基于计算机图形学与信息计算科学学习的深刻探析

苗壮 段福强 李付才

摘 要：以西北民族大学数学与计算机科学专业人才培养方案为基础，结合计算机图形学课程学习积累，分析了计算机图形学课程的特点及课程学习过程中存在的问题，对计算机图形学在信息计算科学专业中的学习内容进行了探讨分析。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，但对本校这样的民族类院校，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。

关键词：计算机图形学；信息与计算科学；学习探析

前言

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学习内容、学习模式不尽相同。

本文以西北民族大学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学习改革进行了探讨研究。

一、专业现状及课程特点

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、现状

计算机图形学课程一般在第六学期开设，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，计算机图形学课程学习过程中存在以下几方面的问题：

1.学习内容丰富而深度不够。计算机图形学课程研究内容丰富、理论性很强。在传统学习内容设置中，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，导致我们学生一知半解，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、课程学习改革

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。目前的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。

2.优化理论学习内容，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。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。

该专业本科生核心学习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等技術，直接调用函数等构件类来实现，学习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.构建学习网站，加强课外学习。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。按周次及时发布学习任务，与学生进行交流互动，促进学生课外学习。

4.构建学习实验内容，强化实践学习。实验学习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。

总结

计算机图形学是一门综合性很强的课程。我们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学习探讨。

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.

[3]唐泽圣.计算机图形学基础[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4]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.

作者简介：

苗壮，男（1997年09月30号），山东省威海人，研究方向为数学与计算机科学。

段福强，男（1994年7月1号），云南玉溪人，研究方向为数学与计算机科学。

李付才，男（1994年08月05号），云南文山人，研究方向为数学与计算机科学。