計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)模式探討與改進(jìn)

1、 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)模式探討與改進(jìn) 張艷車(chē)冬娟Summary： 針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論性強(qiáng)、學(xué)科交叉、算法推導(dǎo)枯燥、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度大且效率不高等實(shí)際教學(xué)情況，分析了傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題，提出了新的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)中，注重知識(shí)點(diǎn)的連貫性，增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)，加強(qiáng)與交叉學(xué)科課程的聯(lián)系，課上講解結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采取實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及上機(jī)方式；在課程考核上，注重實(shí)踐能力的考核。實(shí)踐表明，新的教學(xué)方式可顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及應(yīng)用能力。Keys： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)； 教學(xué)模式； 應(yīng)用能力； 可視化教學(xué)G642 ：A ：1006-8228（2016）11-80-03Discussion a

2、nd improvement of computer graphics teaching modeZhang Yan， Che Dongjuan（Dept. of Software Engineering， North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang， Hebei 065000， China）Abstract： Aiming at the actual teaching situation in computer graphics of the strong theory， interdisciplinary， algori

3、thm derivation boring， experiment content difficult and inefficient， the problems existed in traditional computer graphics teaching mode are analyzed and new teaching methods are proposed. In the classroom teaching， pay attention to knowledge consistency， increase the heuristic and visualized teachi

4、ng， and strengthen the relationship with interdisciplinary course， combine the classroom explanation with the experiment result to theoretically analyze； in the experimental teaching， take the experimental instruction and on computer operation； in the course assessment， focus on practical ability as

5、sessment. Practice shows the proposed teaching methods can improve students learning enthusiasm and application ability.Key words： computer graphics； teaching mode； application ability； visualized teaching0 引言計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形并在專(zhuān)門(mén)設(shè)備上顯示和處理的學(xué)科1，它與數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算幾何等學(xué)科有著密切的關(guān)系，是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程，適用于如計(jì)算機(jī)、電

6、子、通信、遙感等專(zhuān)業(yè)。課程著重圖形生成及處理的算法，理論性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生不易理解。而目前的課堂教學(xué)側(cè)重于理論教學(xué)，把較多精力放在算法的理論推導(dǎo)上，講授內(nèi)容較為枯燥，考核方式相對(duì)單一，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，需要對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行系統(tǒng)化的改進(jìn)創(chuàng)新，以適應(yīng)當(dāng)前科技發(fā)展現(xiàn)狀。1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，人們對(duì)可視化技術(shù)提出了更高要求。為了讓學(xué)生更深入地掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論課程和相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐技能，教師必須探索新的課程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高學(xué)生的理論及實(shí)踐能力。目前，此課程教學(xué)模式主要存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題。 教學(xué)內(nèi)容相對(duì)單一，與相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)聯(lián)系少表面上看，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課

7、程的主要內(nèi)容是圖形算法，因此講授重點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn)主要是算法的推導(dǎo)及理解。實(shí)際上，本課程是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程，算法的推導(dǎo)不僅需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還需要其他相關(guān)課程的輔助學(xué)習(xí)。而目前很多高校在課程教學(xué)中很少與相關(guān)學(xué)科相結(jié)合，從而造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，很難抽象地想象一些圖形的生成原理及處理過(guò)程。 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺少對(duì)實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材種類(lèi)繁多，但相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材卻寥寥可數(shù)。很多高校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是根據(jù)課本提供的源代碼讓學(xué)生擴(kuò)充來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些源代碼的書(shū)寫(xiě)沒(méi)有考慮學(xué)生的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度高。這會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)從下手，產(chǎn)生畏懼心理，更談不上對(duì)算法的深刻理解，降低了

8、學(xué)習(xí)積極性，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。 課程考核普遍過(guò)于側(cè)重理論成績(jī)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的主要教學(xué)目標(biāo)是掌握相關(guān)圖形算法，并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程加以實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用及改進(jìn)。但現(xiàn)在課程考核較多地注重書(shū)面考試成績(jī)，忽視了學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題能力的考核，更缺乏對(duì)創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的綜合考評(píng)。2 具體改進(jìn)措施2.1 改進(jìn)課堂教學(xué)模式本節(jié)針對(duì)課堂教學(xué)存在問(wèn)題，提出以下教學(xué)方法。 注重知識(shí)點(diǎn)的連貫性，增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程內(nèi)容主要分三部分。第一部分是概述，讓學(xué)生了解與圖形學(xué)相關(guān)的軟硬件及作用和研究發(fā)展等。第二部分涉及到二維圖形的處理技術(shù)。第三部分是在第二部分的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)三維圖形的處理技術(shù)。經(jīng)過(guò)

9、課程的學(xué)習(xí)學(xué)生可以完成簡(jiǎn)單的線(xiàn)畫(huà)圖元的生成到真實(shí)感場(chǎng)景的重現(xiàn)。 課程各個(gè)部分有著密切的聯(lián)系，圍繞簡(jiǎn)單的圖元生成到真實(shí)感場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)為主線(xiàn)。在教學(xué)的過(guò)程中，教師應(yīng)以這門(mén)課程的大致流程為主線(xiàn)進(jìn)行講解，以此降低學(xué)生理解的難度。課程增加啟發(fā)式與可視化教學(xué)，可以降低學(xué)生理解難度，以生成真實(shí)感場(chǎng)景為目的讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中思考需要哪些技術(shù)。例如圖12所示的真實(shí)感場(chǎng)景需要哪些技術(shù)。通過(guò)可視化圖形進(jìn)行講解，啟發(fā)學(xué)生。教師將中間使用的相關(guān)算法（投影、顏色、隱藏面的消除、光照明模型與真實(shí)感圖形的繪制等）講解給學(xué)生并提供效果圖，學(xué)生由于看到了效果圖，一目了然，就會(huì)對(duì)相關(guān)算法產(chǎn)生興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。 與交叉學(xué)科課程

10、相輔相成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程，教師在講課時(shí)要講清楚各個(gè)課程的主要研究?jī)?nèi)容及重要概念，了解這些課程之間的關(guān)系。由此，我們提出以“實(shí)踐為導(dǎo)向，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，突出教學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)。增加交叉學(xué)科知識(shí)的講解，強(qiáng)調(diào)各學(xué)科的研究重點(diǎn)，區(qū)分各學(xué)科易混淆概念，使課程教學(xué)適應(yīng)當(dāng)前專(zhuān)業(yè)人才綜合性培養(yǎng)要求。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析在講解算法時(shí)，學(xué)生不易理解，教學(xué)采用預(yù)先演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的案例教學(xué)方式，讓學(xué)生看到演示結(jié)果之后加深算法的了解，可激發(fā)學(xué)生自己動(dòng)手編程實(shí)踐的欲望。如二維填充圖元的生成這一章節(jié)中，涉及到多邊形掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充方法，這兩種方法雖然都是光柵圖形的面著色，用于真實(shí)感圖

11、形顯示，在一定條件下可相互轉(zhuǎn)換，但基本思想、對(duì)邊界的要求、基本條件均不同。為了使學(xué)生更好地理解這兩種方法，在講解理論知識(shí)時(shí)可預(yù)先演示兩種算法的執(zhí)行過(guò)程，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行講解。如：區(qū)域填充方法要選定種子點(diǎn)，且種子點(diǎn)不能選在區(qū)域以外；兩種方法在填充區(qū)域時(shí)可明顯看到多邊形掃描轉(zhuǎn)換速度快；當(dāng)選用區(qū)域填充的掃描線(xiàn)種子填充算法時(shí)，適用于邊界表示的4連通區(qū)域，而多邊形掃描轉(zhuǎn)換沒(méi)有邊界要求。如圖2（a）所示，是掃描線(xiàn)種子填充算法，由于邊界不是4連通區(qū)域，是8連通區(qū)域，因此填充部分溢出了。如圖2（b）所示，用多邊形掃描轉(zhuǎn)換方法會(huì)正確的繪制出理想效果。圖3是邊界為4連通區(qū)域的多邊形。兩種方法均可得到理想的填充效果，而

12、在填充的過(guò)程中多邊形掃描轉(zhuǎn)換方法是按y的坐標(biāo)從小到大的順序填充的；掃描線(xiàn)種子填充算法填充順序是按種子點(diǎn)為分界線(xiàn)，先填充一部分后，再填充剩下的一部分，且速度慢于掃描轉(zhuǎn)換方法。圖3是掃描線(xiàn)種子填充算法過(guò)程圖。 鼓勵(lì)學(xué)生做好課下總結(jié)課后知識(shí)點(diǎn)總結(jié)與鞏固對(duì)于學(xué)生真正掌握課程內(nèi)容有著十分重要的意義，傳統(tǒng)的教學(xué)是通過(guò)書(shū)面作業(yè)的形式要求學(xué)生進(jìn)行課下練習(xí)，鞏固所學(xué)知識(shí)。這種方式是帶有強(qiáng)迫性的，有些學(xué)生甚至為了完成任務(wù)而出現(xiàn)抄襲情況。為了激發(fā)學(xué)生的積極性及主動(dòng)性，教師可以鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生以博客、微博、微信等網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行總結(jié)，將課上所學(xué)知識(shí)或者自己的學(xué)習(xí)心得甚至作業(yè)及時(shí)提交到網(wǎng)絡(luò)中，教師定期瀏覽學(xué)生的博文，及時(shí)發(fā)現(xiàn)

13、學(xué)生學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，掌握教學(xué)動(dòng)態(tài)。學(xué)生通過(guò)書(shū)寫(xiě)博文，鞏固知識(shí)，亦可相互瀏覽，如此開(kāi)放的方式使學(xué)生羞于抄襲。另外，還要鼓勵(lì)學(xué)生課下以網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行交流，以便及時(shí)解決問(wèn)題。2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，通過(guò)上機(jī)實(shí)踐可以以可視化的形式將算法實(shí)現(xiàn)，從而加強(qiáng)對(duì)算法的掌握并讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到相關(guān)算法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值3。因此實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)對(duì)這門(mén)課有著十分重要的作用。根據(jù)以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)主要滿(mǎn)足條件如下： 與課本內(nèi)容相輔相成； 實(shí)驗(yàn)環(huán)境以所學(xué)語(yǔ)言為基礎(chǔ)； 實(shí)驗(yàn)難度要適宜。根據(jù)以上要求，從實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置及上機(jī)安排上進(jìn)行改革，以完善課程的連貫性并激發(fā)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性。由于MFC（Mi

14、crosoft Foundation Classes）可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單圖元到真實(shí)感場(chǎng)景的生成設(shè)計(jì)4，實(shí)驗(yàn)課程采用MFC開(kāi)發(fā)圖形學(xué)案例。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般要求學(xué)生在上機(jī)課結(jié)束后交紙質(zhì)版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，致使一部分同學(xué)上機(jī)課慵懶，甚至忽視上機(jī)前的預(yù)習(xí)工作，效率低下。針對(duì)此問(wèn)題，教師可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前進(jìn)行驗(yàn)收或者提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。如：教師可以指導(dǎo)學(xué)生在上機(jī)課結(jié)束前將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交到Moodle平臺(tái)（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment，是一種為學(xué)生建立網(wǎng)上動(dòng)態(tài)網(wǎng)站的開(kāi)源課程管理工具）5，教師在平臺(tái)上了對(duì)提交作業(yè)進(jìn)行打分，書(shū)寫(xiě)評(píng)語(yǔ)，將學(xué)生提交的

15、報(bào)告的修改稿再次提交到平臺(tái)，反饋給學(xué)生。如此減少學(xué)生課下拖延及抄襲狀況，并在上機(jī)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并隨時(shí)請(qǐng)教老師。2.3 改進(jìn)課程考核模式課程考核是學(xué)生學(xué)習(xí)課程的指揮棒，是督促學(xué)生掌握課本理論知識(shí)，進(jìn)行實(shí)際操作，檢驗(yàn)理論知識(shí)和實(shí)踐效果的一種手段。應(yīng)以提高學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力為目的，不拘泥于試卷成績(jī)。傳統(tǒng)的考試方式是以筆試考核為主的檢驗(yàn)手段，這種方式不能對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)做出判斷。教師應(yīng)采用靈活有效的考核模式。課程考核應(yīng)加大上機(jī)及平時(shí)成績(jī)的加權(quán)系數(shù)，尤其注重學(xué)生上機(jī)時(shí)對(duì)理論知識(shí)掌握而表現(xiàn)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。平時(shí)成績(jī)要將學(xué)生以網(wǎng)絡(luò)等形式進(jìn)行課程內(nèi)容的總結(jié)部分一并計(jì)入成績(jī)中。3 結(jié)束語(yǔ)本文從課堂教學(xué)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程考核等方面提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)模式新方法，實(shí)踐表明，本文提出方法可顯著提高課程的教學(xué)效果。今后的教學(xué)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)要以能力培養(yǎng)和提高學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，以理論算法為主線(xiàn)，上機(jī)實(shí)現(xiàn)算法為輔線(xiàn)，采用公正且注重實(shí)踐能力的課程考核方式，以此提高學(xué)生創(chuàng)新能力及應(yīng)用能