突出實踐需求的GIS專業(yè)《計算機圖形學(xué)》課程優(yōu)化改革

韓院彬

摘要：本文以GIS專業(yè)“計算機圖形學(xué)”課程中重實踐、跨學(xué)科的教學(xué)需求為出發(fā)點，以突出實踐性、適用性的課程教學(xué)為目標(biāo)進行課程優(yōu)化改革，以進一步提升GIS專業(yè)學(xué)生“計算機圖形學(xué)”課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);計算機圖形學(xué);OpenGL

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0134-02

一、引言

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是一門交叉性強的學(xué)科，計算機圖形學(xué)承擔(dān)著GIS中圖形顯示、數(shù)字信息圖形化等重要角色，在大多數(shù)本科院校的GIS專業(yè)中以專業(yè)基礎(chǔ)課進行設(shè)置[1]。計算機圖形學(xué)作為計算機科學(xué)中最為活躍的一個分支[2]，包含大量諸如數(shù)學(xué)、物理、算法等理論性強的知識，如何強調(diào)計算機圖形學(xué)的實踐性以及對于GIS專業(yè)的學(xué)生如何合理的設(shè)置計算機圖形學(xué)課程得到了本科院校的廣泛關(guān)注[1，3-7]。

GIS是一個強調(diào)實踐和具備特定工程背景（地理學(xué)）的專業(yè)，如果按照計算機專業(yè)學(xué)生的要求進行計算機圖形學(xué)課程教學(xué)，一方面大量原理性的知識勢必會使得課程教學(xué)枯燥，另一方面計算機圖形學(xué)中大量的算法對計算機的專業(yè)知識和技能要求較高，勢必會使得GIS專業(yè)的學(xué)生在計算機圖形學(xué)知識學(xué)習(xí)和動手實踐上存在較大難度。從課程學(xué)習(xí)的意義上來講，使學(xué)生充分認知到計算機圖形學(xué)作為GIS專業(yè)基礎(chǔ)課的必要性，以及學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)將會為他們提供哪些專業(yè)上的幫助，能夠有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)的積極性;學(xué)生能夠?qū)Ξ?dāng)前計算機圖形學(xué)的一些實用前沿技術(shù)進行入門，會進一步加強學(xué)生的專業(yè)能力和提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力。針對以上幾點需求，本文從重實踐、跨學(xué)科的角度給出了“計算機圖形學(xué)”課程優(yōu)化的一些建議。

二、課程內(nèi)容和教學(xué)改革

（一）課程內(nèi)容的適用性

目前國內(nèi)所開設(shè)的計算機圖形學(xué)主要針對計算機專業(yè)的學(xué)生，側(cè)重于圖形學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)原理、算法，缺乏適用于GIS專業(yè)的相關(guān)教材和大綱設(shè)置。而通常計算機圖形學(xué)的課時設(shè)置非常有限（以河北工程大學(xué)為例，計算機圖形學(xué)在GIS專業(yè)課時設(shè)置為40學(xué)時，其中實踐部分10學(xué)時），如何在有限的課時內(nèi)讓學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)相關(guān)知識和技術(shù)是一個必須重視的問題。

針對上述問題，對于原理性的知識點進行有效壓縮且同時保證課程知識體系的完整性就顯得非常重要了，因此在教學(xué)過程中要貫穿舉一反三和重實踐的教學(xué)思路。例如在光柵圖形學(xué)、曲線生成知識點中分別有很多算法，課堂通過講解其中典型的一類算法，點出其他算法由學(xué)生以課后作業(yè)的形式自行學(xué)習(xí)。而對于理論性特別強的知識，如真實感圖形學(xué)中涉及到的各種光照模型的物理和數(shù)學(xué)原理，在課堂教學(xué)中對其做概述性的介紹，對于理論性強的知識（如模型的推導(dǎo)）不作細致的講解，而將本部分重點放到基于OpenGL的圖形學(xué)中，使學(xué)生能夠更為真實的通過程序體驗光照模型對于圖形顯示的作用。

（二）計算機圖形學(xué)在GIS中的定位

GIS專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)課程中從開始到結(jié)尾的每節(jié)課都會思考“計算機圖形學(xué)對于地理信息系統(tǒng)有什么意義，對GIS專業(yè)整體知識體系有何幫助”的學(xué)習(xí)價值問題，讓學(xué)生充分認識到課程對于GIS的重要性，將有力提升學(xué)生學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)知識的主動性和積極性。計算機圖形學(xué)和GIS在很多概念和算法上具有相通性，如GIS中矢量數(shù)據(jù)的柵格化中有大量算法與計算機圖形學(xué)中光柵圖形學(xué)相對應(yīng)，例如直線掃描轉(zhuǎn)換算法、區(qū)域填充等，特別是四叉樹/八叉樹的應(yīng)用，在計算機圖形學(xué)和地理信息系統(tǒng)原理的課程中曾多次用到。文獻[3]指出計算機圖形學(xué)的大多數(shù)算法幾乎都在GIS中得到了應(yīng)用。針對上述需求，在課程安排上組織一次2個學(xué)時的主題討論課，由學(xué)生和教師根據(jù)專業(yè)知識和工程實際需求討論圖形學(xué)原理、實踐與GIS的結(jié)合，以及圖形學(xué)在GIS中的定位，最后以作業(yè)的形式讓學(xué)生在課后對課堂討論內(nèi)容分別提出自己的看法，并進行整理，讓學(xué)生自主性的認識到計算機圖形學(xué)對于GIS專業(yè)的重要性。

（三）加強GIS學(xué)生計算機圖形學(xué)的實踐能力

計算機圖形學(xué)中包含大量的圖形學(xué)算法，若只重視算法的原理卻忽略程序?qū)崿F(xiàn)將會使得課堂教學(xué)枯燥無味，學(xué)生也將逐漸失去對該課程學(xué)習(xí)的興趣。隨著3D可視化在GIS中變得愈發(fā)重要，OpenGL（Open Graphics Library）具有跨平臺、開放標(biāo)準(zhǔn)等符合當(dāng)前圖形學(xué)實踐潮流的特點[8]，成為當(dāng)前業(yè)界圖形學(xué)程序設(shè)計最為流行的一種技術(shù)，在GIS中具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，課程改革將OpenGL作為整個課程教學(xué)的第二大主要部分突出課程的實用性。通過以實例構(gòu)成的幾個涵蓋基本知識的模塊化教學(xué)，如OpenGL編程環(huán)境搭建、基本圖形繪制、視圖、顏色及光照模型（主要參考教材[8]的前五章，結(jié)合其中的實例介紹前五章的基礎(chǔ)入門知識），使得學(xué)生對OpenGL有一定的入門認知和動手能力。另一方面，相對于計算機專業(yè)的學(xué)生，GIS專業(yè)的學(xué)生在程序設(shè)計能力上尚有欠缺。

通過對程序設(shè)計語言和多種編程環(huán)境進行對比分析，并綜合我校GIS專業(yè)學(xué)生的實際情況，在學(xué)生實踐環(huán)節(jié)，建議選定以Visual C++加OpenGL作為學(xué)生實踐的編程環(huán)境。一方面，Visual C++是GIS專業(yè)學(xué)生前述計算機類課程主要的編程環(huán)境，學(xué)生對其較為熟悉，容易上手;另一方面，在Visual C++中可以方便的搭建OpenGL編程環(huán)境[8]，學(xué)生通過調(diào)用OpenGL的函數(shù)能夠較快的上手實現(xiàn)一些基本的OpenGL實驗。

（四）課程安排

結(jié)合近年來的教學(xué)實踐，以突出圖形學(xué)教學(xué)相對于GIS專業(yè)學(xué)生的適用性、實用性和強調(diào)課程在GIS專業(yè)中的定位為出發(fā)點，建議面向GIS專業(yè)的計算機圖形學(xué)課程和實踐內(nèi)容分為4個部分，如表1所示。

三、結(jié)語

本文重點論述了在滿足學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)知識體系的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生從GIS的專業(yè)需求上充分認識課程的定位，加強學(xué)生實踐能力的鍛煉。通過分析GIS專業(yè)需求，文章從教學(xué)大綱的適用性、重實踐出發(fā)給出了計算機圖形學(xué)課程的一些改革建議。

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