計算機圖形學教學研究與實踐

1、 計算機圖形學教學研究與實踐 嚴圣華(長江大學 計算機學院，湖北 荊州 434023)摘 要：本文針對計算機圖形學的特點及以往教學中出現(xiàn)的問題，論述了改進課堂教學、實驗教學的方法。實踐表明，文中提出的教學模式對加深學生對課程的理解、培養(yǎng)學生學習興趣和提高課程教學質(zhì)量有明顯效果。Keys：計算機圖形學；教學環(huán)節(jié)；教學模式；教學改革：1672-5913(2010)13-0114-03 G642 ：A計算機圖形學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)的一門學科，也是計算機及相關(guān)學科的一門重要專業(yè)選修課。課程開設(shè)的目的在于使學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)學生與圖形有關(guān)的軟件設(shè)計能力1-2。以往的教學實踐表明，該課程理論難度大、實踐性強，且作為選修課學時有限，極易造成教學低效、學生厭學等不良現(xiàn)象。在教學過程中如何利用有效的教學模式，解決課時少與內(nèi)容多的矛盾、理論與實踐的矛盾、學科發(fā)展與社會應(yīng)用的矛盾，是各高校在圖形學教學工作中必須面臨的一個重要問題3-4。1 計算機圖形學教學研究1.1 傳統(tǒng)的教學模式及存在的問題計算機圖形學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)學基礎(chǔ)知識，而國內(nèi)多數(shù)圖形學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)圖形學的數(shù)學基礎(chǔ)，因此，學生若數(shù)學基礎(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，對學生來說，掌握計算機圖形學課程的知識結(jié)構(gòu)不夠清晰，學完這門課，學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，學生很難建立計算機圖形學這門課程的知識結(jié)構(gòu)1-2。計算機圖形學課程具有很強的理論性和實踐性3。它要求學生既要掌握理論知

4、識，也能把所學知識應(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。計算機圖形學課程傳統(tǒng)教學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，忽視實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這勢必導致學生的學習效率低下，難以面對和解決新的問題，學生的發(fā)散性思維、逆向思維被束縛，作為認知主體，學生主動性無從發(fā)揮，靈活和綜合運用所學圖形學知識進行創(chuàng)新的能力不高，這種情況應(yīng)引起重視4。1.2 新教學模式的探索近年來我們就計算機圖形學的課程教學改革進行嘗試，在充分吸收國內(nèi)外知名大學教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上4-5，重新制定計算機圖形學的教學大綱，從積極轉(zhuǎn)變思想認識、恰當組織教學內(nèi)容、有效調(diào)整教學模式、高效運

5、用教學手段、合理分配實踐環(huán)節(jié)、完善教學考評方式等方面探索計算機圖形學的教學改革，在注重基本理論和基本技能訓練的基礎(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，從而達到滿意的教學效果。新的教學模式從學生的實際情況出發(fā)，以課堂講授為主，上機實驗為輔的方式來組織教學。針對選修課學時較少的特點，教學以講清基本原理和概念為第一目標，重點培養(yǎng)學生獨立學習的能力，提高學生主動學習的興趣；按照計算機圖像繪制流水線調(diào)整課程章節(jié)順序，合理安排課堂教學內(nèi)容，并采用以學生為教學主體、教師為教學主導的“雙主”模式，把教師和學生兩方面的主動性、積極性都調(diào)動起來，最終目標

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

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

8、學課程的基本目標是全面而系統(tǒng)地理解計算機圖形學的相關(guān)概念、原理和知識，了解當前的研究熱點。因而教學內(nèi)容的選取應(yīng)跟上學科發(fā)展的步伐，介紹一些當前的研究熱點及重要文獻，使學生了解學科發(fā)展情況，同時增加課堂教學的趣味性。為了提高課堂教學質(zhì)量，讓學生牢固掌握知識結(jié)構(gòu)中重要的知識點，我們應(yīng)合理地選擇各種現(xiàn)代教學方法和手段。為了讓學生在有限的學時內(nèi)掌握本課程的教學內(nèi)容，本課程的教學應(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。通過該課程的學習，使學生系統(tǒng)地獲得計算機圖形學的基本知識，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)國際標準

9、，為以后學習相關(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)學生思考。例如，在講畫線算法前，應(yīng)啟發(fā)學生思考，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，在詳細介紹了繪制直線和圓的算法的情況下，鼓勵大家自學橢圓算法等。這些思考的問題可以引導學生預(yù)習和自學，減輕課堂負擔，使課堂教學的目標清晰任務(wù)簡化。在教學手段上，采用多媒體教學與傳統(tǒng)的教學方式相結(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”。將圖形學的常用算法做成演示程序，或者用Flash制作演示圖形學算法

10、執(zhí)行過程的動畫片，然后將其嵌入到多媒體教學課件中，使學生通過算法執(zhí)行過程的動態(tài)演示，加深對算法的理解，激發(fā)學生自己動手編程實踐的欲望。強調(diào)對比學習方法，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。在講解圖形學的應(yīng)用時，結(jié)合現(xiàn)實生活中的例子采用案例教學法，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，而且能讓學生身臨其境，充分調(diào)動了學生的學習積極性。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課程具有很強的實踐性，目標是將學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，引導學生由淺入深地掌握計算機圖形學基本理論和算法。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，目的是加深學生對這些獨立的小算法的理解，提高學生理論聯(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)；如教學計劃允許，也可改為進行課程設(shè)計?？傊幸粋€對學生計算機圖形學課程作綜合測試的環(huán)節(jié)，以考核學生分析問題、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是專業(yè)限選課，學時不多，我們一般安排30個理論學時和10個實驗學時。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。能力強的學生可以一個人獨立完成，能力一般的學生

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進行比較，促進整個班級的良好學風的形成。另外，我們還組織學生剖析成熟的圖形系統(tǒng)，分析開源的成熟代碼，幫助學生理解大系統(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最新研究進展的文獻綜述報告，以提高學生跟蹤學科前沿、文獻檢索與綜述的能力。1.3.5 嚴格教學的過程化管理與綜合考評重視教學的過程化管理與考核是保證教學質(zhì)量的重要手段，考評的目的

14、不僅是為了考核學生學習和掌握課程情況，更重要的是鼓勵和督促學生學習的主動性。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教改實踐表明，新的教學模式效果明顯。學生普遍反映較好，認為內(nèi)容充滿趣味性，學習主動性和積極性不斷提高。計算機圖形學科發(fā)展迅猛，應(yīng)用越來越廣，今后教學實踐中還應(yīng)進一步改進教學模式，不斷提高教學質(zhì)量，將培養(yǎng)學生的綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力作為最終目標6-7。Reference：1 孫家廣,胡事民. 計算

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16、式思考J. 高等教育研究學報,2006(9):31-33.Research and Practice on Computer Graphics Teaching YAN Sheng-hua(College of Computer Science, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)Abstract: This paper presents some improvement in teaching and experiment after analyzing the characteristics of Computer Graphicsand. The pra