【摘要】计算机图形学在地学专业应用中发挥着重要作用，但该课程却由于内容涵盖面广、知识点众多、课时数量有限等原因在教学过程中难以取得满意的效果。本文对地学专业的计算机图形学教学思路与方式进行了探讨，针对该课程在地学数据成图与可视化方面的应用特色提出了一系列教学改革方案。实施效果表明，这些教改方案能极大地提高学生的学习兴趣与综合应用能力。
【关键词】地学 计算机图形学 教学改革
【基金项目】中国地质大学（武汉）教学研究项目，项目编号 200923。
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0144-02
一、引言
计算机图形学是研究如何利用计算机显示和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。除了是计算机与信息相关学科的一门专业必修课程外，它也是许多非计算机专业本科一项重要的专业限选/选修课程[1]。在以地学专业为主的中国地质大学（武汉），计算机图形学教学也得到了相当的重视。以地空学院为例，其下属的两个专业地球物理与地球信息科学的教学大纲中都明确开设了这门课程。但与其他兄弟院系一样，该课程教学中所达到的实际效果却并不尽如人意。一方面，地质制图以及地学数据的图形表现等知识在学生本科毕业后从事的地学应用工作中占有重要成分；另一方面，传统计算机图形学本身所讲述的内容又无法满足地学专业工作、科研的需要[2]。随着时间的推移，计算机图形学课程所处的地位日渐尴尬，将其从教学计划中取消固然不妥，但又确实达不到应有的效果。认真分析其原因主要有如下两点：
1.从课程的定位来看，作为一门独立学科，计算机图形学本身定位于使用数学算法构造图形的数学模型，并通过程序实现图形的显示和处理。数学建模与算法实现是计算机图形学的核心与基础[3]。该课程涉及的内容也非常之多，包括图形生成技术，计算机辅助制图，计算机视觉等部分[4]。然而作为一个主要培养地学领域人才的高等院校，计算机图形学在地学领域的主要应用集中于数据制图与数据可视化处理。即要求学生能够具备一定计算机图形学基础知识，并能够使用计算机对地学数据进行图形绘制与表现，进一步生产出社会所需求的各种图形产品包括二维地质图以及三维造型，场景演示视频等。因此可见，课程定位与专业需求存在着一定的差别。
2.从教学大纲与教学内容上来看，传统计算机图形学教学基本以清华大学孙家广院士主编的《计算机图形学》内容为范本。教学内容大部分重点集中于图形生成算法，图形标准、图形交互、曲线曲面造型、真实感图形生成与显示算法等章节[5]。这其中的许多知识点都与地学专业应用无关。此外，地学专业的学生往往在离散数学、算法逻辑等方面基础较为薄弱。这就导致授课老师要花更多的时间来将这些知识点讲授清楚，但学生在学习过程中却逐渐失去兴趣。
上述主要原因使得我校地学相关专业中的计算机图形学课程教学无法达到满意的效果。特别是由于课程的一些内容或章节与专业的实际应用偏离太多，更造成了学生们应付考试，老师们照本宣科的现象。许多讲授该课程的老师都或多或少的意识到了这一点，他们努力在教学过程中做出适当的调整，但却苦于缺乏统一的指导思想。
基于此，在校方支持下，笔者与其他授课老师一起开展了面向地学专业的计算机图形学教学改革活动。在这次改革中，老师们将自己的授课经历进行了分享，并着重对地学相关专业计算机图形学教学过程中的问题进行了总结，然后通过讨论交流提出了一系列改革方案。最后将这些方案措施在教学活动中进行验证。实践证明，教改方案可以有效的激发学生的学习热情，并引导他们将理论知识充分运用到实际问题中，有利于培养地学专业高素质人才[6]。
二、改革措施
首先，此次课程改革的目的很明确，即为地学或地学相关专业的学生量身打造适合他们需要的计算机图形学课程。该课程的教学必须真正贴近专业的需要，不再流于形式，为学生将来的工作与研究深造打下良好的基础。具体的改革措施总结如下：
1.深入了解我校地学专业相关院系的专业需求，讨论并制订面向地学领域的计算机图形学教学大纲和教学计划。传统的计算机图形学教学内容涉及到数学、物理、计算机等多个学科[7]。每个学科又涉及到一些相对抽象的理论与复杂算法实现。这些内容均使得地学专业的学生难以在短时间内掌握。此外，随着技术的不断发展，目前计算机图形学的一些教学安排与现实也存在一定的脱节。如许多计算机图形学的实习环节中会要求学生去实现基本图形的生成算法，对许多非计算机专业本科生而言，这一做法的必要性值得商榷。因为就其专业应用领域，大部分的图形生成算法实现都已经固化到了计算机硬件（显卡、GPU）中，现实工作中极少场合需要编程实现这些已经非常成熟的算法[8]。
就地学专业以及大多数工科应用专业而言，计算机图形学课程更多是为了直接满足应用上的需要，而不是将其作为一个研究基础。因此经过笔者及其他老师们的讨论一致认为，对于我校地学类专业，计算机图形学的课程教学应强调一个原则，即：突出重点，强调有用。借鉴华中科技大学机械科学与工程学院将计算机图形学成功与机械制图，机械辅助设计等方面知识紧密结合起来的宝贵经验。决定将我校的计算机图形学课程安排充分与地学中的地质制图、GIS图形标注与编辑、地球探测信息可视化等应用紧密结合起来，注重其实用性。
在教学大纲的制定中笔者提出应遵循从“应用-理论-应用”的法则。即首先让学生对地学类通用制图及相关绘图软件如MapGIS、Grapher、Surfer等进行操作和理解，然后老师找出其中的图形学理论点进行讲述，最后再引导学生将这些理论点进行编程实现。比如通过对Grapher数据曲线绘制的讲述，引入曲线的插值、拟合生成理论。最后给出若干插值点或型值点坐标，要求学生编程生成这些曲线。
2.根据地学专业人才培养的需要来分章节选定参考资料。由于目前市面上的計算机图形学教材并不是为地学或地学相关专业服务的。所以这些计算机图形学教材往往涵盖面较广，既包含计算机图形学的基本知识和编程技术，又包含计算机制图、三维造型和计算机视觉等方面的原理及应用。直接使用这些教材带来的后果就是要么老师无法在一个限选或选修课所规定的课时里面将这些问题讲述清楚，要么学生由于内容太泛而抓不住重点从而很难达到应有的效果。
在此次教改过程中，笔者不再拘泥于使用某个教材。而是在每一个教学章节中为学生指定若干参考资料，这些资料来源于若干参考书籍中所选取的一些合适的章节。这样有目的的让学生进行阅读从而使他们较好的掌握到这一教学章节所涉及到的知识点与技术。如在图形交互这一章的讲解中，笔者分别为学生选定了《计算机图形学实用技术》的第二章（交互式图形软件设计）、《MapGIS教程》第二章（图形输入）与第三章（图形編辑）、《VC++入门教程》第三章（图形绘制API介绍）作为参考资料。要求学生首先从MapGIS制图操作中直观认识图形交互式操作的方式，然后通过对图形学中图形交互的原理技术的学习来实现VC++的交互式图形绘制。
3.在实际授课过程中根据学生所遇到的实际问题和意见来调整教学内容。不同地学类专业之间对计算机图形学的需求存在着一定的细微差别。如有些专业可能对三维可视化的要求较高，学生想更多的了解到这个方面的原理知识；有些专业可能要求能够讲授一些有关仿真动画方面的知识。因此，在实际授课过程中，老师们应充分考虑到每个专业学生的需要，在课程安排上做出一些改动和调整。
笔者在此次教学改革中提出可提前在教学安排中预设选讲内容的做法得到了许多老师们的认同。如在近几年的计算机图形学授课过程中，不断有学生或其他专业老师反映希望讲解一下MATLAB中的绘图函数的应用。因此笔者就将这一部分预设为选讲内容，在讲授到图形学曲线曲面这一章节时，根据学生所学专业及其学习基础向学生们提出是否需要学习MATLAB中对曲线曲面数据展现的应用，当学生们表现出兴趣时再将这一预设内容进行讲授。
三、成果与总结
在校方的重视与支持下，历时3年的地学专业计算机图形学教学改革取得了显著的成效。其主要表现在：
1.极大的激发了学生的学习兴趣。经过教学改革后的图形学教学内容与学生们工作实习中所应用的软件发生了紧密关联，而图形类的这些应用软件无论是三维建模、还是动画制作都极大的激发了学生们的学习兴趣。同时，学生们也学会了从使用软件的角度来思索其实现原理，大量参考资料的查阅丰富了他们的知识面。在改革前后，作为一门本科生的专业选修课，笔者所在院系的计算机图形学课程选修率从之前的45%上升到了98%。
2.极大的锻炼了学生的动手能力。在改革后的计算机图形学教学实习中，学生的动手能力也得到了很大的加强。新的图形学教学内容让学生明白，只要熟悉计算机图形学技术，他们也可以完成地学类图形软件所能达到的功能。由于有了样本参照，在笔者所教的学生中，有许多通过自学openGL， VTK， IDL等来实现地学应用中更复杂的图形效果。
3.为学生更高阶段的深造打下良好基础。在计算机图形学教学改革后半阶段，不少选择深造的研究生均反馈本科阶段的计算机图形学非常实用。特别是为他们研究生阶段的MATLAB等科学计算软件的应用打下了良好的基础，使得他们可以制作出精美的论文插图。
由此可见，作为计算机图形学这样可在多个行业进行应用的交叉学科，其教学方法可因为所在专业的不同而存在较大差别。老师们需要与专业应用进行紧密结合并在实践中不断探索才能使得教学工作紧跟学科技术的发展方向，并在教学过程中激发出学生的学习兴趣与主观能动性。
参考文献：
[1]闵锋，鲁统伟. 2013.《计算机图形学》教学探索与实践[J]. 教育教学论坛（5）： 94-95.
[2]于建江. 2008. 应用型本科计算机图形学教学改革初探[J]. 长春理工大学学报（高教版）（4）： 71-73.
[3]姚莉. 2010. 计算机图形学教学改革与实践[J]. 实验科学与技术（4）： 102-106.
[4]蔡华辉. 2011. 浅谈计算机图形学课程教学[J]. 科技信息（35）：406.
[5]许磊，杨满仓. 2011. 计算机图形学教学实践与研究[J]. 科技致富向导（32）： 40-41.
[6]穆瑞辉. 2013. 计算机图形学教学模式研究[J]. 信息系统工程（2）： 146-147.
[7]王艳春，张金政，李绍静. 2011. 计算机图形学课程教学思考[J]. 计算机教育（14）：63-66.
[8]黄斌. 2011. 计算机图形学教学方法探究[J]. 才智（9）： 249.
作者简介：
余翔宇（1979.09-），男，汉族，中国地质大学（武汉）地空学院讲师，博士。研究方向：地学信息三维可视化。