計算機圖形學教學改革研究

李紅，吳粉俠，張琳娜

（1.咸陽師范學院　信息工程學院，咸陽　712000；2.禮泉實驗中學，咸陽　713200）

計算機圖形學教學改革研究

李紅1，吳粉俠1，張琳娜2

（1.咸陽師范學院信息工程學院，咸陽712000；2.禮泉實驗中學，咸陽713200）

0　引言

計算機圖形學技術已經廣泛地應用于圖形界面系統(tǒng)（Graphic User Interface，GUI）、計算機輔助設計與制造CAD/CAM、地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實、計算機游戲和影視廣告等領域［1-2］。計算機圖形學是軟件工程專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，它主要研究利用計算機顯示、生成和處理圖形的原理、方法與技術，課程開設的目的旨在使學生掌握計算機圖形生成與處理技術的基礎知識、基本原理和方法，培養(yǎng)學生開發(fā)與處理圖形相關軟件的能力。該課程研究內容豐富，知識跨度大，不僅涉及到了計算機學科的數據結構和程序設計等課程，同時涉及到高等數學方面的曲線曲面表示、幾何變換和微分等知識。該課程是一門理論與實踐相結合的課程，傳統(tǒng)的講授型教學模式很難滿足教學要求。

本文首先分析了計算機圖形學課程的特點以及傳統(tǒng)教學中存在的問題，針對這些問題，探討了軟件工程專業(yè)以培養(yǎng)學生興趣為主導的多模式教學改革思路，以提高學生編程能力，改善計算機圖形學課程的教學質量。

1　計算機圖形學的課程特點

計算機圖形學是一門理論性很強的課程。當前，本科階段計算機圖形學的教學重點仍是圖形生成、圖形變換、曲線曲面的生成和三維幾何造型等，內容抽象、數學推理多，算法繁多，對于數學基礎較差的學生來說難以理解和掌握，聽課就如同聽天書，學習積極性受打擊，學習效果也就打了折扣。

計算機圖形學是一門綜合性的課程，它綜合應用數據結構、程序設計、高等數學、線性代數等課程的知識［3-4］。例如，在這門課程中涉及到了數據結構中的隊列、棧、樹、圖等數據結構中的知識；在幾何變換章節(jié)中涉及到了線性代數的知識；在曲線曲面生成章節(jié)涉及到高等數學中的微積分的知識。這些知識分布在大學的不同年級，不同階段，也給學習造成了困難。

計算機圖形學又是一門實踐性很強的課程，要求學生具有較強的動手操作能力和編程實現(xiàn)能力。圖形學中的算法在教學目標中都要求被實現(xiàn)，包含了二維圖形的生成，幾何變換，三維圖形的幾何造型等的實現(xiàn)。在教學實踐中，發(fā)現(xiàn)大部分學生編程能力不強，無法完成相應的實驗任務。

2　教學中存在的一些問題

由于計算機圖形學理論性，實踐性都很強，又綜合應用了計算機學科、數學學科及其他學科的知識，導致該課程在實際教學過程中存在如下問題。

2.1教學模式單一

由于其理論性強，教師為了有助于學生理解掌握理論通常都是用板書和PPT進行灌輸式的傳授知識。學生被動接受知識，理解膚淺，對算法的思想難以掌握，更難以將算法進行擴展，舉一反三。

2.2動手能力不足導致學習積極性不夠

軟件工程專業(yè)對計算機圖形學的教學要求中，要求學生掌握基本圖形的生成算法等，并要求學生能將生成算法用程序實現(xiàn)，然而在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，大部分學生的編程能力不強，無法按要求獨立自主的實現(xiàn)相應算法，只能依賴課本上提供的代碼。而計算機圖形學的實踐環(huán)節(jié)是幫助學生理解掌握抽象理論的有效手段，完不成實驗任務一方面不利于學生理解掌握理論，同時學習積極性受到打擊，為后續(xù)章節(jié)的學習也造成了困難，同時也達不到提高學生編程能力的教學目標。

3　培養(yǎng)學生的學習興趣，提高教學效果

3.1精心組織課堂，調動學生的學習興趣

首先，通過豐富多彩的第一節(jié)課來調動學生的學習興趣。通過多媒體教學充分的展示圖形學的研究內容，包括基本的二維圖形曲線曲面的生成，分形樹的生成，三維場景的效果圖，非藝術的效果圖等，如圖1所示。通過分析與講解其中所包含的圖形學技術及原理，讓學生了解這門課程的研究內容及應用前景，這樣學生就容易對該課程產生興趣。同時展示以往學生的優(yōu)秀作品，增加他們的學習信心，也就能促進他們堅持學習的積極性。

圖1　示例圖

教學過程中將傳統(tǒng)的板書和多媒體教學有效結合起來，將枯燥的理論推導與算法的實現(xiàn)結合起來，對于算法推理的部分，用板書分析，逐一講解，但若僅限這些，學生很容易對課程失去興趣，所以就得借用多媒體系統(tǒng)，直觀演示教學，讓學生所想即所得，以實際效果調動其積極性；在此基礎上對算法做改進優(yōu)化，進一步的激發(fā)學生的學習興趣。

在教學方式上將講授型與自主學習型結合起來。對于教材中不是特別難的理論及算法如二維基本圖元的生成算法，教師可以依據自主學習的原則，教學目標，組織、幫助和指導學生有效地開展自主性學習，最后再針對學生不理解的問題重點講解，達到讓學生內化知識的教學效果。對于理論性強的如Bezier曲線曲面的生成部分，教師則需要精心組織教學內容，知識結構，由淺入深，逐層遞進的方式給學生講授，達到高效地學習的效果。

3.2設計階梯式試驗任務

為了調動學生學習的積極性，在實驗課程中設計了階梯式實驗任務，通過生動有趣的實驗調動學生學習的積極性。對實驗任務精心設計，程序可漸增式完成，難度由低到高，具有階梯性，大部分實驗任務以交互式實現(xiàn)，實驗內容生動活潑。筆者所教授的學生為軟件工程專業(yè)的學生，他們在學習圖形學之前已經學習過數據結構和VC++程序設計等前導課，所以我們所選擇的實驗環(huán)境是VC++，對于二維圖形的實驗任務VC++能全部完成，對于三維圖形的相關程序就需要給其添加OpenGL庫以完成實驗任務。

實驗從VC++繪圖程序框架開始，指導學生搭建好應用程序的框架，并添加各類繪圖功能，包括二維圖元的存儲等功能。在此基礎上實現(xiàn)圖形學中的二維基本圖元生成的各類算法的實現(xiàn)，再增加填充圖元的算法實現(xiàn)及線型線寬的處理，二維裁剪算法的實現(xiàn)。對于圖形變換設計的實驗為簡單動畫的設計實現(xiàn)，借助前一章的圖元結構，在其基礎上增加圖元的平移、旋轉、縮放和色彩變換等功能，以達到提高學生學習興趣并且鞏固變換的理論知識。對于三維圖形的實驗采用的是先以OpenGL實現(xiàn)簡單的三維形體的繪制與顯示，在此基礎上添加多個三維構件實現(xiàn)復雜的三維場景，最后再對燈光等作調整，添加不同的紋理效果。對分形幾何部分單獨設計分形實驗完成實驗內容。

針對課程與學生的特點，我們制定了適合于我們教學目標與教學內容的實驗體系，如表1所示。

4　結語

本文探討了軟件工程專業(yè)計算機圖形學課程教學改革的思路，提出了以興趣為主導的多模式教學思路，重點強調了在教學與實驗的各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的學習興趣，結合直觀演示教學法和案例教學法，激發(fā)學生的自主學習能力。多年的教學實踐表明這樣的教學方式較傳統(tǒng)教學方式更能調動學生學習的積極性，從而達到提高學生編程能力，掌握圖形學相關理論和技術的教學目標。

表1計算機圖形學課程設置及學時分配表

［1］吳正升，郭健.GIS專業(yè)《計算機圖形學》課程建設與教學改革［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（2）:10-12.

［2］周虹，傅向華，王志強.基于計算思維的計算機圖形學教學改革［J］.計算機教育，2013，5:55-58.

［3］曹衛(wèi)群.研究生計算機圖形學課程教學研究［J］.計算機教育，2013，23:38-41.

［4］杭后俊.計算機專業(yè)計算機圖形學教學實踐探討［J］.計算機教育，2012，17:76-79.

Computer Graphics；Interest Teaching；Learn Autonomy

Research on Computer Graphics Teaching Reformation

LI Hong1，WU Fen-xia1，ZHANG Lin-na2
（1.School of Information Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000；2.Li Quan Shi Yan Middle School，Xianyang 713200）

1007-1423（2015）29-0066-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.29.016

李紅（1976-），女，陜西人，碩士研究生，副教授，研究方向為圖像處理

吳粉俠（1976-），女，陜西人，碩士研究生，講師，研究方向為圖像處理

張琳娜（1984-），女，陜西人，本科，研究方向為圖像處理

2015-09-25

2015-10-10

通過分析計算機圖形學課程的特點及計算機圖形學教學中存在的問題，提出以培養(yǎng)學習興趣為主導的多模式的教學方法，以激發(fā)學生的求知欲，調動學生的學習積極性與主動性。實踐證明，所提出的教學方法，可以改善教學效果，提高學生的動手能力。

計算機圖形學；趣味教學；自主學習

陜西省教育廳科研項目（No.14JK1802）、陜西省教育科學“十二五”規(guī)劃課題（No.SGH140808）、咸陽師范學院科研項目（No.13XSYK053）、咸陽師范學院教育教學改革課題（No.201402014）

Analyzes the characteristics and the problems of the courses of computer graphics，proposes a novel multimodal teaching method.This method is arousing the students'interest and curiosity.Thus，we can mobilize students'learning enthusiasm and initiative way of teaching. The practice indicated that we can obtain the satisfied teaching effect and improve the practical ability.