图形学教学体系疏理

计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的原理、方法和技术的一门学科。它以图形用户界面和可视化技术为典型应用,是信息技术中不可缺少的部分和发展基石,在计算机辅助设计制造、仿真模拟、娱乐动画等各个领域得到广泛应用。因此,国内外大学都纷纷将其列为计算机应用类课程中的一门重要专业基础课程。它在帮助学生直观、形象地理解计算机所处理的信息数据方面,起着非常重要的作用。

与图形学技术日新月异的变化相比,图形学课程教学发展却稍微显得有些滞后。当前,计算机图形学教学中主要存在三种典型的教学体系,可总结为:面向理论;面向编程;问题解决。下面分别简单介绍如下:

1. 面向理论:教学目标上侧重于培养学生对计算机图形学理论知识的了解与掌握,教学内容上强调图形学知识与概念的系统性与整体性,重点放在概念的解释与原理的讲解,理论内容过多过重,包含大量的公式推导。这种体系下典型的教材代表是David F.Rogers的《计算机图形学算法基础》、Foley的《计算机图形学原理及实践——C语言描述(原书第2版)》、唐荣锡的《计算机图形学教程》、唐泽圣的《计算机图形学基础》、陈传波的《计算机图形学基础》、彭群生的《计算机图形学应用基础》、魏海涛的《计算机图形学》、孙家广、胡事民的《计算机图形学基础教程》、孙正兴的《计算机图形学教程》和何援军的《计算机图形学》等。这是传统的教学体系,一直在国内外许多学校教学中延续使用。

2. 面向编程:这种体系的核心理念是学以致用,在教学目标上既侧重于培养学生对计算机图形学理论知识的系统了解,同时更加强调培养学生了解并初步掌握一种典型的图形学API,使其能正确使用图形学知识的能力。在教学内容上,主要从图形学的使用者角度来选取与介绍计算机图形学的必备理论与概念,摈弃不必要的数学知识与公式推导,不追求“罗列式的全面”,而追求“使用型的精炼”,同时内容配有典型图形学API的相应知识与使用介绍。这种体系下典型的教材代表是Donald Hearn的《Computer Graphics with OpenGL》、Edward Angel的《Interactive Computer Graphics- A Top-Down Approach Using OpenGL (Fourth Edition)》、Hong Zhang的《计算机图形学:应用Java 2D和3D》、Francis S Hill《计算机图形学》等,其中介绍图形学API主要有三种:OpenGL, DirectX, Java。目前,这是主流的一种教学体系,正在被国内外大多数院校逐渐采用。

3. 问题解决:这种体系认为计算机图形学在深入理解复杂问题并与他人交流方面起着关键作用,在问题求解方面扮演非常重要的角色。因此,在教学目标上它侧重于培养学生如何利用计算机图形学知识建立与用户的有效交流,来完成问题图形化建模与解决的任务。在教学内容上它既包含计算机图形学的传统知识如投影变换、建模、绘制、光照、着色处理等,介绍了计算机图形学中一系列的基本概念和技术,并说明OpenGL API如何提供实现这些概念和技术的图形学工具;同时着重介绍了如何采用计算机图形学来解决实际问题,及如何更有效地将结果展示给观察者的方法。其目的是使学生理解图形学概念,并学会使用图形API来实现图形学操作并为观察者创造有效的图像来解决不同领域的问题。这是较新的一种教学体系,在美国正在逐渐兴起,其典型的教材代表是Steve Cunningham的《计算机图形学》,国内已有其对应的中译本出版。

结合目前教学形势与学生情况,我们认为面向编程的教学方法仍是一种合适的选择。同时,图形学本科教学平台随着OpenGL的跨平台优势也逐渐转向OpenGL,但教材市场中面向OpenGL平台教学的优秀教材大多为引进教材,如Angel或Francis Hill的教材,其特点为内容多、体量重、技术新。从本科教学需要来看,其实需要的是一本能体现短小、精炼、经典的教学体系的教材。本教材即定位于此,旨在服务于32-48学时本科图形学教学。它具有以下特点:以经典图形学知识为主,同时注重结合OpenGL图形应用编程来详细介绍相关技术实例;以OpenGL为教学平台与实验平台,提供实验指导书与模拟试题,更好地满足教学需要;内容精炼,服务本科教学需要,不过多涉及最新技术。

注:本文内容节选自《计算机图形学基础(OpenGL版)》的前言部分。

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