計算機圖形學(xué)教學(xué)模式探討與改進(jìn)

張艷　車冬娟

摘 要： 針對計算機圖形學(xué)理論性強、學(xué)科交叉、算法推導(dǎo)枯燥、實驗內(nèi)容難度大且效率不高等實際教學(xué)情況，分析了傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，提出了新的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)中，注重知識點的連貫性，增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)，加強與交叉學(xué)科課程的聯(lián)系，課上講解結(jié)合實驗結(jié)果進(jìn)行理論分析；在實驗教學(xué)中，采取實驗指導(dǎo)及上機方式；在課程考核上，注重實踐能力的考核。實踐表明，新的教學(xué)方式可顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞： 計算機圖形學(xué)； 教學(xué)模式； 應(yīng)用能力； 可視化教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）11-80-03

Discussion and improvement of computer graphics teaching mode

Zhang Yan， Che Dongjuan

（Dept. of Software Engineering， North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang， Hebei 065000， China）

Abstract： Aiming at the actual teaching situation in computer graphics of the strong theory， interdisciplinary， algorithm derivation boring， experiment content difficult and inefficient， the problems existed in traditional computer graphics teaching mode are analyzed and new teaching methods are proposed. In the classroom teaching， pay attention to knowledge consistency， increase the heuristic and visualized teaching， and strengthen the relationship with interdisciplinary course， combine the classroom explanation with the experiment result to theoretically analyze； in the experimental teaching， take the experimental instruction and on computer operation； in the course assessment， focus on practical ability assessment. Practice shows the proposed teaching methods can improve students' learning enthusiasm and application ability.

Key words： computer graphics； teaching mode； application ability； visualized teaching

0 引言

計算機圖形學(xué)是一門研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形并在專門設(shè)備上顯示和處理的學(xué)科[1]，它與數(shù)字圖像處理、模式識別、計算幾何等學(xué)科有著密切的關(guān)系，是一門多學(xué)科交叉的課程，適用于如計算機、電子、通信、遙感等專業(yè)。課程著重圖形生成及處理的算法，理論性強，概念抽象，學(xué)生不易理解。而目前的課堂教學(xué)側(cè)重于理論教學(xué)，把較多精力放在算法的理論推導(dǎo)上，講授內(nèi)容較為枯燥，考核方式相對單一，很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，需要對教學(xué)模式進(jìn)行系統(tǒng)化的改進(jìn)創(chuàng)新，以適應(yīng)當(dāng)前科技發(fā)展現(xiàn)狀。

1 計算機圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，人們對可視化技術(shù)提出了更高要求。為了讓學(xué)生更深入地掌握計算機圖形學(xué)理論課程和相關(guān)專業(yè)實踐技能，教師必須探索新的課程教學(xué)及實驗教學(xué)方法，提高學(xué)生的理論及實踐能力。目前，此課程教學(xué)模式主要存在以下三個方面的問題。

⑴ 教學(xué)內(nèi)容相對單一，與相關(guān)領(lǐng)域知識聯(lián)系少

表面上看，計算機圖形學(xué)課程的主要內(nèi)容是圖形算法，因此講授重點和學(xué)習(xí)難點主要是算法的推導(dǎo)及理解。實際上，本課程是一門多學(xué)科交叉的課程，算法的推導(dǎo)不僅需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還需要其他相關(guān)課程的輔助學(xué)習(xí)。而目前很多高校在課程教學(xué)中很少與相關(guān)學(xué)科相結(jié)合，從而造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，很難抽象地想象一些圖形的生成原理及處理過程。

⑵ 實驗環(huán)節(jié)缺少對實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)

目前，計算機圖形學(xué)教材種類繁多，但相對應(yīng)的實驗指導(dǎo)教材卻寥寥可數(shù)。很多高校的實驗內(nèi)容主要是根據(jù)課本提供的源代碼讓學(xué)生擴(kuò)充來實現(xiàn)的，這些源代碼的書寫沒有考慮學(xué)生的程序設(shè)計基礎(chǔ)，實現(xiàn)起來難度高。這會導(dǎo)致部分學(xué)生在上機實驗時無從下手，產(chǎn)生畏懼心理，更談不上對算法的深刻理解，降低了學(xué)習(xí)積極性，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。

⑶ 課程考核普遍過于側(cè)重理論成績

計算機圖形學(xué)課程的主要教學(xué)目標(biāo)是掌握相關(guān)圖形算法，并通過計算機編程加以實現(xiàn)、應(yīng)用及改進(jìn)。但現(xiàn)在課程考核較多地注重書面考試成績，忽視了學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題能力的考核，更缺乏對創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的綜合考評。

2 具體改進(jìn)措施

2.1 改進(jìn)課堂教學(xué)模式

本節(jié)針對課堂教學(xué)存在問題，提出以下教學(xué)方法。

⑴ 注重知識點的連貫性，增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)

計算機圖形學(xué)課程內(nèi)容主要分三部分。第一部分是概述，讓學(xué)生了解與圖形學(xué)相關(guān)的軟硬件及作用和研究發(fā)展等。第二部分涉及到二維圖形的處理技術(shù)。第三部分是在第二部分的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)三維圖形的處理技術(shù)。經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)學(xué)生可以完成簡單的線畫圖元的生成到真實感場景的重現(xiàn)。

課程各個部分有著密切的聯(lián)系，圍繞簡單的圖元生成到真實感場景的實現(xiàn)為主線。在教學(xué)的過程中，教師應(yīng)以這門課程的大致流程為主線進(jìn)行講解，以此降低學(xué)生理解的難度。

課程增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)，可以降低學(xué)生理解難度，以生成真實感場景為目的讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中思考需要哪些技術(shù)。例如圖1[2]所示的真實感場景需要哪些技術(shù)。通過可視化圖形進(jìn)行講解，啟發(fā)學(xué)生。教師將中間使用的相關(guān)算法（投影、顏色、隱藏面的消除、光照明模型與真實感圖形的繪制等）講解給學(xué)生并提供效果圖，學(xué)生由于看到了效果圖，一目了然，就會對相關(guān)算法產(chǎn)生興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。

⑵ 與交叉學(xué)科課程相輔相成

計算機圖形學(xué)是一門多學(xué)科交叉的課程，教師在講課時要講清楚各個課程的主要研究內(nèi)容及重要概念，了解這些課程之間的關(guān)系。由此，我們提出以“實踐為導(dǎo)向，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，突出教學(xué)理論與實踐相結(jié)合的特點。增加交叉學(xué)科知識的講解，強調(diào)各學(xué)科的研究重點，區(qū)分各學(xué)科易混淆概念，使課程教學(xué)適應(yīng)當(dāng)前專業(yè)人才綜合性培養(yǎng)要求。

⑶ 結(jié)合實驗結(jié)果進(jìn)行理論分析

在講解算法時，學(xué)生不易理解，教學(xué)采用預(yù)先演示實驗結(jié)果的案例教學(xué)方式，讓學(xué)生看到演示結(jié)果之后加深算法的了解，可激發(fā)學(xué)生自己動手編程實踐的欲望。

如二維填充圖元的生成這一章節(jié)中，涉及到多邊形掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充方法，這兩種方法雖然都是光柵圖形的面著色，用于真實感圖形顯示，在一定條件下可相互轉(zhuǎn)換，但基本思想、對邊界的要求、基本條件均不同。為了使學(xué)生更好地理解這兩種方法，在講解理論知識時可預(yù)先演示兩種算法的執(zhí)行過程，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行講解。如：區(qū)域填充方法要選定種子點，且種子點不能選在區(qū)域以外；兩種方法在填充區(qū)域時可明顯看到多邊形掃描轉(zhuǎn)換速度快；當(dāng)選用區(qū)域填充的掃描線種子填充算法時，適用于邊界表示的4連通區(qū)域，而多邊形掃描轉(zhuǎn)換沒有邊界要求。如圖2（a）所示，是掃描線種子填充算法，由于邊界不是4連通區(qū)域，是8連通區(qū)域，因此填充部分溢出了。如圖2（b）所示，用多邊形掃描轉(zhuǎn)換方法會正確的繪制出理想效果。圖3是邊界為4連通區(qū)域的多邊形。兩種方法均可得到理想的填充效果，而在填充的過程中多邊形掃描轉(zhuǎn)換方法是按y的坐標(biāo)從小到大的順序填充的；掃描線種子填充算法填充順序是按種子點為分界線，先填充一部分后，再填充剩下的一部分，且速度慢于掃描轉(zhuǎn)換方法。圖3是掃描線種子填充算法過程圖。

⑷ 鼓勵學(xué)生做好課下總結(jié)

課后知識點總結(jié)與鞏固對于學(xué)生真正掌握課程內(nèi)容有著十分重要的意義，傳統(tǒng)的教學(xué)是通過書面作業(yè)的形式要求學(xué)生進(jìn)行課下練習(xí)，鞏固所學(xué)知識。這種方式是帶有強迫性的，有些學(xué)生甚至為了完成任務(wù)而出現(xiàn)抄襲情況。為了激發(fā)學(xué)生的積極性及主動性，教師可以鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生以博客、微博、微信等網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行總結(jié)，將課上所學(xué)知識或者自己的學(xué)習(xí)心得甚至作業(yè)及時提交到網(wǎng)絡(luò)中，教師定期瀏覽學(xué)生的博文，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，掌握教學(xué)動態(tài)。學(xué)生通過書寫博文，鞏固知識，亦可相互瀏覽，如此開放的方式使學(xué)生羞于抄襲。另外，還要鼓勵學(xué)生課下以網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行交流，以便及時解決問題。

2.2 改進(jìn)實驗教學(xué)模式

對于計算機圖形學(xué)課程，通過上機實踐可以以可視化的形式將算法實現(xiàn)，從而加強對算法的掌握并讓學(xué)生真正認(rèn)識到相關(guān)算法的實際應(yīng)用價值[3]。因此實驗課程的設(shè)計對這門課有著十分重要的作用。根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗，實驗課程設(shè)計主要滿足條件如下：

⑴ 與課本內(nèi)容相輔相成；

⑵ 實驗環(huán)境以所學(xué)語言為基礎(chǔ)；

⑶ 實驗難度要適宜。

根據(jù)以上要求，從實驗課程設(shè)置及上機安排上進(jìn)行改革，以完善課程的連貫性并激發(fā)學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)新性。由于MFC（Microsoft Foundation Classes）可以實現(xiàn)從簡單圖元到真實感場景的生成設(shè)計[4]，實驗課程采用MFC開發(fā)圖形學(xué)案例。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般要求學(xué)生在上機課結(jié)束后交紙質(zhì)版實驗報告，致使一部分同學(xué)上機課慵懶，甚至忽視上機前的預(yù)習(xí)工作，效率低下。針對此問題，教師可以指導(dǎo)學(xué)生在實驗結(jié)束前進(jìn)行驗收或者提交實驗報告。如：教師可以指導(dǎo)學(xué)生在上機課結(jié)束前將實驗報告提交到Moodle平臺（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment，是一種為學(xué)生建立網(wǎng)上動態(tài)網(wǎng)站的開源課程管理工具）[5]，教師在平臺上了對提交作業(yè)進(jìn)行打分，書寫評語，將學(xué)生提交的報告的修改稿再次提交到平臺，反饋給學(xué)生。如此減少學(xué)生課下拖延及抄襲狀況，并在上機過程中及時發(fā)現(xiàn)問題并隨時請教老師。

2.3 改進(jìn)課程考核模式

課程考核是學(xué)生學(xué)習(xí)課程的指揮棒，是督促學(xué)生掌握課本理論知識，進(jìn)行實際操作，檢驗理論知識和實踐效果的一種手段。應(yīng)以提高學(xué)生實踐應(yīng)用能力為目的，不拘泥于試卷成績。傳統(tǒng)的考試方式是以筆試考核為主的檢驗手段，這種方式不能對學(xué)生的綜合素質(zhì)做出判斷。教師應(yīng)采用靈活有效的考核模式。課程考核應(yīng)加大上機及平時成績的加權(quán)系數(shù)，尤其注重學(xué)生上機時對理論知識掌握而表現(xiàn)的實踐能力和創(chuàng)新能力。平時成績要將學(xué)生以網(wǎng)絡(luò)等形式進(jìn)行課程內(nèi)容的總結(jié)部分一并計入成績中。

3 結(jié)束語

本文從課堂教學(xué)、上機實驗教學(xué)、課程考核等方面提出了計算機圖形學(xué)教學(xué)模式新方法，實踐表明，本文提出方法可顯著提高課程的教學(xué)效果。今后的教學(xué)中，計算機圖形學(xué)要以能力培養(yǎng)和提高學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，以理論算法為主線，上機實現(xiàn)算法為輔線，采用公正且注重實踐能力的課程考核方式，以此提高學(xué)生創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 倪明田，吳良芝等.計算機圖形學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2005.

[2] 清華大學(xué).計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)[EB/OL].[2016.6.15]. http：//

cg.cs.tsinghua.edu.cn/course/.html.

[3] 孔令德，劉晉鋼.應(yīng)用型工科院校計算機圖形學(xué)教學(xué)模式改

革[J].計算機教育，2011.9：20-22

[4] 仇谷烽，張京，曹黎明.基于Visual C++的MFC編程[M].清華

大學(xué)出版社，2015.

[5] Moodle[EB/OL].[2016.6.15].http：//www.aieln.com/zt/8/.