對(duì)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”選修課教學(xué)的思考

劉　輝

摘要:本文通過(guò)分析“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的課程特點(diǎn)及選修課教學(xué)中面臨的一些問(wèn)題,本著“學(xué)生是主體”的教學(xué)指導(dǎo)原則,提出了“五要”的教學(xué)思路。實(shí)踐表明,這些新的教學(xué)思路對(duì)提高課程趣味性、增進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量具有很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)圖形學(xué);選修課教學(xué);知識(shí)導(dǎo)航鏈;知識(shí)屏蔽;自我成就感

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(以下簡(jiǎn)稱CG)是研究如何利用計(jì)算機(jī)顯示、生成和處理圖形的學(xué)科。目前它已經(jīng)成為一門發(fā)展最活躍、應(yīng)用最廣泛的前沿學(xué)科。CG涉及物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)及藝術(shù)等諸多方面的內(nèi)容,因此,該課程的特點(diǎn)是綜合性較強(qiáng),多學(xué)科交叉,課程本身具有極強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。

由于CG自身的特點(diǎn),使得它的講授有別于其他課程。在講授這門課程時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到下面幾個(gè)問(wèn)題:

(1) 由于學(xué)科本身涉及的內(nèi)容多、變化快、應(yīng)用廣,容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中混淆所學(xué)知識(shí)、疲于應(yīng)付。

(2) 由于課程本身具有極強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性,教學(xué)過(guò)程中較難把握兩者的輕重。作為選修課時(shí),以上幾個(gè)問(wèn)題顯得尤為嚴(yán)重。學(xué)生往往對(duì)選修課不夠重視,難以提起學(xué)習(xí)興趣。另外,作為選修課,學(xué)時(shí)相對(duì)較少,學(xué)生又來(lái)自不同專業(yè),基礎(chǔ)參差不齊,給教師授課內(nèi)容的組織及進(jìn)度安排也帶來(lái)了困難。

針對(duì)該課程特點(diǎn)及選修課學(xué)生的特點(diǎn),我們對(duì)教學(xué)中的一些問(wèn)題進(jìn)行了深入思考并提出了新的教學(xué)思路,即“五要”,要重視第一次課,要讓學(xué)生始終保持思路清晰,要注意知識(shí)屏蔽,要強(qiáng)調(diào)實(shí)用性,要能增強(qiáng)學(xué)生自我成就感。實(shí)踐表明,這些教學(xué)新思路對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)熱情,改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量具有很好的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。

2教學(xué)中的思考

2.1要重視第一次課

很多學(xué)生在選修CG這門課時(shí),不知道它是講什么的,往往會(huì)誤以為只是介紹一種圖形軟件的課程,因此就沒(méi)有很明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),這也直接導(dǎo)致學(xué)生有怠慢的情緒。作為教師,應(yīng)該在第一次課的時(shí)候就糾正學(xué)生的錯(cuò)誤理解,強(qiáng)調(diào)該課程所學(xué)習(xí)的內(nèi)容,那就是“我們是做一個(gè)圖形軟件,而不是用一個(gè)圖形軟件”。

“萬(wàn)事開頭難!”在給學(xué)生講第一次課的時(shí)候,如果能讓學(xué)生對(duì)這門課有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí),不產(chǎn)生厭煩、畏懼心理,而是建立起學(xué)習(xí)激情、學(xué)習(xí)興趣,確立較清晰明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),那么對(duì)今后學(xué)習(xí)這門課的其他內(nèi)容是有很好的指導(dǎo)作用的。

CG已有40多年的歷史,其應(yīng)用已經(jīng)深入到方方面面。就人們經(jīng)?？梢越佑|到的廣告、游戲、動(dòng)畫等而言,無(wú)一不用到它的知識(shí),將這些實(shí)際應(yīng)用以圖示、動(dòng)畫等形式充分展示在學(xué)生面前,讓學(xué)生看到CG的魅力所在,不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且可以讓學(xué)生了解到學(xué)習(xí)這門課的用處。在舉例子時(shí),不要只考慮到炫目,應(yīng)該讓這些

應(yīng)用在后繼的學(xué)習(xí)中與相關(guān)內(nèi)容有聯(lián)系,否則如果出現(xiàn)學(xué)生的強(qiáng)烈期望與枯燥現(xiàn)實(shí)的矛盾時(shí),會(huì)挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課上,教師可以讓學(xué)生列舉他所認(rèn)為的用到了CG知識(shí)來(lái)解決的問(wèn)題,采用討論的形式,活躍課堂氣氛。課下還可以要求學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源、圖書館資源等,去了解如何用CG技術(shù)制作諸如羽毛、雪景、水、海面、火焰等效果,加深學(xué)生對(duì)CG的認(rèn)識(shí)。

總之,第一次課下來(lái),應(yīng)能達(dá)到以下兩個(gè)目標(biāo):

(1) 學(xué)生明確知道了這門課的學(xué)習(xí)內(nèi)容,確立了學(xué)習(xí)目標(biāo)。

(2) 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)CG的興趣和熱情。

2.2要讓學(xué)生始終保持思路清晰

在教授這門課的過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生在學(xué)習(xí)了幾種算法之后,竟然混淆了各算法所解決的問(wèn)題。究其原因,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中沒(méi)有一個(gè)清晰的學(xué)習(xí)框架和路線,在學(xué)習(xí)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候,不知道它所處的位置,造成了“只見(jiàn)樹木,不見(jiàn)森林”的情況。

CG其實(shí)就是研究如何利用計(jì)算機(jī)“逼真”地模擬現(xiàn)實(shí)世界景物,而模擬景物的過(guò)程可以用圖形流水線來(lái)給出如圖1所示。依次將利用流水線上各技術(shù)處理的典型示例及效果圖展示出來(lái),讓學(xué)生知道各部分大致完成的功能,并且要讓學(xué)生知道,在學(xué)習(xí)過(guò)程中,他們也可以利用所學(xué)知識(shí)做出同樣的效果,完成同樣的功能,這樣學(xué)生就會(huì)有清晰的學(xué)習(xí)思路,不會(huì)感到混亂,也有了學(xué)習(xí)興趣。采用圖形流水線的順序組織課程內(nèi)容,符合學(xué)生理解問(wèn)題的邏輯順序,有利于學(xué)生理解課程的知識(shí)結(jié)構(gòu),便于掌握各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系,可以解決“只見(jiàn)樹木,不見(jiàn)森林”的問(wèn)題,使學(xué)生始終保持思路清晰,提高學(xué)習(xí)效果。

整體的學(xué)習(xí)思路按照上述流水線來(lái)進(jìn)行,而在實(shí)際講解各知識(shí)點(diǎn)時(shí),可以通過(guò)加入導(dǎo)航的方式來(lái)給學(xué)生提供學(xué)習(xí)線索。如對(duì)Bresenham算法而言,既有畫圓的Bresenham算法,也有的畫直線的Bresenham算法,如果它是在圖2所示的一個(gè)知識(shí)導(dǎo)航鏈上的,學(xué)生就會(huì)很清楚它所處的位置和完成的功能了。這種方式使學(xué)生無(wú)論在學(xué)習(xí)哪一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候,都知道自己身處何地,不至于迷失在CG這座“森林”里。

2.3要注意知識(shí)屏蔽

CG涉及到很多方面的知識(shí),如果不采取一定的“知識(shí)屏蔽”措施,學(xué)生會(huì)覺(jué)得自己掉進(jìn)了一個(gè)知識(shí)的深淵,變得毫無(wú)目標(biāo),這會(huì)極大地影響學(xué)習(xí)熱情。

比如,CG涉及很多數(shù)學(xué)知識(shí),有些學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較差,看到這種情況就會(huì)產(chǎn)生畏懼心理。其實(shí)就CG基礎(chǔ)部分來(lái)說(shuō),涉及到的數(shù)學(xué)知識(shí)是有限的、簡(jiǎn)單的。老師在講授涉及數(shù)學(xué)知識(shí)的部分時(shí),要進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí),但不必講太深。如在學(xué)習(xí)幾何變換時(shí),要涉及到矩陣運(yùn)算,主要是矩陣乘法,那么就可以通過(guò)下面的提問(wèn)方式來(lái)做復(fù)習(xí):“求矩陣T12×3和矩陣T23×4的乘法?結(jié)果矩陣的行數(shù)列數(shù)分別是多少?能否求T2×T1?”這個(gè)例子涉及了幾個(gè)知識(shí)點(diǎn),然而都是相當(dāng)基本簡(jiǎn)單的,“第一個(gè)矩陣的列數(shù)要和第二個(gè)矩陣的行數(shù)相同才能進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算”,稍微提示一下學(xué)生就可以回憶起來(lái),這樣學(xué)生就有信心了。千萬(wàn)不要長(zhǎng)篇細(xì)研,能不講就不講,畢竟在有限的時(shí)間能接受的知識(shí)也是有限的。

CG還涉及到人類視覺(jué)系統(tǒng),這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),至今人類也沒(méi)有完全搞清楚它是怎樣工作的,所以也不要給學(xué)生詳細(xì)講解這個(gè)系統(tǒng),而是能避則避。比如抖動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),本來(lái)只是兩種顏色的圖形簡(jiǎn)單地交錯(cuò)拼接在一起,怎么人眼就會(huì)看到另外一種顏色呢?如圖3所示,黑白方格交錯(cuò),從遠(yuǎn)處看就是灰色。這種情況只講實(shí)際人們的經(jīng)歷體會(huì),而不要太細(xì)地去探究人眼的工作機(jī)理。日常發(fā)生的情況,一說(shuō)學(xué)生就會(huì)知道有這種現(xiàn)象,至于為什么,不去管它,這種情況只要“想當(dāng)然”地接受就好了。

CG涉及的知識(shí)面太廣,選修課課時(shí)又相對(duì)較少,因此對(duì)很多知識(shí)進(jìn)行“知識(shí)屏蔽”,并“想當(dāng)然”地接受并不是壞事,反而可以讓學(xué)生專注于必要知識(shí)的學(xué)習(xí)。這就像人們想要走過(guò)一條路,走到一半時(shí),發(fā)現(xiàn)路面發(fā)生了一些變化,但并不會(huì)影響繼續(xù)行走,與其停下來(lái)探究路為什么發(fā)生變化,不如繼續(xù)走下去,畢竟路的問(wèn)題不是我們要解決的事,這條路我們只是用而已。

2.4要強(qiáng)調(diào)實(shí)用性

學(xué)習(xí)知識(shí)的最終目的是為了解決實(shí)際問(wèn)題。如果不知道學(xué)的東西會(huì)有什么用、怎么用,學(xué)生就會(huì)感覺(jué)到很盲目,沒(méi)有目標(biāo),會(huì)喪失學(xué)習(xí)興趣和熱情?！皩W(xué)這有什么用啊?我以后用得著嗎?”,這幾句話是學(xué)生經(jīng)常會(huì)問(wèn)的問(wèn)題。有些課程的內(nèi)容可能確實(shí)很難給出具體的應(yīng)用,但CG不同,它是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課,應(yīng)用非常廣泛,應(yīng)用實(shí)例隨手可得,教師應(yīng)該充分利用這種資源,讓學(xué)生看到學(xué)所用,這是調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的一個(gè)非常好的途徑。

如何強(qiáng)調(diào)實(shí)用性呢?在介紹CG理論和算法時(shí),要配合它們?cè)诹餍械膱D形設(shè)計(jì)和動(dòng)畫制作軟件(如AutoCAD、3D MAX、MAYA等)中的應(yīng)用來(lái)講解,促進(jìn)理論學(xué)習(xí)和軟件使用形成互動(dòng)。如在介紹真實(shí)感圖形時(shí),播放由計(jì)算機(jī)繪制出來(lái)的各種云彩、山峰、海綿等效果,動(dòng)畫片中的各種變形效果等等,這樣本顯枯燥的理論內(nèi)容通過(guò)實(shí)際應(yīng)用展示出來(lái),非常有利于學(xué)生理解和接受,也容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.5要能增強(qiáng)學(xué)生自我成就感

這一點(diǎn)放在最后講,是因?yàn)橄鄬?duì)其他幾點(diǎn)來(lái)講,它是更加重要的。

通過(guò)分析有關(guān)心理因素認(rèn)為:成就感是學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ),是建立主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的保證,是被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)的橋梁。因此,形成不同程度的成就感,是提高學(xué)習(xí)效果的有效手段。

現(xiàn)在許多學(xué)生為什么厭學(xué)?因?yàn)樗麄冋也坏健俺删透小?。在學(xué)習(xí)上看不到收獲,感到的只是挫折和疲倦,如此這般,想讓他們自覺(jué)努力地學(xué)習(xí),是不可能的。所以一個(gè)明智的老師,應(yīng)該研究一下學(xué)生的學(xué)習(xí)心理,想辦法讓他們不斷找到“自我成就感”,保持學(xué)習(xí)的積極性。

對(duì)CG來(lái)說(shuō),由于實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛,因而講起來(lái)其實(shí)更容易些。在講理論課時(shí),充分利用現(xiàn)有的CG應(yīng)用資源,盡量用實(shí)際應(yīng)用中的圖、動(dòng)畫、游戲等來(lái)展示,學(xué)生更易接受。一張圖所能傳達(dá)信息的內(nèi)容和速度都是言語(yǔ)所不及的,學(xué)生一看一聽就明白,也就會(huì)愿意繼續(xù)學(xué)習(xí)下去。課上課下還要提供氛圍,加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng),可以讓學(xué)生分組討論,讓學(xué)生有時(shí)間思考,也要讓學(xué)生及時(shí)展示他的理解、他的想法,如果能得到肯定,自我成就感油然而生,一定會(huì)鼓舞學(xué)生的學(xué)習(xí)士氣。

在實(shí)踐教學(xué)方面時(shí),實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)是學(xué)生力所能及的,并且鼓勵(lì)創(chuàng)新。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己也能有新的想法時(shí),學(xué)習(xí)的快樂(lè)會(huì)像一縷溫暖的陽(yáng)光激勵(lì)他繼續(xù)前進(jìn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上還要考慮系統(tǒng)性,將每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)的程序綜合到一個(gè)系統(tǒng)上(這個(gè)系統(tǒng)框架最好先由老師事先架設(shè)好)。到學(xué)期末,學(xué)生就會(huì)看到自己的作品——一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形系統(tǒng),這無(wú)疑是一個(gè)最大的鼓勵(lì)和肯定,也會(huì)讓學(xué)生有繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的期望和熱情。

當(dāng)然增強(qiáng)學(xué)生自我成就感并不就是盲目的肯定和夸獎(jiǎng),不能讓學(xué)生產(chǎn)生怠慢的心理,認(rèn)為這門課好學(xué)。必須適當(dāng)增加需要認(rèn)真思考,甚至多人合作、討論才能解決的問(wèn)題,這樣有伸有縮,才會(huì)既不減學(xué)習(xí)熱情,又不使有怠慢情緒。

3小結(jié)

CG是一門綜合性學(xué)科,有其自身不同于其他課程的特點(diǎn),教授起來(lái)會(huì)有一定困難,特別是作為選修課時(shí),會(huì)面臨更多問(wèn)題。依據(jù)課程特點(diǎn)及教授過(guò)程中的心得體會(huì),我們總結(jié)出了以上教學(xué)思路。教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生普遍反映較好,教學(xué)效果明顯提高。教學(xué)過(guò)程中,“學(xué)生是主體”這一點(diǎn)是毋庸置疑的,文中每一個(gè)想法和思路都以學(xué)生為出發(fā)點(diǎn)來(lái)思考問(wèn)題,相信對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)是有幫助的,當(dāng)然這也對(duì)教師的教學(xué)工作提出了挑戰(zhàn)。

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