“計算機圖形學”教改研究與實踐

文章編號：1962-5913(2008)13-0080-03

摘要：本文分析了“計算機圖形學”課程的學科特點和當前的教學形式，指出了當前教學過程中所面臨的問題，從而提出了一些新的教學思路和方法。實踐表明，這些方法對提高課程的易理解性、學習趣味性和教學質量有明顯的作用。

關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

“計算機圖形學”是大部分院校計算機專業或相關專業中的一門重要課程。本課程的教學目的是使學生掌握計算機圖形系統軟硬件技術以及圖形生成、處理、輸出的基本原理和方法，培養學生利用計算機解決圖形問題的程序設計能力，為開發圖形軟件打下必要的基礎。

1計算機圖形學的教學現狀

計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科。該學科綜合了計算機科學、數學、物理學等其它相關學科的知識，而且學科發展日新月異，新的應用領域不斷拓展，這使計算機圖形學具有學科內容豐富、理論性強、算法眾多、實踐性強這幾方面特點。

學科內容豐富和理論性強造成該課程講授起來比較枯燥；同時，傳統地講授教材上的理論將使學生感到該課程難于理解、難學、學習積極性和主動性受到影響，整個學習過程基本是被動接受。

目前，國內的計算機圖形學課程教學基本取材于幾本經典的教科書，這些教科書重點講述計算機圖形學的算法。許多算法為了追求高效率從而精益求精，算法本身構思獨特且實現精巧，但也導致了算法本身及其實現都難于理解；而且傳統的授課方案側重于強調算法實現的數學基礎。這種強調圖形算法基礎的教學方案適合于數學基礎優秀的學生，但對本校這樣的工科類院校，學生往往被一些必須掌握的算法所困擾，從而對該課程產生畏難心理。

計算機圖形學這門課程實踐性強的特點則要求學生具有較強的動手操作能力和編程能力，從另外一個方面來說，要求老師有更強的實踐能力。如果理論與實踐互動性不夠，容易造成學生實踐動手能力薄弱。

通過以上分析，可以看出在計算機圖形學中采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生去做實驗的教學方式很難達到預期的教學效果，急切需要探討新的教學思路和教學方法。

2計算機圖形學課程的教學改革

本校針對現有教學中的不足，在總結多所知名大學在該門課程教學經驗基礎上，制定了計算機圖形學的教改目標和教改方案，具體認識和做法如下。

2.1教學內容的組織

以教學大綱為依據，從學生的實際情況出發，以課堂講授為主，上機實驗為輔的方式組織教學內容。其中課堂講授48學時，上機實驗16學時。以講清基本原理和概念為第一目標，以培養學生圖形學算法的設計能力、圖形軟件的開發能力為原則，合理安排課堂教學內容。

根據學生的接受程度，教學內容首先注重基礎，強調基本概念、基本原理；其次突出重點，對一些要求掌握的算法，要仔細分析，強調其基本思想。只要算法的基本思想掌握了，算法的實現就容易理解，對相關算法就可舉一反三、觸類旁通；再者教學內容中應該介紹一些當前的研究熱點，使學生了解學科發展情況，也同時增加課堂教學的趣味性；最后在教學內容中應該注意理論與實用軟件之間的關系，適當介紹計算機圖形學理論、算法在流行的圖形設計和動畫制作軟件(如AutoCAD、3DMAX等)中的應用，促進理論學習和實用軟件使用之間形成互動。

根據以上原則，本校在2005屆計算機專業本科生中，采用了清華大學出版社出版，孫家廣主編的《計算機圖形學》作為基本教材。同時引進國外一流大學的先進教材Donald Hearn， M. Pauline Baker編寫的Computer Graphics(C Version)作為教輔資料，其中引用了一些最新的圖形學研究成果，在彩頁中體現了幾乎亂真的圖形效果。

2.2教學方法的選擇

在講授必須掌握的基礎算法之前，強調啟發式教學，提出課前思考題。這些思考題可以引導學生預習和自學，減輕課堂負擔，使課堂教學目標清晰，任務簡化。如在講授多邊形裁剪算法之前，應思考多邊形由線段構成，是否可用已學過的二維線段裁剪算法逐邊裁剪多邊形？如果不能，原因如何？應如何解決？

在講授同類算法之后，對解決同一問題的算法進行比較，強調對比性學習。如區域填充中，應對漫水法填充、邊界填充算法、掃描線種子算法進行比較，說明其相同之處皆為在填充過程中搜索新種子點，不同之處在于搜索新種子點的方法不同。通過對比學習，學生在學習過程中不再孤立學習一種算法，而是同時掌握一類算法，為后續的掃描轉換填充算法打下基礎。

2.3教學手段的應用

在計算機圖形學課堂教學過程中，本校采用多媒體教學與傳統教學方式相結合。為了充分發揮圖形圖示、動畫演示的作用，主講教師精心制作了計算機圖形學多媒體教學課件。在該多媒體教學課件中，對教學內容的各個知識點間用超鏈接進行鏈接，引入音頻、視頻等媒體信息，既增加了教學內容的連貫性，又使課堂教學變得生動有趣。

為了合理利用網絡，拓展教學空間，主講教師開設了自己的個人博客，在網上列出與課程相關的權威網絡資源。在保留傳統的面對面交流的基礎上，學生可以通過網絡與教師、同學討論問題；教師則可以根據學生的反饋意見，及時了解學生的學習現狀，調整下一步的教學方式。

除了網上討論答疑外，教師根據學生的意見還采取了MSN、QQ 等學生喜愛的交流方式。通過這種網上交流，一方面使同學們不知不覺中利用課余實踐學習鞏固了圖形學知識，擴展了知識面；另一方面也兼顧了圖形學的教學大綱和同學們的興趣。一般說來，教學大綱強調基本的概念算法，而學生則對如何生成各種漂亮的圖形效果感興趣，將如何基于圖形學算法使用工具軟件生成圖形效果的資料放在網上，在課堂上就可以集中精力講授算法理論。通過網上交流，給學生提供了一種獲取知識的新渠道，這對于剛讀完兩年大學，已初步具備自學能力的大三學生而言，效果較好。

2.4上機實驗的分配

計算機圖形學涉及大量圖形造形、圖形生成和變換的算法，上機實驗必不可少，應該結合課程特點設計實驗內容，強調學習、研究和實驗的有機結合，鼓勵創新性。通過實驗，發現問題，解決問題。

本校根據學生的實際情況，把實驗環節分為必做的課內驗證性實驗、課內設計性實驗、選做的課外創新性實驗，并且要求學生將自己實現的各類圖形算法統一到一個整體框架中。到課程結束時，每個學生都完成了一個具有自己特點的小型交互型計算機圖形系統。在這個過程中，學生不僅學習了計算機圖形學的各種算法，而且培養了學生的學習興趣。

在上機實驗過程中，由于本校學生在開設計算機圖形學這門課程之前并沒有學習過GUI編程，往屆學生的上機實驗都是基于Turbo C環境下的編程練習。由于TC的陳舊性和古板性，多數學生對它并不感興趣，因此在2005屆學生上機實驗之前，本校教師將計算機圖形學中的上機實驗移植到VC、VB、C++ Builder等可視化的編程環境上來。這一方面讓同學們學習編程時有與時俱進的感覺，另一方面又能學到新的內容。

2.5算法演示系統的設計

計算機圖形學算法中涉及到較復雜的公式推導，在理解算法時要求有比較強的空間想像能力。為了幫助同學們更好地理解算法，本校組織畢業生在主講教師的幫助下制作了“計算機圖形學算法演示系統”，該系統利用Visual C++ 6.0結合OpenGL進行開發。

由于該系統主要用來進行輔助教學，而一般程序實現速度快，且操作的像素人眼看不見，這樣的程序用于課堂講解，雖然可以提高同學們的學習興趣，但同學們看不到算法的具體實現過程。為了解決這個問題，本系統以放大的可見點模擬人眼看不見的屏幕像素，并且以動畫的形式完成計算機圖形學中各種算法的實現過程。系統中每一種算法都被設計為一個獨立的類，各種算法根據其分類被組織在相應的菜單下，通過菜單調出設置參數和控制程序的對話框。采用該算法演示系統后，在學習相關算法時，同學們可以清楚地看到算法的分步執行結果，幫助同學從直觀角度理解各種抽象算法，極大地提高了學生的學習興趣，增強教學效果。

2.6課后習題的安排

課后習題對于幫助學生預習和自學， 激發學生興趣等方面有重要作用。由于計算機圖形學這門課程的特殊性，課后習題較少，因此根據課程教學需要，在參閱著名計算機圖形學教材的基礎上，本校教師經過收集整理，設計編寫了教學輔助材料《計算機圖形學習題集》，目前已基本成型，并在2005屆學生中試用。

在設計習題的時候要精心設計和選擇，特別避免作業形式單一、難度較大，否則就會使學生產生畏難情緒。注意循序漸進、難易適度。注重基礎，注意多層次(如基礎知識、算法設計和綜合應用題等)、多形式(如判斷題、選擇題、填空題、簡答題、算法設計題和綜合應用題等)，使學生得到全面的訓練。習題應注意啟迪學生的思維， 培養獨立思考的能力。

在每章習題的最后，都是這章內容的學習小結，要求學生回答：通過這一章的學習，掌握了哪些知識？哪些沒有聽懂？對老師有沒有更好的建議等等。字數不限，但必須回答。從教師的角度出發，這種小結有利于了解學生的心理動態，了解自己的授課得失，有利于進一步改進教學質量；從學生的角度出發，這種小結客觀上促進了學生進行課后復習，鞏固了課堂效果，而且內容靈活，可長可短。

2.7教學過程的考核

重視教學的過程化管理與考核是保證教學質量的重要手段。對課堂、作業、實驗等環節進行有效的管理，及時發現和糾正每一環節中存在的問題。應該在過程中解決教學中的問題，不能讓其積累起來，避免學生感到課程的難學，以致學習積極性下降。

過程化管理和考核體現在評定學生的課程成績時，全面考核各重要教學環節(如上課、作業、上機實驗、期末考試等)的學習情況，應充分重視平時的學習情況，鼓勵在平時作業、上機實踐中獨立思考，并有所創新的學生。對于平時作業，上機實驗中存在的抄襲現象，教師要求學生用電子郵箱提交作業，兩份完全雷同的作業，按照提交時間先后次序判斷抄襲者。對于上機過程中，第一個完成的同學或者實現方法有所改進的同學都給予加分獎勵。每次作業、上機實驗都要給出等級，各環節的學習情況都有逐一的評定成績，并按比例記入到課程的總成績中。

3小結

通過本校2005屆教學效果和往屆學生教學效果的對比分析，在試卷難度相同的情況下，2005屆計算機本科生圖形學考核平均成績提高5%，且成績分布更趨向正態分布；網上評教系統表明，在2005屆本科生中，學生對計算機圖形學的畏難心理有較大的降低，僅有一人反映學習過程中聽不懂，難度很大，這說明學生的學習興趣和學習信心有一定的提高。從對比結果可看出本文所提出的方法有一定的實效，同時對其他課程也有一些參考意義。

參考文獻

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Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics

Duan Jiang

(College of Information Science and Engineering， Nanjing University of Technology， Nanjing 210009， China)

Abstract: The paper analyzed the characteristics of computer graphics and its teaching methods， pointed out some problems in the course of teaching， Several innovative teaching thought and methods were put forward. The methods are useful to improve the comprehensible of course ， the interesting of learning and the quality of teaching

Key words: Computer graphics， Teaching reformation， Teaching practice