信息與計算科學專業計算機圖形學課程教學改革實踐

梁芳 沈濟南 胡俊鵬 來國紅 劉嵩

摘要：以湖北民族學院信息與計算科學專業人才培養方案為基礎，結合多年計算機圖形學課程教學積累，分析了計算機圖形學課程的特點及課程教學過程中存在的問題，對計算機圖形學課程在信息計算科學專業中的教學內容改革進行了探討研究。

關鍵詞：計算機圖形學;信息與計算科學;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）46-0114-02

目前，計算機圖形學及相關課程在國內高校的信息計算科學專業中進行了開設。不同學校的信息計算科學專業依托的專業背景及師資隊伍不一樣，其對應課程體系及人才培養目標差異較大，進而導致了計算機圖形學課程的教學內容、教學模式不盡相同。

本文以湖北民族學院信息與計算科學專業及其人才培養目標為基礎，結合課程教學實際，對計算機圖形學課程的教學內容設置及其后續課程的設置等問題的教學改革進行了探討研究。

一、專業現狀及課程特點

湖北民族學院信息與計算科學專業開辦于2002年，依托于數學學科。本專業開設的主干課程包括：數學基礎（分析、代數、幾何）、概率統計、微分方程、數學模型、物理學、計算機基礎（計算機概論、算法與數據結構、軟件系統基礎）、信息科學基礎、理論計算機科學基礎、數值計算方法、計算機圖形學、運籌與優化等。

該專業設置了兩個核心方向：信息科學和科學計算（計算數學）。在信息科學方向中，其核心方向由：（1）信息處理（圖像處理、信號分析等）;（2）信息編碼與信息安全（編碼理論等）;（3）計算智能（人工智能、模式識別等）等組成。

計算機圖形學是方向（1）中的圖像處理課程和方向（3）中的模式識別課程的先修課程，也是虛擬現實、計算機視覺等課程的先修課程，由此計算機圖形學的重要地位是不言而喻的。

二、課程教學現狀

湖北民族學院最新人才培養方案中，計算機圖形學課程在第六學期開設，之前已經開設了高等代數、數學分析、離散數學、程序設計基礎、數據結構等基礎課程，學生有了一定的數學基礎及計算機基礎。然而計算機圖形學涉及到的內容廣泛并且理論性很強，在課堂上和實際應用結合起來比較難，導致在課程的講授過程中枯燥，學生的學習積極性不能夠很好地調動起來。

目前，計算機圖形學課程教學過程中存在以下幾方面的問題：

1.教學內容豐富而教學深度不夠。計算機圖形學課程研究內容豐富、理論性很強。在傳統教學內容設置中，需要從計算機圖形系統及圖形硬件介紹入手，介紹用戶接口和交互式技術、圖形的表示與數據結構、圖形的生成、變換、消隱、光照等直到真實感圖形生成。然而專業培養計劃中，該課程總學時為56學時，其中實驗10學時，課堂上很難對內容進行深入的講解，導致學生一知半解，不能很好地理解計算機圖形學，從而失去學習興趣。

2.理論和實踐結合不緊密。計算機圖形學課程中的算法（如DDA算法、Bresenham算法、Cohen-Sutherland算法、Weiler-Atherton算法等）都很巧妙，需要學生有很好的數學基礎和編程基礎以便對算法進行理解并實現。而實踐學時相對較少，學生對算法的掌握程度一般，也會影響學生的學習興趣。

三、課程教學改革

1.理清計算機圖形學與相應方向課程間的關系，突出圖形學的重要性。目前修訂的湖北民族學院信息與計算科學專業培養方案中，計算機課程主要包括高級語言程序設計、數據結構、操作系統、計算機圖形學、圖形圖像處理、模式識別等。計算機圖形學是信息科學方向中比較重要的一門課程，它是信息處理方向中的圖像處理課程以及計算智能方向中的模式識別等課程的先修課程，它們之間的關系如圖1。事實上，把計算機圖形學作為計算機類課程的一門核心課程，能彌補計算機應用軟件編程系統訓練的不足，能較好地促進學生的計算機開發能力培養[1-3]。

2.優化理論教學內容，突出教學重點。計算機圖形學的最終目的就是用計算機程序的方法在計算機顯示器屏幕上生成圖像效果，特別是生成類似照相機拍攝的三維圖像[3]。從基本的圖形元素到真實感圖形生成，中間要經過生成、裁剪、變換、消隱、光照等處理過程。

圖2中粗線部分為本科生教學核心內容，要求學生必須掌握其基本算法原理及實現方法，細線部分實現從算法的角度來說難度較高，結合目前流行的OpenGL、Direct3D等技術，直接調用函數等構件類來實現，教學時以案例的形式進行分析。通過理論授課將知識框架展示給學生，剩下的內容由學生通過自學、合作討論給予填充，從而完成整個課程體系的學習過程。

3.構建教學網站，加強課外教學。為加強師生課外交流互動，在程序設計類課程教學改革[4]構建的課程平臺基礎上，開設計算機圖形學課程網站。按周次及時發布教學任務，與學生進行交流互動，促進學生課外學習。

4.構建實驗教學內容，強化實踐教學。實踐教學內容設置如表1所示。實驗內容貫穿整個學習過程，在理論學習的基礎上，加深學生對所學理論知識的理解。

四、總結

計算機圖形學是一門綜合性很強的課程。我們結合湖北民族學院信息與計算科學專業實際，分析了計算機圖形學課程在信息科學方向課程中的地位，從優化課程理論教學內容、設置實驗主題、實驗內容及實驗項目，強化學生基于計算機圖形學的應用開發能力等方面對計算機圖形學課程進行了教學改革探討。

參考文獻：

[1]劉圣軍，韓旭里.信息與計算科學專業《計算機圖形學》課程教學改革探索[J].數學理論與應用，2011，31（3）：97-102.

[2]魏海濤，魯漢榕，楊瑞娟，等.科學地構建“計算機圖形學”的教學內容，促進計算學科的全面發展——對“高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）”的思考[J].計算機教育，2008，（20：035.

[3]方惠蘭，徐光輝，王勝奎.信息與計算科學專業計算機圖形學課程的教學改革探索[J].科技信息，2012，（33）：14-14.

[4]沈濟南，梁芳.程序設計類課程實踐教學方式改革研究[J].教育教學論壇，2014，（52）：99-100.