論碩士研究生的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)思路和課件設(shè)計(jì)

楊若瑜

摘要:筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中,總結(jié)出強(qiáng)調(diào)經(jīng)典理論的實(shí)用價(jià)值和最新動(dòng)態(tài)、設(shè)立中心線索并注意內(nèi)容的取舍和側(cè)重、結(jié)合OpenGL編程實(shí)例完成對內(nèi)容關(guān)聯(lián)度的密切提示等教學(xué)思路,借此達(dá)到激發(fā)學(xué)生興趣并提高教學(xué)過程系統(tǒng)性的目的,能夠有效地提高教學(xué)質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹了筆者的教學(xué)思路以及與之配合的課件設(shè)計(jì)和使用等。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)圖形學(xué);碩士教學(xué);課件設(shè)計(jì)

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1引言

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”(以下簡稱“圖形學(xué)”)是本校計(jì)算機(jī)專業(yè)的碩士選修課程,同時(shí)也常常被地理信息、地球科學(xué)等其他專業(yè)的學(xué)生選修。課程內(nèi)容涉及圖形顯示處理流程、圖形硬件設(shè)備、圖形系統(tǒng)、二(三)維圖形的生成和處理算法、裁剪、幾何變換、交互技術(shù)、三維消隱等。

筆者在多年的教學(xué)準(zhǔn)備和實(shí)踐過程中,歸納出該課程的特點(diǎn)如下:(1)課程內(nèi)容偏重于理論,部分算法較抽象且不易理解;(2)課程內(nèi)容涉及面廣;(3)較多算法或理論是幾十年來固定不變的經(jīng)典;(4)這些理論的作用隱藏于日常的計(jì)算機(jī)使用中,雖然無處不在,但體現(xiàn)為用戶透明的狀態(tài)。正因?yàn)橐陨蠋c(diǎn),學(xué)生十分容易表現(xiàn)出畏難和輕視的情緒。因此,如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加強(qiáng)教學(xué)過程的系統(tǒng)性是關(guān)鍵問題之所在。

總體上,筆者主要通過強(qiáng)調(diào)經(jīng)典理論的實(shí)用價(jià)值和最新動(dòng)態(tài)、設(shè)立中心線索、在內(nèi)容廣度上適當(dāng)取舍、在內(nèi)容深度上側(cè)重不同、以及對前后內(nèi)容關(guān)聯(lián)性的密切提示,使得學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的過程中,在心里自然、逐步地構(gòu)建出一棵茂盛的“大樹”——從“樹干”(了解圖形學(xué)的核心意義)開始,逐漸的長出“枝杈”和“樹葉”(圖形學(xué)的各項(xiàng)理論和相關(guān)算法等)。學(xué)生在課程結(jié)束之后,既可以圍繞一片“樹葉”娓娓道來,也可以對某個(gè)分支產(chǎn)生濃厚興趣并進(jìn)行深入的研究甚至在那里獲得“果實(shí)”的回報(bào)。

2總體教學(xué)思路

2.1明確定位

筆者對本課程的定位如下:

(1) 打開窗口:95%以上的同學(xué)原來對圖形學(xué)這一學(xué)科一無所知,當(dāng)他們知道圖形學(xué)和他們每天使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原來是如此密切相關(guān)的時(shí)候,興趣就會(huì)油然而生。

(2) 介紹經(jīng)典:圖形學(xué)中多為經(jīng)典理論和算法。但經(jīng)典不是過時(shí),而且如果有興趣研究,還可能將其超越。

(3) 系統(tǒng)了解:看似分散的理論其實(shí)相互聯(lián)系不可分割。掌握各方面知識并深入理解其關(guān)系將受益良多。

(4) 局部深入:幾乎每個(gè)知識點(diǎn)都可以獨(dú)立成為一個(gè)研究體系,但教學(xué)中只能選取部分重點(diǎn)進(jìn)行深入講解。

在每年新生的第一節(jié)課上,通過以上說明,學(xué)生可以對整體教學(xué)思路有一個(gè)快速準(zhǔn)確的把握,方便了選修者的取舍,留住了真正有興趣的學(xué)習(xí)者,也為后期的“教學(xué)相長”打下了基礎(chǔ)。

2.2激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的主要手段

筆者通過多種手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心。

(1) 強(qiáng)調(diào)經(jīng)典理論的實(shí)用價(jià)值:與理論算法相對應(yīng)的舉例都和日常的計(jì)算機(jī)使用、編程直接相關(guān),更易于理解理論知識,又能夠體會(huì)到圖形學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中的作用。

(2) 關(guān)注分支的最新發(fā)展動(dòng)態(tài):以某一經(jīng)典理論為核心,往往可以輻射延伸到一系列研究方向上,適當(dāng)介紹相應(yīng)的一些最新研究成果,更能夠引發(fā)好奇心和求知欲。

(3) 用OpenGL實(shí)例貫穿全程:OpenGL提供的函數(shù)中有著經(jīng)典算法的實(shí)現(xiàn)例證、清晰地體現(xiàn)了圖形學(xué)理論的應(yīng)用。而通過OpenGL編程教學(xué)和實(shí)驗(yàn),能夠獲得有利于就業(yè)或深造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),更能夠加深對理論知識的理解。

(4) 自由話題討論:在學(xué)期的后半段,讓學(xué)生各自選擇一個(gè)感興趣的圖形學(xué)有關(guān)研究內(nèi)容并進(jìn)行簡單的資料準(zhǔn)備,然后提交全班匯報(bào)并討論。

2.3增強(qiáng)授課內(nèi)容系統(tǒng)性的方法

圖形學(xué)課程的理論知識具有極強(qiáng)的連貫性和交叉相關(guān)的特點(diǎn)。因此我們提出了以下方法來提高授課的系統(tǒng)性:

(1) 設(shè)立一條中心線索:從建模到觀察再到設(shè)備顯示的處理過程。這一過程體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的全部意義。

(2) 內(nèi)容廣度上適當(dāng)取舍:以基本圖元、幾何變換為基礎(chǔ)知識,圍繞中心線索介紹曲線曲面和實(shí)體造型、觀察流水線、可見性判別、光照和面繪制、以及用戶接口等。

(3) 在內(nèi)容深度上側(cè)重不同:選擇關(guān)鍵知識點(diǎn)做較全面和深入的講解。選擇的依據(jù)有兩點(diǎn),一是直接有助于對其它相關(guān)知識點(diǎn)的理解,二是實(shí)用價(jià)值體現(xiàn)得較為明顯。

(4) 對前后內(nèi)容關(guān)聯(lián)性的提示:將隱藏在章節(jié)之間的邏輯關(guān)系用語言顯式的表達(dá)出來且需適當(dāng)重復(fù)。前后的OpenGL實(shí)例盡量保持高度一致——也就是設(shè)置一個(gè)完整的程序而在不同的章節(jié)中取用其不同的段落作為例證。

3課件設(shè)計(jì)思想

在上述教學(xué)思路的形成和不斷修正的過程中,筆者也同步更新著相應(yīng)的教學(xué)課件設(shè)計(jì)思想。歸納如下:

課件應(yīng)能夠生動(dòng)地演示圖形理論或算法、直觀的顯示算法的實(shí)際應(yīng)用效果等。例如自制流程動(dòng)畫、從最新動(dòng)畫影片或流行軟硬件信息等中獲取靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖例等。

課件(PPT文件)本身就是圖形學(xué)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,因此應(yīng)在頁面制作時(shí)就充分考慮其與圖形學(xué)有關(guān)知識(用戶界面,圖表等)的聯(lián)系并在課堂講解中提示學(xué)生了解;

課件在整體安排上應(yīng)從畫面提示、實(shí)例演示和語言講解等角度入手,并將它們配合起來,讓學(xué)生不斷體會(huì)到前后內(nèi)容之間的連貫性和相互聯(lián)系,這樣既有助于知識的更新和復(fù)習(xí),還能夠促進(jìn)對圖形學(xué)學(xué)科的全面理解和記憶。例如,應(yīng)精心設(shè)置每講(節(jié))開始處的前言頁面、章節(jié)之間的承上啟下頁面、每講末的OpenGL編程實(shí)例頁面等。

課件需適時(shí)的更新以體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài);課件中應(yīng)經(jīng)常使用啟發(fā)式問題以留給學(xué)生思考的時(shí)間和空間等等。

4課件設(shè)計(jì)成果展示

按照上述課件設(shè)計(jì)思想,最終的課件共分為11講、11個(gè)PPT文件,共約760頁,其中含約400多幅靜態(tài)圖例、200多個(gè)動(dòng)態(tài)演示圖例(文本段落的分步顯式不包含在此列)、20多個(gè)OpenGL程序?qū)嵗?包含筆者自行完成的完整代碼和運(yùn)行效果變化的截圖顯示等)。通過和學(xué)生的交流,普遍反映課堂學(xué)習(xí)效果良好且表示該課件還十分便于課外的獨(dú)立預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。現(xiàn)舉例展示如下。

(1) 在每一講的開始,都會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的頁面。該頁面依據(jù)我們設(shè)置的中心線索、按順序用文字顯示出全部課程內(nèi)容模塊,且用綠色框表示已經(jīng)講解過的內(nèi)容,紅色框表示目前正要開始講解的內(nèi)容,其他為尚未涉及的內(nèi)容。這樣的反復(fù)提示,使得學(xué)生易于回憶起舊的知識點(diǎn),并不斷強(qiáng)化了對知識點(diǎn)之間的聯(lián)系的認(rèn)識。

(2) 在很多重要知識點(diǎn)的開始處設(shè)置條理清晰、從易到難的“分支線索提示”。例如圖2中,將二維/三維觀察處理方法直觀的表示為流程圖形式并保持一致性,明確坐標(biāo)變換的意義、重點(diǎn)講解的內(nèi)容及其所處地位等。

(3) 通過顯式的頁面文字完成承上啟下——明確知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系,并促使回憶過往內(nèi)容。如圖3所示。

(4) 某些復(fù)雜理論知識用簡化后精煉的圖形來表示更易于解釋和理解。如圖4中,用一個(gè)最簡單的方形和圓形就可以說明坐標(biāo)變換的全過程(左),而透視觀察過程中錯(cuò)切變換的涵義則可以從流程圖中一目了然(右)。

(5) 在用OpenGL編程進(jìn)行實(shí)例講解的時(shí)候,應(yīng)該和前面的理論知識相吻合,更利于理解。如圖5給出了雙三次Bezier曲面的基本構(gòu)造原理(左)和OpenGL實(shí)現(xiàn)的一個(gè)相同外形的Bezier曲面繪制方法(右)。

(6) 提供OpenGL程序?qū)嵗龝r(shí),除了保持不同講內(nèi)容直接的一致性和銜接之外,同一個(gè)例子內(nèi)部還會(huì)通過代碼的細(xì)微調(diào)整來獲得不同的運(yùn)行結(jié)果。通過PPT頁面上對代碼和截圖的動(dòng)態(tài)對應(yīng)顯示,既易于了解OpenGL有關(guān)編程

知識,也有效的深化了對圖形學(xué)理論知識的掌握。圖5中右圖給出了相同控制點(diǎn)但不同循環(huán)控制參數(shù)對曲面繪制出的顯示效果的影響。圖6所示實(shí)例則說明了OpenGL有關(guān)的各種觀察函數(shù)的使用。

(7) 為了進(jìn)一步提示內(nèi)容的前后關(guān)聯(lián)性、提高學(xué)生對內(nèi)容的熟記度,課件頁面上還考慮了相似內(nèi)容安排的一致性、同一內(nèi)容為不同章節(jié)所服務(wù)時(shí)具有細(xì)微差別但可重復(fù)出現(xiàn),等等。如圖7和圖8所示。

5結(jié)束語

筆者從事了多年“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的碩士生教學(xué)工作,積累豐富經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),對教學(xué)方法和課件設(shè)計(jì)進(jìn)行了不斷地改進(jìn)、創(chuàng)新,通過設(shè)立一條貫穿始終的中心線索、結(jié)合OpenGL的編程方法教學(xué)和實(shí)例圍繞該線索展開全面且有層次的內(nèi)容講解、強(qiáng)調(diào)經(jīng)典理論的實(shí)用價(jià)值和最新動(dòng)態(tài)、完成對前后內(nèi)容關(guān)聯(lián)性的深度提示等,有效地提高了教學(xué)過程的系統(tǒng)性、易于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和信心、提高學(xué)生的動(dòng)手和思考能力,從而獲得良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 黃曉萍,肖虓,李迅.“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”網(wǎng)絡(luò)課件的設(shè)計(jì)制作與體會(huì)軟件設(shè)計(jì)與研究[J]. 中國電化教育,2003(12):64-66.

[2] 伍軍云,徐少平,占傳杰. 基于OpenGL的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)輔助教學(xué)課件[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2007(9):114-116.

[3] 張文輝,周婭. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)系列課程建設(shè)構(gòu)想[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué),2003(6):104-106.