基于多層次案例引導的《計算機圖形學》課程教學方法

胡建平+謝琪

【摘 要】論文介紹了一種以多層次案例為引導的《計算機圖形學》的教學方法，方法通過驗證性案例講解理論、算法和技巧，再通過綜合性案例進行強化和擴展，最后通過設(shè)計性案例進行實踐和創(chuàng)新。通過在東北電力大學理學院“信息與計算科學專業(yè)”的《計算機圖形學》課程的教學過程可以看出，該方法取得了較好的效果。

【Abstract】This paper introduces a method of teaching based on the guidance of multi-level case for "Computer Graphics”. The method explains the theory， algorithm and skills through the validation case， and then strengthens and expands them through a comprehensive case， finally， practices and innovates itself through the design case. Through the teaching process in "Computer Graphics" class of Information and Computing Science Department in Science College of Northeast Electric Power University， we can see that this method has achieved good results.

【關(guān)鍵詞】計算機圖形學；課程教學；多層次案例引導

【Keywords】 computer graphics； course teaching； guidance of multi-level cases

【中圖分類號】G642 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0082-02

1 引言

計算機圖形學是研究利用計算機進行圖形的生成、處理和顯示的相關(guān)原理與算法的學科，在工業(yè)制造、影視娛樂、電子商務(wù)、數(shù)字城市等領(lǐng)域具有廣泛應用，是由傳統(tǒng)的圖形學、現(xiàn)代數(shù)學和計算機科學技術(shù)等多門學科交叉而成，是許多后續(xù)課程（如圖像處理、模式識別等）的基礎(chǔ)課程。《計算機圖形學》課程[1][2]涉及到大量數(shù)學知識，各種生成算法、處理技術(shù)和顯示過程。該課程除了要求掌握計算機圖形學的基礎(chǔ)理論知識外，還要求學生能夠通過計算機編程語言實現(xiàn)圖形學的基本算法，能夠培養(yǎng)和提高學生的實踐創(chuàng)新能力。但是在課堂教學中如果完全按照教材的理論講解，并采用課內(nèi)實驗進行驗證的傳統(tǒng)教學方式，將使學生感到該課程難于理解和學習。近年來，國內(nèi)外高校在《計算機圖形學》課程的教學改革實踐中進行了諸多嘗試，提出了一些能夠提高學生學習興趣的教學方法[3]，其中以“案例為引導”的教學方法受到了諸多高校的重視 [4]。然而，東北電力大學理學院“信息與計算科學專業(yè)”的《計算機圖形學》課程教學還一直停留在傳統(tǒng)的教學方式上，學生缺乏學習的積極性和主動性，迫切需要引入新的教學方法。

為此，本文根據(jù)東北電力大學學理學院“信息與計算科學專業(yè)”學生的具體特點以及學生的培養(yǎng)目標和要求，使用了一種基于多層次案例引導的教學方法，方法通過整理用于《計算機圖形學》課程教學的多層次案例庫，并將其作為引導進行《計算機圖形學》課程教學，該方法的實施對提高教學質(zhì)量和教學效率有著重要意義。

2 《計算機圖形學》的多層次案例庫

《計算機圖形學》課程主要講授的內(nèi)容包括基本圖形的掃描轉(zhuǎn)換方法，多邊形填充算法，二維變換與裁剪，三維變換與投影，自由曲線與曲面，建模和消隱，真實感圖形顯示等[2]。本文通過搜集使用C、C++、Matlab等語言編寫的計算機圖形學的相關(guān)程序資源，同時根據(jù)東北電力大學理學院學生的特點以及學生的培養(yǎng)目標和要求對相關(guān)資源進行整理和二次開發(fā)，得到用于課堂教學、實驗教學、課程設(shè)計的《計算機圖形學》課程的多層次案例教學資源庫，具體包括應用于案例化教學和課后練習的驗證性案例資源庫，應用于課程實驗的綜合性案例資源庫，應用于課程設(shè)計的設(shè)計性案例資源庫，指導學生綜合應用所學的圖形學知識開發(fā)圖形處理系統(tǒng)，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習的積極性和主動性。

2.1 驗證性案例資源庫

針對《計算機圖形學》課程每一章教學內(nèi)容中基本的圖形學算法設(shè)計了驗證性案例資源庫，包括圖形動畫、顯示器原理展示、虛擬系統(tǒng)漫游、直線中點的Bresenham算法、圓中點的Bresenham算法、多邊形有效邊表填充算法、多邊形邊緣填充算法、區(qū)域四鄰接點填充算法、二維基本幾何變換算法、Cohen-sutherland直線裁剪算法、中點分割直線裁剪算法、梁-Barsky裁剪算法、三維基本幾何變換算法、正交投影與斜投影轉(zhuǎn)換、HSV顏色模型算法、RGB顏色模型算法、簡單透明模型算法、簡單陰影算法等，用于課堂教學的案例演示和課后的算法驗證，其主要功能是吸引學生學習的興趣，并在學習過程中加深對算法的理解。

2.2 綜合性案例資源庫

為了使學生進一步理解三維真實感圖形的生成算法，通過對基本圖形生成方法進行組合，得到一些綜合性案例資源庫，包括立方體線框模型正交投影、立方體線框模型透視投影、顏色漸變立方體、立方體光照模型、圓柱體紋理映射、任意斜率直線段裁剪、三維球體的幾何變換、圖像的二維幾何變換、金剛石圖案的繪制、交互式繪制多邊形等，用于《計算機圖形學》的課內(nèi)實驗教學，能夠讓學生掌握圖形學中一些比較重要的算法，做到舉一反三。

2.3 設(shè)計性案例資源庫

為了使學生深入研究計算機圖形學的生成原理，將學生的計算機操作能力、分析能力、工程設(shè)計能力與應用實踐結(jié)合起來，針對一些具體的應用問題得到了設(shè)計性的案例，包括太陽月亮地球運行軌跡模擬、時鐘運動模擬、彈跳的彩球動畫、圓柱體線框模型放大鏡顯示、橢球面光源與材質(zhì)交互作用、北斗七星的閃爍的模擬、機器人行走模擬等，用于《計算機圖形學》的課程設(shè)計指導，提高學生的計算機使用技能和解決實際問題的能力。endprint

3 基于多層次案例庫引導的教學方法

本文使用的基于多層次案例庫引導的教學方法是在前面建立的《計算機圖形學》的多層次案例庫的基礎(chǔ)上，在課程教學中采用案例進行演示，然后對算法原理進行講解，再對圖形學算法進行實現(xiàn)，最后通過課后實踐拓展進行訓練提高學生的實踐動手能力。在實際的案例設(shè)計和教學方法的使用過程中，通常在下面的步驟中進行迭代循環(huán)：

①基于案例講解理論和算法，即根據(jù)教學目的、教學內(nèi)容的要求，選擇具有可行性、典型性、濃縮性的案例進行講解，并對案例進行分析、討論和擴展；

②督促學生根據(jù)案例進行具體實踐和操作，并鼓勵學生對設(shè)計的案例進行改進和創(chuàng)新，啟發(fā)學生大膽嘗試，學以致用；

③了解學生對于案例的使用情況，并及時修改、調(diào)整和完善案例以及相應的教學方法。

經(jīng)過兩年的教學改革與實踐，可以看出該方法能夠幫助學生更好地理解和掌握《計算機圖形學》課程的基本理論和算法，提高教學質(zhì)量和教學效率，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①激發(fā)了學生學習《計算機圖形學》課程的興趣。一些圖形學的演示程序能夠吸引學生眼球，讓他們體會到數(shù)學的實際用處，同時通過提供一些基本算法的實現(xiàn)代碼給學生，降低了學生實現(xiàn)算法的難度。

②鍛煉了學生的實踐動手能力。多層次案例庫引導的教學方法強調(diào)的是理論與實踐相結(jié)合，學生在學習過程中必須理解算法的思想，并通過編程語言將算法進行實現(xiàn)，不僅可以鍛煉學生的程序編寫能力，而且也鍛煉了學生綜合分析和解決實際問題的能力。

③增強了學生學習的信心。學生在通過計算機編寫程序過程中，通常會遇到很多的困難，如算法編寫，程序調(diào)試等，最明顯的是只要出現(xiàn)一個小的錯誤會導致程序不能運行。多層次案例庫提供給學生參考代碼，可以幫助學生少走彎路，并有效地完成大型系統(tǒng)的開發(fā)，增強了學生學習的信心。

4 結(jié)論

本文介紹的多層次案例為引導的《計算機圖形學》的教學模式首先通過驗證性案例講解理論、算法和技巧，然后通過綜合性案例進行強化和擴展，最后通過設(shè)計性案例進行實踐和創(chuàng)新，從而使學生真正理解“所學”，并能實際指導“所用”。通過在實際的《計算機圖形學》的教學過程可以看出，該方法能更好地培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，同時為其他相關(guān)課程提供示范作用，對提高教學質(zhì)量和教學效率有著重要意義。

【參考文獻】

【1】胡建平，李鵬松. Matlab在計算機圖形學中的應用 [J]. 東北電力大學學報，2013， 33 （6）：71-74.

【2】倪明田， 吳良之. 計算機圖形學[M]. 北京： 北京大學出版社， 2009.

【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】孔令德.計算機圖形學實踐教學資源庫的設(shè)計與建設(shè)[J]. 計算機教育，2013（13）：87-90.endprint