“計算機(jī)圖形學(xué)”教改研究與實踐

文章編號：1962-5913(2008)13-0080-03

摘要：本文分析了“計算機(jī)圖形學(xué)”課程的學(xué)科特點和當(dāng)前的教學(xué)形式，指出了當(dāng)前教學(xué)過程中所面臨的問題，從而提出了一些新的教學(xué)思路和方法。實踐表明，這些方法對提高課程的易理解性、學(xué)習(xí)趣味性和教學(xué)質(zhì)量有明顯的作用。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

“計算機(jī)圖形學(xué)”是大部分院校計算機(jī)專業(yè)或相關(guān)專業(yè)中的一門重要課程。本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握計算機(jī)圖形系統(tǒng)軟硬件技術(shù)以及圖形生成、處理、輸出的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)解決圖形問題的程序設(shè)計能力，為開發(fā)圖形軟件打下必要的基礎(chǔ)。

1計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀

計算機(jī)圖形學(xué)是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門新興學(xué)科。該學(xué)科綜合了計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等其它相關(guān)學(xué)科的知識，而且學(xué)科發(fā)展日新月異，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，這使計算機(jī)圖形學(xué)具有學(xué)科內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、算法眾多、實踐性強(qiáng)這幾方面特點。

學(xué)科內(nèi)容豐富和理論性強(qiáng)造成該課程講授起來比較枯燥；同時，傳統(tǒng)地講授教材上的理論將使學(xué)生感到該課程難于理解、難學(xué)、學(xué)習(xí)積極性和主動性受到影響，整個學(xué)習(xí)過程基本是被動接受。

目前，國內(nèi)的計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)基本取材于幾本經(jīng)典的教科書，這些教科書重點講述計算機(jī)圖形學(xué)的算法。許多算法為了追求高效率從而精益求精，算法本身構(gòu)思獨特且實現(xiàn)精巧，但也導(dǎo)致了算法本身及其實現(xiàn)都難于理解；而且傳統(tǒng)的授課方案側(cè)重于強(qiáng)調(diào)算法實現(xiàn)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這種強(qiáng)調(diào)圖形算法基礎(chǔ)的教學(xué)方案適合于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)優(yōu)秀的學(xué)生，但對本校這樣的工科類院校，學(xué)生往往被一些必須掌握的算法所困擾，從而對該課程產(chǎn)生畏難心理。

計算機(jī)圖形學(xué)這門課程實踐性強(qiáng)的特點則要求學(xué)生具有較強(qiáng)的動手操作能力和編程能力，從另外一個方面來說，要求老師有更強(qiáng)的實踐能力。如果理論與實踐互動性不夠，容易造成學(xué)生實踐動手能力薄弱。

通過以上分析，可以看出在計算機(jī)圖形學(xué)中采用傳統(tǒng)的課堂上講授理論，課下讓學(xué)生去做實驗的教學(xué)方式很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，急切需要探討新的教學(xué)思路和教學(xué)方法。

2計算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)改革

本校針對現(xiàn)有教學(xué)中的不足，在總結(jié)多所知名大學(xué)在該門課程教學(xué)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，制定了計算機(jī)圖形學(xué)的教改目標(biāo)和教改方案，具體認(rèn)識和做法如下。

2.1教學(xué)內(nèi)容的組織

以教學(xué)大綱為依據(jù)，從學(xué)生的實際情況出發(fā)，以課堂講授為主，上機(jī)實驗為輔的方式組織教學(xué)內(nèi)容。其中課堂講授48學(xué)時，上機(jī)實驗16學(xué)時。以講清基本原理和概念為第一目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生圖形學(xué)算法的設(shè)計能力、圖形軟件的開發(fā)能力為原則，合理安排課堂教學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)學(xué)生的接受程度，教學(xué)內(nèi)容首先注重基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)基本概念、基本原理；其次突出重點，對一些要求掌握的算法，要仔細(xì)分析，強(qiáng)調(diào)其基本思想。只要算法的基本思想掌握了，算法的實現(xiàn)就容易理解，對相關(guān)算法就可舉一反三、觸類旁通；再者教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)該介紹一些當(dāng)前的研究熱點，使學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展情況，也同時增加課堂教學(xué)的趣味性；最后在教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)該注意理論與實用軟件之間的關(guān)系，適當(dāng)介紹計算機(jī)圖形學(xué)理論、算法在流行的圖形設(shè)計和動畫制作軟件(如AutoCAD、3DMAX等)中的應(yīng)用，促進(jìn)理論學(xué)習(xí)和實用軟件使用之間形成互動。

根據(jù)以上原則，本校在2005屆計算機(jī)專業(yè)本科生中，采用了清華大學(xué)出版社出版，孫家廣主編的《計算機(jī)圖形學(xué)》作為基本教材。同時引進(jìn)國外一流大學(xué)的先進(jìn)教材Donald Hearn， M. Pauline Baker編寫的Computer Graphics(C Version)作為教輔資料，其中引用了一些最新的圖形學(xué)研究成果，在彩頁中體現(xiàn)了幾乎亂真的圖形效果。

2.2教學(xué)方法的選擇

在講授必須掌握的基礎(chǔ)算法之前，強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式教學(xué)，提出課前思考題。這些思考題可以引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué)，減輕課堂負(fù)擔(dān)，使課堂教學(xué)目標(biāo)清晰，任務(wù)簡化。如在講授多邊形裁剪算法之前，應(yīng)思考多邊形由線段構(gòu)成，是否可用已學(xué)過的二維線段裁剪算法逐邊裁剪多邊形？如果不能，原因如何？應(yīng)如何解決？

在講授同類算法之后，對解決同一問題的算法進(jìn)行比較，強(qiáng)調(diào)對比性學(xué)習(xí)。如區(qū)域填充中，應(yīng)對漫水法填充、邊界填充算法、掃描線種子算法進(jìn)行比較，說明其相同之處皆為在填充過程中搜索新種子點，不同之處在于搜索新種子點的方法不同。通過對比學(xué)習(xí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不再孤立學(xué)習(xí)一種算法，而是同時掌握一類算法，為后續(xù)的掃描轉(zhuǎn)換填充算法打下基礎(chǔ)。

2.3教學(xué)手段的應(yīng)用

在計算機(jī)圖形學(xué)課堂教學(xué)過程中，本校采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合。為了充分發(fā)揮圖形圖示、動畫演示的作用，主講教師精心制作了計算機(jī)圖形學(xué)多媒體教學(xué)課件。在該多媒體教學(xué)課件中，對教學(xué)內(nèi)容的各個知識點間用超鏈接進(jìn)行鏈接，引入音頻、視頻等媒體信息，既增加了教學(xué)內(nèi)容的連貫性，又使課堂教學(xué)變得生動有趣。

為了合理利用網(wǎng)絡(luò)，拓展教學(xué)空間，主講教師開設(shè)了自己的個人博客，在網(wǎng)上列出與課程相關(guān)的權(quán)威網(wǎng)絡(luò)資源。在保留傳統(tǒng)的面對面交流的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)與教師、同學(xué)討論問題；教師則可以根據(jù)學(xué)生的反饋意見，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，調(diào)整下一步的教學(xué)方式。

除了網(wǎng)上討論答疑外，教師根據(jù)學(xué)生的意見還采取了MSN、QQ 等學(xué)生喜愛的交流方式。通過這種網(wǎng)上交流，一方面使同學(xué)們不知不覺中利用課余實踐學(xué)習(xí)鞏固了圖形學(xué)知識，擴(kuò)展了知識面；另一方面也兼顧了圖形學(xué)的教學(xué)大綱和同學(xué)們的興趣。一般說來，教學(xué)大綱強(qiáng)調(diào)基本的概念算法，而學(xué)生則對如何生成各種漂亮的圖形效果感興趣，將如何基于圖形學(xué)算法使用工具軟件生成圖形效果的資料放在網(wǎng)上，在課堂上就可以集中精力講授算法理論。通過網(wǎng)上交流，給學(xué)生提供了一種獲取知識的新渠道，這對于剛讀完兩年大學(xué)，已初步具備自學(xué)能力的大三學(xué)生而言，效果較好。

2.4上機(jī)實驗的分配

計算機(jī)圖形學(xué)涉及大量圖形造形、圖形生成和變換的算法，上機(jī)實驗必不可少，應(yīng)該結(jié)合課程特點設(shè)計實驗內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)、研究和實驗的有機(jī)結(jié)合，鼓勵創(chuàng)新性。通過實驗，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

本校根據(jù)學(xué)生的實際情況，把實驗環(huán)節(jié)分為必做的課內(nèi)驗證性實驗、課內(nèi)設(shè)計性實驗、選做的課外創(chuàng)新性實驗，并且要求學(xué)生將自己實現(xiàn)的各類圖形算法統(tǒng)一到一個整體框架中。到課程結(jié)束時，每個學(xué)生都完成了一個具有自己特點的小型交互型計算機(jī)圖形系統(tǒng)。在這個過程中，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了計算機(jī)圖形學(xué)的各種算法，而且培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在上機(jī)實驗過程中，由于本校學(xué)生在開設(shè)計算機(jī)圖形學(xué)這門課程之前并沒有學(xué)習(xí)過GUI編程，往屆學(xué)生的上機(jī)實驗都是基于Turbo C環(huán)境下的編程練習(xí)。由于TC的陳舊性和古板性，多數(shù)學(xué)生對它并不感興趣，因此在2005屆學(xué)生上機(jī)實驗之前，本校教師將計算機(jī)圖形學(xué)中的上機(jī)實驗移植到VC、VB、C++ Builder等可視化的編程環(huán)境上來。這一方面讓同學(xué)們學(xué)習(xí)編程時有與時俱進(jìn)的感覺，另一方面又能學(xué)到新的內(nèi)容。

2.5算法演示系統(tǒng)的設(shè)計

計算機(jī)圖形學(xué)算法中涉及到較復(fù)雜的公式推導(dǎo)，在理解算法時要求有比較強(qiáng)的空間想像能力。為了幫助同學(xué)們更好地理解算法，本校組織畢業(yè)生在主講教師的幫助下制作了“計算機(jī)圖形學(xué)算法演示系統(tǒng)”，該系統(tǒng)利用Visual C++ 6.0結(jié)合OpenGL進(jìn)行開發(fā)。

由于該系統(tǒng)主要用來進(jìn)行輔助教學(xué)，而一般程序?qū)崿F(xiàn)速度快，且操作的像素人眼看不見，這樣的程序用于課堂講解，雖然可以提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，但同學(xué)們看不到算法的具體實現(xiàn)過程。為了解決這個問題，本系統(tǒng)以放大的可見點模擬人眼看不見的屏幕像素，并且以動畫的形式完成計算機(jī)圖形學(xué)中各種算法的實現(xiàn)過程。系統(tǒng)中每一種算法都被設(shè)計為一個獨立的類，各種算法根據(jù)其分類被組織在相應(yīng)的菜單下，通過菜單調(diào)出設(shè)置參數(shù)和控制程序的對話框。采用該算法演示系統(tǒng)后，在學(xué)習(xí)相關(guān)算法時，同學(xué)們可以清楚地看到算法的分步執(zhí)行結(jié)果，幫助同學(xué)從直觀角度理解各種抽象算法，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

2.6課后習(xí)題的安排

課后習(xí)題對于幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué)， 激發(fā)學(xué)生興趣等方面有重要作用。由于計算機(jī)圖形學(xué)這門課程的特殊性，課后習(xí)題較少，因此根據(jù)課程教學(xué)需要，在參閱著名計算機(jī)圖形學(xué)教材的基礎(chǔ)上，本校教師經(jīng)過收集整理，設(shè)計編寫了教學(xué)輔助材料《計算機(jī)圖形學(xué)習(xí)題集》，目前已基本成型，并在2005屆學(xué)生中試用。

在設(shè)計習(xí)題的時候要精心設(shè)計和選擇，特別避免作業(yè)形式單一、難度較大，否則就會使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。注意循序漸進(jìn)、難易適度。注重基礎(chǔ)，注意多層次(如基礎(chǔ)知識、算法設(shè)計和綜合應(yīng)用題等)、多形式(如判斷題、選擇題、填空題、簡答題、算法設(shè)計題和綜合應(yīng)用題等)，使學(xué)生得到全面的訓(xùn)練。習(xí)題應(yīng)注意啟迪學(xué)生的思維， 培養(yǎng)獨立思考的能力。

在每章習(xí)題的最后，都是這章內(nèi)容的學(xué)習(xí)小結(jié)，要求學(xué)生回答：通過這一章的學(xué)習(xí)，掌握了哪些知識？哪些沒有聽懂？對老師有沒有更好的建議等等。字?jǐn)?shù)不限，但必須回答。從教師的角度出發(fā)，這種小結(jié)有利于了解學(xué)生的心理動態(tài)，了解自己的授課得失，有利于進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量；從學(xué)生的角度出發(fā)，這種小結(jié)客觀上促進(jìn)了學(xué)生進(jìn)行課后復(fù)習(xí)，鞏固了課堂效果，而且內(nèi)容靈活，可長可短。

2.7教學(xué)過程的考核

重視教學(xué)的過程化管理與考核是保證教學(xué)質(zhì)量的重要手段。對課堂、作業(yè)、實驗等環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的管理，及時發(fā)現(xiàn)和糾正每一環(huán)節(jié)中存在的問題。應(yīng)該在過程中解決教學(xué)中的問題，不能讓其積累起來，避免學(xué)生感到課程的難學(xué)，以致學(xué)習(xí)積極性下降。

過程化管理和考核體現(xiàn)在評定學(xué)生的課程成績時，全面考核各重要教學(xué)環(huán)節(jié)(如上課、作業(yè)、上機(jī)實驗、期末考試等)的學(xué)習(xí)情況，應(yīng)充分重視平時的學(xué)習(xí)情況，鼓勵在平時作業(yè)、上機(jī)實踐中獨立思考，并有所創(chuàng)新的學(xué)生。對于平時作業(yè)，上機(jī)實驗中存在的抄襲現(xiàn)象，教師要求學(xué)生用電子郵箱提交作業(yè)，兩份完全雷同的作業(yè)，按照提交時間先后次序判斷抄襲者。對于上機(jī)過程中，第一個完成的同學(xué)或者實現(xiàn)方法有所改進(jìn)的同學(xué)都給予加分獎勵。每次作業(yè)、上機(jī)實驗都要給出等級，各環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況都有逐一的評定成績，并按比例記入到課程的總成績中。

3小結(jié)

通過本校2005屆教學(xué)效果和往屆學(xué)生教學(xué)效果的對比分析，在試卷難度相同的情況下，2005屆計算機(jī)本科生圖形學(xué)考核平均成績提高5%，且成績分布更趨向正態(tài)分布；網(wǎng)上評教系統(tǒng)表明，在2005屆本科生中，學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)的畏難心理有較大的降低，僅有一人反映學(xué)習(xí)過程中聽不懂，難度很大，這說明學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)信心有一定的提高。從對比結(jié)果可看出本文所提出的方法有一定的實效，同時對其他課程也有一些參考意義。

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Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics

Duan Jiang

(College of Information Science and Engineering， Nanjing University of Technology， Nanjing 210009， China)

Abstract: The paper analyzed the characteristics of computer graphics and its teaching methods， pointed out some problems in the course of teaching， Several innovative teaching thought and methods were put forward. The methods are useful to improve the comprehensible of course ， the interesting of learning and the quality of teaching

Key words: Computer graphics， Teaching reformation， Teaching practice