建構主義在“計算機圖形學”實驗教學中的應用

摘要：本文介紹了如何將建構主義教學理念滲透到教學工作中，來培養學生的創新思維能力，提高教學質量。

關鍵詞：建構主義；支架式教學；拋錨式教學；隨機進入教學；真實感圖形；OpenGL

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913(2007)14-0016-03

1引言

建構主義認為，學習是在一定的情境下，在教師和學習伙伴的幫助下，利用學習資料，通過意義建構的方式獲得，而不是通過教師的傳授獲得。情境、協作、會話和意義建構是建構主義教學過程的四大要素，學生在教師創建的學習情境中獨立探索、自主學習，通過與學習伙伴的交流、協作，教師的適當引導，實現意義建構——對當前學習內容的理解和掌握。這種教學方法能夠激發學生學習的主動性、積極性與創造性，有利于開發學生智力、培養學生的創新思維能力；但是它以學生為中心，完全擯棄了教師在教學過程中的主導監控作用。由于學生受到已有知識的限制，獨立探索、自主學習的進程勢必緩慢，往往事倍功半，特別是對于學習基礎差的學生，可能就失去了學習的信心；我國的教學方式長期以來主要以教師為中心，學生是被動的知識的接受者，如果生搬硬套建構主義教學模式不可能收到好的教學效果。所以我們認為，教師應該將建構主義的教學理念滲透進教學活動中，靈活地應用建構主義教學方法，在教學過程中既發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又充分調動學生學習的主動性、積極性與創造性，只有將這二者結合起來，使二者優勢互補，才能獲得最佳的教學效果。我們在“計算機圖形學”實驗教學中進行了嘗試，收到了較好的效果。

2建構主義教學方法

應用比較普遍的建構主義教學方法有“支架式教學”、“拋錨式教學”和“隨機進入教學”。

支架式教學，為學習者建構對知識的理解提供一種概念框架，把這種概念框架比作建筑行業中使用的“腳手架”而因此得名。支架式教學由以下五個環節組成：(1)搭“腳手架“：圍繞當前學習主題建立概念框架；(2)創設情境：根據當前學習內容，設置一個能夠激發學生學習積極性的問題情景；(3)獨立探索：讓學生獨立探索，教師給以必要的提示，引導學生沿概念框架逐步攀升；(4)協作學習：進行小組協商、討論，在集體討論的基礎上達到對當前所學概念比較全面、正確的理解，即最終完成對所學知識的意義建構。(5)效果評價：包括學生個人的自我評價和學習小組對個人的學習評價。

拋錨式教學，以真實事例或問題(作為“錨”)為基礎，所以有時也被稱為“實例式教學”或“基于問題的教學”。拋錨式教學由以下五個環節組成：(1)創設情境；(2)確定問題：讓學生面臨一個需要立即去解決的與當前學習主題密切相關的問題；(3)自主學習：由教師向學生提供解決該問題的有關線索，讓學生獨立自主地探索解決問題的方法；(4)協作學習；(5)效果評價。

隨機進入教學，學習者可以隨意通過不同途徑、不同方式進入同樣教學內容的學習，從而獲得對同一事物或同一問題的多方面的認識與理解，由以下五個環節組成：(1)創設情境；(2)隨機進入學習：學生根據自身需要隨機選擇學習內容；(3)思維發展訓練：隨機進入學習的內容通常比較復雜，所研究的問題往往涉及許多方面，因此在這類學習中，教師設計若干有利于促進學生認知能力發展的問題，幫助學生建立適當的思維模型，培養學生的發散性思維；(4)協作學習；(5)效果評價。

3建構主義教學方法的改進及其在教學中的應用

建構主義教學方法重視“情境”和“協作學習”對意義建構的重要作用，能夠激發學生積極探索的求知欲望，培養學生互相幫助、合作學習的優良學風；但是支架式教學和拋錨式教學的核心步驟“獨立探索”和“自主學習”，對于新知識的教學顯然是不合適的。我們對此進行了改進，將創設情境、協作學習和效果評價引入教學中，綜合利用以上教學方法，將本課程的教學目的和每節課的教學目的設計成適當的問題，拋給學生，激起學生的求知欲，再引導學生探索解決問題的方法。在這個過程中，以支架式教學方法為主，引導學生沿著概念框架不斷攀升，從而完成意義建構。充分利用校園網絡資源，開發了“計算機圖形學”實驗輔助教學系統發布到校園網，幫助學生課前預習和課后拓寬課堂內容，開闊學生視野。

對于本科生來說，“計算機圖形學”課程的實驗教學目的就是生成簡單的具有真實感的圖形或場景。首先把生成具有真實感的圖形(場景)這個問題拋給學生，作為錨；然后充分利用多媒體教學設施演示了多個具有代表性的真實感圖形(場景)實例，創設情境幫助學生理解真實感圖形(場景)的概念。為了幫助學生建立生成真實感圖形的概念框架，編寫了一個基于VC++和OpenGL的演示程序，程序啟動以后，在屏幕上顯示一個彩色立方體，提出問題：為了生成一個立方體必須怎樣做？經過幾分鐘的討論得出結論：用數學的方法為這個立方體建立幾何描述，并用適當的數據結構在計算機內表示，得出幾何建模概念，我在黑板上畫一個矩形框，框內寫“幾何建模”。提出問題：為了把3D幾何描述的立方體顯示在屏幕上，計算機應該具有什么功能？經過討論得出透視變換的概念，按“Home”鍵立方體翻滾，按“End”鍵停止翻滾，引導學生分析立方體的運動經過討論得出幾何變換概念，我在黑板上畫出第二個矩形框，框內寫“變換”，從“幾何建模”框引一條帶箭頭的線指向“變換”。按空格鍵顯示一個單一著色的二十面體，被立方體部分遮擋，從視覺上不可見的部分應該不畫引出消隱和裁減概念，在黑板上畫第三個矩形框，框內寫“消隱、裁減”，從“變換”框引一條帶箭頭的線指向該框。單擊二十面體增加紋理，引導學生分析二十面體和立方體的色彩，再單擊立方體增加光源，引導學生分析增加光源后的色彩效果，經過討論畫出最后一個矩形框，框內寫“顏色、光照、紋理、材質”，從“消隱、裁減”框引一條帶箭頭的線指向該框。之后，帶領學生分析生成立方體的程序，給出有關OpenGL的基礎知識，引導學生建立生成真實感圖形的概念框架(見圖1)。以便刺激學生的求知欲，促使他們沿著概念框架不斷攀升，使學生明確本課程的教學目的和流程、每一階段的學習目的和學習內容，在學習中有的放矢。

教學演示系統COT(Constructivist- Oriented Teaching)具有圖1中生成真實感圖形各模塊的基本功能，可以滿足應用建構主義教學方法進行“計算機圖形學”實驗教學的基本需要。例如“基本圖元生成”的教學，啟動COT后：(1)顯示一個星空圖，引導學生觀察、分析、討論這幅圖的組成：背景色、前景色、組成星空的點、點的大小等，提出問題：在計算機內怎樣實現？通過討論得出需要設置背景色、前景色、定義點坐標和點的大小，引導學生設計程序結構，然后給出相應的源碼，引導學生分析在OpenGL中實現以上功能的命令，幫助學生建構起OpenGL中編成框架、創建應用程序窗口的意義、繪制點以及其如何組織點等有關函數原型的格式、功能及應用的意義。(2)顯示一條直線，提出問題：由于兩點確定一條直線，那么怎樣修改“星空圖”的程序使得能夠畫出這條直線？通過討論得出關鍵是要將glBegin(Points)中的參數改為表示直線的參數，將“Points”換為“Lines”，運行程序驗證設計結果，接著把程序中的點數改為六點，再次運行程序生成三條直線。在此基礎上提出問題：怎樣畫折線、閉合線？學生立即得出答案-修改glBegin()中的參數。然后顯示一幅有不同粗細、不同線型的直線組成的圖形，根據指定點的大小經驗，學生立即得出答案-指定這些直線的寬度和形狀即可，幫助學生建構起設置直線的寬度和線型的意義。(3)以類似的方法完成三角形(帶、扇)、四邊形(帶)、多變形的意義建構(4)顯示一幅類似兒童簡筆畫的圖形：有一個房子、一棵樹、一個人。經過分析、討論，帶領學生一步一步的設計，然后給出源碼，幫助學生建構OpenGL中的平移、旋轉和比例等有關函數原型的格式、功能及應用意義。整個教學過程以顯示的圖形為支架建構“生成基本圖元”的意義，綜合運用了“支架式”、“拋錨式”、“討論法”等多種教學方法。教學地點選在機房，可以邊講邊練，還便于進行討論，講授大約需要1學時，學生練習1學時。課后布置一個設計性實驗：應用所學知識設計一個簡單場景，要求用一周的課外時間完成設計、編碼，提供2學時上機調試運行。將學生按照自由為主、指定為輔的原則分組，一組4~5人，討論設計中遇到的共同問題，培養團隊協作精神，為綜合實驗設計打下基礎。其余的實驗內容(如變換、顏色、光照紋理等)基本上按照這種模式進行教學。

基本實驗教學內容完成以后，布置一個綜合試驗，設計一個具有真實感的場景(校園一角)，要求必須具有光照、紋理、陰影和可交互移動對象的功能，我們提供了一個基本的系統框架，學生完成建模、變換、消隱、光照、紋理、陰影等功能。用兩學時討論以下問題：(1)系統需要的功能模塊以及小組內每個學生承擔的任務；(2)為了解決所承擔的任務已經掌握的知識和擁有的資料、需要學習的知識和查找的資料。要求學生利用兩周課外時間完成設計，每周有一次小組會議：匯報工作進展，討論遇到的問題，并要求盡量通過小組內成員之間討論、協商解決，教師僅給予必要的指導。兩周后提供兩學時的上機時間，調試運行所開發的系統。要求每個學生根據所承擔的任務寫出實驗報告，召開一次小組會進行總結并在組內為每個成員評分，最后上交一份總結報告、系統開發文檔和操作手冊。

開發了一個初步的網絡教學輔導系統，知識內容由三部分組成：(1)基于教材的教學內容。(2)高于教材的擴展，比如陰影、紋理，由于學時數的限制，教學中僅講授了基本知識，在此從深度和廣度兩方面進行了擴展。針對生成真實感圖形的各主要環節配有比較大的程序開發實例。(3)計算機圖形學發展前沿課題介紹：計算機動畫、科學可視化、計算機建模、計算機輔助設計、人機交互界面、虛擬現實。學生可以隨機進入各個學習單元及其子單元，目前還沒有實現在線交流，教師使用少量學時對知識擴展和學科發展前沿部分組織學生進行討論，學生以課題組形式撰寫綜述報告。

應用上述教學模式極大地激發了學生的求知欲，提高了學生學習“計算機圖形學”的熱情，教學效率明顯提高，不但解決了過去教學學時不足的問題，而且擴大了學生的知識面，更好地培養了學生的動手能力。

4結束語

建構主義教學理念和方法是打破“以教師為中心向學生灌輸知識”的傳統教學模式的有力工具，但是怎樣在教學中正確、靈活運用它，既以學生為認知主體又發揮教師的主導作用，探索適當的教學模式和方法，是教育改革中的重要問題，本文在這方面進行了初步探索。今后進一步的研究方向為完善“計算機圖形學”實驗的網絡教學輔助系統，深入研究建構主義、Blended Learning等新的教學理論，在教學中靈活運用。

參考文獻：

[1] 嚴云芬. 建構主義學習理論綜述[J]. 教育探索與實踐，2005，(8).

[2] 張建平. 現代教育技術理論與應用[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

作者簡介：尹星云，淮南師范學院信息技術系副教授

通信地址：安徽淮南師范學院信息技術系，郵編232001