計算機圖形學(xué)教學(xué)研究與實踐

1、 計算機圖形學(xué)教學(xué)研究與實踐 嚴(yán)圣華(長江大學(xué) 計算機學(xué)院，湖北 荊州 434023)摘 要：本文針對計算機圖形學(xué)的特點及以往教學(xué)中出現(xiàn)的問題，論述了改進課堂教學(xué)、實驗教學(xué)的方法。實踐表明，文中提出的教學(xué)模式對加深學(xué)生對課程的理解、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高課程教學(xué)質(zhì)量有明顯效果。Keys：計算機圖形學(xué)；教學(xué)環(huán)節(jié)；教學(xué)模式；教學(xué)改革：1672-5913(2010)13-0114-03 G642 ：A計算機圖形學(xué)是研究如何利用計算機顯示、生成和處理圖形的原理、方法、技術(shù)的一門學(xué)科，也是計算機及相關(guān)學(xué)科的一門重要專業(yè)選修課。課程開設(shè)的目的在于使學(xué)生掌握計算機圖形生成與處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識、基本原理和方法

2、，培養(yǎng)學(xué)生與圖形有關(guān)的軟件設(shè)計能力1-2。以往的教學(xué)實踐表明，該課程理論難度大、實踐性強，且作為選修課學(xué)時有限，極易造成教學(xué)低效、學(xué)生厭學(xué)等不良現(xiàn)象。在教學(xué)過程中如何利用有效的教學(xué)模式，解決課時少與內(nèi)容多的矛盾、理論與實踐的矛盾、學(xué)科發(fā)展與社會應(yīng)用的矛盾，是各高校在圖形學(xué)教學(xué)工作中必須面臨的一個重要問題3-4。1 計算機圖形學(xué)教學(xué)研究1.1 傳統(tǒng)的教學(xué)模式及存在的問題計算機圖形學(xué)這門課程從簡單的基本圖形，如直線、圓的生成顯示到復(fù)雜的有真實感效果的三維場景模擬都涉及了大量的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，而國內(nèi)多數(shù)圖形學(xué)教科書基本取材于幾本經(jīng)典的教科書，這些教科書重點講述20世紀(jì)70年代、80年代的圖形技術(shù)，內(nèi)容

3、編排只強調(diào)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此，學(xué)生若數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識不太牢固就很難較好地掌握這門課程。雖有部分教師從實用角度來講授計算機圖形學(xué)技術(shù)，但對理論基礎(chǔ)涉及較少，也難以深入。另外，國內(nèi)大部分教材章節(jié)目錄的設(shè)置基本一致，都是從計算機圖形繪制流水線最底層的硬件設(shè)備逐步過渡到高層的真實感圖形學(xué)繪制算法，這是一種從底部到頂部的順序，不符合通常的邏輯思維過程，對學(xué)生來說，掌握計算機圖形學(xué)課程的知識結(jié)構(gòu)不夠清晰，學(xué)完這門課，學(xué)生只掌握了分散的知識點，卻不能將各個知識點串連起來，只見樹木，不見森林，學(xué)生很難建立計算機圖形學(xué)這門課程的知識結(jié)構(gòu)1-2。計算機圖形學(xué)課程具有很強的理論性和實踐性3。它要求學(xué)生既要掌握理論知

4、識，也能把所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，并在應(yīng)用實踐中不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。計算機圖形學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的重點是基本理論和算法的講解，主要以教材為中心，側(cè)重理論教學(xué)，忽視實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這勢必導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率低下，難以面對和解決新的問題，學(xué)生的發(fā)散性思維、逆向思維被束縛，作為認(rèn)知主體，學(xué)生主動性無從發(fā)揮，靈活和綜合運用所學(xué)圖形學(xué)知識進行創(chuàng)新的能力不高，這種情況應(yīng)引起重視4。1.2 新教學(xué)模式的探索近年來我們就計算機圖形學(xué)的課程教學(xué)改革進行嘗試，在充分吸收國內(nèi)外知名大學(xué)教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上4-5，重新制定計算機圖形學(xué)的教學(xué)大綱，從積極轉(zhuǎn)變思想認(rèn)識、恰當(dāng)組織教學(xué)內(nèi)容、有效調(diào)整教學(xué)模式、高效運

5、用教學(xué)手段、合理分配實踐環(huán)節(jié)、完善教學(xué)考評方式等方面探索計算機圖形學(xué)的教學(xué)改革，在注重基本理論和基本技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，重點進行實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生既適應(yīng)現(xiàn)在社會的需求，又能跟上現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，從而達(dá)到滿意的教學(xué)效果。新的教學(xué)模式從學(xué)生的實際情況出發(fā)，以課堂講授為主，上機實驗為輔的方式來組織教學(xué)。針對選修課學(xué)時較少的特點，教學(xué)以講清基本原理和概念為第一目標(biāo)，重點培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣；按照計算機圖像繪制流水線調(diào)整課程章節(jié)順序，合理安排課堂教學(xué)內(nèi)容，并采用以學(xué)生為教學(xué)主體、教師為教學(xué)主導(dǎo)的“雙主”模式，把教師和學(xué)生兩方面的主動性、積極性都調(diào)動起來，最終目標(biāo)

6、是要通過這種新的教學(xué)思想來優(yōu)化學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)效果，以便培養(yǎng)出具有高度創(chuàng)新能力的新型人才。計算機圖形學(xué)多媒體教學(xué)的實現(xiàn)，使教師的授課更方便，圖形學(xué)的算法演示更形象具體，學(xué)生更容易接受，也提高了教學(xué)質(zhì)量。另外我們還在教學(xué)過程中增加面向?qū)W科前沿的內(nèi)容，使學(xué)生能及時了解學(xué)科發(fā)展的最前沿，開闊學(xué)生視野，激發(fā)自主學(xué)習(xí)的興趣，提高自主學(xué)習(xí)的意識，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。1.3 教學(xué)實踐中的具體做法1.3.1 精心準(zhǔn)備第一堂課，激發(fā)學(xué)生興趣計算機圖形學(xué)是一門應(yīng)用廣泛的學(xué)科，學(xué)生在日常學(xué)習(xí)生活中能感受到計算機圖形學(xué)在教學(xué)、娛樂、廣告等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，所以，學(xué)生對此門課程有很大興趣。但在多數(shù)人的印象中，計算機圖形學(xué)和

7、其他專業(yè)課相比較，數(shù)學(xué)公式太多，難以學(xué)習(xí)和理解。第一堂課的內(nèi)容是對圖形學(xué)的介紹，涉及圖形學(xué)的內(nèi)容、圖形學(xué)的應(yīng)用和圖形學(xué)的發(fā)展歷史等，難度不大，但要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，第一堂課的講解非常關(guān)鍵，它在很大程度上決定了學(xué)生是否定選這門課。圖形學(xué)的理論抽象，但所表示的內(nèi)容卻非常形象，這可以作為教學(xué)的突破口。游戲動畫很容易吸引學(xué)生眼球，從一個動畫短片或游戲片段出發(fā)，將所涉及的圖形學(xué)知識融會貫通，引出圖形學(xué)的相關(guān)知識，讓學(xué)生在不知不覺中了解圖形學(xué)、接受圖形學(xué)，這樣做可以輕松建立起相關(guān)知識點與實際應(yīng)用的聯(lián)系，學(xué)生易于接受、理解，也能激發(fā)學(xué)生興趣。1.3.2 認(rèn)真組織課堂教學(xué)內(nèi)容，注重教學(xué)方法和手段計算機圖形

8、學(xué)課程的基本目標(biāo)是全面而系統(tǒng)地理解計算機圖形學(xué)的相關(guān)概念、原理和知識，了解當(dāng)前的研究熱點。因而教學(xué)內(nèi)容的選取應(yīng)跟上學(xué)科發(fā)展的步伐，介紹一些當(dāng)前的研究熱點及重要文獻，使學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展情況，同時增加課堂教學(xué)的趣味性。為了提高課堂教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生牢固掌握知識結(jié)構(gòu)中重要的知識點，我們應(yīng)合理地選擇各種現(xiàn)代教學(xué)方法和手段。為了讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)掌握本課程的教學(xué)內(nèi)容，本課程的教學(xué)應(yīng)該是基礎(chǔ)內(nèi)容側(cè)重于深度，應(yīng)用內(nèi)容側(cè)重于廣度。保證基礎(chǔ)理論部分有“點”的深度，高級應(yīng)用部分有“面”的廣度。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)地獲得計算機圖形學(xué)的基本知識，必要的基礎(chǔ)理論和常用的圖形生成方法，并掌握圖形軟件的有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)

9、，為以后學(xué)習(xí)相關(guān)課程和從事相關(guān)研究與開發(fā)工作奠定堅實的理論基礎(chǔ)。在教學(xué)方法上注意啟發(fā)性，在介紹算法及其改進方法的奇思妙想時，我們以講故事的形式將知識點串連起來，啟發(fā)學(xué)生思考。例如，在講畫線算法前，應(yīng)啟發(fā)學(xué)生思考，讓他們知道為什么在屏幕上畫直線段時，經(jīng)常出現(xiàn)鋸齒？如何解決？另外，在詳細(xì)介紹了繪制直線和圓的算法的情況下，鼓勵大家自學(xué)橢圓算法等。這些思考的問題可以引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué)，減輕課堂負(fù)擔(dān)，使課堂教學(xué)的目標(biāo)清晰任務(wù)簡化。在教學(xué)手段上，采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相結(jié)合，充分發(fā)揮圖形圖示、動畫演示的作用，“一幅畫勝過千言萬語”。將圖形學(xué)的常用算法做成演示程序，或者用Flash制作演示圖形學(xué)算法

10、執(zhí)行過程的動畫片，然后將其嵌入到多媒體教學(xué)課件中，使學(xué)生通過算法執(zhí)行過程的動態(tài)演示，加深對算法的理解，激發(fā)學(xué)生自己動手編程實踐的欲望。強調(diào)對比學(xué)習(xí)方法，對解決同一問題的不同方法進行比較，如介紹曲線曲面時，可以比較Bezier、B樣條、NURBS曲線曲面之間計算公式、基本概念和幾何性質(zhì)，并采用圖示，根據(jù)給定相同位置的幾組控制點，繪制不同的曲線，比較它們的彎曲程度、平滑效果等幾何特點。在講解圖形學(xué)的應(yīng)用時，結(jié)合現(xiàn)實生活中的例子采用案例教學(xué)法，用多幅圖片、視頻生動地講解，不僅解決了課時少、知識點多、時效性差等問題，而且能讓學(xué)生身臨其境，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。1.3.3 多種措施促實踐，切實提高

11、應(yīng)用能力計算機圖形學(xué)課程具有很強的實踐性，目標(biāo)是將學(xué)生的計算機操作能力、分析能力、設(shè)計能力與應(yīng)用實踐結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地掌握計算機圖形學(xué)基本理論和算法。對于獨立的、復(fù)雜度比較小的算法，如基本圖元的繪制、圖形的基本變換、裁剪和反混淆技術(shù)等，在講授課程內(nèi)容的同時即安排學(xué)生上機，并要求一周內(nèi)提交編程的源代碼及上機報告，目的是加深學(xué)生對這些獨立的小算法的理解，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際、動手編程的能力，同時通過對各種圖形學(xué)算法的設(shè)計、對比、分析，提高分析、解決問題的能力。為了幫助學(xué)生對整門課程在理解上做到融會貫通，除了基本的算法設(shè)計與編程外，還要增加大作業(yè)方式，不固定設(shè)計要求，讓學(xué)生根據(jù)教師所講內(nèi)容

12、自己設(shè)計程序的界面以及所包含的功能，開發(fā)環(huán)境及編程語言不限，讓學(xué)生根據(jù)自己能力大小自由發(fā)揮，完成個性化的作業(yè)；如教學(xué)計劃允許，也可改為進行課程設(shè)計。總之，要有一個對學(xué)生計算機圖形學(xué)課程作綜合測試的環(huán)節(jié)，以考核學(xué)生分析問題、設(shè)計算法、編寫程序和系統(tǒng)調(diào)試的能力。1.3.4 注重第二課堂，提高創(chuàng)新能力由于計算機圖形學(xué)是專業(yè)限選課，學(xué)時不多，我們一般安排30個理論學(xué)時和10個實驗學(xué)時。為了解決課時少與內(nèi)容多的矛盾，還應(yīng)充分利用課外時間開展第二課堂的活動，更好地完成大作業(yè)或課程設(shè)計，提高創(chuàng)新能力。大作業(yè)是讓學(xué)生將課程的主要內(nèi)容通過一個程序?qū)崿F(xiàn)，有一定的難度。能力強的學(xué)生可以一個人獨立完成，能力一般的學(xué)生

13、，我們則鼓勵他們組成小組，小組成員互相協(xié)作，培養(yǎng)團隊精神與協(xié)作意識。為了進一步調(diào)動學(xué)生挑戰(zhàn)困難的勇氣，就大作業(yè)的實現(xiàn)， 還可舉行程序設(shè)計比賽，以實現(xiàn)效果、軟件運行性能、程序可讀性等方面作為指標(biāo)進行比較，促進整個班級的良好學(xué)風(fēng)的形成。另外，我們還組織學(xué)生剖析成熟的圖形系統(tǒng)，分析開源的成熟代碼，幫助學(xué)生理解大系統(tǒng)的構(gòu)造及具體功能的實現(xiàn)。在課程后期，鼓勵學(xué)生結(jié)合自己的興趣、研究方向，通過查閱文獻資料，撰寫一篇反映計算機圖形學(xué)最新研究進展的文獻綜述報告，以提高學(xué)生跟蹤學(xué)科前沿、文獻檢索與綜述的能力。1.3.5 嚴(yán)格教學(xué)的過程化管理與綜合考評重視教學(xué)的過程化管理與考核是保證教學(xué)質(zhì)量的重要手段，考評的目的

14、不僅是為了考核學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握課程情況，更重要的是鼓勵和督促學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。對課堂、作業(yè)、實驗等環(huán)節(jié)要進行有效的管理，及時發(fā)現(xiàn)和糾正每一環(huán)節(jié)中存在的問題?？己藭r采用綜合考評的方式，打破單純試卷的考評方式，充分重視學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識、應(yīng)用能力、綜合運用及創(chuàng)新能力等各方面的情況。2 結(jié)語我院多年的計算機圖形學(xué)教改實踐表明，新的教學(xué)模式效果明顯。學(xué)生普遍反映較好，認(rèn)為內(nèi)容充滿趣味性，學(xué)習(xí)主動性和積極性不斷提高。計算機圖形學(xué)科發(fā)展迅猛，應(yīng)用越來越廣，今后教學(xué)實踐中還應(yīng)進一步改進教學(xué)模式，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，將培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力作為最終目標(biāo)6-7。Reference：1 孫家廣,胡事民. 計算

15、機圖形學(xué)基礎(chǔ)教程M. 北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-8.2 倪明田,吳良芝. 計算機圖形學(xué)M. 北京:北京大學(xué)出版社,1999:1-22.3 覃雄派. 計算機專業(yè)本科的圖形學(xué)實踐教學(xué)J. 計算機教育,2007(11):80-83.4 王玉琨,王永茂.“計算機圖形學(xué)”課程改革與創(chuàng)新探究J. 高等理科教育,2008(1):134-136.5 姜忠鼎. 計算機圖形學(xué)教學(xué)與實踐J. 計算機教育,2006(3):10-13.6 曾巧明,河紅波. 計算機圖形學(xué)的教學(xué)改革與創(chuàng)新探討J. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報:社科版,2003(3):111-113.7 魯敏,于慧穎,鄭平剛. 信息工程專業(yè)計算機圖形學(xué)教學(xué)模

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