引入思維導(dǎo)圖的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實(shí)踐*

廖彬 胡金龍

[摘 要] 通過分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)及其存在的主要問題，將思維導(dǎo)圖引入教學(xué)中，并對圖形學(xué)課程設(shè)置、理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革。在教學(xué)的各階段，利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建起完整的知識體系。同時(shí)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的考核相分離，使圖形學(xué)理論課程成為實(shí)踐課程的前期課程。通過理論課程中原理、算法的針對性講解，實(shí)現(xiàn)理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過渡，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；思維導(dǎo)圖；圖形學(xué)理論教學(xué)；圖形學(xué)實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2016） 07-0106-02

一 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

本科的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)對數(shù)學(xué)理論有一定要求，往往體現(xiàn)為公式推導(dǎo)、演化等形式，同時(shí)也涉及算法設(shè)計(jì)及其代碼實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)重點(diǎn)一般側(cè)重于考核學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握，課程實(shí)踐所占比例較低。因此傳統(tǒng)的教學(xué)模式不適用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，若仍沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式，則不僅不利于維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容主要有：計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述；二維圖形生成和變換技術(shù)；三維圖形生成和變換技術(shù)；真實(shí)感圖形生成技術(shù)；計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)與實(shí)踐。該課程入門階段需要的數(shù)學(xué)知識主要涉及代數(shù)、三角學(xué)和線性代數(shù)，數(shù)學(xué)原理與圖形的結(jié)合在理論教學(xué)中占據(jù)了一定比重。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)目標(biāo)是側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論知識的了解與掌握，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上主要強(qiáng)調(diào)圖形學(xué)知識、概念的系統(tǒng)性與整體性，重點(diǎn)是概念解釋與原理講解，體現(xiàn)為大量的公式推導(dǎo)。

未進(jìn)入圖形學(xué)教學(xué)前，學(xué)生們對該課程的理解大致分為兩類：一類認(rèn)為該課程主要講述游戲開發(fā)。另一類認(rèn)為是藝術(shù)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，在本科階段開設(shè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，通常立足于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)科的入門，教學(xué)內(nèi)容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實(shí)現(xiàn)算法，能進(jìn)行基本圖形的程序設(shè)計(jì)。由此，學(xué)習(xí)內(nèi)容的枯燥、教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的巨大落差會導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣隨課程的深入而有所下降。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要集中于基本圖形算法的實(shí)現(xiàn)，需要學(xué)生運(yùn)用高級程序語言進(jìn)行編程，然而作為專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的此類高級程序設(shè)計(jì)課程，往往以基本知識、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織三方面為主要內(nèi)容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導(dǎo)致在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要針對授課學(xué)生原先所學(xué)的高級程序語言，補(bǔ)充對應(yīng)的圖形庫編程知識，這使得實(shí)際的有效實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)被縮減，而且增大了學(xué)生實(shí)現(xiàn)算法的難度，以至于進(jìn)一步加劇了理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

二 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的改革方法與目標(biāo)

我們在大學(xué)本科的第7個(gè)學(xué)期開設(shè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，并將其分為理論課與實(shí)驗(yàn)課兩門課程，兩門課程單獨(dú)核算成績。其中理論課為32學(xué)時(shí)，2.0學(xué)分；實(shí)驗(yàn)課為16學(xué)時(shí)，0.5學(xué)分。在理論課程完成后開始實(shí)驗(yàn)課程，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)驗(yàn)不再是傳統(tǒng)教學(xué)中對理論課知識點(diǎn)的簡單重復(fù)與驗(yàn)證，而是對所學(xué)知識的綜合運(yùn)用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學(xué)內(nèi)容，以完成與實(shí)驗(yàn)課程的銜接。同時(shí)，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生掌握課程基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的動手能力，以提升計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

1 理論課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)在快速的發(fā)展著，與之相適應(yīng)，圖形學(xué)課程的教學(xué)也發(fā)生著變化?，F(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中主要有3種教學(xué)體系，大致分為：理論為主、編程為主、問題為主。其中，理論為主是傳統(tǒng)的教學(xué)體系，強(qiáng)調(diào)對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的理解與掌握，以公式推導(dǎo)為主要呈現(xiàn)方式，國內(nèi)外此類教材有Floey的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理及實(shí)踐——C語言描述（原書第2版）》，孫家廣的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》等。編程為主的教學(xué)體系側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生初步掌握一種典型的圖形學(xué)API，以圖形學(xué)使用者的角度講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所需的理論與概念，去除非必需的數(shù)學(xué)原理與公式推導(dǎo)。國內(nèi)外此類教材有Donald的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第四版）》，徐文鵬的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)（OpenGL版）》等。問題為主教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)著重于培養(yǎng)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識建立與用戶交流的能力，從而實(shí)現(xiàn)問題的圖形化建模并解決問題。相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容既涵蓋了圖形學(xué)中的基本概念和技術(shù)，也涉及了實(shí)現(xiàn)這些概念和技術(shù)的圖形學(xué)工具，然而重點(diǎn)在于介紹如何使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識來解決實(shí)際問題以及如何有效地進(jìn)行結(jié)果展示，Steve Cunningham的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是此類教學(xué)體系的典型教材。此類問題為主的教學(xué)體系近年來在美國興起。

在我們的本科教學(xué)中，考慮到學(xué)生前期課程的設(shè)置與掌握情況，采用了結(jié)合OpenGL實(shí)現(xiàn)算法的編程為主的教學(xué)體系。在實(shí)際教學(xué)中，既要保證計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本概念、理論的完整講述，也為后續(xù)的實(shí)踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學(xué)生在掌握圖形學(xué)基本知識的同時(shí)，能夠在一定程度上自主實(shí)踐，保持與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 以思維導(dǎo)圖優(yōu)化圖形學(xué)教學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用

思維導(dǎo)圖（又稱心智圖），是英國教育學(xué)家東尼·博贊在20世紀(jì)60年代創(chuàng)造的，它作為模擬放射性思維的圖形工具，能激發(fā)大腦的潛力。在人獲得信息后，進(jìn)入大腦的信息以新的思想中心與其他信息建立關(guān)聯(lián)，形成向外發(fā)散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此后，每一個(gè)發(fā)散出的節(jié)點(diǎn)，又將作為新的中心，再次發(fā)散形成新連接。

3 實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的實(shí)踐一般使用C++來實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)難度過大，導(dǎo)致學(xué)生沒有時(shí)間和興趣去完成。實(shí)踐教學(xué)的本意是對理論教學(xué)的鞏固、完善與提高，為實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的平穩(wěn)銜接，我們在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學(xué)生有針對性地完成若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

OpenGL是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計(jì)算機(jī)圖形接口軟件，其具有的功能基本上涵蓋了圖形系統(tǒng)要求提供的所有功能，此外，OpenGL具有的跨平臺性、可擴(kuò)展性、繪制專一性、網(wǎng)絡(luò)透明性等特點(diǎn)使其應(yīng)用廣泛，降低了對學(xué)生編程能力的要求，且由于其開源的特性，使得學(xué)生可通過參考其中的算法實(shí)現(xiàn)獲得編程能力的提高。

我們結(jié)合圖形學(xué)的實(shí)際應(yīng)用與學(xué)生的實(shí)踐能力，設(shè)置了如表1所示的實(shí)踐項(xiàng)目。