魏海濤　魯漢榕　吳彩華　鄭國杰　馮亞軍

摘要：給出面向科學思維教學方法的定義，以及它與結構主義、建構主義教學方法的異同點；闡述用該教學方法講授計算機圖形學課程的具體過程；分析早期計算機課程教學為何不能做好計算機程序設計教學的原因；展示基于計算機圖形學教學改革成果提煉計算機科學學科結構的演變過程；指出忽視計算機圖形學課程教學與計算機科學學科結構的介紹會導致計算機應用教育的發展不平衡，并將失去促使計算機課程教學體系改革走向成熟的又一機遇。

關鍵詞：計算機圖形學；科學思維；學科結構；教學改革；教學方法

0 引言

大學的主要任務是培養人才，特別是培養創新人才。培養創新人才的基本途徑與方法有課程教學、參與科學研究與項目開發、對外學術交流等。然而傳統本科課程教學多注重傳授學科的系統理論等專業知識，不重視對知識產生原因、方法的介紹，如忽視思考解決學科基本問題的具體過程等，這會造成課程教學傳授知識與科學研究相脫節，導致學生的知識結構產生缺陷，不利于他們將來從事創新等研究工作。為配合計算機圖形學課程的教學改革，根據計算機圖形學課程的特點，筆者提出一種面向科學思維的教學新方法，它能有效彌補傳統本科課程教學的不足。

1 面向科學思維教學方法的基本要求

常見典型的教學方法有：結構主義的教學方法、建構主義的教學方法、問題（任務）驅動教學方法等。這3種方法各有其優缺點，一個好的教學方法最好能全面綜合這3種方法的優點。面向科學思維的教學方法要求把思考問題的方法、系統分析與綜合的方法、科學研究的工作方法、查找資料與抽象的方法等知識產生的方法引入課程教學中，有效講解學科專業知識是根據發展需求、通過研究各種問題產生的；專業理論體系或與其學科結構是由多項研究成果形成的，這些知識是科學研究與科學思維產生的結果。

結構主義、建構主義與面向科學思維教學方法的異同點見表1。

2 確立計算機圖形學課程的教學內容與教學模式

2.1 傳統計算機圖形學課程教學改革的原因

2013年以前，國內外傳統計算機圖形學課程教學以講授圖形標準（顯卡驅動與顯示圖形等子程序的集合）或CAD為主。這種CAD與計算機圖形學（即圖形標準）學科的劃分有問題，它只便于圖形標準的硬件實現，卻因基本概念不全導致這兩者均不能獨立講清三維真實感圖形的自動生成原理以及計算機程序設計的基本規律，更不能總結計算機圖形學的研發成果與發展規律，不能滿足計算機圖形學學科建設發展需求。

2.2 用系統分析與綜合的方法確立計算機圖形學課程的教學內容

2.2.1 系統分析：從理論上確立實現計算機圖形學課程目標的發展路線圖

本課程目標是用計算機程序自動生成類似人眼觀察世界獲得的觀察圖像（亦為學科研究的基本問題，它適合作為建構主義教學方法要求的教學環境需求問題）。為此至少要完成3個子任務：①掌握三維圖形的生成原理；②掌握生成三維動畫等圖形的程序設計；③理順新課程教學內容與圖形標準、CAD的相互關系。

1）第一個任務的實現方法。

照相機生成照片遵循光線傳播生成三維圖形這一物理原理，計算機生成所有三維圖形（包括光線跟蹤算法、輻射度算法、投影、多邊形填充、紋理映射、陰影算法、圖像融合算法與二維直線的生成等）也應遵循該原理。這是本課程知識理論體系的完備性與一致性的基本要求，它決定了計算機圖形學的學種性質與教學定位。

2）第二個任務的實現方法。

用輻射度和光線跟蹤算法生成的三維真實感圖形等程序，是一類典型的顯示圖形的計算機仿真應用程序。故計算機圖形學的編程實現既遵循計算機仿真的基本原理，也遵循計算機程序設計的基本規律。

計算機仿真遵循系統（決定被仿真對象的范圍與其行為特性）、建模（用數學模型描述仿真實驗對象）、仿真算法（計算機通過執行該仿真算法，進行仿真實驗）與評估（檢驗仿真實驗的結果是否與應用需求保持一致）這一基本原理。

計算機程序設計應遵循計算理論可計算性的實現前提對程序設計的規范要求：①待解問題被模型與系統形式化方法所描述；②這種描述要轉換成算法；③算法要有合理的復雜度。

這里，形式化描述指用數學符號、邏輯符號與流程圖描述并要求保持邏輯上的一致性。系統的概念被本文定義為軟件系統：它按解決問題的系統流程要求，編程實現數個模型描述數據與命令的輸入、存儲管理、運算處理、輸出顯示4個過程，能直接達到自動運行軟件的設定目標并具有完整動態結構的綜合程序。軟件系統的概念是國內傳統計算機核心課程教學缺失的重要概念。

故三維圖形學的教學內容，主要用3組數學模型描述可視物體、燈光、照相機物理模型的物理特性（如用幾何模型、材質模型與紋理模型描述可視物體；用光線幾何模型、顏色模型、照明模型、輻射度算法和光線跟蹤算法等描述點光源；根據類照相機的觀察參數，用陰影算法、圖像融合等算法描述照相機模型；對光線跟蹤算法，應重構照相機模型）；在物理仿真、數學建模與軟件系統概念的指引下，編程構建三維圖形軟件系統，實現三維圖形的自動顯示。物體運動與變形、燈光變幻、照相機運動可形成計算機動畫。計算機游戲是用人機交互的操作方式并通過實時動畫與聲音有效描述具有智能行為能力的人（或動物）的多種社會實踐活動。

3）第三個任務的實現方法。

計算機動畫包含了傳統圖形標準與CAD的原理，所以在課程最后，可講解圖形標準OpenGL的原理與編程使用方法。同時圖形標準是游戲軟件的基石，是現代計算機應用不可缺少的基本配置。

2.2.2 系統綜合：介紹圖形學的基本原理與動畫軟件的實現方法

這要求教師先查找資料、匯集前人發表解決以上問題的不同論文與教材（解決課程教學問題的先決條件），挑選材料編寫課程講義，詳細介紹完成該任務所需的基本原理與實現方法，講義試用成熟后再編著出版教材。

教材按以下思路組織：用二維圖形學構建軟件系統概念的教學，用三維圖形學構建三維圖形數學建模的教學（直接用三維圖形構建軟件系統概念的教學，會導致課程教學內容的復雜化）。在每章的開頭，均提出應思考并解決哪些問題才能達到本章的教學要求，加強訓練讀者思考問題的習慣。

學完本課程，學生要能勝任計算機動畫軟件的設計與編程實現等任務。

2.3 歸納計算機圖形學的學科結構

以上教學充分展示：由物理模型（化學模型、生物模型、社會發展需求模型等）→數學模型（數據模型是數學模型的一種簡單特例，其編程操作主要是數據的存儲與檢索，以實現數據庫軟件。根據數學模型“曲高和寡”的原理得知，數據庫軟件是應用軟件中應用面最廣的一類軟件；或用離散數學的方法、判斷規則與判據或可編程實現的自然語言與功能等描述解決問題的過程與步驟；或用通信協議描述數據通信過程要遵循的規則、約定等要求，這是網絡通信編程的基礎）→軟件的系統功能與結構→用算法語言實現程序編碼并形成算法→軟件測試評估等過程所確立程序設計的基本規律。程序設計這一規律，能被雷達的設計與制造過程所佐證，如通過物理實驗確立雷達原理→用數學模型描述雷達的工作過程→設計雷達系統的功能與結構→用電子技術制造雷達設備→做好的雷達要通過測試評估才能交付使用等。

由此能用理論（物理原理、建模、軟件系統、仿真、程序設計）、工具（OpenGL、Direct3D、著色語言、ACIS、WebGL、OpenCL、3D游戲引擎等）與應用（顯示圖形的應用程序，如3D動畫或CAD、地理信息系統（空間復雜性高而時間復雜性低）、游戲與虛擬現實系統（時間復雜性高而空間復雜性低））3個學科形態描述計算機圖形學的學科結構。

2.4 用科學研究的工作方法確立計算機圖形學課程的教學模式

（1）選題（發現問題）：找任務、了解用戶需求、檢索閱讀資料并提出問題。自由選題要確立研究問題的科學性、目標性、創新性和可行性，并找準課題的申報渠道。提出問題是對任務深入思考或科學研究的前提。如計算機圖形學的學科屬性與教學內容是否成熟，是此前國際計算機圖形學教育界多年關注的教學疑難問題。

（2）分析問題：真實照片由照相機、可視物體與燈光3個主要因素決定，由此確立解決問題的方法。

（3）尋找解決問題的方法（提出假說）：首先用二維圖形建立軟件系統的概念；然后建立描述照相機、可視物體、燈光物理模型物理特性所需的數學模型，構建仿真光線在計算機場景與照相機模型中傳播，生成三維動畫圖形。

（4）做實驗解決問題（找尋證據支持假說）：針對建立的數學模型，選擇數據結構，設計算法，編寫程序源代碼并調試測試程序，構建三維圖形軟件系統，實現圖形的自動顯示。

（5）取得新成果（查新驗證）：改進學科的系統理論與基本方法，發表研究論文，推廣該研究成果或論證申報新開發項目，推動學科建設向前發展。當我們解決好計算機圖形學的教學問題時，就為撰寫本文并申報計算機圖形學國家規劃教材奠定了基礎。

由此構建程序設計教學的完整過程，并把程序設計拓展成科學研究工作方法的一種形式與組成部分。

該教學模式不僅把教學與科學研究兩個不同性質的學術過程結合在一起，還說明圍繞課程教學思考問題的訓練屬于科學研究領域思維活動的一種基本形式。

3 在課程教學過程中合理安排思考問題的訓練

教師在重點介紹、講解每個專題前，要考慮如何訓練學生根據學科的發展需求思考問題，這些問題是任務驅動教學法中各種問題的來源。

3.1 用二維圖形學構建軟件系統概念的教學

專題1：線段圖形的描述與生成。基本問題：如何用數學的語言與方式（如描述函數）描述各種線段圖形的幾何形狀，以形成各種線段圖形的幾何模型？如何形成矢量漢字等子圖形高效率的描述方法？如何把這種描述函數轉換成算法，并根據其描述數據生成這些基本圖形？

專題2：實面積圖形的描述與生成。基本問題：用什么方法描述實面積圖形的幾何形狀，以形成各種實面積多邊形的幾何模型？如何利用顯示設備的繪圖功能生成實面積圖形？如何實現直線圖形邊緣的反走樣顯示？

專題3：圖形的基本運算。基本問題：圖形運算的目的是什么？如何用幾何變換矩陣的方式描述圖形幾何模型的幾何變換？若用實面積多邊形的布爾運算構建新的復雜圖形的幾何模型，則布爾運算的數學基礎是什么？如何實現其布爾運算？

專題4：圖形的觀察運算。基本問題：如何把輸入到計算機中的圖形幾何模型描述數據，轉換成顯示設備坐標系中的圖形幾何模型描述數據？并調用圖形的生成算法顯示各種圖形的幾何形狀？

專題5：圖形數據與命令的輸入。基本問題：能用哪些方法把圖形模型描述數據與命令高效率地輸入到計算機中？如何利用輸入設備的數據輸入功能與顯示設備的圖形顯示功能，編程實現圖形數據的交互輸入？如何規劃應用程序中的人機交互設計問題？

專題6：圖形的數據結構。基本問題：圖形數學模型的種類與復雜、復合圖形的構建方法，這些對保存圖形幾何模型的描述數據提出了哪些動態管理上的要求？如何設計相應圖形的數據結構，才能有效地保存、管理存儲于計算機中的各種圖形描述數據（命令）？如何把圖形顯示區中的圖形描述數據編譯轉換成多種顯示設備能識別并運行的顯示指令代碼，以實現圖形的顯示？為編程實現各種圖形的自動顯示，需要確定編程處理圖形數據的基本流程和程序的功能與結構，以形成軟件系統的概念。

3.2 用三維圖形學構建數學建模的教學

專題7：照相機模型的建立與三維幾何圖形的顯示。基本問題：如何用數學模型，特別是用矩陣的方法，描述照相機拍攝（投影顯示）三維直線圖形的物理過程？

專題8：平面物體幾何模型的構建與圖形顯示。基本問題：如何用直線與平面函數描述平面物體的幾何形狀？如何記錄這種描述所形成的幾何模型數據？如何構建形狀復雜的平面幾何物體？如何顯示平面物體的幾何形狀與表面？

專題9：曲面物體幾何模型的構建基礎與線框模型圖形顯示。基本問題：用什么方法描述曲面物體的幾何形狀并構建其幾何模型？如何顯示曲面物體的幾何形狀？

專題10：燈光模型的建立與光照物體的圖形顯示。基本問題：如何用數學模型的方法描述燈光的物理特性？如何描述在燈光照射條件下幾何物體的可視物理特性？如何顯示光照效果的曲面物體的表面與幾何形狀？如何更有效地描述光線傳播的物理特性與變化規律？

學生按照這一思路進行選題，可考慮為實現像照片一樣自然景觀（如白光的薄膜干涉等現象）的圖像顯示，需研究哪些問題等，并發表其研究成果。課程教學內容成熟完整后，才便于界定計算機圖形學的學科內涵。

4 分析計算機專業主要課程的基本特點，提煉計算科學的學科結構

4.1 計算機教學此前無計算科學學科結構概念的原因分析

現有權威資料和維基百科、百度百科表明，此前國內外計算機教學均無計算科學學科結構這一重要概念。以下3點是導致這一現象存在的重要原因。

4.1.1 對計算工具的分類作用認識不足

盡管人們知道計算機是一種計算工具，計算機有廣泛的應用，計算機科學有自己的一套理論根據，但僅用“理論、工具與應用”很難全面概括計算科學的研究全貌與多項用途。事實上，計算機的系統工具對總結計算科學的學科結構非常重要。

計算機系統是一個能對編程實現的數學模型與邏輯模型，進行自動解算與推理的通用計算工具。這決定了程序設計在編程使用計算機上的重要性。

操作系統是對計算機的各種硬件資源與軟件資源進行程序管理，使計算機正常運行的系統工具軟件。同時，它能對用戶程序（命令）的輸入、存儲管理與自動運行提供服務（包括對通信進程進行有效監管控制），并用人機交互與圖形界面的方式記載這種用戶程序與命令操作的運行結果。

編譯系統是用高級語言編程必備的系統工具軟件，它可以把用戶用高級語言編寫的程序源代碼、編譯轉換成計算機能識別并自動執行的機器語言程序代碼。

算法語言是用戶為編程使用計算機的各種計算功能，用類自然語言的方式與計算機相互交流思想的符號表達工具。

這些計算工具本身沒有直接解決數學計算與邏輯推理等應用問題，該任務由編程解決。

這類計算工具是在實際應用過程中總結、提煉的結果，工具本身一般不直接解決最終的應用問題，這是工具的第一個特點。它的第二個特點是工具的制造具有遞歸性，即可用簡單工具制造復雜工具。它的第三個特點是專業復雜工具的制造方法與技術具有封閉性與隱蔽性，但這不影響他人對工具的操作使用；且其隱蔽、封閉性是工具使用方便、高效的主要原因。

軟件系統與計算工具等概念的形成，是用抽象的方法（從眾多事物中總結提煉出具有共同本質的特征、而舍棄其非本質的特征等內容）處理形成的結果。

4.1.2 傳統課程沒有講清計算機仿真的原理與計算機程序設計的基本規律

傳統計算科學的核心課程（計算機導論、計算機原理與系統結構、算法語言與數據結構、編譯系統與操作系統、軟件工程、離散數學、數據庫和計算機網絡）從未講清計算機程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理。學生往往通過課后大量的編程訓練，積累對計算機程序設計與計算機仿真的認識。這種程序設計經驗式教學培養模型，無助于學生總結并提煉計算科學的學科結構。相反，人們在算法語言與數據結構課程的教學上存在一些模糊認識。例如，算法語言是用一組語法規則與功能約定的一種符號標記系統，它讓人們掌握語言的符號約定、功能、特性以及用算法語句描述給定的數學計算與數據處理、邏輯判斷等——即其教學主要是完成程序的編碼訓練，由此形成算法；也為研制該語言的編譯系統做鋪墊。然而部分算法語言的教科書，只有一些算法驗證性應用實例，并把它們等同于計算機程序設計教學，這無助于初學者全面正確地掌握計算機程序設計的基本規律，因為學習算法語言后，他們還是沒有數據結構的概念。

數據結構是研究用程序編碼的方式，在計算機中有效實現多種類型數據的存儲組織（形成線性、非線性、網狀結構形式以及靜態或動態結構形式的數據存儲方法）、存儲管理、排序檢索與編程效率等任務的一門專業基礎課程。數據結構課程有很多計算復雜性的案例，是培訓人們掌握編程技巧的一種有效方法。因為編寫程序所采用的數據結構往往決定了算法的編碼實現方法，更重要的是，CPU是根據保存在內存各處程序代碼的邏輯次序、通過逐條讀取其指令代碼來完成用戶指定應用程序（或命令）的執行。如何規劃、設計、調度與管理內存的使用，這與數據的調度與管理原理類似，是數據結構討論的問題之一（常在操作系統課程中介紹解決該問題的方法。數據結構問題本質上屬計算機內存的動態、合理使用與管理問題）。而該課程中所謂抽象數據類型，是指在指定的數據集上定義對該數據元素進行多種加工等編程操作方法。這個數據集以及對其數據元素的加工方法（數據集與其加工方法均能遞歸定義），應來源于人們用數學的方法描述解決實際應用問題這一過程，該主次關系不能顛倒。沒有這些數據結構與程序編碼等基礎訓練，初學者很難規劃好一個軟件的系統功能與結構。

由于傳統的算法語言與數據結構課程教學無數學建模（它決定了解決多種應用問題算法的來源）與軟件系統的概念，故傳統的算法語言與數據結構課程沒有講清程序設計的基本規律。

4.1.3 傳統計算機課程存在教學問題

首先，傳統計算機圖形學課程存在教學問題，現已被本教學改革有效化解。

其次，軟件工程課程存在教學效果空洞抽象等困惑。若把新的計算機圖形學課程作為軟件工程課程的教學實習對象，可以有效解決該教學困惑。由于新的計算機圖形學課程可以講清程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理，這使軟件工程課程的教學從理論上能達到軟件全生命周期設計的教學目的。

第三，計算機導論與計算機基礎課程存在教學困惑。計算機導論應對計算學科發展的全貌作整體介紹，并理順計算學科與其他學科之間的關系，引導讀者根據自己的需求有效選擇學習不同的計算機專業知識。由于此前計算機課程存在以上問題，導致歷次獲國家級獎勵的計算機教學改革成果以通過有效載體進入課程教學，致使計算機課程教學體系仍然不夠成熟。這往往是行業外人士選修計算機課程的迷惑。因為自牛頓時代以來，用數學的語言描述自然科學取得的新進展，是各自然學科之間相互交流學術思想與成果的通用方法；然而目前其他自然科學工作者學習計算機后，卻無法順利地用計算工具的方法來表達其各自學科建設研究成果的數學模型等。這種計算機課程教學不便于計算機教育與其他自然科學教育進行對等有效的學術交流，并導致計算機基礎課程教學出現危機。另計算機教學無計算科學學科結構的概念，即人們沒有評判計算機導論教材好壞的客觀標準。計算機圖形學教學改革取得的新成果——發現計算科學學科結構的客觀存在，為重構計算機導論與計算機基礎課程提供了重要借鑒。

最后，計算機網絡課程存在不足。如該課程介紹網絡通信協議較多，卻較少介紹網絡通信工具的構建與編程使用方法，以及計算機網絡通信程序的編程實現，這不利于初學者承擔計算機網絡計算的重任。

4.2 借鑒計算機圖形學的教改成果。歸納計算科學的學科結構

傳統計算機核心課程缺少一門計算機的綜合運用課程，以總結并提煉計算機程序設計的基本規律與計算機仿真的基本原理。計算機圖形學課程可以很好地承擔這一重任。有了計算工具的概念與計算機圖形學課程后，可以重新分類、歸納已知計算機的多種應用。

成熟的計算機圖形學與傳統計算機核心課程的教學，使計算科學理論（即計算機的系統理論和專業知識。它需回答：什么能被工具有效地進行自動計算，用什么方法研究該命題并形成哪些結論、成熟的理論與發展方向；滿足何種條件的實物裝置能實現計算功能，計算裝置如何構造實現并使其正常運行、操作使用；可計算性的實現前提是什么，如何用該計算裝置實現這種自動計算，如何保證計算結果的正確性和計算裝置運行的安全穩定，該計算裝置有多強大的計算能力；計算理論與計算機專業各課程的關系等）、工具（算法語言、編譯系統、操作系統、計算機系統）與應用（數據存儲與檢索，數據計算、仿真、符號變換與推理，數據網絡通信，數據獲取、輸出表達與控制即多媒體）3個學科形態得到完整展現。它們是形成計算機專業多個發展方向（如殺毒與網絡防火墻、網絡存儲與查詢、網頁設計開發工具與網站建設、網絡瀏覽器，即時通信、流媒體與播放器、人工智能與專家系統、計算機嵌入式應用、計算機在通信與自動控制系統中的應用等）與綜合（如3D網絡游戲）或研發計算機硬件（計算機系統結構與CPU設計、計算機工程）的基礎。

因互聯網的應用，計算機網絡計算有網絡理論（在通信理論的支持下，如何可靠、快速、方便、安全地實現計算機信息描述數據的通信；網絡計算的理論基礎與基本規則是什么，如何利用網絡資源進行有效的傳輸與計算）、網絡工具（計算機與互聯網、路由器與交換機、調制解調器、Java、html語言、瀏覽器、Socket、遵循HLA標準的分布式實時仿真工具RTI、網絡游戲引擎）與網絡應用（如計算機數據通信與監管、電子商務、社交網站、網絡游戲、云計算、信息技術與信息系統、物聯網、大數據的應用等）。

圖1顯示了計算科學的學科結構。由計算機仿真的基本原理與可計算性的實現前提，可論證程序設計教學與計算機仿真教學的一致性。

故計算作為一門學科（招生專業）的根據是：①它有自己獨立的研究領域。即什么能被有效地用工具進行自動計算以及可靠、安全、快速地傳輸？②產生專業知識的方法。科學研究與科學思維是產生（創造）多種學科新知識的主要方法，這是研究生階段的主要學習任務。③由此形成的理論體系與其學科結構。這是本科生學習階段應掌握的專業知識。④傳授知識的法定機構與辦學條件。⑤廣泛的應用基礎。

5 結語

通過計算機圖形學的教學改革，我們不僅總結了計算機圖形學的學科結構，還分類、歸納了計算科學的學科結構，這使面向科學思維的教學方法能與結構主義的教學方法相接軌。通過與結構主義、建構主義、問題（任務）驅動教學法的相互比較，明確本教學方法包含了問題驅動教學法，吸收了建構主義教學方法引導學生思考問題的優點，并對結構主義的教學方法進行了多方位教學適應性拓展。如：①根據學科或課程建設出現的多種結果（理論體系與學科結構，僅是其中兩種可能的結果），要求用系統分析與綜合的方法，把成熟的學科建設成果或課程建設目標進行適當劃分，以形成便于教學的各門課程。例如，傳統計算機核心課程與新計算機圖形學課程，是對計算學科建設總目標與成果的恰當劃分；對課程教學內容的劃分，最后會形成教材各章的教學內容；但對學科或課程教學內容劃分不當，會造成課程教學出現教學問題。②注重學科的研究起點、范圍與發展主線的介紹。③根據各課程解決問題的需要，靈活設置課程的教學目標（圍繞學科結構或圍繞其理論體系進行課程教學，僅是兩個可選的課程教學目標），并選擇合適的教學方法。④把知識產生的方法引人課程教學。如倡導人們在學習每次課程之前，應按照科學研究的工作方法先圍繞授課主題積極思考問題，教學則是解答這些問題的具體過程。故可確認本教學方法是一種新的教學方法。

而用計算機圖形學先講計算機動畫，再講圖形標準（或網絡游戲，但教學難度大）等顯示圖形的計算機仿真應用程序，能呈現計算科學的學科結構。由此確立計算機圖形學作為可視化與物理仿真應用程序在計算科學中的地位與作用，并探明實現計算機課程教學內容合理、教學體系完備這一發展目標的有效途徑。顯然，計算科學學科結構的客觀存在，是該學科建設成熟的主要標志。而由ACM（美國計算機協會）與IEEE（美國電氣和電子工程師協會）聯合主導的計算機教改成果CS2013，卻沒有計算科學學科結構這一關鍵概念。由于顯示卡與GPU（圖形處理單元）是現代計算機的基本配置，它是除CPU之外在計算機應用中最重要的硬件計算工具。例如，由多個CPU與多個GPU組合成的異構計算，已成為現代超級計算機設計的一個重要發展方向。除計算機圖形學外，目前計算機中其他已有單門課程的教學，均難以同時做到既講清計算機仿真原理、計算機程序設計的基本規律與計算科學的學科結構，又是計算機構造不可缺少的重要組件并能獲得成熟產業鏈（如顯示卡、動畫與游戲）的支撐。故忽視計算機圖形學課程教學與計算科學學科結構介紹的做法不可取，它會導致計算機應用教育發展的不平衡并將失去促使本科計算機課程教學體系的改革走向成熟的又一機遇。

（編輯：彭遠紅）