數(shù)字媒體專業(yè)《計算機圖形學》教學研究

何辰+孫垂蓮

摘要：《計算機圖形學》是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的一門理論基礎(chǔ)課。為了有效提高《計算機圖形學》的教學質(zhì)量，本文在分析《計算機圖形學》的學科特點和當前教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從教學內(nèi)容、教學方法、實踐教學、考核方式等方面進行探討，提出了一些新的教學思路和方法。教學實踐表明，本文提出的方法對提高學生興趣和改善教學質(zhì)量有明顯的促進作用。

關(guān)鍵詞：《計算機圖形學》；教學方法；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）30-0191-03

一、引言

《計算機圖形學》是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的一門理論基礎(chǔ)課，主要研究如何利用計算機來表示、生成、處理和顯示圖形的原理、方法和技術(shù)。目前，大多數(shù)高校計算機以及數(shù)字媒體等相關(guān)專業(yè)都會開設(shè)《計算機圖形學》課程。由于圖形學技術(shù)在計算機游戲、數(shù)字娛樂、平面設(shè)計、網(wǎng)頁設(shè)計等行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，學生在選擇這門課程時都抱有很大的興趣和期待。然而，《計算機圖形學》要求學生具有較好的數(shù)學基礎(chǔ)和較強的編程能力，所以隨著課程的深入，學生普遍感到學習比較吃力，達不到應(yīng)有的教學效果。

本文在分析《計算機圖形學》的學科特點以及當前教學中存在問題的基礎(chǔ)上，從合理選擇教學內(nèi)容、靈活運用多種教學方法和手段、注重實踐教學、重視過程考核等方面對《計算機圖形學》的教學思路進行了一些探討。

二、學科分析及教學現(xiàn)狀

1.《計算機圖形學》的學科特點?！队嬎銠C圖形學》是建立在圖論、現(xiàn)代數(shù)學和計算機科學基礎(chǔ)上的一門新興學科，該學科涵蓋了計算機科學、數(shù)學、物理學等其他學科的相關(guān)知識，學科交叉繁雜，研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形軟件標準、圖形交互技術(shù)、基本圖形生成算法、建模、渲染、計算機動畫等。總體來說，《計算機圖形學》是一門以應(yīng)用為背景，以數(shù)學為基礎(chǔ)，以算法為核心的強理論，重實踐的課程。同時，該課程又以C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等為先導課程，因此，要將這樣一門課的內(nèi)容較好的傳授給數(shù)字媒體專業(yè)的學生，不是一件容易的事情，需要積極探討新的教學思路和教學方法。

2.教學中存在的主要問題?！队嬎銠C圖形學》內(nèi)容豐富，理論性和實踐性都比較強，造成該課程講授起來比較枯燥；同時，由于數(shù)字媒體專業(yè)的學生數(shù)學基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)都不是太好，學生普遍感到對于圖形學的內(nèi)容難以接受，學習的積極性和主動性都受到了影響，學習效果較差。在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)目前的圖形學教學普遍存在以下問題。

（1）理論性強，難度大，導致學生興趣減弱。《計算機圖形學》主要研究如何在二維的屏幕上顯示三維的圖形，其中涉及到三維形狀的建模，渲染以及動畫等。圖形渲染流水線的背后，要求學生具有較強的數(shù)學功底，特別是向量和矩陣的一些基礎(chǔ)知識，要熟練掌握。學生要能用向量的思想去解決圖形學中的一些基本問題。對于數(shù)學基礎(chǔ)較弱的數(shù)字媒體專業(yè)的學生，這種要求往往令他們產(chǎn)生畏懼心理，極大的影響了他們的學習興趣和信心。

（2）教學內(nèi)容多，知識點分散。《計算機圖形學》學科交叉繁雜，內(nèi)容豐富，不僅涉及圖形硬件、軟件和大量的實際算法，而且還與微電子學、計算幾何、圖論學等專業(yè)學科密切相關(guān)，并在發(fā)展過程中逐步與數(shù)字圖像處理、數(shù)字幾何處理、模式識別、人工智能、虛擬現(xiàn)實等相結(jié)合，這就要求授課教師要具有比較全面的知識結(jié)構(gòu)，對于內(nèi)容的講解有所側(cè)重，合理取舍，透徹了解各學科之間的關(guān)系。目前國內(nèi)大部分圖形學教材都是從底層的圖形硬件設(shè)備開始講起，然后是基本圖形元素的生成算法，最后逐步過渡到光照模型和紋理映射等高層的真實感圖形渲染方法，這容易導致學生只掌握了分散的知識點，很難將各個知識點串連起來。另外，現(xiàn)在的圖形學教材一般都只局限于經(jīng)典的圖形學算法原理，而對于學科前沿的研究動態(tài)少有涉及，這樣不利于開闊學生的視野，激發(fā)他們自主學習的興趣和意識。

（3）實驗課時少，學生缺乏實踐訓練。《計算機圖形學》是一門實踐性很強的學科，要求學生具有較強的編程能力和動手操作能力。上機實踐是鍛煉學生編程能力的主要手段，也是學好這門課的必要手段。沒有實驗課的訓練，學生很難真正理解圖形學中的算法原理。但是，由于總課時的壓縮，實驗課時很少，僅提供6次實驗機會，而且實驗基本上都是驗證性試驗，學生很難在實驗中獲得將來工作時需要掌握的編程知識，另外大部分學生本身的編程能力不強，上機興趣也不高，最終導致學生無法獲得充足的實踐鍛煉機會。

（4）考核形式單一，無法調(diào)動學生的學習主動性。目前《計算機圖形學》的考核形式主要還是通過卷面筆試的形式來進行。卷面筆試考核通?？疾斓氖菍W生對知識點的記憶和理解能力，適用于基礎(chǔ)課教學，強調(diào)的是“記”和“背”。但是對于以實踐和應(yīng)用為主的專業(yè)課程而言，它強調(diào)的是“做”和“用”，因此，要求學生死記硬背相關(guān)理論和算法，無疑是一種資源浪費，學生不能學以致用就等于白學。這種考核方法也無法調(diào)動學生平時的學習積極性，他們大都寄希望于最后幾周的突擊復習，考試完之后很快就忘記了，達不到課程教學的培養(yǎng)目標。

三、教學思路探討

1.結(jié)合應(yīng)用上好第一節(jié)課。第一節(jié)課非常重要，因為上好第一節(jié)課就能夠激發(fā)學生的學習興趣，讓學生能夠自愿、自主的學習。在《計算機圖形學》的第一節(jié)課上，教師應(yīng)該系統(tǒng)的給學生介紹圖形學的應(yīng)用以及研究前沿，并讓學生了解圖形學內(nèi)容的整體框架。

根據(jù)筆者的經(jīng)驗，剛開始接觸圖形學時，很多學生都不知道學了這門課程可以做什么。因此，教師可以結(jié)合應(yīng)用，給學生介紹一下圖形學有哪些應(yīng)用領(lǐng)域。比如，數(shù)字媒體專業(yè)的學生一般都會學習三維建模軟件（3ds Max、Maya等），在這些軟件中，點幾下鼠標，就可以畫出直線、曲線等，教師可以告訴學生，在畫直線和曲線的過程中，軟件是在底層運行的，其實就是圖形學里面的一些基本圖形生成算法。學生了解了這門課的用處，才能真正的用心去學。

第一節(jié)課，還要讓學生對圖形學內(nèi)容有一個整體的認知和把握，這樣有利于學生整體知識結(jié)構(gòu)的建立。同樣的，還可以結(jié)合三維應(yīng)用軟件3ds Max來做講解，這個軟件所實現(xiàn)的主要功能，也正是圖形學要研究的主要內(nèi)容，即建模、渲染和動畫。當然，圖形學教學中主要涉及的是一些基本的內(nèi)容，比如基本圖形元素生成算法、三維渲染流水線等，學生了解了圖形學的整體知識結(jié)構(gòu)，以后再學習一些分散的知識點時，才不至于迷失了方向。

2.合理選擇教學內(nèi)容?！队嬎銠C圖形學》內(nèi)容豐富，發(fā)展迅速，新的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。為了在有限的學時內(nèi)，使學生既掌握了基礎(chǔ)知識，又能夠了解圖形學的研究進展，教學工作者要合理選擇教學內(nèi)容，使學生專注于必要知識的學習，從而提高教學效率，保證教學質(zhì)量。

考慮到學生的知識接受程度，我們選擇了以下教學內(nèi)容：基本圖形元素生成算法、圖形變換、圖形裁剪、可見面檢測、真實感繪制、曲線曲面。其中基本圖形元素包括直線、圓、橢圓、填充區(qū)域以及字符等基本圖形。中間四部分內(nèi)容其實是三維圖形渲染流水線的主要內(nèi)容，這也是圖形學教學的一個重要目標，即讓學生知道三維的圖形是如何顯示在二維屏幕上的。曲線曲面部分我們以曲線為主，重點講解Bezier曲線的生成算法，曲面部分則只作簡要介紹。對于圖形學的研究進展，我們在課程內(nèi)容結(jié)束后，以學術(shù)講座的形式安排一次課進行介紹，當然也會在適當?shù)恼n程內(nèi)容中穿插介紹一些研究熱點，比如真實感圖形顯示，虛擬現(xiàn)實等，這樣既可以拓寬學生的視野，又可以增加課堂的趣味性。

3.靈活運用各種教學方法。成功的教學，要求教師不僅要熟練掌握教學內(nèi)容，更要靈活運用各種教學方法，引導學生由苦學變樂學，由學會變會學。教學模式要以能力培養(yǎng)為目標，由灌輸型向引導型和討論型轉(zhuǎn)變。

（1）啟發(fā)式教學：培養(yǎng)學生的思維能力比知識本身更重要，采用啟發(fā)式教學方法講解圖形學中的算法可以很好的鍛煉學生的思維能力。教師要把講授的重點放在算法的提出、發(fā)展和完善的過程上，而不是單純的簡單描述。比如在講直線生成算法時，可以先問學生，為什么要有直線生成算法？這是因為數(shù)學上的直線是連續(xù)的，而顯示器上卻只是一些離散的像素點，直線生成算法就是要在給定直線的起點和終點之后，找出最接近這條直線的一組像素點來近似表示這條直線。給學生一定的思考時間，并鼓勵學生一起去發(fā)現(xiàn)，去探索，這樣，枯燥的算法講解就變成了一個啟發(fā)式的研究過程，這種方法可以有效的鍛煉學生的思維能力，提高他們發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

（2）可視化演示教學：圖形學中的很多算法理論性較強，數(shù)學模型也比較抽象，要清晰介紹其基本思想和原理，可以使用一些可視化的方法進行直觀的演示，這樣能夠加深學生對于算法的理解，并激發(fā)他們自己去實現(xiàn)這些算法的欲望。

（3）對分模式教學：對分課堂是張學新教授提出的一種新的課堂教學模式。其核心理念是分配一半時間給教師講授，另一半時間給學生討論，并留給學生內(nèi)化吸收的過程。筆者在圖形學課程中嘗試過幾次當堂對分，取得了不錯的效果，有效提高了學生的學習自主性和積極性。

4.注重實踐環(huán)節(jié)。實踐教學是理論教學的深化和補充，是學好圖形學的重要保證，也是培養(yǎng)學生動手能力的主要手段。因此，教學過程中要加強實踐教學，將理論教學和實踐教學密切結(jié)合起來，這樣才能有效提高學生的編程能力和動手操作能力。

根據(jù)教學大綱要求和學生的實際情況，我們的實踐環(huán)節(jié)除了課程實驗，還有兩個小的課程項目。課程實驗使用OpenGL圖形庫來完成，當然有些實驗會對學生做一些限制，比如在實現(xiàn)畫線算法時，要求學生只能使用GL_POINTS模式。由于圖形學的課程實驗都已經(jīng)是比較成熟的內(nèi)容，在此主要介紹一下兩個小的課程項目，這兩個項目一個在期中提交，另一個在期末時提交。第一個項目是在學完基本圖形元素生成算法之后，讓學生實現(xiàn)一個簡單的交互繪圖系統(tǒng)，繪制直線、圓、橢圓等基本圖形元素，還可以選擇線型和線寬，用戶交互使用橡皮筋技術(shù)來實現(xiàn)。第二個項目要求學生用OpenGL實現(xiàn)一個簡單場景的漫游系統(tǒng)，在一個平面上放置幾個簡單的物體，比如球體、圓柱、圓錐等，構(gòu)成一個簡單的場景。要求物體要有光照效果，另外要實現(xiàn)漫游功能，即通過鍵盤或者鼠標的控制，可以從任意角度觀察這個場景。對于這兩個項目，學生可以根據(jù)自身情況選擇獨立完成或者小組合作完成，每組不超過3人。實踐表明，通過這兩個課程項目的鍛煉，不但培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和動手能力，而且還培養(yǎng)了他們的團隊合作精神。

5.重視過程考核。重視教學的過程考核是保證教學質(zhì)量的重要手段，把過程考核納入到最終的期末成績評定中可以更好的調(diào)動學生平時學習的積極性。在我們的考核方法中，學生平時的出勤情況占10%，兩個課程項目各占20%，期末成績占50%。對于兩個課程項目，我們會組織學生在班上進行演示并講解，演示時各組間可以討論交流，教師則根據(jù)學生的實現(xiàn)情況進行打分，并對學生不足的地方進行指導，這樣做不僅活躍了課堂氣氛，提高了學習興趣，還有效提高了學生平時學習的積極性和主動性。

四、結(jié)語

《計算機圖形學》是一門快速發(fā)展的交叉學科。通過該課程的學習，學生不僅要掌握圖形學的基礎(chǔ)理論，還要具備一定的圖形編程能力。本文針對圖形學的學科特點以及教學中存在的一些問題，從教學內(nèi)容、教學方法、教學實踐、教學考核等方面提出了一些新的教學思路。在以后的工作中，教學工作者不僅要積極探討更有效的教學方法和教學手段，更要積極投入到圖形學相關(guān)的研究工作中，緊跟研究前沿，更好的培養(yǎng)學生的思維能力，激發(fā)學生的學習主動性和積極性。

參考文獻：

[1]孫家廣.計算機圖形學[M].第3版.北京：清華大學出版社，2006.

[2]姚莉.計算機圖形學教學改革與實踐[J].實驗科學與技術(shù)，2010，8（2）：102-106.

[3]王艷春，張金政，李紹靜.計算機圖形學課程教學思考[J].計算機教育，2011，（14）：63-66.

[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.

[5]張學新.對分課堂：大學課堂教學改革的新探索[J].復旦教育論壇，2014，（5）：5-10.