計算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗課程改革探討

李紅林

摘 要：計算機(jī)圖形學(xué)是計算機(jī)科學(xué)的一個重要分支，已成為信息技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的重要內(nèi)容和發(fā)展基礎(chǔ)，同時計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)也深入到人們生活的各個領(lǐng)域。雖然該課程原理強(qiáng)、算法抽象、實(shí)踐性強(qiáng)，但是很多高校越來越重視該門課程，并把其列在教學(xué)計劃中。該文通過分析計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中存在的問題，并結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，提出了圖形學(xué)實(shí)驗教學(xué)改革的思路及教學(xué)內(nèi)容，并對各實(shí)驗項目分別展開說明。實(shí)踐證明，改革后的教學(xué)效果較好。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)圖形學(xué) 實(shí)驗 教學(xué)改革 VC

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0155-02

計算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)學(xué)科[1]。目前，計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)已經(jīng)深入到人們生活的各個領(lǐng)域，例如：飛機(jī)、汽車外形設(shè)計、電影、電視廣告、游戲制作、天氣預(yù)報、醫(yī)藥醫(yī)療以及地質(zhì)勘探等。因此，很多高校都越來越重視該門課，并把其列在教學(xué)計劃中。但是該門課程原理深、算法抽象、實(shí)踐性強(qiáng)。大部分學(xué)生在課程開始時抱著極大的興趣學(xué)習(xí)，但隨著算法的深入，雖然上課能聽懂算法，但是課后實(shí)現(xiàn)算法卻很困難，這樣一來，理論與實(shí)踐不能很好結(jié)合，而使學(xué)生覺得枯燥單調(diào)，學(xué)習(xí)的積極性與主動性逐漸下降，教學(xué)效果不理想。

1 教學(xué)中存在的問題

圖形學(xué)教學(xué)中會存在如下問題：一是實(shí)驗教材選擇不恰當(dāng)；二是很多高校圖形學(xué)實(shí)驗都是基于Turbo C環(huán)境下的編程，因編程界面不夠友好，使用不方便，多數(shù)學(xué)生對它不感興趣。三是過分注重理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)的時間遠(yuǎn)比理論教學(xué)時間少；四是過分強(qiáng)調(diào)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；五是實(shí)踐課程設(shè)置合理，但是實(shí)驗內(nèi)容有的過于簡單，而有的又太難。以上五方面都會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃或厭學(xué)。針對此，對實(shí)驗課程進(jìn)行改革是非常必要的。

2 圖形學(xué)教學(xué)改革措施

如何針對本校學(xué)生實(shí)際制定適合其學(xué)習(xí)的實(shí)驗方案尤其重要。通過筆者多年的教學(xué)實(shí)踐，我們可以通過計算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗的演示、驗證和開發(fā)，來鞏固學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)所學(xué)知識的理解，同時加強(qiáng)學(xué)生的動手操作能力?？梢詮囊韵聨追矫孢M(jìn)行改革。

2.1 教材選取

目前，圖形學(xué)教材非常的多，大部分的經(jīng)典教材中講解的知識較多、難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)較吃力。如何選用教材，使學(xué)生學(xué)到更多知識很重要。在教學(xué)的過程中，針對地方高校的特點(diǎn)，學(xué)生的基礎(chǔ)較差。筆者在教學(xué)中，把教學(xué)重點(diǎn)定位為二維知識的掌握；三維知識只作簡單的了解和介紹，以此來降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)興趣，為以后的三維知識的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。因此，在選擇教材時，盡量考慮偏重二維知識的、包括程序代碼的，利于學(xué)生上機(jī)實(shí)驗的教材。

2.2 編程環(huán)境選擇

針對Turbo C編程環(huán)境存在的問題，我們在實(shí)驗過程中可以基于Visual C++的MFC編程。因為VC開發(fā)環(huán)境是可視化的，編寫的程序執(zhí)行結(jié)果明顯，學(xué)生有成就感，對完成實(shí)驗更有自信[2-3]。通過實(shí)驗，學(xué)生不但可以學(xué)習(xí)實(shí)用的編程語言，而且也促進(jìn)其對新知識的學(xué)習(xí)。

2.3 實(shí)驗教學(xué)改革

目前，課程開展了九個實(shí)驗，實(shí)驗內(nèi)容如表1所示，其中實(shí)驗類型有驗證性、設(shè)計性和綜合性三種。驗證性實(shí)驗是讓學(xué)生對理論課程學(xué)習(xí)的圖形學(xué)基本算法進(jìn)行編程驗證；設(shè)計性實(shí)驗是一種探索性的實(shí)驗，不但要求學(xué)生綜合多種知識來設(shè)計實(shí)驗方案，而且要求學(xué)生能充分運(yùn)用已學(xué)到的知識，去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，實(shí)驗中，學(xué)生自己選題、自己設(shè)計，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，以最大限度發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性；綜合性實(shí)驗是通過學(xué)生一段時間的學(xué)習(xí)，具有一定的圖形學(xué)綜合知識和技能，且實(shí)驗內(nèi)容涉及到這些知識和技能的實(shí)驗[4]。

2.4 實(shí)驗項目說明

實(shí)驗1中，關(guān)鍵是熟悉VC的MFC編程環(huán)境，了解如何創(chuàng)建工程及添加消息以及 MFC繪圖函數(shù)的使用。

實(shí)驗2中將驗證直線生成算法。通過理論分析直接直線生成算法、DDA算法、Bresenham算法、中點(diǎn)畫線算法等，找到各算法的優(yōu)缺點(diǎn)，對比各種算法運(yùn)行的速度；然后通過上機(jī)實(shí)現(xiàn)上述算法，并比較各算法在生成同一直線時的效率。

實(shí)驗3中對比中點(diǎn)畫圓算法與Bresenham畫圓算法的實(shí)現(xiàn)機(jī)制及運(yùn)行效率。

實(shí)驗4中主要是驗證課本中內(nèi)點(diǎn)表示、邊界表示的4連通或8連通種子填充算法填充規(guī)則圖形（矩形、圓等）及不規(guī)則圖形（任意形狀各異的圖形）。實(shí)驗中，對于基礎(chǔ)好的同學(xué)，還可試著采用掃描線多邊形填充算法（選做）來填充一個簡單的圖形內(nèi)部。

實(shí)驗5中主要是運(yùn)用已學(xué)過的各種圖形學(xué)的知識來填充圓的內(nèi)部。A.點(diǎn)到圓心的距離小于等于半徑；B.種子填充法；C.Bresenham畫圓法；D.用改進(jìn)的Bresenham畫圓算法；E.中點(diǎn)畫圓算法；F.改進(jìn)的中點(diǎn)畫圓算法等。并對比各種算法在填充圓的內(nèi)部時的差異。（見表2）

實(shí)驗6主要是驗證Cohen-Sutherland直線裁剪算法。實(shí)驗主要是基于矩形窗口的直線裁剪，對于三類型直線裁剪的正確性進(jìn)行驗證：一是直線完全在矩形窗口內(nèi)；二是直線完全在矩形窗口外；三是直線與矩形窗口有交。其他直線裁剪算法的驗證可選做。

實(shí)驗7中，可針對生成的一個簡單圖形實(shí)現(xiàn)其二維變換。例如三角形的比例、平移、旋轉(zhuǎn)變換等。

實(shí)驗8中，主要是實(shí)現(xiàn)課本中的Bezier曲線生成算法。若能正確生成Bezier曲線，可以結(jié)合圖形變換知識和平面曲線知識實(shí)現(xiàn)的正葉線、正葉線蝴蝶結(jié)等圖形的生成。

實(shí)驗9中，可以結(jié)合本學(xué)期的學(xué)習(xí)情況，利用所學(xué)的圖形學(xué)知識，發(fā)揮想象力，設(shè)計一個圖形學(xué)作品。例如：雪人，火車等。

3 結(jié)語

從文中的實(shí)驗教材、實(shí)驗教學(xué)環(huán)境以及實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容的選取以及多年的教學(xué)經(jīng)驗，可以看出在計算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗課程教學(xué)中，首先要加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，要進(jìn)行培養(yǎng)方案修改，加大實(shí)驗課的比例；其次要針對學(xué)生的特點(diǎn)，找到適合當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)的方法和實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。經(jīng)過改革后，教學(xué)效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 伏玉琛，周洞汝.計算機(jī)圖形學(xué)——原理、方法與應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.

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[3] 陳莉.談計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)與實(shí)驗[J].計算機(jī)教育，2014（10）：51-54.

[4] 袁國武，徐丹，趙楊.“計算機(jī)圖形學(xué)”實(shí)驗課程改革經(jīng)驗與探索[J].計算機(jī)教育，2009（15）：29-32.endprint