外國(guó)留學(xué)生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)研究

白曉東 唐貴進(jìn) 趙來(lái)定

摘要：本文以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐為例介紹了該門(mén)課程的特點(diǎn)及主要授課內(nèi)容，總結(jié)了該門(mén)課程的主要教學(xué)內(nèi)容和在教學(xué)實(shí)踐中的難點(diǎn)問(wèn)題，并進(jìn)一步闡述了當(dāng)前在留學(xué)生教學(xué)中可能遇到的問(wèn)題以及采取的解決措施。

關(guān)鍵詞：留學(xué)生教學(xué);計(jì)算機(jī)圖形學(xué);教學(xué)實(shí)踐;課堂教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）22-0193-02

一、引言

隨著中國(guó)科技和教育的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的外國(guó)留學(xué)生選擇到中國(guó)留學(xué)。對(duì)我國(guó)而言留學(xué)生的教育培養(yǎng)有著重要意義：（1）能夠提高中國(guó)與他國(guó)的國(guó)際關(guān)系，促進(jìn)國(guó)際互信，進(jìn)一步提升國(guó)際影響力;（2）可以讓國(guó)外留學(xué)生了解中國(guó)文化，進(jìn)一步傳播弘揚(yáng)中國(guó)傳統(tǒng)文化;（3）外國(guó)留學(xué)生的生源地信息及數(shù)量能夠從側(cè)面衡量中國(guó)科技文化的國(guó)際水平和地位[1]。目前，中國(guó)對(duì)于外國(guó)留學(xué)生教育也極為重視。國(guó)內(nèi)高校紛紛歡迎和接納來(lái)自各個(gè)國(guó)家的本科、碩士及博士留學(xué)生，并擬定詳細(xì)的培養(yǎng)方案[2]。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程是計(jì)算機(jī)及信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要課程之一，尤其是隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)及應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)展，近年來(lái)人才市場(chǎng)對(duì)該專(zhuān)業(yè)人才的需求量較大[3]。

二、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程特點(diǎn)及開(kāi)課必要性

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信息工程及軟件工程專(zhuān)業(yè)重要的理論課程[4]。它采用計(jì)算機(jī)來(lái)生成或處理數(shù)字化的視覺(jué)內(nèi)容，將信息以圖形圖像方式更直觀地展現(xiàn)給用戶，應(yīng)用包括軍事中的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真、研究中的科學(xué)計(jì)算可視化、制造業(yè)中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、教育教學(xué)中的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、娛樂(lè)傳媒中的動(dòng)畫(huà)制作等[5，6]。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的基本原理、主要方法和圖形系統(tǒng)組成，學(xué)會(huì)怎樣用計(jì)算機(jī)生成、處理、存儲(chǔ)和顯示圖形，主要方法包括直線、圓和多邊形的掃描轉(zhuǎn)換算法，區(qū)域填充、裁剪和消隱算法，圖形變換技術(shù)，等等[7]。

三、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法

該課程的本科教學(xué)內(nèi)容以基本方法和基本理論為主，通過(guò)課堂提問(wèn)和課后作業(yè)情況來(lái)及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。本門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容主要安排為五個(gè)章節(jié)[8]。第一章用于講解緒論部分，介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念、發(fā)展歷史、研究?jī)?nèi)容及典型應(yīng)用領(lǐng)域等，使學(xué)生能夠?qū)υ撻T(mén)課程的起源發(fā)展以及學(xué)習(xí)內(nèi)容有整體的認(rèn)識(shí)，并培養(yǎng)起濃厚的學(xué)習(xí)興趣。第二章介紹了顏色的形成原理以及不同的顏色描述系統(tǒng)，即顏色空間。該章主要介紹了常用于計(jì)算機(jī)圖形顯示的RGB顏色空間，常用于圖形圖像編輯處理的HSV、XYZ、CIE L*a*b*顏色空間，打印設(shè)備常用的CMY及CMYK顏色空間。結(jié)合實(shí)際使用場(chǎng)景及相關(guān)產(chǎn)品來(lái)給學(xué)生講解以上顏色空間的通道含義及色域范圍。第三章主要介紹了一些基本圖形生成理論及算法，包括直接、圓以及多邊形的掃描轉(zhuǎn)換算法;多邊形裁剪算法;反走樣算法。從這部分開(kāi)始進(jìn)入該門(mén)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)習(xí)的難度開(kāi)始增大。在對(duì)直線和圓的掃描算法講授中，可從基本掃描算法、Digital Differential Analyzer（DDA）算法、Midpoint算法以及Bresenham算法，由易到難層層遞進(jìn)的逐漸講解。最后，再分別比較不同算法的特點(diǎn)及異同。在多邊形裁剪算法授課中，主要結(jié)合實(shí)際例子講解經(jīng)典的Sutherland-Hodgeman算法，即逐邊裁剪法，其他算法則留給學(xué)生課下選學(xué)。在反走樣的學(xué)習(xí)中，主要講授非加權(quán)區(qū)域采樣的離散算法和基于高斯函數(shù)的加權(quán)區(qū)域采樣的離散算法兩種算法。第四章主要學(xué)習(xí)了曲線以及曲面，介紹了Bézier曲線及Bézier曲面部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的理解能力后續(xù)適當(dāng)增加B-spline曲線部分的教學(xué)。在Bézier曲線的學(xué)習(xí)中，先講解該Bézier曲線數(shù)學(xué)公式及相關(guān)的Bernstein多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而數(shù)學(xué)推導(dǎo)出Bézier曲線的各種數(shù)學(xué)性質(zhì)。在Bézier曲線的生成算法中我們主要介紹了易于理解的Sub-Dividing算法及De Casteljau算法。第五章主要講授了坐標(biāo)系和基本圖形變換，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括齊次坐標(biāo)與非齊次坐標(biāo)的關(guān)系;物體在二維內(nèi)的平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、尺度變換、剪切變換、對(duì)稱(chēng)變換;物體在二維內(nèi)的平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、尺度變換、剪切變換、對(duì)稱(chēng)變換。依次介紹上述圖形變換中涉及的變換矩陣以及各類(lèi)變換矩陣中元素的來(lái)源及含義。

外國(guó)留學(xué)生由于來(lái)源于不同的國(guó)家，前期知識(shí)儲(chǔ)備差異較大。部分留學(xué)生在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及編程能力方面相對(duì)薄弱。課程應(yīng)主要以基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論教學(xué)為主，選取基本圖形生成、曲線曲面、圖形變換三個(gè)方面為主要教學(xué)內(nèi)容，將難度較大的紋理生成及光線跟蹤技術(shù)等部分作為課外選讀內(nèi)容。此外，在課堂授課中應(yīng)更多采用示例教學(xué)，在基本圖形生成、曲線曲面的學(xué)習(xí)中穿插一部分演示動(dòng)畫(huà)，讓留學(xué)生更直觀的理解直線、圓及曲線曲面的生成過(guò)程。為了判斷留學(xué)生是否能跟上教學(xué)節(jié)奏，通過(guò)提問(wèn)和小組討論等方式來(lái)增加與學(xué)生的課堂互動(dòng)，課后合理安排課外作業(yè)以加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和鞏固。

四、關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的有關(guān)思考和建議

根據(jù)留學(xué)生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾方面需要注意。

1.合理安排教學(xué)內(nèi)容及授課進(jìn)度。主要以基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論教學(xué)為主，建議將難度較大的紋理生成及光線跟蹤技術(shù)等部分作為課外選讀內(nèi)容。授課教師應(yīng)更多地與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，并借助課外交流來(lái)了解和評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。能夠針對(duì)學(xué)生因材施教，合理安排授課進(jìn)度，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充章節(jié)學(xué)習(xí)所需的基礎(chǔ)內(nèi)容來(lái)照顧絕大多數(shù)學(xué)生。

2.要求教師不斷提升外語(yǔ)交流能力，克服授課時(shí)的語(yǔ)言交流障礙。教學(xué)中語(yǔ)言交流障礙主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是用英語(yǔ)教學(xué)對(duì)授課教師提出了更高的要求。英語(yǔ)授課需要教師具有較好的外語(yǔ)交流能力，最好教師能夠有一定的海外交流經(jīng)歷。二是留學(xué)生主要來(lái)自于英語(yǔ)非母語(yǔ)的國(guó)家，英語(yǔ)交流能力本身也存在著差異。因此，只要不斷提高授課教師的英語(yǔ)授課能力才能夠更好的保證課程的教學(xué)質(zhì)量。

3.要求教師與學(xué)生能夠更多的進(jìn)行交流和互動(dòng)，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。在與學(xué)生的互動(dòng)方面，可以采用課堂及課后互動(dòng)：在課上互動(dòng)中，可以采用單獨(dú)問(wèn)答及小組討論方式進(jìn)行。在課下互動(dòng)中，可以采用創(chuàng)建微信群或QQ群的方式與學(xué)生一起來(lái)進(jìn)行互動(dòng)。

4.外國(guó)留學(xué)生具有不同的文化背景，存在著不同的文化差異。建議教師最好能提前了解他們的國(guó)別以及基本的文化禁忌，從而能夠與學(xué)生在課上及課后建立良好的互動(dòng)關(guān)系。

五、結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)本科留學(xué)生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容及方法進(jìn)行了梳理，并對(duì)授課中遇到的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了探討。筆者通過(guò)對(duì)該門(mén)課程的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)教學(xué)中所需要注意的方面進(jìn)行了整理分析并嘗試給出合理的教學(xué)建議，以期能夠提高課堂的教學(xué)質(zhì)量，保證留學(xué)生更好地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高專(zhuān)業(yè)技能。

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