計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法可視化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

史瑞芳

[摘 要]計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法具有一定的抽象性，難于理解，且較為枯燥，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候難度較大，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，教育教學(xué)方式發(fā)生了巨大的變化。可視化教學(xué)系統(tǒng)就是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)誕生的一種新型教學(xué)方法，其在計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法中應(yīng)用能夠?qū)㈦y以理解的知識(shí)點(diǎn)和抽象的概念，運(yùn)用交互控制技術(shù)進(jìn)行演示，使學(xué)生能夠充分理解相關(guān)的知識(shí)，其對(duì)于教學(xué)具有重要的作用。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)圖像學(xué)；算法；可視化；教學(xué)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.094

[中圖分類號(hào)]G642；TP391.41 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）16-0-02

計(jì)算機(jī)圖像學(xué)主要研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像生成、處理、輸出與顯示的基本原理和算法的學(xué)科，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的重要分支之一，學(xué)習(xí)好這部分知識(shí)能夠有效提升學(xué)生的算法設(shè)計(jì)能力和編程實(shí)踐能力。但是，這門課程的學(xué)習(xí)難度也比較大，一些復(fù)雜的知識(shí)學(xué)生在課堂上難以理解。為了更好地提升教學(xué)質(zhì)量，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，部分學(xué)者嘗試將可視化教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在教學(xué)中，希望能夠借此做好相關(guān)教學(xué)工作。

1 應(yīng)用可視化教學(xué)系統(tǒng)的意義

相關(guān)心理學(xué)研究表明，個(gè)人在一生中所獲得的信息有90%以上都是通過視聽渠道獲取的，而這90%中又有80%是通過視覺獲取的，由此可見，對(duì)于學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)聽覺器官比較重要。所謂的可視化實(shí)際上就是借助科學(xué)設(shè)備，利用人們可視的特點(diǎn)，傳遞、處理和理解各種各樣的信息。在教育教學(xué)知識(shí)的時(shí)候，可視化教學(xué)可謂是隨處可見，如在課堂上教師借助書本、多媒體教學(xué)設(shè)備等傳遞的知識(shí)，實(shí)際上都可以看作是可視化教學(xué)的一部分，可視化教學(xué)通過適當(dāng)教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒖梢暬畔鬟f給學(xué)生，使他們?cè)谧罴训膶W(xué)習(xí)條件下學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，這對(duì)于學(xué)習(xí)者獲取知識(shí)具有較大的幫助。同時(shí)，在教學(xué)工作開展的過程中，可視化教學(xué)還能使教師與學(xué)生更好地進(jìn)行溝通和交流，可視化教學(xué)系統(tǒng)多種多樣，部分系統(tǒng)在傳遞信息的時(shí)候，傳遞的方法比較多，教師在教學(xué)時(shí)也不必拘泥于傳統(tǒng)的課本板書式教學(xué)，在教學(xué)相關(guān)知識(shí)的時(shí)候，教師有了更多的選擇，其與學(xué)生的交流和溝通也更為順暢。同時(shí)，其還具有活躍課堂氣氛的作用，在學(xué)習(xí)知識(shí)的過程中，每個(gè)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的感興趣程度都是不同的，如有的學(xué)生對(duì)于教師所講解的知識(shí)比較感興趣，因此，學(xué)習(xí)積極性相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較高，但是也有許多學(xué)生對(duì)于教師所講解的知識(shí)，不是很感興趣，而在教學(xué)時(shí)就需要教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，可視化教學(xué)的方法比較新穎，能夠通過多種渠道和方法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，因此其對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有重要的作用。

此外，近些年來(lái)，隨著新課程教學(xué)改革工作的深入開展，教育教學(xué)模式也發(fā)生了較大的改變，各種新型教學(xué)方法可謂是層出不窮，這些新型教學(xué)方法的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)創(chuàng)新。可視化教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也是教學(xué)創(chuàng)新的一種表現(xiàn)，其對(duì)于我國(guó)教育教學(xué)事業(yè)的發(fā)展也具有一定的促進(jìn)作用。

2 可視化教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

可視化教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，具有較為鮮明的區(qū)別，其是以現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)為背景誕生的新型教學(xué)模式之一，其在教學(xué)中的應(yīng)用能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撝R(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的知識(shí)，對(duì)于提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力具有重要的作用，在具體的教學(xué)中，其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在教學(xué)中應(yīng)用可視化教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使相關(guān)的教學(xué)理念和教學(xué)方法更好地儲(chǔ)存在學(xué)生的記憶中，不僅有利于學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法，而且對(duì)于學(xué)習(xí)其他學(xué)科的知識(shí)也有著較好的幫助。

（2）具有一定的趣味性?？梢暬虒W(xué)軟件具有一定的趣味性，在教學(xué)中興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)路上的指路明燈，其對(duì)于獲取知識(shí)和提升能力具有重要的作用，但是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也并非是一朝一夕的事情，而可視化教學(xué)系統(tǒng)的趣味性，能夠較好地吸引學(xué)生的注意力，有助于學(xué)生形成學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。而且，在教學(xué)中具有不受時(shí)間和空間限制的特點(diǎn)，學(xué)生在課下也可以借助相關(guān)系統(tǒng)，探究算法知識(shí)，對(duì)于學(xué)生的成長(zhǎng)及發(fā)展具有重要的意義。此外，該系統(tǒng)能夠詳細(xì)地展示算法執(zhí)行的過程，有助于學(xué)生理解和消化重難點(diǎn)內(nèi)容，提升其學(xué)習(xí)能力，幫助他們掌握知識(shí)。

（3）有利于了解學(xué)生。在應(yīng)用可視化教學(xué)法后，教師在教學(xué)中有了更多的時(shí)間了解班上的學(xué)生，進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計(jì)，這樣在后期教學(xué)工作開展的過程中，教師也能夠結(jié)合學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，更好地開展相關(guān)的教學(xué)工作。

3 教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法具有一定的抽象性，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)時(shí)，如果僅僅只是依靠傳統(tǒng)的靜態(tài)代碼教學(xué)，讓學(xué)生自行想象圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化是一件極為困難的事情，長(zhǎng)期如此很容易使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的積極性。為了讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖像學(xué)算法原理有更加清晰的理解和認(rèn)識(shí)，更加直觀的印象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在教授該課程時(shí)，教師借助了大量多媒體教學(xué)技術(shù)開展相關(guān)的教學(xué)工作，但是這些教學(xué)軟件在應(yīng)用過程中也存在較多的問題。例如：針對(duì)部分教學(xué)軟件知識(shí)課本的電子版本，教師只是簡(jiǎn)單地將課本上的知識(shí)搬到投影儀上，教學(xué)方法可謂是換湯不換藥；算法雖然采取了Flash動(dòng)畫演示，但在教學(xué)中也只是按照預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)行算法描述和演示，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中只是被動(dòng)地接受教學(xué)內(nèi)容，無(wú)法根據(jù)自己的需要輸入不同的條件改變輸出結(jié)果，更無(wú)法控制動(dòng)畫演示的進(jìn)度，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，還是單方面地接受知識(shí)，教學(xué)互動(dòng)效果并不是十分理想。此外，這些傳統(tǒng)的教學(xué)軟件還缺乏在線寫作學(xué)習(xí)的功能，教學(xué)效果并不是十分理想。

針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件中存在的不足，可視化教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法教學(xué)的實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)過程中做了較大的改變和嘗試。首先，該系統(tǒng)建立了虛擬柵格和以可見點(diǎn)模擬人眼不可見的像素點(diǎn)，在教學(xué)中其能夠有效地利用可視化技術(shù)以動(dòng)畫形式模擬該課程基本算法的實(shí)現(xiàn)過程、難以理解的知識(shí)點(diǎn)和抽象概念等。其次，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其注重運(yùn)用交互控制技術(shù)，注重學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的參與性，如在學(xué)習(xí)知識(shí)的時(shí)候，學(xué)習(xí)者能夠借助交互控制技術(shù)針對(duì)不同的算法修改參數(shù)和調(diào)整演示速度。最后，該系統(tǒng)還開發(fā)了題目實(shí)施更新的課后練習(xí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者在課堂上的課程學(xué)習(xí)結(jié)束之后，還可以借助系統(tǒng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等，滿足多元化的學(xué)習(xí)需求，教學(xué)平臺(tái)較為完善，學(xué)生的學(xué)習(xí)需要得到了充分滿足，具體設(shè)計(jì)如下。

3.1 技術(shù)路線

可視化編程工具將計(jì)算機(jī)圖像學(xué)課程所涉及的一些算法進(jìn)行了可視化，如直線、曲線生成、橢圓生產(chǎn)、直線段裁剪、多邊形填充和分形模擬的動(dòng)態(tài)演示等，在將這些內(nèi)容可視化之后，其滿足了學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需要，提高了教學(xué)效率和教學(xué)效果。而且在教學(xué)時(shí)，其對(duì)于一些抽象概念、理念等進(jìn)行模擬，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形的點(diǎn)、線、面生成原理進(jìn)行介紹，對(duì)多種直線、橢圓、曲面的生成算法進(jìn)行介紹和演示，從而也能夠幫助學(xué)生更好地鞏固課堂學(xué)習(xí)重點(diǎn)，理解圖形在計(jì)算機(jī)中的生成原理，掌握計(jì)算機(jī)中的圖形生成算法。此外，該技術(shù)還能模擬人眼看不見的屏幕像素，并且以動(dòng)畫的形式完成個(gè)性算法動(dòng)畫演示過程，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

而GDI圖形處理技術(shù)，則采用了C++面向?qū)ο笳Z(yǔ)言完成教學(xué)課件的制作，這樣教學(xué)運(yùn)行效率更好。在系統(tǒng)中，還制作了圖像放大演示，從而學(xué)習(xí)者能夠了解在計(jì)算機(jī)中圖形的真實(shí)一面；學(xué)生可以在二維圖形的幾何變換中自己畫圖，自由地變化，從而也有助于學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的動(dòng)畫原理。例如，三維立方體的空間運(yùn)動(dòng)演示中和貝塞爾曲面的透視演示，學(xué)生可以感受三維的震撼效果并且理解3D建模的原理，有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行理解和鞏固。

3.2 理論設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容在向?qū)W生傳授的過程中，都存在有說(shuō)明表現(xiàn)和演示過程等方面的不足。因此，在進(jìn)行可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也較為注重這方面內(nèi)容的設(shè)計(jì)，如在系統(tǒng)中將程序執(zhí)行過程以及數(shù)據(jù)演變過程形象的設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)屏幕上通過動(dòng)態(tài)圖形的方式表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生能夠更加直觀地理解相關(guān)的內(nèi)容。

在教學(xué)中，算法可視化教學(xué)能夠展示運(yùn)動(dòng)過程，彌補(bǔ)課本中只能以插圖或者是文字說(shuō)明教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的局限性。同時(shí)，應(yīng)用該教學(xué)模式，還能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、想象力和邏輯思維能力，有助于提升學(xué)生解決問題的能力。而且，在設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)時(shí)，其所設(shè)計(jì)的界面一般都比較友好，具有動(dòng)態(tài)交互的優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需要，幫助他們進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，獲取自己想要的知識(shí)，并且在教學(xué)中不受時(shí)間和空間的局限，使師生之間的聯(lián)系更加的密切。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)圖像學(xué)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖像學(xué)課程之后，其有助于學(xué)習(xí)者向科學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真、信息數(shù)據(jù)的可視化、虛擬顯示、動(dòng)畫、游戲和數(shù)字娛樂等行業(yè)發(fā)展。同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖像學(xué)的相關(guān)知識(shí)還能夠解決計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育難以直接解決用戶面臨的實(shí)際應(yīng)用問題，彌補(bǔ)了當(dāng)前計(jì)算機(jī)仿真等環(huán)節(jié)的缺失，使計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，對(duì)于開展相關(guān)教學(xué)工作具有一定的促進(jìn)作用。

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