以動(dòng)畫(huà)、游戲?yàn)榇淼臄?shù)字娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，但是目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容無(wú)法緊跟最新技術(shù)的發(fā)展，存在以下一些問(wèn)題：
1.多以二維圖形和理論講述為主。對(duì)直線、圓、曲線等基本圖形算法講述較多，但是目前的圖形學(xué)應(yīng)用主要是三維的，二維圖形算法已經(jīng)非常成熟和硬件化了。
2.對(duì)當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域中所用到的最新圖形技術(shù)設(shè)計(jì)較少。隨著動(dòng)畫(huà)、游戲等技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)涌現(xiàn)了越來(lái)越多的新方法和新技術(shù)，但傳統(tǒng)課程“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容陳舊。
3.實(shí)踐案例教學(xué)內(nèi)容欠缺。目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)沒(méi)有理論結(jié)合實(shí)踐，缺乏講解具體算法的實(shí)現(xiàn)方法，要么主要將理論，要么講程序語(yǔ)言O(shè)penGL的簡(jiǎn)單使用方法，與實(shí)際應(yīng)用需要嚴(yán)重脫節(jié)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)一學(xué)期后也無(wú)法進(jìn)行具體的圖形編程。
為此，迫切需要開(kāi)設(shè)一門(mén)教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)、理論與實(shí)踐并重的課程，不僅要把經(jīng)典計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理講透，而且能適當(dāng)融合當(dāng)前三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實(shí)踐開(kāi)展案例教學(xué)?；谶@一考慮，我們開(kāi)設(shè)了“3D游戲圖形學(xué)”這門(mén)課程。
三、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)
“3D游戲圖形學(xué)”總學(xué)時(shí)數(shù)48學(xué)時(shí)，理論教學(xué)33學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)15學(xué)時(shí)。理論教學(xué)內(nèi)容分為以下9講：
第1講為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，主要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義、研究范疇，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域，圖形系統(tǒng)構(gòu)成、輸入輸出設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展熱點(diǎn)，課時(shí)為2學(xué)時(shí)。
第2講為基本圖形生成算法，講述圖形光柵化的基本原理，直線的生成算法包括數(shù)值微分法和中點(diǎn)Bresenham算法，圓的生成算法包括簡(jiǎn)單方程生成圓和圓的中點(diǎn)Bresenham算法以及多邊形的光柵化算法，課時(shí)為4學(xué)時(shí)。
第3講為圖形變換，圖形變換是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的重要內(nèi)容之一，為將繪制的圖形轉(zhuǎn)化成適合在屏幕上顯示的二維圖形，必須將其經(jīng)過(guò)一系列的變換，包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、投影等，本講主要講述計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中最常用的二維圖形變換和三維圖形變換，課時(shí)為4學(xué)時(shí)。
第4講為三維場(chǎng)景繪制流水線，主要講述三維場(chǎng)景顯示到屏幕上需要的一系列變換，包括觀察空間變換、投影變換、窗口到視區(qū)的變換和光柵化顯示，課時(shí)為3學(xué)時(shí)。
第5講為真實(shí)感圖形光照處理，主要講述簡(jiǎn)單光照模型，透明、明暗、陰影及紋理處理，整體光照模型與光線跟蹤算法，課時(shí)為時(shí)。
第6講為三維場(chǎng)景造型技術(shù)，主要講述三維場(chǎng)景的組織方式，幾何剖分技術(shù)包括四叉樹(shù)、八叉樹(shù)、BSP樹(shù)等，快速可見(jiàn)性判斷與LOD加速繪制技術(shù)，課時(shí)為4學(xué)時(shí)。
第7講為游戲特效繪制技術(shù)，主要講述常用的特效實(shí)現(xiàn)基本原理和方法，如廣告牌技術(shù)、粒子系統(tǒng)技術(shù)、精靈動(dòng)畫(huà)技術(shù)、煙霧火特效技術(shù)和眩光特效技術(shù)等，課時(shí)為3學(xué)時(shí)。
第8講為碰撞檢測(cè)技術(shù)，主要講述碰撞檢測(cè)的基本原理、基本碰撞檢測(cè)算法的原理與實(shí)現(xiàn)，包括基于圖像空間的碰撞檢測(cè)算法、基于一般表示模型的碰撞檢測(cè)算法和面向可變形體的碰撞檢測(cè)算法，課時(shí)為2學(xué)時(shí)。
第9講為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)，主要講述幾種最典型的動(dòng)畫(huà)運(yùn)動(dòng)生成方法，包括關(guān)鍵幀方法、過(guò)程動(dòng)畫(huà)、變形動(dòng)畫(huà)、基于物理模型的方法和人體動(dòng)畫(huà)，課時(shí)為2學(xué)時(shí)。
與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相比，本課程偏重最新的三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)。用較少的課時(shí)介紹經(jīng)典的二維圖元繪制算法，然后重點(diǎn)介紹當(dāng)前用得最廣泛的三維圖形技術(shù)，融合最新的三維游戲圖形開(kāi)發(fā)技術(shù)。另外，本課程注重理論和實(shí)際相結(jié)合，在每一章講完理論后，緊接著介紹如何采用OpenGL進(jìn)行具體編程，使學(xué)生可以利用所學(xué)知識(shí)做出自己的圖形，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與編程能力。
四、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
“3D游戲圖形學(xué)”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，為了使學(xué)生能學(xué)以致用，真正掌握目前應(yīng)用廣泛的三維圖形技術(shù)，做到與時(shí)俱進(jìn)，除了理論教學(xué)外，必須輔以足夠的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力，使得學(xué)生學(xué)習(xí)該課程后能夠利用OpenGL或DirectX進(jìn)行具體的三維圖形編程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是在保留經(jīng)典的二維圖形編程的基礎(chǔ)上增加了三維圖形編程項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型包括基本型、設(shè)計(jì)型和綜合型三種。
基本型實(shí)驗(yàn)，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)基本理論進(jìn)行驗(yàn)證，加深學(xué)生對(duì)基本理論的理解，安排三次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一為VC++6.0+OpenGL繪圖環(huán)境及簡(jiǎn)單圖形的輸出，主要是掌握在VC++6.0平臺(tái)上配置OpenGL工具包，熟悉OpenGL工具包的主要功能，掌握OpenGL的繪圖流程和原理，課時(shí)為2學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)二為基本圖元生成算法的實(shí)現(xiàn)，主要是理解基本圖形元素光柵化的原理，掌握直線和圓的多種生成算法，課時(shí)為4學(xué)時(shí)；實(shí)驗(yàn)三為幾何圖形變換實(shí)驗(yàn)，主要是實(shí)現(xiàn)二維、三維圖形變換，包括基本幾何變換和投影變換，課時(shí)為3學(xué)時(shí)。
摘 要：本文通過(guò)全面論述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系與它在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的作用與地位，提出把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)列入計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心課程，以彌補(bǔ)“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專(zhuān)業(yè)規(guī)范(試行)”與“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)公共核心知識(shí)體系與課程”中對(duì)計(jì)算理論“能行性”教育的缺失與應(yīng)用軟件編程系統(tǒng)訓(xùn)練的不足。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；計(jì)算機(jī)教育；核心課程；軟件系統(tǒng)；應(yīng)用開(kāi)發(fā)
中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1 引言
2006年，國(guó)家教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編制出版了“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專(zhuān)業(yè)規(guī)范(試行)“(以下簡(jiǎn)稱(chēng)”新專(zhuān)業(yè)規(guī)范“)[1]，該“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”指出：由于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)是全國(guó)在校人數(shù)最多、高校開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)最多的專(zhuān)業(yè)，這導(dǎo)致計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生目前出現(xiàn)就業(yè)困難，其主要原因還是計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)滿足社會(huì)需要的針對(duì)性不夠明確，導(dǎo)致了人才結(jié)構(gòu)上的不合理。解決方法是分類(lèi)培養(yǎng)、使計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生能有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，高校教育應(yīng)該為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)在的畢業(yè)生增加專(zhuān)業(yè)特色、增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，等等。并由此提出了“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)公共核心知識(shí)體系與課程”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“核心課程”)[2]。無(wú)疑，這對(duì)全面規(guī)范并提高國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育的整體水平具有非常大的指導(dǎo)作用。通過(guò)認(rèn)真學(xué)習(xí)研究這些內(nèi)容之后發(fā)現(xiàn)，究竟應(yīng)選擇哪些課程作為計(jì)算機(jī)的公共核心課程供全國(guó)各行業(yè)人員作為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，以及一些課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該如何安排，才能做到既拓展計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域、又能增加學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)渠道等，這些都是大家不斷思考的問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)“核心課程”的選擇似乎對(duì)上述已有問(wèn)題的解決幫助不夠，而增加計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育對(duì)解決這些問(wèn)題是一個(gè)值得借鑒的好方法，理由如下(不妥之處，請(qǐng)批評(píng)指正)。
2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程列入核心課程，彌補(bǔ)本科教學(xué)計(jì)算能行性教育的缺失
作為具有全國(guó)指導(dǎo)意義的“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”，應(yīng)該為計(jì)算機(jī)教育在多個(gè)行業(yè)方向的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，而抽出它們所共有的基礎(chǔ)課作為計(jì)算機(jī)本科教育的核心課程，但現(xiàn)有的“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”的公共“核心課程”[2]只有
程序設(shè)計(jì)
離散數(shù)學(xué)
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)組成
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
操作系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)
等7門(mén)課程內(nèi)容，而把“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程排斥在核心課程之外，這顯然不利于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的全面發(fā)展，不利于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、游戲、圖形標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件行業(yè)的全面發(fā)展，會(huì)縮小計(jì)算機(jī)本科生畢業(yè)之后的就業(yè)面，也與制定“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”的初衷相悖。
什么能被自動(dòng)計(jì)算一直是計(jì)算機(jī)界探討的主題之一[8]，那些確切能用計(jì)算方法解決的問(wèn)題如何設(shè)計(jì)才能被計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算簡(jiǎn)稱(chēng)計(jì)算的能行性(可計(jì)算性的實(shí)現(xiàn)前提)，而程序設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這兩門(mén)課程是計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)，它們作為計(jì)算機(jī)的公共核心課程是必須的。但這兩門(mén)課程(該“程序設(shè)計(jì)”課程實(shí)為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言＋語(yǔ)句的簡(jiǎn)單應(yīng)用，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”講授程序加工的數(shù)據(jù)如何配合算法進(jìn)行有效管理安排、以實(shí)現(xiàn)算法的功能)并沒(méi)有從理論上解決計(jì)算機(jī)程序根據(jù)什么原則才能進(jìn)行有效設(shè)計(jì)、以及程序如何構(gòu)成系統(tǒng)后才能最后自動(dòng)解決用戶提交的計(jì)算問(wèn)題，這是國(guó)內(nèi)“程序設(shè)計(jì)”課程多年來(lái)懸而未決的老大難題。其原因在于：講授程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言時(shí)，學(xué)生還沒(méi)有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身既不講模型方法、又不講解軟件系統(tǒng)等概念，同時(shí)這兩門(mén)課程也缺少具有復(fù)雜計(jì)算模型的大規(guī)模實(shí)用軟件編程的整體訓(xùn)練內(nèi)容與方法，若把這些缺失的內(nèi)容都加入到教學(xué)中，則一無(wú)足夠的課時(shí)、二是改變了授課的性質(zhì)。所以，從算法語(yǔ)言的角度介紹程序的設(shè)計(jì)方法是不完備的。
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算理論早已從計(jì)算的機(jī)理與實(shí)現(xiàn)上予以解決。但計(jì)算理論的內(nèi)容一般只在研究生階段講授，且計(jì)算理論是研究生的一個(gè)專(zhuān)業(yè)方向、即使該理論在研究生階段講授、學(xué)生理解也有一定難度，而把這套理論方法直接用于實(shí)踐以解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題難度更大[9]。即現(xiàn)有成熟的程序設(shè)計(jì)理論與方法沒(méi)有通過(guò)適當(dāng)?shù)妮d體引進(jìn)本科課堂教學(xué)中是現(xiàn)行教育政策最大的不足，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是直接從應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的角度闡述計(jì)算的“能行性”問(wèn)題(見(jiàn)下述)，當(dāng)其列入計(jì)算機(jī)的核心課程后，既能彌補(bǔ)上述計(jì)算理論教育中缺失的一環(huán)，也能有效彌補(bǔ)上述7門(mén)核心課程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件編程系統(tǒng)訓(xùn)練不足的尷尬。事實(shí)上，GPU(圖形處理芯片)與CPU在PC機(jī)上的發(fā)展并駕齊驅(qū)，證明計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中不可缺少的重要研究領(lǐng)域，可這些沒(méi)有在“核心課程”[2]中得到有效的體現(xiàn)令人不解。
3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系
3.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象、研究方法與基本教學(xué)內(nèi)容
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最終目的就是用計(jì)算機(jī)程序的方法在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上生成圖像效果，特別是生成類(lèi)似照相機(jī)拍攝的三維圖像。而照相機(jī)拍攝三維圖像是一個(gè)具體的物理過(guò)程，它的基本原理是光線在空間物體之間相互傳播，當(dāng)光線被物體表面反射并被照相機(jī)接收后形成的顯示效果。由于人們能從二維照片上光點(diǎn)的亮度與大小判斷出物體表面該點(diǎn)距照相機(jī)的相對(duì)遠(yuǎn)近，故人們常稱(chēng)這種圖像為三維圖像。用計(jì)算機(jī)程序的方法生成具有高度真實(shí)感的圖形就是對(duì)上述物理過(guò)程的一種近似仿真模擬得到的效果。為了達(dá)到這一目的，人們根據(jù)仿真方法的要求，建立了仿真過(guò)程需要的各種模型(包括照相機(jī)模型，燈光模型，顏色模型，照明模型，物體的幾何模型，物體表面的材質(zhì)與紋理模型)，通過(guò)①模型數(shù)據(jù)的輸入(交互輸入、編程輸入、文件輸入等)、②數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理(系統(tǒng)參數(shù)文件、圖形模型數(shù)據(jù)文件、規(guī)格化圖形數(shù)據(jù)文件、物理顯示設(shè)備的圖形顯示文件)、③數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理(物體的幾何變換、全剖切運(yùn)算、集合運(yùn)算、三維重建算法、物體的各種變形運(yùn)算等)、④數(shù)據(jù)的輸出(各種線段圖形的生成與實(shí)面積多邊形的填充算法、著色算法、消隱算法、紋理映射算法、陰影算法，光線跟蹤算法與輻射度算法)等4個(gè)處理過(guò)程，用系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)其圖形顯示[7]。
這里照相機(jī)模型描述了三維空間中的點(diǎn)、線、面等圖形投影轉(zhuǎn)換成二維空間中點(diǎn)、線、面等圖形，并調(diào)用二維圖形的生成算法生成二維圖像，同時(shí)裁剪超出顯示范圍的三維圖形、便于圖形的正確顯示。燈光模型與顏色模型描述了光線產(chǎn)生的根源、點(diǎn)光源的空間幾何分布、光線在空間中的傳播方向與衰減規(guī)律，光線的色彩屬性、亮度計(jì)算方法與合成色的變化規(guī)律等內(nèi)容。照明模型描述了物體表面反光或透光能力的計(jì)算方法。物體的幾何模型描述了一個(gè)物體的點(diǎn)線面等幾何尺寸與大小。材質(zhì)特性描述了各物體表面對(duì)各種性質(zhì)光線的反光與透光能力的大小。紋理模型直接描述了物體表面各點(diǎn)的顯示細(xì)節(jié)與像素值。著色算法確定了用何種插值算法填充多邊形網(wǎng)格表面、使其顯示效果是多邊形網(wǎng)格效果或是一張光滑的曲面效果。消隱算法確定顯示物體表面的各個(gè)可見(jiàn)表面與邊線，不顯示其被遮擋的不可見(jiàn)的表面與邊線。紋理映射算法就是把一張照片映射至物體的表面上(又稱(chēng)貼圖)，而這個(gè)照片既可以是實(shí)際照相機(jī)拍攝的三維照片，也可以是用數(shù)學(xué)模型描述并動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的結(jié)果。在場(chǎng)景中，由于某些遮擋物的存在，光線不能直接照射到某些物體的表面，使得這些表面反光(透光)的亮度暗于被光線直接照射物體表面的亮度；觀察的角度不同，所見(jiàn)這種陰影效果的形狀與大小不一樣；陰影算法即在場(chǎng)景圖中統(tǒng)一繪制這種陰影顯示效果與非陰影顯示效果。光線跟蹤算法、輻射度算法就是仿真光線的傳播過(guò)程以達(dá)到最后生成所需的圖像效果。
事實(shí)上，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域中僅研究這些模型還不夠，還要用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)把它們都轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)可執(zhí)行的算法，并用系統(tǒng)編程的方法把這些算法構(gòu)成一個(gè)軟件系統(tǒng)整體，才能方便各種圖形的生成。而在這個(gè)軟件系統(tǒng)中生成圖形的第一步是構(gòu)造多種物體的幾何模型與形狀(物體的幾何變換、全剖切運(yùn)算、集合運(yùn)算是用簡(jiǎn)單物體構(gòu)造復(fù)雜物體的有效工具之一，三維重建算法是用點(diǎn)、線、面等元素恢復(fù)物體外殼的幾何形狀)，在統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系中確定它們的位置與朝向，再逐一確定物體表面的材質(zhì)特性與紋理效果等，使這種多物體造型(稱(chēng)場(chǎng)景造型)滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。第二步是設(shè)置燈光與燈光的特性，設(shè)置照相機(jī)模型等。第三步是在上述二步的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一用光線跟蹤算法或輻射度算法生成上述場(chǎng)景造型所對(duì)應(yīng)的三維圖像效果(又稱(chēng)渲染)。
應(yīng)注意：
① 試圖精確的構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界中所有物體、特別是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或微小結(jié)構(gòu)或細(xì)微動(dòng)態(tài)變化物體的幾何模型既不現(xiàn)實(shí)、其代價(jià)也太大，人們總是想用其它的方法來(lái)代替，這就是所謂分形描述、粒子描述建模等多種其它建模方法的來(lái)源；
② 完全按照物理學(xué)上光線的傳播方法來(lái)生成圖像太費(fèi)時(shí)間，光線跟蹤算法、輻射度算法事實(shí)上是對(duì)物理光線傳播方法的一種近似。這個(gè)近似程度一般由圖像顯示的真實(shí)感與計(jì)算的復(fù)雜度來(lái)確定。
③ 在上述場(chǎng)景造型的構(gòu)造過(guò)程中，若物體運(yùn)動(dòng)或變形，燈光改變照射的范圍、朝向、亮度、色彩，照相機(jī)改變拍攝的方向或跟蹤拍攝，此時(shí)若連續(xù)拍攝(即渲染)三維空間場(chǎng)景效果，就形成了多幀圖像，連續(xù)播放這些多幀圖像就是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。
④ 所謂圖形標(biāo)準(zhǔn)就是把上述的照相機(jī)模型、點(diǎn)光源的燈光模型、顏色模型、簡(jiǎn)單的照明模型、著色算法，以及點(diǎn)線面、多邊形網(wǎng)格模型等模型與算法用硬件實(shí)現(xiàn)，并由圖形標(biāo)準(zhǔn)提供軟件接口方法調(diào)用這些硬件功能；當(dāng)用戶向該圖形標(biāo)準(zhǔn)提供上述模型的描述數(shù)據(jù)與材質(zhì)、紋理描述數(shù)據(jù)之后，計(jì)算機(jī)就能用硬件加速的方法實(shí)現(xiàn)在顯示器中高速生成點(diǎn)線面、多邊形網(wǎng)格，以及光照效果的表面、紋理效果等圖形。目前的圖形標(biāo)準(zhǔn)本身并不負(fù)責(zé)物體幾何模型的構(gòu)造，也不負(fù)責(zé)管理各種模型數(shù)據(jù)等?，F(xiàn)圖形標(biāo)準(zhǔn)主要以紋理映射算法為主，暫時(shí)還沒(méi)有用光線跟蹤或輻射度算法以實(shí)現(xiàn)三維圖形的實(shí)時(shí)顯示。可見(jiàn)圖形標(biāo)準(zhǔn)僅是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)部分研究成果的具體實(shí)現(xiàn)。
⑤ 若能在上述場(chǎng)景造型中，讓各種物體實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)(照相機(jī)與燈光是具有其它功能的物體，它們也有幾何形狀，也能與人、動(dòng)物等角色(多關(guān)節(jié)物體)一樣進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng))，并能接收用戶的交互操作、且這種運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有故事情節(jié)性，同時(shí)這種多物體運(yùn)動(dòng)的效果能在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕中實(shí)時(shí)生成顯示，這種計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)就是3D游戲(人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)的仿真)。3D游戲另一個(gè)難點(diǎn)在于復(fù)雜游戲引擎的構(gòu)造――即如何構(gòu)造并管理游戲場(chǎng)景的模型數(shù)據(jù)(包括聲音與人工交互操作等)，使整個(gè)游戲畫(huà)面達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的目的。事實(shí)上，3D游戲可以看成是計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)上的降級(jí)簡(jiǎn)單應(yīng)用。
⑥ 物體的幾何造型、變形與運(yùn)動(dòng)是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的一個(gè)難點(diǎn)，比體這個(gè)概念更復(fù)雜的是流體與場(chǎng)的模型構(gòu)造、顯示，它們能描述更廣泛一類(lèi)的物理現(xiàn)象，如臺(tái)風(fēng)的變化過(guò)程、風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)效果、物體表面的應(yīng)力變化現(xiàn)象、環(huán)境中熱傳遞效果的變化、地質(zhì)勘探結(jié)果的可視化顯示等，一般人們把這些問(wèn)題歸納在“科學(xué)計(jì)算的可視化”課程中講授，因?yàn)檫@些流體與場(chǎng)的模型構(gòu)造等需要比較深的數(shù)學(xué)知識(shí)。但是，一旦這些流體與場(chǎng)的幾何數(shù)據(jù)模型確定之后，人們就能用圖形標(biāo)準(zhǔn)顯示它們。
⑦ 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的區(qū)別：在CAD中，也需要構(gòu)造物體的幾何模型并顯示這些物體的構(gòu)造效果，更重要的是還需要用數(shù)控機(jī)床把這些設(shè)計(jì)出的物體零件加工制造出來(lái)，故它對(duì)物體的幾何模型要求特別高、特別是其誤差控制，因?yàn)槎鄠€(gè)零部件組成的精密加工機(jī)床等最后影響加工的精度都與各個(gè)物體模型的誤差精度相互關(guān)聯(lián)。顯然，在CAD領(lǐng)域中，也有零部件之間的聯(lián)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)需要精密控制(機(jī)械運(yùn)動(dòng)與仿真)。與物體幾何模型要求相比，CAD領(lǐng)域中物體的顯示要求可以放低些。而在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中，相對(duì)而言，對(duì)物體幾何模型的要求低，例如物體的外表面可以不封閉，只要這個(gè)不封閉的外殼表面破綻不被照相機(jī)拍攝到就可以了；但計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)對(duì)最后渲染的圖像顯示質(zhì)量的真實(shí)感效果要求很高。
⑧ 二維圖形與三維圖形的區(qū)別：這兩者的區(qū)別除了其數(shù)學(xué)模型一個(gè)是二維的、一個(gè)是三維的之外，更大的區(qū)別還在于二維圖形學(xué)只能從數(shù)學(xué)上研究圖形的基本規(guī)律(點(diǎn)、直線、曲線、平面與形狀，位置，運(yùn)動(dòng)與變形，色彩等)、以及圖形的模型構(gòu)造與顯示方法；利用二維圖形的簡(jiǎn)單性，可剖析計(jì)算機(jī)二維圖形系統(tǒng)的組成，即軟件系統(tǒng)是一個(gè)能自動(dòng)運(yùn)行的程序，它能從輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理、
輸出等方面全面處理用戶在某個(gè)領(lǐng)域中提出的諸多數(shù)學(xué)模型并完成其模型描述數(shù)據(jù)的加工任務(wù)，使用戶很容易明確這種軟件的組成、功能與使用范圍。三維圖形學(xué)卻可以用數(shù)學(xué)模型的方法研究自然界中的多種物理現(xiàn)象，由此探討大自然中多種物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，并能用圖形顯示的方法來(lái)表現(xiàn)這種變化過(guò)程，這種方法正是人們探索自然并進(jìn)行科學(xué)研究所倡導(dǎo)的基本方法之一。因此，從三維圖形學(xué)的基本教學(xué)研究?jī)?nèi)容可知，用圖形方式(可見(jiàn)的點(diǎn)線面、色彩、紋理)顯示各種物理現(xiàn)象的變化過(guò)程只是一個(gè)表面現(xiàn)象，關(guān)鍵的是要掌握這種變化過(guò)程的物理機(jī)理并能用數(shù)學(xué)模型的方法全面正確的描述這種變化(即用圖形的方法表達(dá)計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義非常適合人們觀察自然、了解自然現(xiàn)象與變化規(guī)律，而計(jì)算機(jī)的信息描述數(shù)據(jù)是由具體的各種物理變化過(guò)程確定的)，即掌握計(jì)算機(jī)仿真與科學(xué)研究方法才是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的真諦，也即用計(jì)算物理學(xué)的基本思想能統(tǒng)一傳統(tǒng)意義上計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)學(xué)科中的基本研究?jī)?nèi)容。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生有了這種方法后，再深入其它各應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域，努力掌握其物理原理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型方法等知識(shí)，并與行業(yè)專(zhuān)家相互配合，計(jì)算機(jī)與計(jì)算工具就在各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)上大有用武之地了。
綜上所述，可以給出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)如下定義：
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的研究范疇，它主要通過(guò)物理原理與數(shù)學(xué)方法，建立描述自然景觀(虛幻世界)的幾何數(shù)據(jù)模型與顯示圖形的物理數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到用程序的方法把這些模型的描述數(shù)據(jù)通過(guò)算法轉(zhuǎn)換成在計(jì)算機(jī)顯示器中顯示自然景觀圖像的目的。本質(zhì)上，用計(jì)算機(jī)生成三維真實(shí)感圖形就是用數(shù)學(xué)模型的方法仿真光線在物體之間相互傳播而產(chǎn)生的顯示效果或把光線傳遞的效果即照片映射至物體表面上所產(chǎn)生的顯示效果。
國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教育工作者已認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)學(xué)科教育與科學(xué)研究中的重要性，并于2001年公開(kāi)出版計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材支持上述觀點(diǎn)[10]。但由于這些觀點(diǎn)沒(méi)有引起國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)界制定政策的主流階層人士的關(guān)注，相反，從2000年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容卻從全國(guó)范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)等級(jí)考試中消失，這不能不說(shuō)是國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育的一大損失。
而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課關(guān)系見(jiàn)4.1節(jié)。
3.2 “新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容有待改進(jìn)
“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要放在計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)的使用上，核心內(nèi)容只有圖形標(biāo)準(zhǔn)、照相機(jī)模型，圖形顯示設(shè)備與輸入設(shè)備，前期課程要求計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與離散數(shù)學(xué)，并只安排8個(gè)課時(shí)來(lái)講授這些內(nèi)容，其它的內(nèi)容作為選修內(nèi)容(這包括各種圖形的生成算法、物體幾何模型的描述方法，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)，可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)，人們對(duì)色彩的主觀感受、如何用色彩方式表達(dá)設(shè)計(jì)作品的主題思想，等等)。這種教學(xué)安排能使學(xué)生掌握?qǐng)D形標(biāo)準(zhǔn)的使用、以及照相機(jī)模型的應(yīng)用，很容易導(dǎo)致學(xué)生誤認(rèn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是在顯示器上繪制各種圖形這種認(rèn)識(shí)偏差。
這種教學(xué)安排不當(dāng)之處如下：
首先，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的前期課程應(yīng)該是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，不學(xué)離散數(shù)學(xué)并不影響學(xué)生編寫(xiě)圖形學(xué)的各種應(yīng)用程序；但不學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則編程困難；而且授課學(xué)時(shí)數(shù)太少。
其次，圖形標(biāo)準(zhǔn)自成體系，但它不能構(gòu)成一個(gè)完全自動(dòng)運(yùn)行并具有圖形數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理、輸出等處理全流程功能的軟件系統(tǒng)，它往往需要用戶在應(yīng)用軟件中向圖形標(biāo)準(zhǔn)輸入模型數(shù)據(jù)并調(diào)用其各函數(shù)才能出現(xiàn)所需要的圖形顯示效果。初學(xué)者原指望學(xué)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，就知道象3DS MAX與OpenGL等軟件中是如何編寫(xiě)程序并實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)畫(huà)圖形的顯示，但授課結(jié)果卻令人失望。
第三，由于初學(xué)者一般缺少對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的全面了解，缺少對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象與研究方法的認(rèn)識(shí)，也沒(méi)有圖形系統(tǒng)的概念，該“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”授課大綱中雖有物體幾何模型的描述方法但缺少在圖形系統(tǒng)中具體建造物體幾何模型等實(shí)例；另大綱中授課內(nèi)容的邏輯關(guān)系非常不順暢(例如把計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一部分對(duì)待并講授值得商榷，雖然人們期待從計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像中獲得圖像的模型描述數(shù)據(jù)并一直朝這個(gè)方向努力，但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究方向與研究方法畢竟有很大的區(qū)別)，也沒(méi)有總結(jié)出計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心概念，且對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí)仍停留在圖形學(xué)由各種算法的集合所組成的認(rèn)識(shí)層面上，很難正確體現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在科學(xué)研究中的重要作用。若授課內(nèi)容掌握不當(dāng)易使教學(xué)與學(xué)習(xí)迷失方向，或再次導(dǎo)致計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程被計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)邊緣化，這也是多年來(lái)國(guó)內(nèi)同行反映計(jì)算機(jī)圖形學(xué)難教難學(xué)的原因之一，這顯然與當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的發(fā)展潮流相悖。
第四，圖形標(biāo)準(zhǔn)只是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)部分研究成果的具體實(shí)現(xiàn)，當(dāng)初國(guó)外為什么會(huì)選擇圖形標(biāo)準(zhǔn)而不是選擇計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)為案例作為講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的主要內(nèi)容，作者認(rèn)為可能有以下原因：
① 歷史的原因：因?yàn)閳D形標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最早、最成熟的研究領(lǐng)域，后才有CAD、游戲與動(dòng)畫(huà)等；且圖形標(biāo)準(zhǔn)在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，而CAD、游戲與動(dòng)畫(huà)是一個(gè)具體的專(zhuān)業(yè)方向，教學(xué)難度大。
② 商業(yè)發(fā)展的需要：圖形標(biāo)準(zhǔn)用硬件實(shí)現(xiàn)后，已經(jīng)成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，這就促使人們更加專(zhuān)注圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。
③ 國(guó)外的教學(xué)體系不一樣：美國(guó)的計(jì)算機(jī)工業(yè)、圖形學(xué)產(chǎn)業(yè)與計(jì)算機(jī)教育均位于世界領(lǐng)先水平，但全美國(guó)并沒(méi)有強(qiáng)制性的計(jì)算機(jī)教育指導(dǎo)大綱，可是美國(guó)各校的計(jì)算機(jī)教育各有特色，他們對(duì)計(jì)算機(jī)的各個(gè)方面都有涉及、且各種層次的計(jì)算機(jī)課程都有，這種寬松的教育體制有利于科技成果與教育的創(chuàng)新培養(yǎng)。以圖形學(xué)課程為例，若你需要繼續(xù)深造，它還有許多圖形學(xué)的選修課、提高課程(如計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、數(shù)字幾何處理、曲面造型與設(shè)計(jì)、CAD、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、游戲、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)方法等等)以及最新的學(xué)術(shù)論文等待著你、直至讓你從這種授課體系中走向?qū)W科的最前沿與商業(yè)開(kāi)發(fā)――即雖然他們的某一門(mén)基礎(chǔ)課不一定很完美，但他們可以從完整的授課體系中，讓你掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的全部?jī)?nèi)容；但這也同時(shí)留下了因?yàn)檎n程劃分過(guò)細(xì)，使人不容易一下掌握學(xué)科內(nèi)容的全貌而留下遺憾?？墒菄?guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)教育與國(guó)外不一樣，首先，國(guó)內(nèi)的高校沒(méi)有條件開(kāi)設(shè)那么多的計(jì)算機(jī)選修課；其次，若是全國(guó)性的計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)大綱不全面、不權(quán)威的話，就會(huì)在計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展道路上留下無(wú)可挽回的遺憾。
④ 出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，美國(guó)沒(méi)有一本書(shū)的教學(xué)內(nèi)容是一樣的(包括CC2005中關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系的論述)，這固然便于知識(shí)創(chuàng)新，但卻不利于優(yōu)秀知識(shí)的繼承與傳授，結(jié)果使得每本新書(shū)的內(nèi)容與體系都不一樣且龐雜，這對(duì)初學(xué)者是一個(gè)極大的負(fù)擔(dān)，需要教師認(rèn)真抽取眾多書(shū)籍的有效內(nèi)容，成系統(tǒng)后傳授給學(xué)生，才能有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，2000年以前國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材內(nèi)容與體系的不夠成熟，也是造成國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)授課不能得到有效重視的原因之一。
⑤ 由于以上原因，美國(guó)人并沒(méi)有把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心課程，這使得美國(guó)人的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教育落后于其計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)等應(yīng)用，這是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)(在美國(guó)，教材與授課基本上是老師的個(gè)人作為，商業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)是團(tuán)隊(duì)作為并有經(jīng)濟(jì)利益作為支撐，它能不斷發(fā)展并自我完善)。也有很多國(guó)際人士認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育出現(xiàn)了問(wèn)題[4]，顯然，仍把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義為在顯示器上顯示各種圖形是過(guò)于簡(jiǎn)單，這是沒(méi)有正確地把計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科的發(fā)展規(guī)律引入教育部門(mén)、忽視計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各行業(yè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用與需求的一種表現(xiàn)。因此，全面認(rèn)真研究美國(guó)人在計(jì)算機(jī)教育與計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展規(guī)律、商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)等多種優(yōu)缺點(diǎn)，再針對(duì)國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育中存在的不足，提出解決問(wèn)題的方法應(yīng)該是國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界值得深思的問(wèn)題；顯然，僅用跟蹤所謂國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)方法與理念也有不全面的地方。
4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的作用與地位
4.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件編程思想系統(tǒng)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)課程
數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通信是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的三個(gè)最基本的應(yīng)用。在這三者中，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一般有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件分別介紹其基本原理與大規(guī)模數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理等軟件應(yīng)用；對(duì)于數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通信，一般有通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等課程、WinSocket技術(shù)等介紹其基本原理與實(shí)現(xiàn)方法；對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)算，一般有算法語(yǔ)言、編譯原理、自動(dòng)機(jī)理論等課程介紹其原理，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)追求的目標(biāo)是：用形式語(yǔ)言與自動(dòng)機(jī)理論，通過(guò)形式化和模型的建立，構(gòu)建系統(tǒng)，進(jìn)行模型計(jì)算。但這些內(nèi)容抽象、內(nèi)容難以理解、難以直接應(yīng)用解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題[9]，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的本科生學(xué)習(xí)這一方法尚有一定難度，非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生更不會(huì)接觸編譯原理與自動(dòng)機(jī)理論等，這就造成一般學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程計(jì)算的問(wèn)題上存在知識(shí)缺陷，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的授課正好可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)新一版的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課方法[7]：首先，以二維圖形為例，從理論上全面解決了圖形系統(tǒng)軟件的構(gòu)建方法以及圖形數(shù)據(jù)處理流程的全過(guò)程，使初學(xué)者牢固的樹(shù)立起軟件系統(tǒng)的概念；其次，為了用計(jì)算機(jī)仿真的方法在顯示器中生成三維真實(shí)感圖形效果，建立了描述各種物理現(xiàn)象的多種數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)上述)，這些數(shù)學(xué)模型的描述數(shù)據(jù)都能通過(guò)圖形模型數(shù)據(jù)文件的方式保存在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中供系統(tǒng)內(nèi)部程序調(diào)用，以仿真方法生成三維圖像。也就是說(shuō)，①系統(tǒng)與模型的數(shù)學(xué)與形式化的描述方法；②按系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程，用算法語(yǔ)言與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等知識(shí)把模型數(shù)據(jù)的處理方法全轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)程序，以實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)處理的全過(guò)程等任務(wù)；③編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需根據(jù)計(jì)算機(jī)的配置與用戶的經(jīng)濟(jì)要求，合理考慮所選算法的復(fù)雜度(或選擇優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)圖形功能)；這三者是計(jì)算機(jī)編程計(jì)算的基本步驟與要求，是實(shí)現(xiàn)可計(jì)算性的三個(gè)條件――即計(jì)算機(jī)圖形學(xué)既成功探索了一般典型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本規(guī)律，又用可視化的方式表達(dá)了其程序數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的最后結(jié)果，這為該課程成為初學(xué)者學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)方法的首選課程之一奠定了基礎(chǔ)。
若沒(méi)有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等編程課程的系統(tǒng)訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)初學(xué)者一般只能通過(guò)實(shí)際大型軟件項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練(或繼續(xù)深造)，通過(guò)自我總結(jié)與提高，才能全面地掌握這種編程與數(shù)據(jù)計(jì)算等知識(shí)，而這種機(jī)會(huì)不是人人都具有的，其付出的代價(jià)也將是巨大的。例如現(xiàn)在一般計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生雖然能熟練的掌握3ds max軟件的操作使用，但不清3ds max軟件是如何編制而成，就是現(xiàn)階段本科教育存在缺陷的具體表現(xiàn)。
通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明白：算法＋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定程序設(shè)計(jì)；但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的授課能使學(xué)生進(jìn)一步明白：算法不是從天上掉下來(lái)的，它們是由用戶解決實(shí)際問(wèn)題建立的物理數(shù)學(xué)模型、并抽象出模型描述數(shù)據(jù)之后，提出處理其數(shù)據(jù)模型的基本方法與步驟；而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是記錄該模型的描述數(shù)據(jù)、以及根據(jù)算法的需要構(gòu)造而成、以配合保存各種中間加工數(shù)據(jù)或最后加工結(jié)果；編程者只有把這些解決問(wèn)題對(duì)象的多種模型編寫(xiě)成軟件系統(tǒng)之后，才能完滿的完成程序設(shè)計(jì)的任務(wù)――即計(jì)算模型及對(duì)模型的變換與運(yùn)算處理方法決定了程序設(shè)計(jì)的算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
4.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教育體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科的科學(xué)性
計(jì)算學(xué)科是指通過(guò)在計(jì)算機(jī)上建立模型并模擬物理過(guò)程來(lái)進(jìn)行科學(xué)調(diào)查和研究。該學(xué)科是對(duì)信息描述和變換算法的系統(tǒng)研究，主要包括它們的理論、分析、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[6]。在目前所見(jiàn)的計(jì)算機(jī)教材中，只有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是按照這種理論體系組織教學(xué)內(nèi)容的。這些教學(xué)內(nèi)容是人們耳熟能詳?shù)奈锢碓砼c相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)在計(jì)算機(jī)中的綜合運(yùn)用，是計(jì)算機(jī)學(xué)科科學(xué)性的具體表現(xiàn)之一――只有把計(jì)算工具直接應(yīng)用于科學(xué)研究中，這種計(jì)算工具與方法具有科學(xué)性才有說(shuō)服力，而計(jì)算機(jī)仿真是科學(xué)研究中常用的一種有效方法，復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算又是仿真建模的基礎(chǔ)，從這個(gè)意義上講，仿真與復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算等都是科學(xué)研究中重要的研究方法之一。這樣，該課程就很好的解決了“新專(zhuān)業(yè)規(guī)范”中人們對(duì)“數(shù)字科學(xué)計(jì)算”的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一而導(dǎo)致該課程的教學(xué)內(nèi)容與要求不詳?shù)葐?wèn)題，很好地使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用回歸其本來(lái)面目；
4.3 用圖形方式表示計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義，比用數(shù)字符號(hào)方式表示其含義更高級(jí)、更自然，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的對(duì)象之一
用文字符號(hào)方式描述客觀世界是對(duì)客觀世界的一種抽象，是對(duì)客觀世界的一種不完整的描述；而人們感受客觀世界最自然、相對(duì)全面的是用眼睛觀察客觀世界，它可以較準(zhǔn)確的確定客觀世界中物理現(xiàn)象的存在與變化規(guī)律，這個(gè)方法運(yùn)用于計(jì)算機(jī)中，就是用圖形方式表示計(jì)算機(jī)信息數(shù)據(jù)的含義，這種表示方法比符號(hào)方式表示信息數(shù)據(jù)的含義復(fù)雜，表示的信息量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求高。在計(jì)算機(jī)的多媒體信息表達(dá)方式中，圖形方式是處理過(guò)程最復(fù)雜的、也更符合人們的觀察習(xí)慣。故用圖形方式表達(dá)信息數(shù)據(jù)是一種表達(dá)信息數(shù)據(jù)含義的高級(jí)表達(dá)方式。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，不僅是數(shù)值計(jì)算與數(shù)據(jù)管理、還表現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中，人們用圖形方式來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，以及設(shè)計(jì)作品的體系結(jié)構(gòu)與功能等，它能充分表達(dá)設(shè)計(jì)人員的形象思維方式，這種表達(dá)方式不僅要求能用計(jì)算機(jī)表達(dá)出來(lái)，而且要求計(jì)算機(jī)能接受人們用這種方式向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)學(xué)模型，這些都是計(jì)算機(jī)科學(xué)面臨的新課題。例如古代三國(guó)時(shí)期，諸葛亮造木牛流馬搬運(yùn)糧草，史書(shū)雖然有文字記載其構(gòu)造方法，但后人卻無(wú)法復(fù)原這種運(yùn)輸工具。在沒(méi)有實(shí)物的情況下，只有用圖形方式表示該運(yùn)輸工具的基本構(gòu)造方法才能使后人復(fù)原這種古代的運(yùn)輸工具。對(duì)于這類(lèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物體與運(yùn)動(dòng)形式即使用幾何數(shù)據(jù)對(duì)它詳細(xì)描述，若不借助圖形方式來(lái)表示其幾何形狀與結(jié)構(gòu)等信息，人們對(duì)它的理解也會(huì)發(fā)生困難，這就是現(xiàn)實(shí)中用符號(hào)方式描述與圖形方式描述(抽象描述與形象描述)信息含義之間的差別。經(jīng)驗(yàn)告訴我們：在計(jì)算機(jī)中，信息數(shù)據(jù)的描述方法不同，往往導(dǎo)致編程的方法與效果也不同，若我們不進(jìn)行這種方式的培訓(xùn)，就會(huì)落后于計(jì)算機(jī)時(shí)代的發(fā)展。
4.4 掌握計(jì)算機(jī)配置的常用工具，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的必要條件
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)學(xué)科的授課內(nèi)容，并不直接講解如何進(jìn)行科學(xué)計(jì)算等問(wèn)題，而是為解決復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算等問(wèn)題提供軟件服務(wù)工具、方法與手段等。例如，從大量應(yīng)用中(包括軟件編程)，找準(zhǔn)、預(yù)測(cè)用戶的需求；然后，從中抽象其具有共性的方法與難題，并把它們上升為理論，最后把這種理論開(kāi)發(fā)成工具與系統(tǒng)方法，供用戶使用；操作系統(tǒng)軟件、匯編語(yǔ)言與編譯系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言與編譯系統(tǒng)、軟件工程的概念與方法、面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)語(yǔ)言等都是這樣逐漸發(fā)展起來(lái)的；同樣的思路，為了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，人們開(kāi)發(fā)了辦公自動(dòng)化軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、三維圖形標(biāo)準(zhǔn)等各種工具，等等，用戶用這些工具能更高效率的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。但是，這種授課方式卻把用計(jì)算機(jī)解決科學(xué)計(jì)算等應(yīng)用問(wèn)題留給具體的應(yīng)用部門(mén)與用戶對(duì)應(yīng)用軟件的具體開(kāi)發(fā)，而課堂教學(xué)一般缺少這方面的系統(tǒng)實(shí)例，這也是導(dǎo)致目前計(jì)算機(jī)本科生應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力弱的原因之一。
但當(dāng)計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展到用可視化軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，而計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)教育卻忽視這種發(fā)展潮流與技術(shù)進(jìn)步(現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)公共核心課程沒(méi)有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容)，這只能使我們的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)水平仍停留在上世紀(jì)70年代的字符表現(xiàn)水平上。因此，計(jì)算機(jī)本科教育中，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)配置的常用工具是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的必要條件，這當(dāng)然包括讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)有用工具。
4.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是嫁接多學(xué)科的橋梁，是科學(xué)研究思維能力訓(xùn)練的延續(xù)與有效方法之一
大學(xué)的教育，除了要求學(xué)生掌握一門(mén)專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識(shí)與應(yīng)用外，關(guān)鍵是要掌握“根據(jù)任務(wù)與需要，學(xué)會(huì)從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、提出解決問(wèn)題的方法，建立解決問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，直至用物理實(shí)驗(yàn)或軟件編程的方法解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題”這種工作能力以及繼續(xù)學(xué)習(xí)深造的能力。只有這樣，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生才具備自我獲取知識(shí)和探索解決問(wèn)題的能力，并使自己在新的工作崗位上做到既是計(jì)算機(jī)方面的專(zhuān)家，也是行業(yè)領(lǐng)域的專(zhuān)家助手，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生才能更好的服務(wù)于社會(huì)，造福于自己。
什么樣的課程能做到使他們具備自我獲取知識(shí)和探索解決問(wèn)題的思維能力？傳統(tǒng)上大學(xué)物理與數(shù)學(xué)課程的教育是培養(yǎng)這一方法的有效途徑。因?yàn)槲锢韺W(xué)是蘊(yùn)藏科學(xué)方法論的寶庫(kù)，物理不僅包含了物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)蘊(yùn)涵了豐富的哲理和研究、思維方法，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新思維有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)地位決定了大學(xué)物理在培養(yǎng)全面發(fā)展型人才中的特殊作用。顯然，知識(shí)的內(nèi)容是有限的，而思維的創(chuàng)造力是無(wú)限的。物理學(xué)若干世紀(jì)以來(lái)的輝煌成就，使之創(chuàng)造了一整套行之有效的思想方法和研究方法，據(jù)專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)，在300種通用的科學(xué)方法中，物理學(xué)包含170種，占56．7%。在大學(xué)物理課程中，學(xué)生可以接觸到實(shí)驗(yàn)的方法、觀察的方法、科學(xué)抽象的方法、理想模型的方法、科學(xué)歸納的方法、類(lèi)比的方法、演繹的方法、統(tǒng)計(jì)的方法、證明和反駁的方法、數(shù)學(xué)模型的方法；還可以學(xué)習(xí)到科學(xué)假設(shè)的方法、對(duì)稱(chēng)性分析的方法以及定性和半定量的方法等等。同時(shí)，物理課程中還包含了無(wú)數(shù)著名科學(xué)大師許多深刻的物理思想和精妙的哲學(xué)思辯，尤其隨處可見(jiàn)前輩科學(xué)破除權(quán)威，敢于懷疑，大膽創(chuàng)新的許多生動(dòng)鮮活的事例。這些閃耀人類(lèi)智慧光芒的科學(xué)方法和科學(xué)精神，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，都會(huì)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響，起到其他課程無(wú)法替代的作用[3]。
但傳統(tǒng)上計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容的安排中斷了高等數(shù)學(xué)與大學(xué)物理的學(xué)習(xí)與后續(xù)計(jì)算機(jī)課程學(xué)習(xí)的相互關(guān)系，一些搞計(jì)算機(jī)工作的人員會(huì)片面地認(rèn)為不學(xué)物理與高等數(shù)學(xué)也一樣能學(xué)好計(jì)算機(jī)課程、一樣能從事計(jì)算機(jī)工作。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)是嫁接大學(xué)一年級(jí)的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理與三年級(jí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教育的有效橋梁，是物理、數(shù)學(xué)知識(shí)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)編程思想的訓(xùn)練，特別是探索解決物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型的各種研制方法與思維能力，對(duì)各種行業(yè)面臨實(shí)際問(wèn)題的解決與計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的編程具有典型的示范作用――即不同的應(yīng)用領(lǐng)域、待解決的物理問(wèn)題與性質(zhì)不同，其建模解決問(wèn)題的方法也不同。這種思維方式能告訴各專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的學(xué)生：通過(guò)建立軟件系統(tǒng)、并用模型與仿真的方法指導(dǎo)工程實(shí)現(xiàn)(例如實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形顯示)是工程應(yīng)用中的典型方法之一(自動(dòng)控制、通信、雷達(dá)系統(tǒng)工程中都是先用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與仿真方法確定系統(tǒng)工作參數(shù)后，再考慮其具體系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn))，這種思維方式是目前計(jì)算機(jī)公共核心課程與“軟件工程”課程所缺少的。具備這種知識(shí)與能力，無(wú)疑為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生拓展新的發(fā)展方向、為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生向其他應(yīng)用行業(yè)的轉(zhuǎn)行做好了思想準(zhǔn)備。
4.6 計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展是為了應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算等應(yīng)用的典型代表
計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)主要以計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的形式出現(xiàn)在人們的日常生活中，是人們生活、學(xué)習(xí)與工作的有效計(jì)算、存儲(chǔ)查詢(xún)、娛樂(lè)等輔助工具之一。計(jì)算機(jī)科學(xué)除了要探討計(jì)算理論自身的發(fā)展之外，還要探討產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，探討用戶的應(yīng)用與需求；再?gòu)?qiáng)大的計(jì)算機(jī)、功能更全面的開(kāi)發(fā)工具，也需要更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)應(yīng)用課題做支撐，這是計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的兩條主線。計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心教育僅局限于計(jì)算理論自身的發(fā)展是不完善的，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、3D游戲、圖形標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)仿真(如天氣預(yù)報(bào)、大規(guī)模地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)處理、模擬原子彈爆炸與理論設(shè)計(jì)、模擬汽車(chē)碰撞、電磁輻射設(shè)計(jì)、計(jì)算流體力學(xué)等應(yīng)用都需要用圖形方式表達(dá)其結(jié)果)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域的大量應(yīng)用，代表了當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展水平，是推動(dòng)計(jì)算科學(xué)向前發(fā)展的源動(dòng)力之一，不能再被計(jì)算機(jī)教育界所忽視。
基于以上理由，相信計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為計(jì)算機(jī)公共核心課程是可行的！
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【關(guān)鍵詞】圖形圖像；處理技術(shù)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-0278(2012)01-094-01
圖形圖像處理技術(shù)課程在圖形圖像制作專(zhuān)業(yè)課程體系中，既是一門(mén)基礎(chǔ)課，也是一門(mén)專(zhuān)業(yè)課。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是借助計(jì)算機(jī)來(lái)研究圖形表達(dá)、處理圖像、顯示生成的學(xué)科。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為現(xiàn)代應(yīng)用科學(xué)中最活躍的分支之一，并得到廣泛的運(yùn)用。
一、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理的基本概念
計(jì)算機(jī)圖形圖像處理是指把由概念或數(shù)學(xué)描述所表示物體的幾何數(shù)據(jù)或幾何模型，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、修改、完善及進(jìn)行相關(guān)有關(guān)操作的過(guò)程。圖形圖像處理包括的主要內(nèi)容有:1.幾何變換，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視和投影等；2.圖像數(shù)字化、圖像編碼、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像分割和圖像分析等；3.曲線和曲面擬合；4.建?；蛟煨驮O(shè)計(jì)；5.隱線、隱面消除；6.明暗處理；7.貼圖紋理；8.色彩設(shè)計(jì)。
二、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成與功能
（一）計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成
計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)由硬件設(shè)備和相應(yīng)的圖形圖像軟件系統(tǒng)兩部分組成。高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)圖形離不開(kāi)高性能的計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備。圖形系統(tǒng)硬件通常由圖形處理器，圖形輸出設(shè)備和輸入設(shè)備組成。圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要部件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。圖形處理器具有存儲(chǔ)和處理圖形的功能，而且能完成大部分的圖形函數(shù)計(jì)算，這大大減輕了CPU負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的顯示能力和速度。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入輸出設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形軟件也不斷地更新和完善，目前有許多支持計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。如各種子程序包、圖形函數(shù)庫(kù)、甚至是專(zhuān)用的圖形系統(tǒng)。隨著圖形系統(tǒng)的發(fā)展，提出了圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)程序的可移植性，開(kāi)發(fā)出了面向設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包或面向用戶的圖形生成及管理程序包。
（二）圖形系統(tǒng)的功能
圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要內(nèi)容。作為一個(gè)圖形系統(tǒng)，至少應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、輸入、輸出、對(duì)話等五個(gè)方面的基本功能。計(jì)算功能:實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的計(jì)算、變換、分析等。存儲(chǔ)功能:存放(形體的)幾何數(shù)據(jù)、形體間的關(guān)系，并可對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢索、維護(hù)。輸入功能:輸入形體的幾何參數(shù)及各種命令。輸出功能:可顯示過(guò)程中的狀態(tài)，修改后的結(jié)果，并可硬拷貝及輸出。對(duì)話功能:通過(guò)圖形顯示器及相應(yīng)人―機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人―機(jī)通信。用戶通過(guò)顯示器觀察設(shè)計(jì)結(jié)果和圖形，通過(guò)選擇拾取設(shè)備，對(duì)不滿意部分作修改。系統(tǒng)還可追溯以前的工作步驟，對(duì)用戶操作執(zhí)行的錯(cuò)誤給予必要的提示和跟蹤以上五種功能是一個(gè)圖形系統(tǒng)所具備的基本功能，至于每種功能中有哪些能力，則因不同系統(tǒng)而異。
三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用
（一）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院, 20世紀(jì)50年代初到60年代中期，麻省理工學(xué)院積極從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究。它證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的學(xué)科分支的獨(dú)立地位1964年，孔斯提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法，稱(chēng)孔斯曲面。此方法受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大重視。
（二）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域
1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在現(xiàn)代工業(yè)界應(yīng)用最為廣泛和流行的工具。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)施工圖設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。包括飛機(jī)、動(dòng)車(chē)、汽車(chē)、船舶的外形設(shè)計(jì)和發(fā)電廠、模具廠等的功能布局。在電子工業(yè)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到大規(guī)模集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)十分明顯。
2.計(jì)算機(jī)圖形化的用戶接口。一個(gè)好的圖形化用戶界面能大大提高軟件的易用性，隨著Apple公司圖形界面操作系統(tǒng)的推出，特別是微軟windows應(yīng)用操作系統(tǒng)的普及，標(biāo)志著圖形學(xué)已經(jīng)融入到計(jì)算機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域。
3.地形地貌和自然資源圖。國(guó)土基礎(chǔ)信息是國(guó)家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的重要組成部分。利用這些存儲(chǔ)的信息可繪制平面圖、生成三維地形地貌圖，為高層次的國(guó)土整治進(jìn)行預(yù)測(cè)和提供決策，為綜合治理和資源利用開(kāi)發(fā)研究提供科學(xué)依據(jù)，在軍事方面也體現(xiàn)著重要價(jià)值。
4.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和藝術(shù)設(shè)計(jì)。用于藝術(shù)創(chuàng)意和設(shè)計(jì)的軟件很多，如二維平面的應(yīng)用程序CorelDraw, Photoshop, Paintshop，三維動(dòng)畫(huà)建模和渲染軟件3D MAX, Maya等口在現(xiàn)代各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，發(fā)揮著重要作用。
四、圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系
（一）數(shù)據(jù)來(lái)源不同:圖像數(shù)據(jù)來(lái)自客觀世界:圖形數(shù)據(jù)來(lái)自主觀世界。
（二）處理方法不同:圖像處理方法包括幾何修正、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像理解、圖像識(shí)別等:圖形處理方法包括幾何變換、開(kāi)窗和裁剪、隱藏線和隱藏面消除、曲線和曲面擬合、明暗處理、紋理產(chǎn)生等。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)改革
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）05-0094-02 一、引言
《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的學(xué)科，是隨著計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備的發(fā)展而產(chǎn)生的，是一門(mén)研究怎樣利用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的學(xué)科[1]。由于圖形用戶界面已經(jīng)成為一個(gè)軟件的重要組成部分，以圖形的方式來(lái)表示抽象的概念或數(shù)據(jù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，所以《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)學(xué)科中發(fā)展最活躍、應(yīng)用最廣泛的分支之一，成為許多計(jì)算機(jī)從業(yè)人員的必備素質(zhì)之一，也是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。我院《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的課程的培養(yǎng)目標(biāo)是：了解和掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、表示方法、生成技術(shù)和實(shí)現(xiàn)算法；進(jìn)一步提高學(xué)生的可視化編程能力；具備一定的交互式圖形應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力。
二、教學(xué)中存在問(wèn)題
由于該課程學(xué)科內(nèi)容豐富、理論抽象、實(shí)踐性強(qiáng)，如果按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法在課堂上講解圖形的各種生成原理和算法、處理技術(shù)和顯示過(guò)程，必然涉及到大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這就要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和空間想象能力，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難，興趣不高，教學(xué)效果不佳[2]。并且實(shí)驗(yàn)課比例較小且難度較大，同時(shí)大部分學(xué)生本身的編程能力有限，很難在較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，最終導(dǎo)致學(xué)生失去對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，消極應(yīng)對(duì)，學(xué)生的動(dòng)手能力沒(méi)有得到充分鍛煉。筆者在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實(shí)踐中注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密相連，研究如何恰當(dāng)組織教學(xué)內(nèi)容，高效運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，合理分配實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)，達(dá)到了知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的有效結(jié)合。
三、教學(xué)方法改進(jìn)
1.理論教學(xué)。理論教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取知識(shí)的直接渠道。如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的聽(tīng)課積極性；如何將枯燥晦澀的理論、算法講解的生動(dòng)，形象，深入淺出，易于理解，是理論教學(xué)要解決的重要問(wèn)題。可以從以下幾個(gè)方面入手，如圖1所示。
（1）注重理論與實(shí)踐相連。學(xué)生的學(xué)習(xí)是具有目的性和選擇性的。如果這門(mén)課的知識(shí)讓學(xué)生覺(jué)得學(xué)了沒(méi)什么用或者不知道怎么用，學(xué)生就會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率降低。因此，在理論教學(xué)中，一定要注重理論與實(shí)踐相連。進(jìn)行理論講解時(shí)，要注意介紹理論的應(yīng)用背景，應(yīng)用場(chǎng)合，最好能舉出學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的實(shí)例；進(jìn)行算法分析時(shí)，要注意講解算法中各參數(shù)的意義和作用，最好能通過(guò)實(shí)例讓學(xué)生感受到參數(shù)改變所產(chǎn)生的實(shí)際效果。例如，在講解多邊形填充時(shí)，教師可以以學(xué)生感興趣的PS（PhotoShop）摳圖為例，說(shuō)明PS摳圖的原理就是以手工的方式得到所摳圖的多邊形輪廓，然后用多邊形填充算法得到該區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)。在講解分形時(shí)，教師可以舉出分形山、分形草的實(shí)例，說(shuō)明其在動(dòng)漫、游戲等虛擬場(chǎng)景中的應(yīng)用，并演示算法迭代次數(shù)、方向參數(shù)的改變導(dǎo)致生成結(jié)果在規(guī)模、朝向上變化的實(shí)際效果。這樣，學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，知道應(yīng)用場(chǎng)合和方法，學(xué)習(xí)興趣和效率自然就提高了。
（2）注重多媒體教學(xué)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的很多算法理論性強(qiáng)，抽象，不易理解，單純采用文字?jǐn)⑹龊凸酵茖?dǎo)的教學(xué)手段，教學(xué)效果并不好。因此，應(yīng)充分利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，制作算法的動(dòng)畫(huà)仿真演示，分解算法步驟，使抽象難懂的原理公式變成具體生動(dòng)的畫(huà)面，加深學(xué)生的印象，便于學(xué)生理解。例如，筆者在講解多邊形種子填充算法時(shí)，用Flash做成動(dòng)畫(huà)分解算法的每一步，以圖畫(huà)展示多邊形的填充過(guò)程和堆棧中的數(shù)據(jù)變化，使學(xué)生直觀感受到算法的過(guò)程和效果，活躍了課堂氣氛，加深了學(xué)生對(duì)算法的理解。
（3）注重啟發(fā)式教學(xué)。課堂教學(xué)模式應(yīng)由傳統(tǒng)傳授滿堂灌方式轉(zhuǎn)向引導(dǎo)問(wèn)答式方式。通過(guò)提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生去思考，激發(fā)學(xué)生的求知欲，肯定學(xué)生回答中好的一面，著重分析其不足、有待完善的地方和正確解決問(wèn)題的方法，并評(píng)價(jià)該方法的優(yōu)缺點(diǎn)，有沒(méi)有進(jìn)一步提升改進(jìn)的空間。通過(guò)“提出問(wèn)題學(xué)生解答問(wèn)題分析問(wèn)題解決問(wèn)題分析解決方法的優(yōu)缺點(diǎn)”的方式[3]，引導(dǎo)學(xué)生思考，形成探究性學(xué)習(xí)風(fēng)氣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動(dòng)性。例如在講解多邊形種子填充算法時(shí)，問(wèn)，該算法有什么不足？學(xué)生回答，由于一些像素反復(fù)壓入到堆棧中導(dǎo)致算法效率低。接著問(wèn)，有什么改進(jìn)方法？學(xué)生回答，在像素壓入堆棧前進(jìn)行比較，如果沒(méi)有才將其壓入堆棧。指出這種方法的有效性，但效率還是不高，因?yàn)橐投褩Ｖ械拿恳粋€(gè)像素進(jìn)行比較，正確的方法是將種子像素所在掃描線上位于多邊形內(nèi)的點(diǎn)全部壓入堆棧，然后向兩邊擴(kuò)散，引出具體的掃描線種子填充算法，再進(jìn)行該算法講解時(shí)，學(xué)生就易于理解并樂(lè)于接受。
（4）注重知識(shí)聯(lián)系?！队?jì)算機(jī)圖形學(xué)》是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，其內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)、可視化編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等多門(mén)課程知識(shí)。因此，在傳授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)時(shí)，要注重多門(mén)課程知識(shí)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生學(xué)到的知識(shí)在這門(mén)課中得到綜合應(yīng)用，完善學(xué)生的知識(shí)體系，鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。例如在講解基本圖形的掃描轉(zhuǎn)換時(shí)，不僅要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)直線、圓和橢圓的生成算法，而且要求學(xué)生以面向?qū)ο蟮乃枷氩捎媒换ナ椒绞綄?shí)現(xiàn)圖形的位置、大小、顏色的改變，綜合應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、可視化編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多門(mén)課程的知識(shí)。
2.實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充，學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)將理論教學(xué)學(xué)到的知識(shí)加以運(yùn)用，有助于知識(shí)的理解和掌握。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多為驗(yàn)證型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)不夠[4]。因此，教學(xué)過(guò)程中要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，擴(kuò)大綜合性實(shí)驗(yàn)比例，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)密切結(jié)合起來(lái)。可以從以下幾個(gè)方面入手，如圖2所示：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層次化。根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，按照由淺入深的原則安排了四個(gè)實(shí)驗(yàn)：直線、圓和橢圓的生成，圖形變換，多邊形填充，圖形繪制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)的難度由易到難，層層深入，由驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)逐步過(guò)渡到綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，分別培養(yǎng)學(xué)生的基本技能、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合化。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上不僅要求學(xué)生以類(lèi)的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的算法，而且要求學(xué)生用可視化界面實(shí)現(xiàn)交互式輸入輸出，并進(jìn)行不同算法之間的比較，綜合應(yīng)用可視化編程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識(shí)。在多邊形填充實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)有效邊表填充、邊緣填充、種子填充這三種填充算法，并可選擇填充顏色，還要求學(xué)生記錄三種算法所消耗的時(shí)間，精確到毫秒，比較三種算法的效率。（3）實(shí)驗(yàn)考核常規(guī)化。為了保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的管理，對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)都要求學(xué)生完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將核心代碼和運(yùn)行結(jié)果貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，教師根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況，給出評(píng)分和評(píng)語(yǔ)，并計(jì)入學(xué)生的平時(shí)成績(jī)中。學(xué)生的最終考試成績(jī)?yōu)槠綍r(shí)成績(jī)與卷面成績(jī)的加權(quán)和。這樣，學(xué)生就會(huì)意識(shí)到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要性，積極認(rèn)真的對(duì)待試驗(yàn)。對(duì)個(gè)別沒(méi)完成和完成不好的學(xué)生督促其完成和修改，保證每一個(gè)學(xué)生切實(shí)完成了實(shí)驗(yàn)。
四、結(jié)語(yǔ)
《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是一門(mén)不斷發(fā)展的交叉學(xué)科，要求計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的內(nèi)容不斷更新，教學(xué)方法和教學(xué)模式也要不斷改進(jìn)。為了更好的講授這門(mén)課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力，還需要在日后的教學(xué)實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善。
參考文獻(xiàn)：
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*認(rèn)真負(fù)責(zé),有個(gè)性,深刻理解自己從事的事業(yè),并熱愛(ài)著它,能夠感染學(xué)生更加認(rèn)真努力地學(xué)習(xí)此門(mén)課程。
*講課認(rèn)真細(xì)致,能啟發(fā)學(xué)生,站在學(xué)生角度幫助學(xué)生解決問(wèn)題。
*講課邏輯強(qiáng),語(yǔ)言流暢,知識(shí)點(diǎn)突出,結(jié)合實(shí)際,饒有興趣,大家風(fēng)范。
*注重理論聯(lián)系實(shí)際,平易近人,對(duì)同學(xué)耐心負(fù)責(zé),講課思路清晰,傳授技巧和方法。
*講課認(rèn)真、投入,把傳授知識(shí)與塑造人的全面素質(zhì)結(jié)合起來(lái),培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
學(xué)生在“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”大作業(yè)中寫(xiě)下的學(xué)習(xí)體會(huì)摘抄
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是我最感興趣的一門(mén)選修課……在這次大作業(yè)的完成過(guò)程中,我體會(huì)到了圖形學(xué)和數(shù)學(xué)的緊密聯(lián)系,提高了編程能力,對(duì)Flash有了更深的了解。
蘇老師的課通俗易懂,很吸引人,思路也很清晰。描述的算法過(guò)程我都能聽(tīng)懂……很期待以后有機(jī)會(huì)聽(tīng)蘇老師關(guān)于3D基礎(chǔ)方面的課程。
在Flas制作中,我體會(huì)到了做一名閃客的樂(lè)趣。雖然動(dòng)畫(huà)很簡(jiǎn)單,但是很有成就感。課程中,我多方面搜索資料,了解分形幾何。所以,在學(xué)習(xí)這門(mén)課的過(guò)程中,我獲得了知識(shí),也培養(yǎng)了其他能力。
……如果將來(lái)有機(jī)會(huì),我希望能深入了解圖形學(xué),甚至應(yīng)用和研究圖形學(xué)方面的知識(shí),希望蘇老師的課越來(lái)越好。
――計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2003級(jí)本
科生張巍
經(jīng)過(guò)蘇老師細(xì)心的講解,我對(duì)圖形學(xué)這門(mén)課有了基礎(chǔ)認(rèn)識(shí),從她的課上我學(xué)到了不少知識(shí)……每節(jié)課后師兄師姐做的栩栩如生、創(chuàng)意新穎的Flash都吸引著我的眼球,它讓我對(duì)這門(mén)課產(chǎn)生了興趣,隨著課程教學(xué)的進(jìn)展,老師的講課內(nèi)容深深吸引了我,而對(duì)這門(mén)課深入的了解更增加了我學(xué)好這門(mén)課的信心……聽(tīng)蘇老師的課總是津津有味,只可惜時(shí)間短暫,來(lái)不及深入學(xué)習(xí),不能不說(shuō)這是個(gè)遺憾,希望以后還有機(jī)會(huì)聽(tīng)蘇老師給我們細(xì)細(xì)講解未涉及的內(nèi)容,帶領(lǐng)我們更深入地對(duì)圖形學(xué)進(jìn)行探討和鉆研,翱翔在圖形學(xué)這片蔚藍(lán)的天空。其實(shí),老師就是領(lǐng)航人,我們就是那一艘艘在知識(shí)大海中航行的船泊,在老師的指引下前進(jìn)!
――計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2003級(jí)本
學(xué)了本學(xué)期的課,我覺(jué)得收獲特別多。一直以來(lái),我就對(duì)圖形圖像充滿興趣,這門(mén)課的學(xué)習(xí)使我對(duì)圖形學(xué)有了一個(gè)感性的認(rèn)識(shí),老師的精彩講解和程序演示
使我對(duì)這門(mén)學(xué)科產(chǎn)生了更濃厚的興趣,其他同學(xué)的優(yōu)秀作品增添了我學(xué)習(xí)的激情。學(xué)習(xí)需要這種促進(jìn),它使學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng),學(xué)習(xí)不僅要知其然,還要知其所以然,最后達(dá)到自己動(dòng)手的目的、交出自己的作品。謝謝老師給了我們這個(gè)機(jī)會(huì),也希望這門(mén)課能夠越來(lái)越好!
――計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2003級(jí)本
上完圖形學(xué)課程收獲很多,可以說(shuō)這是我這學(xué)期上的最有意思的一門(mén)選修課,我上這門(mén)課并不在于課上學(xué)了多少東西,而在于我學(xué)會(huì)了從一些新的角度思考問(wèn)題。具體的算法也許記不準(zhǔn)確,但圖形學(xué)中各種算法巧妙的構(gòu)思深深吸引了我,化繁為簡(jiǎn),對(duì)性
能的強(qiáng)烈追求,令人嘆為觀止,我想這也是計(jì)算機(jī)科學(xué)的樂(lè)趣所在吧!
――實(shí)驗(yàn)學(xué)院2003級(jí)本科生羅永明
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)讓我認(rèn)識(shí)到圖形學(xué)的博大精深和奧妙無(wú)窮,讓我體會(huì)到圖形學(xué)的思維是那么嚴(yán)密而簡(jiǎn)潔,老師給我們補(bǔ)充的圖形學(xué)的各種歷史資料和最新成果,大大拓寬了我們的視野,增長(zhǎng)了我們圖形學(xué)的興趣和認(rèn)識(shí)。
關(guān)鍵詞：高職院校；數(shù)學(xué)應(yīng)用；改革
作為高等教育發(fā)展的一個(gè)方向，對(duì)高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)的要求是：培養(yǎng)具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用型、技術(shù)操作型的高技能人才。這就要求高職院校必須探索新型的人才培養(yǎng)模式，使得學(xué)生畢業(yè)后能很快的適應(yīng)崗位需要，真正成為應(yīng)用型人才。作為基礎(chǔ)學(xué)科的數(shù)學(xué)，如何改變?cè)械慕虒W(xué)模式，即不分培養(yǎng)目標(biāo)、不分專(zhuān)業(yè)、統(tǒng)一講授同一本教材、采用同一教學(xué)進(jìn)度。如何調(diào)整教學(xué)方法和課程內(nèi)容，使之既能為各專(zhuān)業(yè)教學(xué)提供必要的理論基礎(chǔ)，又能培養(yǎng)出具有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用能力，這是高職數(shù)學(xué)課程改革迫切需要解決的問(wèn)題。本文以會(huì)計(jì)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)為例，分析數(shù)學(xué)在這些專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用。
一、 數(shù)學(xué)在會(huì)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用分析
長(zhǎng)期以來(lái)，高職院校會(huì)計(jì)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的課程主要有：基礎(chǔ)會(huì)計(jì)、財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)、財(cái)經(jīng)法規(guī)、會(huì)計(jì)報(bào)表、成本會(huì)計(jì)、會(huì)計(jì)電算化、財(cái)務(wù)管理、管理會(huì)計(jì)、審計(jì)等課程。這些課程都不同程度用到了數(shù)學(xué)知識(shí)。如果我們按照以所用到數(shù)學(xué)知識(shí)的數(shù)量和難度對(duì)這些課程進(jìn)行劃分的話，可以分為三個(gè)層次，則第一層次課程主要有基礎(chǔ)會(huì)計(jì)、會(huì)計(jì)報(bào)表和財(cái)經(jīng)法規(guī)；第二層次的課程主要有財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)、成本會(huì)計(jì)和稅收基礎(chǔ)；第三層次的課程主要包括財(cái)務(wù)管理、管理會(huì)計(jì)和審計(jì)。
第一層課程所用的數(shù)學(xué)知識(shí)較少，難度偏低。基礎(chǔ)會(huì)計(jì)和會(huì)計(jì)報(bào)表所用的僅僅是數(shù)學(xué)的一些基本運(yùn)算，比如加、減、乘、除、百分比等；此外還會(huì)用到一些數(shù)學(xué)概念，比如用集合的概念來(lái)解釋基礎(chǔ)會(huì)計(jì)中原始憑證、記賬憑證和憑證的關(guān)系。
第二層課程所用的數(shù)學(xué)知識(shí)相對(duì)較多，難度適中。一般會(huì)涉及到集合，數(shù)列等概念和一些基本的數(shù)學(xué)方法。例如：財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)課程中：計(jì)算固定資產(chǎn)折舊的方法之一年數(shù)總和法，就會(huì)用到等差數(shù)列，并要求學(xué)生掌握這個(gè)特殊數(shù)列的求和公式；成本會(huì)計(jì)中：輔助生產(chǎn)費(fèi)用分配方法之一代數(shù)分配法要用到多元一次方程組；稅收基礎(chǔ)中：針對(duì)每一個(gè)稅種，學(xué)生要綜合考慮各種因素，將稅法規(guī)定、會(huì)計(jì)知識(shí)和數(shù)學(xué)方法有效地融合在一起，計(jì)算復(fù)雜、靈活、多樣。需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和較強(qiáng)的邏輯思維能力。
第三層課程所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)較多且難度較大。主要會(huì)用到乘方、開(kāi)方、倒數(shù)、函數(shù)、等比數(shù)列及其求和、極限、概率、期望值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均差、正態(tài)分布、回歸分析等。審計(jì)課程中的抽樣技術(shù)涉及統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)知識(shí)。
由以上分析可以看出，數(shù)學(xué)在會(huì)計(jì)專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用是至關(guān)重要的，取消或減少數(shù)學(xué)課會(huì)直接影響到專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)效果。
二、 數(shù)學(xué)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析
高職院校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的課程主要有：計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)與制作、計(jì)算機(jī)組成與維護(hù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、算法分析與設(shè)計(jì)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等專(zhuān)業(yè)課程。這些課程也不同程度的用到了數(shù)學(xué)知識(shí)。如果我們按照以所用到數(shù)學(xué)知識(shí)的比重和難易程度對(duì)這些課程進(jìn)行劃分的話，也可以分為三個(gè)層次，則第一層次課程主要有計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)與制作、計(jì)算機(jī)組成與維護(hù)；第二層次的課程主要有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；第三層次的課程主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和算法分析與設(shè)計(jì)。
第一層課程所用的數(shù)學(xué)知識(shí)較少，難度偏低。計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)中所用到的僅僅是數(shù)學(xué)的一些簡(jiǎn)單換算。例如二進(jìn)制與十進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換。網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)與制作和計(jì)算機(jī)組成與維護(hù)幾乎沒(méi)有用到數(shù)學(xué)知識(shí)。
第二層課程所用到數(shù)學(xué)知識(shí)相對(duì)較多，難度適中。一般會(huì)涉及到高等數(shù)學(xué)中的知識(shí)，舉個(gè)例子,程序設(shè)計(jì)中：為工程設(shè)計(jì)的程序很可能要計(jì)算定積分,有時(shí)候還要求極值,這要用到最優(yōu)化方法.最優(yōu)化也是數(shù)學(xué)的分支之一。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中：對(duì)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，高中的代數(shù)和三角學(xué)可能是最重要的數(shù)學(xué)。時(shí)常還要解決類(lèi)似求一些幾何圖形邊長(zhǎng)的簡(jiǎn)單三角學(xué)問(wèn)題。代數(shù)和三角學(xué)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最基礎(chǔ)的知識(shí)。如果精通代數(shù)和三角學(xué)，就可以開(kāi)始讀一本計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的入門(mén)書(shū)了。下一個(gè)重要的用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)―線性代數(shù)，線性代數(shù)的思想貫穿于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。事實(shí)上，只要牽涉到幾何數(shù)值表示法,就常常抽象出例如x,y,z坐標(biāo)之類(lèi)的數(shù)值，我們稱(chēng)之為矢量。圖形學(xué)自始至終離不開(kāi)矢量和矩陣。
第三層課程所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)較多且難度比較大。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都需要用到離散數(shù)學(xué)，離散數(shù)學(xué)中的集合論、關(guān)系、圖論、樹(shù)四個(gè)章節(jié)就反映了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中四大結(jié)構(gòu)的知識(shí)。如集合由元素組成，元素可理解為世上的客觀事物。關(guān)系是集合的元素之間都存在某種關(guān)系。例如雇員與其工資之間的關(guān)系。圖論是有許多現(xiàn)代應(yīng)用的古老題目。偉大的瑞士數(shù)學(xué)家列昂哈德?歐拉在18世紀(jì)引進(jìn)了圖論的基本思想，他利用圖解決了有名的哥尼斯堡七橋問(wèn)題。還可以用邊上帶權(quán)值的圖來(lái)解決諸如尋找交通網(wǎng)絡(luò)里兩城市之間最短通路的問(wèn)題。而樹(shù)反映對(duì)象之間的關(guān)系，如組織機(jī)構(gòu)圖、家族圖、二進(jìn)制編碼都是以樹(shù)作為模型來(lái)討論。離散數(shù)學(xué)中的笛卡兒積是一個(gè)純數(shù)學(xué)理論，是研究關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的一種重要方法，顯示出不可替代的作用。不僅為其提供理論和方法上的支持，更重要的是推動(dòng)了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究和發(fā)展。
三、 對(duì)數(shù)學(xué)課程改革的幾點(diǎn)建議
（一）根據(jù)各專(zhuān)業(yè)需要，按照培養(yǎng)目標(biāo)分層次編制專(zhuān)業(yè)實(shí)用數(shù)學(xué)教材。首先，歸納各專(zhuān)業(yè)的各門(mén)專(zhuān)業(yè)課程中所直接用到的數(shù)學(xué)知識(shí)并將它們按照易難程度排序，作為各專(zhuān)業(yè)實(shí)用數(shù)學(xué)教材的基本內(nèi)容，但是這樣歸納的數(shù)學(xué)知識(shí)可能會(huì)是割裂的、散亂的，因此還要將其他一些必要的數(shù)學(xué)知識(shí)加入進(jìn)來(lái)起到連接、貫穿的作用，以保持一個(gè)符合邏輯的完整體系；其次，要按照培養(yǎng)目標(biāo)分層次編制專(zhuān)業(yè)實(shí)用數(shù)學(xué)教材。目前，高等職業(yè)院校的教學(xué)對(duì)象基本分為普通大專(zhuān)、普通中專(zhuān)和三加二。因?yàn)椴煌瑢?duì)象的培養(yǎng)目標(biāo)不同，專(zhuān)業(yè)課程的設(shè)置也不完全相同，因此對(duì)數(shù)學(xué)課程內(nèi)容的要求也不相同。因此，自編實(shí)用數(shù)學(xué)教材應(yīng)以涉及這些課程的數(shù)學(xué)知識(shí)為主要內(nèi)容，增加專(zhuān)業(yè)課程中的實(shí)際案例，以此做到以專(zhuān)業(yè)課為導(dǎo)向、目標(biāo)明確的數(shù)學(xué)教學(xué)。對(duì)三加二班的學(xué)生還要繼續(xù)升學(xué)，因此應(yīng)以普通高中數(shù)學(xué)教材為主導(dǎo)來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué)，專(zhuān)業(yè)課程所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)要做重點(diǎn)講解，并結(jié)合具體的案例讓學(xué)生加強(qiáng)練習(xí)。因此，編制實(shí)用數(shù)學(xué)教材涵蓋的內(nèi)容要比普通中專(zhuān)實(shí)用數(shù)學(xué)教材面廣。
（二）應(yīng)結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程，注重培養(yǎng)學(xué)生自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。實(shí)用數(shù)學(xué)是為了服務(wù)于專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生不僅要學(xué)會(huì)相關(guān)的數(shù)學(xué)方法，更重要的是要將其應(yīng)用，來(lái)解決專(zhuān)業(yè)課涉及的實(shí)際問(wèn)題。數(shù)學(xué)教師在教授學(xué)生數(shù)學(xué)方法的同時(shí)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)自己分析如何運(yùn)用這些數(shù)學(xué)方法，以達(dá)到學(xué)以致用的目的。
總之，數(shù)學(xué)課程在高等職業(yè)學(xué)校各專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的地位和作用是極其重要的。為了培養(yǎng)適應(yīng)市場(chǎng)需求的應(yīng)用型人才，必須改革現(xiàn)有的數(shù)學(xué)課程體系。應(yīng)以就業(yè)為導(dǎo)向，滿足專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要，通過(guò)編制數(shù)學(xué)實(shí)用教材、改革教學(xué)方法、增加學(xué)生興趣，來(lái)改變數(shù)學(xué)難教、難學(xué)的現(xiàn)狀。讓數(shù)學(xué)成為各專(zhuān)業(yè)教學(xué)的有利助手。
主要參考文獻(xiàn)：
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