數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革探討*

張 鵬 于海燕 劉 強(qiáng) 牛慶麗 張 闖

（鄭州科技學(xué)院 河南鄭州 450064）

計算機(jī)圖形學(xué)在當(dāng)前時代背景下的應(yīng)用前景越來越寬廣，并成為了計算機(jī)科學(xué)中實用的學(xué)科分支之一?；谶@一原因，高校做好計算機(jī)圖形學(xué)的指導(dǎo)教學(xué)工作十分重要。而對于數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)而言，提升計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)效率則更為重要。因此，高校應(yīng)當(dāng)以學(xué)生作為學(xué)科教育的主體，重視教學(xué)實踐，培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)思維，從而實現(xiàn)計算機(jī)圖形學(xué)科的教學(xué)改革目標(biāo)。

一、計算機(jī)圖形學(xué)簡介

計算機(jī)圖形學(xué)的英文名為computer graphics。在長期的實踐過程中，這一學(xué)科技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于游戲產(chǎn)業(yè)、電影產(chǎn)業(yè)以及各類商業(yè)活動之中。該學(xué)科的主要研究內(nèi)容是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，借助計算機(jī)算法，實現(xiàn)二維和三維圖形的光柵化。那么，教師則需要幫助學(xué)生掌握利用計算機(jī)表示圖形的方法、計算、處理、顯示圖形的基本原理和多種相關(guān)算法。從這點來看，基于計算機(jī)圖形學(xué)的理論基礎(chǔ)，學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)虛擬的目標(biāo)能夠得到充分實現(xiàn)。與此同時，借助計算機(jī)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生解決實踐性問題的能力，也是計算機(jī)圖形學(xué)的基本教育目標(biāo)。而長期的教學(xué)實踐中，由于計算機(jī)圖形學(xué)自身由多門學(xué)科的基礎(chǔ)知識交匯構(gòu)成，因此，該學(xué)科的交叉性較強(qiáng)，主要內(nèi)容涉及了相關(guān)專業(yè)課程應(yīng)用領(lǐng)域的多個方面。因此，學(xué)校必須要做好計算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科的滲透教育，通過有力的教學(xué)改革，幫助學(xué)生形成較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底，且使其具備一定的編程能力，進(jìn)而達(dá)成課程教育的預(yù)期效果。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)圖形學(xué)教育改革成了高校的一大教育目標(biāo)，在主要改革內(nèi)容上，計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)資源庫建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法更新成了高校實現(xiàn)教學(xué)模式創(chuàng)新的主要手段。而為了進(jìn)一步地落實教學(xué)改革的基本目標(biāo)，高校有必要分析當(dāng)前計算機(jī)圖形學(xué)課程的基本特點和教學(xué)現(xiàn)狀，從而結(jié)合課程改革方法，建立起更有效的課程教育平臺，幫助學(xué)生更好地感知學(xué)科內(nèi)容，做到既降低教師的教學(xué)難度，又提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[1]。

二、教學(xué)過程中存在的問題分析

以計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科的基本特點為依據(jù)，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵和廣度，當(dāng)前，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過程中主要存在以下幾點問題。

1.教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣相對低下

對于計算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)開展，學(xué)生需要具備一定的相關(guān)學(xué)科知識基礎(chǔ)?？傮w來看，微分幾何中的參數(shù)圖形理論、線性代數(shù)中的空間變換等，都是該學(xué)科的學(xué)科教育基礎(chǔ)。在開展計算機(jī)圖形學(xué)教育之前，學(xué)校應(yīng)當(dāng)做好基礎(chǔ)課程的教育規(guī)劃，促使學(xué)生有一定的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，同時具備較強(qiáng)的算法知識理論。基于較為完善的學(xué)科基礎(chǔ)教育，在開展計算機(jī)圖形學(xué)科教學(xué)時，教師應(yīng)當(dāng)在注重理論教育的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化實踐教學(xué)，促使教學(xué)過程更適應(yīng)課程特點。而基于這種教學(xué)方式，學(xué)科教學(xué)體現(xiàn)出了難度較高的特點，一些難度極高、抽象性較強(qiáng)的學(xué)科內(nèi)容，使得學(xué)生難以長期維持學(xué)習(xí)興趣。這在很大限度上影響了課堂教學(xué)內(nèi)容的深入開展，也是學(xué)科教育難以達(dá)到良好效果的主要原因。

2.實踐教育平臺建設(shè)不完善

當(dāng)前，計算機(jī)圖形學(xué)課程教育已經(jīng)迎來了新的發(fā)展階段，教師有必要利用開源工具中的圖形處理庫和界面開發(fā)框架，實現(xiàn)課程教育應(yīng)用項目的進(jìn)一步拓展。例如，open GL、MFC、qt等，都是教師可以有效利用的教學(xué)工具。這類開源庫不僅能夠幫助教師開展計算機(jī)圖形學(xué)教育，而且，軟件和開源庫自身良好的用戶接口和視覺效果，也將為學(xué)生進(jìn)行更方便的程序開發(fā)提供幫助?，F(xiàn)階段，大部分高校都以C++和Java語言作為主要的開發(fā)平臺，并結(jié)合底層開發(fā)教學(xué)思路幫助學(xué)生實現(xiàn)模型繪制的學(xué)習(xí)目標(biāo)。然而，這樣的教學(xué)實踐平臺，與開源工具的發(fā)展趨勢嚴(yán)重不符，學(xué)生在學(xué)校中所獲得的學(xué)科知識，無法被充分地應(yīng)用于工作崗位的實踐中。

3.實驗教學(xué)內(nèi)容不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科以基本理論算法為基礎(chǔ)，結(jié)合高級語言開發(fā)平臺開展實踐性教學(xué)內(nèi)容，因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生基于廣泛的教學(xué)實踐，檢驗自身的理論和算法能力。學(xué)生需要通過比較和分析，逐漸感知課程核心內(nèi)容。總體來看，在傳統(tǒng)的計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科教育中，圖形變換、圖形建模和圖形展示等具有較強(qiáng)理論性的實驗內(nèi)容，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生在長期的實驗過程中無法培養(yǎng)較強(qiáng)的創(chuàng)新意識。通常來看，大部分高校在開展專業(yè)課程時，往往會設(shè)定特定的時間、目的，大部分實驗內(nèi)容以驗證性操作為主，學(xué)生在進(jìn)行課程實踐時，難以獲得充分的滿足感。即使學(xué)生進(jìn)行大量的課程實踐，也難以深刻理解計算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科內(nèi)容精髓。特別是，大部分實驗在內(nèi)容設(shè)置上并不充分，學(xué)生難以在課程實踐中獲得較大的收益。與此同時，部分高校在課程實踐內(nèi)容的設(shè)置上，并沒有與數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的相關(guān)工程項目和實際應(yīng)用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，這使得學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科的認(rèn)識處在相對初級的層次，也并沒有理解到該學(xué)科的交叉性特點，學(xué)科內(nèi)容難以在專業(yè)實踐中發(fā)揮較高的價值[2]。

4.課程安排不合理，不利于學(xué)生多樣化發(fā)展

大部分學(xué)校在安排計算機(jī)圖形學(xué)課程時，往往設(shè)置于大四第一學(xué)期，而受到就業(yè)、考研等多方面因素的影響，導(dǎo)致學(xué)生對該學(xué)期的課程教育并不關(guān)注。一方面，學(xué)生受到了自身學(xué)習(xí)環(huán)境的影響；另一方面，學(xué)生也并沒有充分認(rèn)識到該課程的內(nèi)在價值。這也是導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容動力不足的主要原因，從而使得課程教學(xué)效果相對較低。基于計算機(jī)圖形學(xué)自身課程內(nèi)容的重要性，高校務(wù)必要重新設(shè)置教學(xué)內(nèi)容安排，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)專業(yè)技能，為培養(yǎng)高素質(zhì)的數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)人才奠定良好的基礎(chǔ)。

三、計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革策略

1.算法可視化協(xié)同理論結(jié)合教育實踐

學(xué)科理論教育和算法教學(xué)是計算機(jī)圖形學(xué)的課程核心教學(xué)內(nèi)容，而教學(xué)實踐則要以計算機(jī)圖形學(xué)理論為基礎(chǔ)，開展更具應(yīng)用價值的創(chuàng)新性教學(xué)。作為一門既注重理論和算法教育，又強(qiáng)調(diào)實踐性教學(xué)的專業(yè)學(xué)科，在開展計算機(jī)圖形教育時，高校必須要注重以上三個課程要素，并利用合理的教學(xué)安排，幫助學(xué)生深刻地理解學(xué)科理論，掌握算法過程，了解并熟練掌握學(xué)科應(yīng)用技能，這將幫助學(xué)生在面對現(xiàn)實中的工程問題和數(shù)據(jù)處理難題時，有效地利用底層算法技能，實現(xiàn)創(chuàng)新目的。教師在引導(dǎo)學(xué)生利用課程知識解決工程問題時，也必須要以實踐化應(yīng)用為基礎(chǔ)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新性實踐能力。當(dāng)前在大部分高校的計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)大綱中，通常利用了以面向理論為核心的教學(xué)方法。而在當(dāng)前教育形勢下，基于計算機(jī)圖形學(xué)的基本特征，教師在引導(dǎo)學(xué)生了解專業(yè)知識時，應(yīng)當(dāng)利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生了解圖形學(xué)內(nèi)容，并將圖形學(xué)算法與具有較強(qiáng)可視化特征的人機(jī)交互界面進(jìn)行深度融合，這將使得理論知識、算法過程、處理結(jié)果能夠在同一界面下進(jìn)行展示。而這種圖形化的界面，使得學(xué)生能夠更好理解算法過程，感受圖形處理結(jié)果。通過這種教育形式，一些相對晦澀難懂的學(xué)科理論將具備較強(qiáng)的可視化特征，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也將初步形成。以學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣為依據(jù)，課程教育中十分復(fù)雜的理論知識，將在學(xué)生既有知識基礎(chǔ)的幫助下進(jìn)一步得到化簡，這也將使學(xué)生更好地理解學(xué)科專業(yè)知識。例如，結(jié)合曲線生成與線性代數(shù)空間變換相關(guān)知識內(nèi)容，學(xué)生將更好地理解處理過程。而基于圖形使用和展示的教育解讀，學(xué)生對基本理論知識的掌握程度將進(jìn)一步加深可視化的數(shù)據(jù)展示，則可以最大程度地避免一些不必要的理論推導(dǎo)[3]。

2.強(qiáng)化教學(xué)實踐的思維拓展教育

教學(xué)實踐是強(qiáng)化學(xué)生理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的有效手段。在當(dāng)前的高校教育過程中，實驗教學(xué)內(nèi)容具有較強(qiáng)的傳統(tǒng)性。這主要體現(xiàn)在，大部分實驗教育往往是以驗證性實驗為主，學(xué)生的自主性難以在實踐過程中得到充分發(fā)展。實踐性較強(qiáng)的實驗教學(xué)卻體現(xiàn)出了枯燥乏味的特征，這極大程度上降低了學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科內(nèi)容的積極性。因此，在進(jìn)行課程改革的過程中，高校有必要進(jìn)一步改善實驗教學(xué)方式，更大程度地利用自主性的實驗教育，讓學(xué)生主動地設(shè)計實驗方案，采取恰當(dāng)?shù)膶嶒灧椒ǎ瑢崿F(xiàn)驗證性實驗和創(chuàng)新性實驗結(jié)合的教育效果，這對于強(qiáng)化實驗課程教育效果具有重要意義。因此，高校有必要建設(shè)更具時代特征的實驗平臺，幫助學(xué)生掌握計算機(jī)自然語言，熟練操作編程軟件，并結(jié)合課程教育的基本內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生參與到交互式框架內(nèi)容平臺實踐中來，從而讓學(xué)生能夠依據(jù)個人學(xué)習(xí)需求，模塊化添加實驗內(nèi)容，讓課程實驗進(jìn)一步體現(xiàn)軟件框架基本特征?；陂_源數(shù)據(jù)庫的支持，高?？梢蕴峁┗诙鄠€開源庫的實驗框架，從而引導(dǎo)學(xué)生更好地進(jìn)行自主驗證、自主設(shè)計和自主實踐?；谶@種教學(xué)改革，學(xué)科教學(xué)內(nèi)容將發(fā)生根本性變革，基于底層的函數(shù)實現(xiàn)教學(xué)將轉(zhuǎn)變?yōu)镚UI交互設(shè)計教育、學(xué)習(xí)函數(shù)內(nèi)容填寫教育。總體來看，實驗教育的改革發(fā)展將促使實踐教學(xué)更具啟發(fā)性，學(xué)生的圖形算法設(shè)計能力、軟件開發(fā)能力將得到充分培養(yǎng)，學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容的感知程度也將進(jìn)一步加深。

3.結(jié)合教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維

對于高校而言，學(xué)科教育不僅是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的舞臺，而且也是幫助學(xué)生更好地融入社會發(fā)展的重要平臺。高質(zhì)量的學(xué)科教育，應(yīng)當(dāng)能夠引導(dǎo)學(xué)生在實踐化的學(xué)科問題中，完成問題探究、問題分析和問題解決等各個教學(xué)過程。這也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科技能，構(gòu)建學(xué)生知識體系的重要方式。因此，在學(xué)科教育過程中，高校教師有必要結(jié)合教學(xué)案例，開展更具啟發(fā)性的教學(xué)，并結(jié)合專業(yè)知識的不同應(yīng)用場景，帶領(lǐng)學(xué)生從不同視角感知計算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科理論。教師要依據(jù)學(xué)生的興趣點，結(jié)合課程技能教育，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得更強(qiáng)的收獲感。為適應(yīng)當(dāng)前國家社會發(fā)展的基本需求，在選擇教學(xué)案例時，教師也要進(jìn)一步分析數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的基本特征，采取更具專業(yè)性的教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生感知社會化工作崗位實踐的實際內(nèi)容?？傮w來看，教師要將計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)與圖形開發(fā)和設(shè)計進(jìn)行有機(jī)融合，例如，結(jié)合open GL、vtk等工具和傳統(tǒng)相機(jī)、primacy sense等設(shè)備，促使圖形學(xué)學(xué)科內(nèi)容研究與教學(xué)案例實現(xiàn)有機(jī)融合。教師應(yīng)重視學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生在社會實踐的教學(xué)案例中獲得啟迪，在學(xué)習(xí)中面向技術(shù)應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，體會專業(yè)知識和社會崗位需求。這種教學(xué)方式，不僅能夠強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感，而且也將為學(xué)生的未來發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。在選取教學(xué)案例時，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的未來發(fā)展方向，以及專業(yè)發(fā)展趨勢，體現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、圖形設(shè)計和計算機(jī)圖形學(xué)基本內(nèi)容，實現(xiàn)不同教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)統(tǒng)一。教師要注重引導(dǎo)學(xué)生，在課程學(xué)習(xí)中獲得直觀化的學(xué)習(xí)感受，體驗學(xué)科內(nèi)容在項目實踐和專業(yè)方向應(yīng)用上的內(nèi)在價值。在學(xué)生掌握一定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的前提下，教師也要以專業(yè)化的教學(xué)案例為基礎(chǔ)，引入真實的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用價值的理解程度。

4.優(yōu)化課程學(xué)習(xí)安排，科學(xué)評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果

作為一門應(yīng)具有較強(qiáng)應(yīng)用性的計算機(jī)課程，教師在開展計算機(jī)圖形學(xué)教育時，必須要進(jìn)一步地調(diào)整課程學(xué)習(xí)安排和學(xué)習(xí)時間設(shè)置，促使學(xué)生的學(xué)習(xí)成果評價更具科學(xué)性和合理性。在當(dāng)前，大部分高校將計算機(jī)圖形學(xué)的授課時間設(shè)置為大四上學(xué)期，而考察模式則為卷面考察，這是導(dǎo)致該學(xué)科教學(xué)效果不佳，對學(xué)生能力培養(yǎng)作用不強(qiáng)的主要原因。因此，高校應(yīng)當(dāng)調(diào)整學(xué)科教學(xué)時間，改為大二下學(xué)期開展課程教育，這是學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)知識的最佳時期。而在課程考察和評價方式方面，高校也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行深入改革，利用課程實踐答辯的形式，綜合考查學(xué)生對學(xué)科知識的掌握程度。教師要引導(dǎo)學(xué)生開展自主化的課程實踐，鼓勵學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中發(fā)揮創(chuàng)新意識，以此來調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用專業(yè)知識能力。

結(jié)語

計算機(jī)圖形學(xué)具有較強(qiáng)的學(xué)科交叉性，因此，高校在教學(xué)過程中必須要利用關(guān)聯(lián)學(xué)科教育，深入分析學(xué)科發(fā)展趨勢，結(jié)合學(xué)科知識的應(yīng)用場景，在教學(xué)過程中更加注重實踐性教育?；诋?dāng)前學(xué)科教育中存在的各類問題，高校應(yīng)當(dāng)注重課程體系完善和教學(xué)案例設(shè)計，通過調(diào)整課程教育時間和教學(xué)方法、教學(xué)評價等環(huán)節(jié)，建設(shè)更具實踐意義和創(chuàng)新意義的專業(yè)課程，為學(xué)生的綜合能力發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。