计算机专业图形图像与多媒体类课程教学研究

摘要：本文针对目前大学调整计算机专业设置和突显专业特色的需要，分析了我国计算机专业教育内容的发展状况，讨论了计算机专业教学中存在的问题，并给出图形图像与多媒体类课程的设置和教学改革建议。

关键词：计算机专业教育；图形学；图像处理；多媒体；教学改革

中图分类号：TP391，G642文献标识码：A

文章编号：1672-5913 (2007) 24-0080-05

1对图形图像与多媒体知识的要求

1.1CC2004知识领域要求

在CC2004中，和图形图像与多媒体相关的知识领域是人—机交互(Human-Computer Interaction -HC)、图形学与可视计算(Graphics & Visual Computing-GV)、信息系统(Information Management -IM)、网络计算(NetCentric Computing-NC)等几个部分。表1是CC2004列出的五种课程计划中所含人—机交互和图形学与可视计算两个计算机主题的比重。表中的数字表示对应的专业与相应的知识域的相关性，范围从0~5。其中，min值表示该学科报告中列举的学生对相应知识域掌握的典型的最低要求，也是相对于其它专业最低要求的值，max值表示该专业学生对相应知识域掌握的典型的最高要求。

表1 计算机主题的比重

分析CC2004中各课程计划和表1可得出，CC-CS2001对图形图像与多媒体的知识要求最高，所涉及的具体知识单元见表2。

表2 和图形图像与多媒体相关的知识单元

CC-CS2001在附录B的课程描述中，推荐了一些覆盖知识领域和单元的课程，每门课程里对预备课程、课程提纲、覆盖的知识单元、各单元学时做了较为详细的描述。相应地，和图形图像与多媒体有关的中介课程有CS250W人机交互和CS255W计算机图形学等课程，高级课程有CS352图形用户接口、CS355高级计算机图形学、CS356图像处理等课程，但高级课程只给出课程名称，还没有详细描述。

CS250W人机交互课程要求全面介绍人机交互原理和技术，CS255W计算机图形学课程则要介绍计算机图形学的原理和技术，两门课程覆盖的知识单元见表3。

表3 CS250W和CS255W的知识单元

1.2CCC2002和教指委计算机科学规范的要求

CCC2002同CC2001一样，把计算机科学与技术学科的知识体系划分为知识领域、知识单元和知识点等三个相互关联的层次结构。完整的本科课程体系结构由三部分组成，即奠定基础的基础课程，涵盖知识体系大部分核心单元的主干课程，用来完备课程体系的特色课程。根据我国计算机科学与技术学科教育的现状及对典型课程设置的分析，给出了16门课程，分别为计算机导论，程序设计基础，离散结构，算法与数据结构，计算机组织与体系结构，微型机系统与接口，操作系统，数据库系统原理，编译原理，软件工程，计算机图形学，计算机网络，人工智能，数字逻辑，计算机组成基础，计算机体系结构。在教指委的《计算机科学规范》中，也选取部分知识单元组成了15门核心课程，分别是计算机导论，程序设计基础，离散结构，算法与数据结构，计算机组成基础，计算机体系结构，操作系统，数据库系统原理，编译原理，软件工程，计算机图形学，计算机网络，人工智能，数字逻辑，社会与职业道德。可见，计算机图形学都为核心课程之一。

在《计算机科学规范》中，计算机图形学和可视化计算可以划分成以下四个相互关联的领域：

(1) 计算机图形学：计算机图形学是一门以计算机产生并在其上展示的图像作为通信信息的艺术和科学。它有以下几方面的要求：①表示信息的模型的设计和构建应有助于图像的产生和观察；②方便用户使之能够通过精心设计的设备和技术与模型(或者说观察到的图像)进行交互；③能提供绘制模型的技术；④设计出有助于图像保存的技术。计算机图形学的目标是对人类的视觉中心及其他的认知中心有进一步深入的了解；

(2) 可视化技术：主要目标是确定并展示存在于科学的(如计算和医学科学)和比较抽象的数据集中的基本的相互关联结构与关系。展示的主要目标则应当是发掘在数据集中潜在的信息，从而有助于用户增强对它们的理解。虽然，当前的可视化技术主要是探索人类的视觉能力，但是其他的一些感知通道，包括触觉和听觉，也均在考虑之中，以便通过它们进一步发现信息的处理过程；

(3) 虚拟现实：虚拟现实(VR)是要让用户经历由计算机图形学以及可能的其他感知通道所产生的三维环境，提供一种能增进用户与计算机创建的“世界”交互作用的环境；

(4) 计算机视觉：计算机视觉的目标是推导出一幅或多幅二维图像所表示的三维图像世界的结构及性质。对计算机视觉的理解和实践依赖于计算学科中的核心概念，但也和其他一些学科(如物理、数学、心理学等)密切相关。

CC2004和CCC2002的规范中给出的课程建议规定了每门课程的最小核心内容，包括的这些单元是要获得学位必须具备的相应知识。核心单元不是课程的全部，核心单元是课程最小的部分，但不能构成完整的本科课程，每门课程应当包括来自知识体系中的附加选修单元。核心单元不能仅安排在本科阶段的入门性课程中。许多核心单元属于入门的导论性知识，但这不意味着它们必须安排在低年级的入门性课程中，因为有些导论性的知识，只有当学生具有必需的基础知识后才能接受。另外，引论性课程也可以包括选修单元。所以核心这一说法只是意味着必须具备的含义，而并没有限制它必须安排在那些课程里。

从以上国内外计算机专业推荐的教学计划和设置的课程可以得到，涉及到图形图像与多媒体的内容，一般宜设置计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等课程及相关课程，可涵盖的知识有人—机交互、图形学、图像处理、多媒体技术等基础内容，这样才可基本达到规范的要求。

2部分高校课程开设情况

从网上可查到的清华大学、上海交通大学、中国科技大学等几所高校的计算机科学与技术专业本科生培养教学计划中计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等课程设置情况如表4。

表4 涉及图形图像与多媒体类课程开设情况

从表4可看到，近几年在计算机专业里，国内的大学普遍增加了图形图像与多媒体类课程的课程数量和教学时间。

3 存在问题及教改研究

3.1问题

专业定位和方向划分有争论。目前我国很多普通高校的计算机系只有计算机科学与技术这个专业，教学计划多以软件技术为主，部分的可能设置有软件工程、网络工程、信息安全等目录外或自办试点专业。随着CC2004和教指委计算机本科规范的影响深入，许多计算机的教育工作者正在考虑如何结合学校和系的特点，改造计算机科学与技术专业，增加自己专业的特色。除了软件工程或网络工程的特点和培养方案比较明确外，计算机科学与技术是办成计算机科学、计算机工程、信息技术这三个学科之一，还是三者一样有一点的混合体，都在争论和探讨中，每个老师希望根据自己所学或熟悉的知识设置课程，从而使得教学计划是各种课程的大杂烩。

课程的重要性还没有认清。计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术等课程是专业课，一般是在大三下或大四上开设。由于学生就业和考研压力的提前影响，再加上这类课程理论部分较难，学生的学习积极性和主动性普遍不高。是否部分还是全部开设这类课程，每门课的学时是多少，也存在着认识上问题，很多教师认为没有必要开设。

教师知识准备不够。现在大部分普通高校计算机系的青年教师，是近几年随着计算机专业高速发展和高校扩招的需求而充实到教师队伍中，他们一般是硕士或博士研究生毕业。如果在研究生阶段没有从事图形图像与多媒体方面的工作，则在本科就没有接触到相关知识，因为即使是本硕连读的硕士毕业生也是在7年前入的大学，当时的教学计划由于是受到CC1991的影响，普遍没有设置图形图像与多媒体方面的课程，因此很多教师的知识储备不足。

学生知识结构欠缺。学习计算机图形学，需要较好的数学功底和空间想象能力作为基础，如果能有微分几何、工程图学的知识则更好。学习数字图像处理，则需要信息概论、复变函数、随机/概率、信号处理等知识。学习多媒体技术则不光要有计算机图形学和数字图像处理的知识积累，还要有人工智能等方面的知识积累。但遗憾的是，由于学时的限制，先修课程和讲授知识要么没有，要么很少，学生所具备的知识很难学好图形图像与多媒体类课程。

理论型与技术型课程的冲突。我国目前本科教育四年的课时安排不尽合理，英语、政治和思想类课程占据了太多时间，而真正专业基础和专业课程的实施集中在两年多一点的时间。由于就业压力的加大，学生普遍对理论型课程不感兴趣，只愿意学习对就业有直接影响的工具技术型课程，因此组织与协调课程的理论教学和实践安排显得尤为重要。

3.2课程设置与教改建议

从以上的对我国计算机专业教学内容发展分析，CC2004、CCC2002和教指委计算机科学规范等对图形图像与多媒体知识的要求，图形图像与多媒体类课程在计算机专业本科教学中具有很重要的地位，也很有必要开设。

师资准备。立足于计算机专业毕业的教师，引导和鼓励本专业的部分教师从事图形图像与多媒体知识方面的学习和研究工作。在人员不足的情况下，可聘请电子信息、机械设计等外专业的教师，联合培养学生。

课程开设时间。根据清华大学的计算机专业课程拓扑图和课程先修课要求，多媒体技术的先修课为信号处理原理，计算机图形学的为数据结构，数字图像处理的为概率与统计和程序设计基础。考虑到专业基础课的开设时间，可借鉴清华大学的图形图像与多媒体课程的设置顺序，第5学期信号处理原理，第6学期计算机图形学和多媒体技术，第7学期数字图像处理。

教学学时安排。信号处理原理不是计算机专业的专业基础课，只是图形图像类课程的先修课，但又不能没有，因此所定学分可在1.5~2个学分，学时在30~36之间即可。计算机图形学为专业核心主干课，定为计算机科学的必修课，教学时间则需要的比较长，学时可设置在54~70学时之间，3~4学分。多媒体技术和数字图像处理是人机交互与可视化所牵涉到的扩展技术，宜定为选修课，时间在48~60学时，在2学分左右。

教学内容处理。在计算机图形学中，一般要详细讲授图形学的基本技术、图形系统、图形通信、几何建模、图形工具使用等几个部分，计算机动画、可视化、虚拟现实、计算机视觉等仅被简单介绍，或再开设专门的选修课程，也可作为专题讲座形式介绍。多媒体技术选修课程中要讲授多媒体基本概念、媒体处理方法与技术、多媒体软硬件平台、多媒体系统基础环境、多媒体信息管理及处理、多媒体通信网络与分布应用等内容。作为计算机专业选修课开设的数字图像处理则主要讲授数字图像采集、图像量化、基本的图像变换、图像增强、图像复原、图像增强、彩色图像处理、图像编码等技术，图像检测、图像分割、图像表示、图像描述以及图像识别技术等图像分析部分的内容也仅仅是作简单介绍。授课过程中宜精讲多练，突出基础和重点，适当涉及工具软件的介绍和使用方法的训练，包括OpenGL、3Dmax、MATLAB、Flash、Photoshop和Premiere等，增强学生的实践动手能力。

教学手段使用。为了形象和生动，让学生能有效地理解所学知识，可采用多媒体手段教学，而且图形图像与多媒体课程也特别适合采用多媒体教学，因为课程的性质决定了。多媒体课件中，不光有文本内容，也宜穿插有大量的图片、音视频和动画等方面的实例。

考核结业方式。可采用灵活的课程结业方式，用工具软件完成有一定创意的作业、具有一定编程量的小型软件系统、书写小论文等方式都可以，让学生集中精力学到有用和实在的知识，而不是死背理论来应付考试。

4 结论

多媒体化是计算机发展方向之一。顺应时代和社会发展的要求，CC2004、CCC2002、和教指委计算机科学规范都把以图形图像、多媒体数据处理为重点的可视化计算作为计算机专业本科教学的核心知识领域。为了适应就业市场要求，提升学生实践动手能力和专业素质，提高教育质量和突显专业特色，开设图形图像与多媒体类课程具有其必要性和重要性，因此如何设置这类课程，并研究其教学规律，是一个艰巨的教学改革任务。

Research on the Curricular Teaching of Graphics Image and Multimedia in Computer Specialty

Abstract: Aiming at the need of adjusting setup and projecting feature of computer specialty, this paper analyses the development of educational content in computer specialty. Based on the knowledge requirement of graphics image and multimedia, the questions are discussed in computer specialty education and the setup and educational reform suggestion of graphics image and multimedia curriculum are presented.

Keywords: computer specialty education; graphics; image process; multimedia; teaching reform

参考文献

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