本科圖形圖像課程一體化教學(xué)模式

譚光華　李仁發(fā)

摘要：隨著學(xué)科的發(fā)展，圖形和圖像出現(xiàn)相互融合的發(fā)展趨勢，與此同時(shí)，教學(xué)時(shí)數(shù)削減，探討圖形圖像課程一體化教學(xué)模式具有十分重要的意義。文章從教學(xué)內(nèi)容的組織、實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建以及教學(xué)方法的探討3方面總結(jié)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，探索適應(yīng)本科教育的圖形圖像處理一體化教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；數(shù)字圖像處理；一體化教學(xué)模式

0 引言

圖形圖像處理作為一門課程進(jìn)行一體化教學(xué)在高職高專院校中并不罕見，主要圍繞圖形圖像處理軟件的使用展開教學(xué)，如圖像處理軟件Photoshop、二維矢量圖形軟件Illustrator等的使用，讓學(xué)生掌握如何使用這些軟件實(shí)現(xiàn)特定效果的技巧。然而，本科院校則主要教授學(xué)生圖形圖像處理的基本原理，尤其針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，其目的是通過該課程的教學(xué)，幫助學(xué)生在理解基本原理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)類似于Photoshop、Illustrator、Maya等圖形圖像處理軟件，而不僅僅是應(yīng)用。因此，一般的本科院校分別針對(duì)圖形和圖像的處理均開設(shè)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理兩門專業(yè)課程，形成了各自的教學(xué)體系。

然而，隨著學(xué)科的發(fā)展，圖形和圖像已經(jīng)出現(xiàn)相互融合的發(fā)展趨勢。圖形學(xué)中的真實(shí)感顯示、紋理貼圖以及圖像處理中的矢量化、圖像繪制等都體現(xiàn)出兩門學(xué)科相互交叉的新特點(diǎn)。將兩個(gè)學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通后傳授給學(xué)生，已經(jīng)成為學(xué)科發(fā)展的必然。圖形圖像相互融合的思想在近些年的Siggraph論文中已有明顯體現(xiàn)。此外，清華大學(xué)的胡事明教授在973資助項(xiàng)目“可視媒體智能處理的理論與方法”中也提出了可視媒體的幾何計(jì)算方法，將幾何計(jì)算的理論引入圖像和視頻的處理并發(fā)表了一系列高水平的論文，得到國際的認(rèn)可。另外，在長期的教學(xué)實(shí)踐中，由于教學(xué)時(shí)數(shù)的限制，學(xué)校無法同時(shí)開設(shè)兩門課程，但是鑒于社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，學(xué)生又需要同時(shí)掌握?qǐng)D形學(xué)和圖像處理的知識(shí)，這就促使我們探討計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)字圖像處理的一體化教學(xué)改革。教學(xué)時(shí)數(shù)的削減在ACM和IEEE對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系構(gòu)建草案（2013）中能夠得到體現(xiàn)。

因此，從學(xué)科發(fā)展的趨勢、目前國內(nèi)高校學(xué)分制的現(xiàn)狀以及社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求來看，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)字圖像處理知識(shí)融會(huì)貫通，進(jìn)行一體化教學(xué)，是學(xué)科發(fā)展的趨勢，具有重要意義。

1 教學(xué)內(nèi)容組織

數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為兩門獨(dú)立的課程在國內(nèi)外高校教學(xué)過程中已經(jīng)非常成熟，教學(xué)內(nèi)容也各成體系，都出版有相應(yīng)的教材，但是融合數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理的教材則非常少見。迄今為止，國內(nèi)只有由電子工業(yè)出版社出版的國防科技大學(xué)唐波等編著的《計(jì)算機(jī)圖形圖像處理基礎(chǔ)》。

湖南大學(xué)從2010年起開始對(duì)圖形圖像處理一體化教學(xué)模式進(jìn)行探討，并在信息科學(xué)與工程學(xué)院的智能、物聯(lián)、信息安全等專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)。通過3年的探討與試點(diǎn)，我們確定理論教學(xué)時(shí)數(shù)為40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)，同時(shí)在教學(xué)時(shí)數(shù)的限定下逐步確定課程的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容以電子工業(yè)出版社出版的《計(jì)算機(jī)圖形圖像處理基礎(chǔ)》為參考教材，以現(xiàn)有的國內(nèi)外圖形圖像經(jīng)典教材為參考書目，選取計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中三維物體的幾何表示、三維觀察流水線、真實(shí)感繪制技術(shù)（包括光照、紋理映射）以及數(shù)字圖像處理中的圖像采集與表示、圖像增強(qiáng)（包括空域和頻域）、圖像分割為主要教學(xué)內(nèi)容，將圖形和圖像的相關(guān)內(nèi)容融會(huì)貫通后進(jìn)行授課。例如，在介紹真實(shí)感繪制技術(shù)中的紋理映射時(shí)，可以貫穿數(shù)字圖像的表示方法；在介紹光照模型時(shí)，可以貫穿數(shù)字圖像處理中顏色模型的相關(guān)知識(shí)；在圖像的幾何變換中貫穿三維觀察的數(shù)學(xué)知識(shí)。各個(gè)教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系如圖1所示，具體的教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配見表1。

2 實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建

針對(duì)第1節(jié)的教學(xué)內(nèi)容體系以及16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)需求，教師可以在教學(xué)實(shí)踐過程中設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系，從而讓學(xué)生在掌握?qǐng)D形圖像處理基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高實(shí)際應(yīng)用與程序設(shè)計(jì)能力。為了體現(xiàn)數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相互融合的特點(diǎn)，進(jìn)一步提升理論教學(xué)的效果，我們總共設(shè)計(jì)4個(gè)課程實(shí)驗(yàn)，每個(gè)課程實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建見表2。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)體系既包含側(cè)重于基本原理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如實(shí)驗(yàn)1主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的表示與繪制，實(shí)驗(yàn)2主要是為了實(shí)現(xiàn)二維幾何圖元的表示與繪制，又包含體現(xiàn)圖形和圖像融合特點(diǎn)的綜合實(shí)驗(yàn)，如實(shí)驗(yàn)3體現(xiàn)了三維圖形的繪制、OpenGL的應(yīng)用以及圖像作為紋理用于真實(shí)感繪制的基本原理與過程，實(shí)驗(yàn)4則結(jié)合了三維觀察流水線中幾何變換的基本原理以及圖像縮放過程中雙線性插值的基本原理，

3 教學(xué)方法探討

根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔的理論，不同的學(xué)習(xí)方式使得學(xué)習(xí)者在兩周后的平均學(xué)習(xí)保持率（能夠記住內(nèi)容的多少）會(huì)有明顯不同。其中，單純聽講的方式平均學(xué)習(xí)保持率最低；若在聽講的過程中輔以聲音、圖片、動(dòng)畫等多媒體演示，平均學(xué)習(xí)保持率會(huì)有所提高；若在聽講過后進(jìn)行小組討論或?qū)嶋H演練，平均學(xué)習(xí)保持率會(huì)更高；平均學(xué)習(xí)保持率最高的方式即在自己理解的基礎(chǔ)上，以簡明易懂的方式傳授給別人。

鑒于此學(xué)習(xí)理論，教師可以在教學(xué)過程中盡可能使用圖示、動(dòng)畫方式講授原本枯燥無味的數(shù)學(xué)原理，如直線段的繪制算法、圖形顯示的三維觀察流水線以及紋理的繪制，還可以基于“做中學(xué)”的思想在教學(xué)過程中貫穿課程實(shí)驗(yàn)。在課程開始之初，教師可以在課程網(wǎng)站上公布所有實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生提前了解該課程中需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，從而帶著問題聽講；在講授完知識(shí)點(diǎn)后，可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際演練中加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，學(xué)生還可以就不理解的問題及時(shí)向教師求教。在課程結(jié)束時(shí)，教師可以設(shè)置一個(gè)小組報(bào)告的環(huán)節(jié)，按照課程實(shí)驗(yàn)將學(xué)生分成4個(gè)不同的小組，每個(gè)小組需要報(bào)告該實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)點(diǎn)以及在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題、如何解決以及實(shí)驗(yàn)體會(huì)，從而通過這樣的方式達(dá)到學(xué)習(xí)金字塔的最高層次——教別人。

4 結(jié)語

根據(jù)學(xué)科發(fā)展的趨勢以及教學(xué)時(shí)數(shù)削減的限制，我們在圖形圖像一體化教學(xué)模式上進(jìn)行探討與實(shí)踐。經(jīng)過3年的實(shí)踐，在教學(xué)內(nèi)容的組織、實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建以及教學(xué)方法的探討方面均積累了一些經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)反饋看也取得了良好的教學(xué)效果。由此可見，數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程一體化教學(xué)在本科教育中是一種可行的教學(xué)模式。

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（編輯：宋文婷）endprint