論碩士研究生的“計算機圖形學”教學思路和課件設計

楊若瑜

摘要:筆者在多年的教學實踐中,總結出強調(diào)經(jīng)典理論的實用價值和最新動態(tài)、設立中心線索并注意內(nèi)容的取舍和側(cè)重、結合OpenGL編程實例完成對內(nèi)容關聯(lián)度的密切提示等教學思路,借此達到激發(fā)學生興趣并提高教學過程系統(tǒng)性的目的,能夠有效地提高教學質(zhì)量。本文重點介紹了筆者的教學思路以及與之配合的課件設計和使用等。

關鍵詞:計算機圖形學;碩士教學;課件設計

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

“計算機圖形學”(以下簡稱“圖形學”)是本校計算機專業(yè)的碩士選修課程,同時也常常被地理信息、地球科學等其他專業(yè)的學生選修。課程內(nèi)容涉及圖形顯示處理流程、圖形硬件設備、圖形系統(tǒng)、二(三)維圖形的生成和處理算法、裁剪、幾何變換、交互技術、三維消隱等。

筆者在多年的教學準備和實踐過程中,歸納出該課程的特點如下:(1)課程內(nèi)容偏重于理論,部分算法較抽象且不易理解;(2)課程內(nèi)容涉及面廣;(3)較多算法或理論是幾十年來固定不變的經(jīng)典;(4)這些理論的作用隱藏于日常的計算機使用中,雖然無處不在,但體現(xiàn)為用戶透明的狀態(tài)。正因為以上幾點,學生十分容易表現(xiàn)出畏難和輕視的情緒。因此,如何激發(fā)學生的學習興趣并加強教學過程的系統(tǒng)性是關鍵問題之所在。

總體上,筆者主要通過強調(diào)經(jīng)典理論的實用價值和最新動態(tài)、設立中心線索、在內(nèi)容廣度上適當取舍、在內(nèi)容深度上側(cè)重不同、以及對前后內(nèi)容關聯(lián)性的密切提示,使得學生在學習該課程的過程中,在心里自然、逐步地構建出一棵茂盛的“大樹”——從“樹干”(了解圖形學的核心意義)開始,逐漸的長出“枝杈”和“樹葉”(圖形學的各項理論和相關算法等)。學生在課程結束之后,既可以圍繞一片“樹葉”娓娓道來,也可以對某個分支產(chǎn)生濃厚興趣并進行深入的研究甚至在那里獲得“果實”的回報。

2總體教學思路

2.1明確定位

筆者對本課程的定位如下:

(1) 打開窗口:95%以上的同學原來對圖形學這一學科一無所知,當他們知道圖形學和他們每天使用的計算機系統(tǒng)原來是如此密切相關的時候,興趣就會油然而生。

(2) 介紹經(jīng)典:圖形學中多為經(jīng)典理論和算法。但經(jīng)典不是過時,而且如果有興趣研究,還可能將其超越。

(3) 系統(tǒng)了解:看似分散的理論其實相互聯(lián)系不可分割。掌握各方面知識并深入理解其關系將受益良多。

(4) 局部深入:幾乎每個知識點都可以獨立成為一個研究體系,但教學中只能選取部分重點進行深入講解。

在每年新生的第一節(jié)課上,通過以上說明,學生可以對整體教學思路有一個快速準確的把握,方便了選修者的取舍,留住了真正有興趣的學習者,也為后期的“教學相長”打下了基礎。

2.2激發(fā)學習興趣的主要手段

筆者通過多種手段提高學生的學習興趣和信心。

(1) 強調(diào)經(jīng)典理論的實用價值:與理論算法相對應的舉例都和日常的計算機使用、編程直接相關,更易于理解理論知識,又能夠體會到圖形學在實際應用中的作用。

(2) 關注分支的最新發(fā)展動態(tài):以某一經(jīng)典理論為核心,往往可以輻射延伸到一系列研究方向上,適當介紹相應的一些最新研究成果,更能夠引發(fā)好奇心和求知欲。

(3) 用OpenGL實例貫穿全程:OpenGL提供的函數(shù)中有著經(jīng)典算法的實現(xiàn)例證、清晰地體現(xiàn)了圖形學理論的應用。而通過OpenGL編程教學和實驗,能夠獲得有利于就業(yè)或深造的實踐經(jīng)驗,更能夠加深對理論知識的理解。

(4) 自由話題討論:在學期的后半段,讓學生各自選擇一個感興趣的圖形學有關研究內(nèi)容并進行簡單的資料準備,然后提交全班匯報并討論。

2.3增強授課內(nèi)容系統(tǒng)性的方法

圖形學課程的理論知識具有極強的連貫性和交叉相關的特點。因此我們提出了以下方法來提高授課的系統(tǒng)性:

(1) 設立一條中心線索:從建模到觀察再到設備顯示的處理過程。這一過程體現(xiàn)了計算機圖形學的全部意義。

(2) 內(nèi)容廣度上適當取舍:以基本圖元、幾何變換為基礎知識,圍繞中心線索介紹曲線曲面和實體造型、觀察流水線、可見性判別、光照和面繪制、以及用戶接口等。

(3) 在內(nèi)容深度上側(cè)重不同:選擇關鍵知識點做較全面和深入的講解。選擇的依據(jù)有兩點,一是直接有助于對其它相關知識點的理解,二是實用價值體現(xiàn)得較為明顯。

(4) 對前后內(nèi)容關聯(lián)性的提示:將隱藏在章節(jié)之間的邏輯關系用語言顯式的表達出來且需適當重復。前后的OpenGL實例盡量保持高度一致——也就是設置一個完整的程序而在不同的章節(jié)中取用其不同的段落作為例證。

3課件設計思想

在上述教學思路的形成和不斷修正的過程中,筆者也同步更新著相應的教學課件設計思想。歸納如下:

課件應能夠生動地演示圖形理論或算法、直觀的顯示算法的實際應用效果等。例如自制流程動畫、從最新動畫影片或流行軟硬件信息等中獲取靜態(tài)或動態(tài)圖例等。

課件(PPT文件)本身就是圖形學的一個應用實例,因此應在頁面制作時就充分考慮其與圖形學有關知識(用戶界面,圖表等)的聯(lián)系并在課堂講解中提示學生了解;

課件在整體安排上應從畫面提示、實例演示和語言講解等角度入手,并將它們配合起來,讓學生不斷體會到前后內(nèi)容之間的連貫性和相互聯(lián)系,這樣既有助于知識的更新和復習,還能夠促進對圖形學學科的全面理解和記憶。例如,應精心設置每講(節(jié))開始處的前言頁面、章節(jié)之間的承上啟下頁面、每講末的OpenGL編程實例頁面等。

課件需適時的更新以體現(xiàn)學科發(fā)展動態(tài);課件中應經(jīng)常使用啟發(fā)式問題以留給學生思考的時間和空間等等。

4課件設計成果展示

按照上述課件設計思想,最終的課件共分為11講、11個PPT文件,共約760頁,其中含約400多幅靜態(tài)圖例、200多個動態(tài)演示圖例(文本段落的分步顯式不包含在此列)、20多個OpenGL程序?qū)嵗?包含筆者自行完成的完整代碼和運行效果變化的截圖顯示等)。通過和學生的交流,普遍反映課堂學習效果良好且表示該課件還十分便于課外的獨立預習和復習。現(xiàn)舉例展示如下。

(1) 在每一講的開始,都會出現(xiàn)如圖1所示的頁面。該頁面依據(jù)我們設置的中心線索、按順序用文字顯示出全部課程內(nèi)容模塊,且用綠色框表示已經(jīng)講解過的內(nèi)容,紅色框表示目前正要開始講解的內(nèi)容,其他為尚未涉及的內(nèi)容。這樣的反復提示,使得學生易于回憶起舊的知識點,并不斷強化了對知識點之間的聯(lián)系的認識。

(2) 在很多重要知識點的開始處設置條理清晰、從易到難的“分支線索提示”。例如圖2中,將二維/三維觀察處理方法直觀的表示為流程圖形式并保持一致性,明確坐標變換的意義、重點講解的內(nèi)容及其所處地位等。

(3) 通過顯式的頁面文字完成承上啟下——明確知識點之間的邏輯關系,并促使回憶過往內(nèi)容。如圖3所示。

(4) 某些復雜理論知識用簡化后精煉的圖形來表示更易于解釋和理解。如圖4中,用一個最簡單的方形和圓形就可以說明坐標變換的全過程(左),而透視觀察過程中錯切變換的涵義則可以從流程圖中一目了然(右)。

(5) 在用OpenGL編程進行實例講解的時候,應該和前面的理論知識相吻合,更利于理解。如圖5給出了雙三次Bezier曲面的基本構造原理(左)和OpenGL實現(xiàn)的一個相同外形的Bezier曲面繪制方法(右)。

(6) 提供OpenGL程序?qū)嵗龝r,除了保持不同講內(nèi)容直接的一致性和銜接之外,同一個例子內(nèi)部還會通過代碼的細微調(diào)整來獲得不同的運行結果。通過PPT頁面上對代碼和截圖的動態(tài)對應顯示,既易于了解OpenGL有關編程

知識,也有效的深化了對圖形學理論知識的掌握。圖5中右圖給出了相同控制點但不同循環(huán)控制參數(shù)對曲面繪制出的顯示效果的影響。圖6所示實例則說明了OpenGL有關的各種觀察函數(shù)的使用。

(7) 為了進一步提示內(nèi)容的前后關聯(lián)性、提高學生對內(nèi)容的熟記度,課件頁面上還考慮了相似內(nèi)容安排的一致性、同一內(nèi)容為不同章節(jié)所服務時具有細微差別但可重復出現(xiàn),等等。如圖7和圖8所示。

5結束語

筆者從事了多年“計算機圖形學”課程的碩士生教學工作,積累豐富經(jīng)驗的同時,對教學方法和課件設計進行了不斷地改進、創(chuàng)新,通過設立一條貫穿始終的中心線索、結合OpenGL的編程方法教學和實例圍繞該線索展開全面且有層次的內(nèi)容講解、強調(diào)經(jīng)典理論的實用價值和最新動態(tài)、完成對前后內(nèi)容關聯(lián)性的深度提示等,有效地提高了教學過程的系統(tǒng)性、易于激發(fā)學習興趣和信心、提高學生的動手和思考能力,從而獲得良好的教學效果。

參考文獻:

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