計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

朱國仲，陳海濤

(華北水利水電學(xué)院信息工程學(xué)院，河南鄭州450011)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

朱國仲，陳海濤

(華北水利水電學(xué)院信息工程學(xué)院，河南鄭州450011)

針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的系列問題，結(jié)合課程特點(diǎn)和教學(xué)理念，給出了具體的教學(xué)改革措施，探討了其在教學(xué)環(huán)節(jié)中的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐表明，這些措施對(duì)加深課程內(nèi)容理解，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力有明顯的作用。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué);教學(xué)理念;教學(xué)改革;教學(xué)環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是關(guān)于利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備研究圖形處理和表示的理論、算法、技術(shù)及系統(tǒng)的綜合性學(xué)科，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)工程、商業(yè)及視頻娛樂等領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展最活躍、影響最深遠(yuǎn)的分支之一，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)課［1，2］(P1，P3)。該課程理論抽象，實(shí)踐性強(qiáng)。在當(dāng)前各類專業(yè)課課時(shí)普遍壓縮的情況下，如何讓學(xué)生最大限度地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力是一個(gè)值得思考的問題。

一、教學(xué)中遇到的問題

(一)學(xué)習(xí)的積極性和目標(biāo)問題

計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)較多，對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用的廣泛性感受較為深刻，如逼真的游戲場(chǎng)面、賞心悅目的動(dòng)畫等。初學(xué)本課程時(shí)，學(xué)生一般均有較高的興趣，但是隨著學(xué)習(xí)的持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)課程晦澀難學(xué)，與期望目標(biāo)偏差較大，會(huì)逐漸影響學(xué)習(xí)的積極性。

(二)多需求問題

作為上課主體的大學(xué)生對(duì)自己的未來已有了某種規(guī)劃，因此對(duì)于所學(xué)的知識(shí)也有自己的側(cè)重點(diǎn)。有的學(xué)生想從事圖形學(xué)研究，有的想學(xué)習(xí)建模和CAD，也有從事圖形應(yīng)用開發(fā)的。因此如何在授課時(shí)兼顧各類需求是一個(gè)值得深入思考的問題。

(三)先修課問題

先修課內(nèi)容的掌握情況直接影響著學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的學(xué)習(xí)，先修課包括數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)學(xué)習(xí)該課程已經(jīng)夠用;而程序設(shè)計(jì)課程知識(shí)對(duì)學(xué)生理解算法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)非常重要，掌握不好會(huì)使他們做實(shí)驗(yàn)時(shí)處處碰壁;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于描述圖形內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但在大型系統(tǒng)中才體現(xiàn)出重要性。

(四)偏理論或偏實(shí)踐

圖形學(xué)課程內(nèi)容龐雜，數(shù)學(xué)公式繁多。要給學(xué)生講明白一個(gè)算法需要從算法由來、圖形建模到算法推導(dǎo)。老師的很多精力放在了課程內(nèi)容的講授上，學(xué)生被“填鴨”了大量知識(shí)，然而學(xué)生卻不能動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐鞏固所學(xué)，因此最后就僅記得泛泛的概念了。很多學(xué)校也通過引入OpenGL或DX作為授課內(nèi)容來改變這種情況，但是開發(fā)包的講解需要大量的基礎(chǔ)知識(shí)，其中包含的大量函數(shù)內(nèi)容往往很枯燥，講解效果也不太理想。

(五)內(nèi)容多而學(xué)時(shí)短

圖形學(xué)的課程內(nèi)容包括圖形設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)、光柵圖形算法、圖形變換、曲線曲面與幾何造型、自然景物模擬、真實(shí)感圖形、交互技術(shù)與用戶接口等。前三部分內(nèi)容屬于傳統(tǒng)圖形學(xué)內(nèi)容，學(xué)生比較容易接受;而其余每一項(xiàng)內(nèi)容均包含很多的技術(shù)、方法、數(shù)學(xué)模型和最新成果，如果一一講解，時(shí)間上不允許，也不利于學(xué)生掌握基本知識(shí)。如何在較短的學(xué)時(shí)內(nèi)，使學(xué)生熟悉完整的圖形學(xué)內(nèi)容，掌握經(jīng)典圖形學(xué)原理和算法，了解研究熱點(diǎn)和最新成果，需要進(jìn)一步討論。

二、課程特點(diǎn)及教學(xué)理念

經(jīng)過40多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)形成了自己鮮明的特點(diǎn)。了解這些特點(diǎn)有利于更好地制定教學(xué)計(jì)劃，改進(jìn)教學(xué)效果，樹立教學(xué)理念。

(一)課程特點(diǎn)

由于圖形學(xué)處于大發(fā)展階段，吸引具有不同學(xué)科知識(shí)的研究人員從事圖形學(xué)研究，促進(jìn)了圖形學(xué)與這些學(xué)科的交叉融合，豐富了圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容，推動(dòng)了圖形學(xué)的快速發(fā)展。因此發(fā)展速度快，內(nèi)容多，交叉學(xué)科關(guān)聯(lián)密切，實(shí)踐要求高是該課程最突出的特點(diǎn)。

(二)教學(xué)理念

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)分支，是學(xué)生知識(shí)構(gòu)成的重要部分，要結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，積極改進(jìn)和完善教學(xué)方法。該課程的教學(xué)理念是:通過課程理論學(xué)習(xí)及實(shí)踐鍛煉，使學(xué)生掌握基本概念和理論，了解學(xué)科的研究?jī)?nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)、綜合素質(zhì)和能力的全面發(fā)展和提高，使學(xué)生成為具有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)用型人才。

三、改革措施

(一)激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的波動(dòng)情況，要從首堂課和后續(xù)課分別著手。精心組織首堂課，講清楚課程范圍、相關(guān)學(xué)科知識(shí)及發(fā)展趨勢(shì)，告訴學(xué)生他們所渴望掌握的知識(shí)需要從課程基礎(chǔ)學(xué)起。和學(xué)生一起分析常見實(shí)例，使他們了解其中包含的本課程知識(shí)，進(jìn)而使學(xué)生明白沒有辛苦的付出是很難學(xué)到那些知識(shí)、達(dá)到期望效果的;并通過最新研究成果的介紹告訴同學(xué)們?nèi)魏纬删偷娜〉枚际峭ㄟ^努力做到的。后續(xù)內(nèi)容講解時(shí)要注意將枯燥的理論和日常所見或?qū)嶋H結(jié)合起來，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中解決實(shí)際問題，使他們有成就感，從而保持住濃厚的興趣;授課時(shí)經(jīng)常將一些和課程內(nèi)容相關(guān)的游戲畫面、動(dòng)畫片段以及Siggraph會(huì)議演示引入課堂，和學(xué)生一起分析里面相關(guān)的圖形學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的興趣。

(二)調(diào)整授課內(nèi)容和方法

由于課程學(xué)時(shí)短，內(nèi)容多，有深度，因此在基本內(nèi)容講授時(shí)要重點(diǎn)地精講，而相似性內(nèi)容泛講。如講授直線Bresenham光柵掃描算法時(shí)，選擇從算法的由來、數(shù)學(xué)模型、算法推導(dǎo)及實(shí)現(xiàn)等過程詳細(xì)講;而針對(duì)圓和橢圓等相似圖形，則僅需講清原理和關(guān)鍵點(diǎn)，讓學(xué)生自己推導(dǎo)即可。這樣做不僅帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)，而且讓他們通過所學(xué)來解決相似問題，不僅縮短了學(xué)時(shí)也有助于鍛煉學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。圖形學(xué)高級(jí)應(yīng)用部分如真實(shí)感圖形學(xué)均有深度和廣度，每一個(gè)相關(guān)部分都可作為一個(gè)研究分支，如果全部精講，不但學(xué)時(shí)不允許，也超出了本科大綱范圍。對(duì)這部分內(nèi)容宜選擇少量?jī)?nèi)容深入講，而對(duì)其它內(nèi)容采用講座的形式。如經(jīng)典的Phong光照模型，由于不是很復(fù)雜，給學(xué)生講清原理、推導(dǎo)、應(yīng)用及局限性;并將其作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的一部分，實(shí)驗(yàn)過程所依賴的內(nèi)容如法線可能會(huì)困擾學(xué)生，因此需要準(zhǔn)備好這些實(shí)驗(yàn)條件;相關(guān)的其它內(nèi)容采用講座形式，并給出一些國際會(huì)議上的演示圖片或視頻。這樣有點(diǎn)有面，并適當(dāng)?shù)丶哟笊疃龋粌H讓學(xué)生學(xué)到了必要的知識(shí)、方法，開闊了視野，體會(huì)到科研和應(yīng)用的過程、樂趣，也進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的興趣。

課程的高級(jí)知識(shí)部分由于具有研究性，且和學(xué)生渴望較接近，可選擇性地給學(xué)生分組布置調(diào)研報(bào)告，并在課堂上抽少量時(shí)間，讓部分學(xué)生做報(bào)告;很多學(xué)生反映這樣的過程鍛煉了他們查閱文獻(xiàn)和寫綜述的能力、上講臺(tái)的膽量和闡述問題的能力等。而在學(xué)生講的過程中，教師要注意總結(jié)，并對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行糾正。

加強(qiáng)課堂互動(dòng)，熱愛學(xué)生，了解學(xué)生心理，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課堂角色。和學(xué)生一起提出問題、分析問題、解決問題，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)的全過程。教學(xué)方法上注意適當(dāng)使用啟發(fā)式和對(duì)比法，教學(xué)手段上采用多媒體和黑板板書并重，并根據(jù)具體內(nèi)容區(qū)分使用，杜絕走馬觀花式教學(xué)。如圖形算法的推導(dǎo)過程要和學(xué)生一起在黑板上完成，而算法的實(shí)現(xiàn)過程可以做成演示程序或Flash短片，不僅讓學(xué)生明白了算法的原理和過程，也加深了對(duì)算法的理解，看到了算法效果，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的興趣。

(三)重視先修課和交叉課現(xiàn)象

學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)知識(shí)已基本夠用，所以原理性內(nèi)容在課堂上講清楚，課下稍加復(fù)習(xí)就能掌握。但實(shí)踐部分情況比較嚴(yán)重，編程能力較弱，即使教師在課堂上能抽出時(shí)間給學(xué)生講清楚、講明白，但在實(shí)踐時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)很多問題，時(shí)間長了學(xué)生會(huì)出現(xiàn)畏難和厭學(xué)的情緒;而這些先修課知識(shí)很難在課堂上抽出大量時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充。因此宜采取抽出較短的課堂時(shí)間，補(bǔ)充用到的先修課關(guān)鍵內(nèi)容，編寫參考資料給學(xué)生自學(xué)，督促學(xué)生抓緊時(shí)間補(bǔ)齊所缺知識(shí)。

(四)理論與實(shí)踐并重

為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，應(yīng)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的結(jié)合。在加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容和方法改革的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐的改革和探索。對(duì)于實(shí)踐內(nèi)容的安排應(yīng)遵循循序漸進(jìn)、由易到難的原則，分為基本算法驗(yàn)證、提高性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。不限定學(xué)生使用哪種開發(fā)工具，但鼓勵(lì)采用C++和OpenGL。因?yàn)榻柚奢p易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖形效果，學(xué)會(huì)OpenGL還有助于學(xué)生為將來工作和學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備［3］。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)鞏固了學(xué)生所學(xué)，使他們熟悉了開發(fā)工具;而提高性實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力;綜合性實(shí)驗(yàn)將學(xué)生所學(xué)和所想以系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)，鍛煉了學(xué)生大系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和整合的能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排要注意伸縮性和靈活性。學(xué)生情況不一樣，理解問題和解決問題的能力也不同，千篇一律的實(shí)驗(yàn)不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如光柵圖形算法實(shí)驗(yàn)僅要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一種算法，但鼓勵(lì)學(xué)生在此基礎(chǔ)上發(fā)揮想象力。有的學(xué)生實(shí)現(xiàn)了多種算法;有的則進(jìn)一步增加了鼠標(biāo)繪圖;也有的實(shí)現(xiàn)了完整的二維圖形編輯程序，并支持輸出常見圖形格式;還有學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)對(duì)原有算法進(jìn)行改進(jìn)。然而學(xué)生做這樣的實(shí)驗(yàn)要想取得滿意的效果，除了需要教師積極引導(dǎo)，還要求提供豐富資料和強(qiáng)有力指導(dǎo)。如我們?cè)趨⒖紩辛谐鰈ibPNG資料及使用示例，以助于學(xué)生了解常見圖形格式。

實(shí)驗(yàn)過程鍛煉學(xué)生解決問題的能力，而撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告則鍛煉學(xué)生論文書寫能力。要求小型實(shí)驗(yàn)不寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但要寫出實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和解決方法，并進(jìn)行總結(jié);而綜合性實(shí)驗(yàn)則要求查閱相關(guān)文獻(xiàn)，找出解決方法，實(shí)驗(yàn)完成后以論文的形式提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

(五)注重鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法

“授人以魚不如授人以漁。”在教學(xué)和實(shí)踐的過程中，學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)應(yīng)該是最終目標(biāo)，并且是一個(gè)緩慢的過程。從三個(gè)方面著手鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)方法:其一，精選某些課程內(nèi)容，讓學(xué)生檢索文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述，以鍛煉文獻(xiàn)檢索和閱讀能力;其二，在基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，指出擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)題目，并給出參考文獻(xiàn)，學(xué)生閱讀并實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)中給出的解決算法;其三要求學(xué)生整合所做實(shí)驗(yàn)，提交完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并要求以論文的形式提交實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

四、考核與考試

考核是保證教學(xué)質(zhì)量的重要手段，同時(shí)也能鼓勵(lì)和督促學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，有利于教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況和教學(xué)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。鑒于本課程理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，學(xué)生成績(jī)主要分為卷面成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)。由于前者僅能測(cè)試學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，而本科層次的圖形學(xué)課程更強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，實(shí)踐更能鍛煉學(xué)生的綜合能力，因此我們將二者比例定為3∶7。實(shí)踐考核不能僅重視最終結(jié)果，要采取過程考核，定期檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果和進(jìn)度，并記錄實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)踐考核指標(biāo)包括課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程的參與程度，課堂講述情況，學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成的基本情況、創(chuàng)新性、完整性，論文的撰寫情況等。

五、結(jié)語

經(jīng)過多年的實(shí)踐和探索，文中所采用的方法和措施學(xué)生普遍都能接受，他們的學(xué)習(xí)積極性得到明顯提高，不僅重視抽象的理論學(xué)習(xí)，也主動(dòng)加強(qiáng)鍛煉自己的實(shí)踐能力，學(xué)生的綜合能力得到了大幅度的提高。但是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科發(fā)展速度很快，如何科學(xué)地將最新的學(xué)科內(nèi)容納入教學(xué)內(nèi)容，還需要不斷的實(shí)踐和探索。

［1］孫家廣，胡事民．計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

［2］張義寬．計(jì)算機(jī)圖形學(xué)［M］．西安:電子科技大學(xué)出版社，2006．

［3］姚莉．計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)與技術(shù)，2010，(4)．

Teaching ReforMof CoMputer Graphics and Its Practice

ZHU Guo-zhong， CHEN Hai-tao
(Department of Information Engineering，North China University ofWater Resources and Electric Power，Zhengzhou450011，China)

Aiming at some problems in the course theaching of computer graphics，combined with course characteristics and teaching concept，some concrete educational reforMmeasureswas proposed in the article，their actualapplication in the teaching processwas discussed．The teaching practices show that thesemethods canmake student understand the course better，evidently impove the quality of teaching，and Tmprove the students’overall ability．

Computer graphics;Teaching concept;Teaching reformation;Teaching process

G642

A

1008—4444(2011)04—0184—03

2011－03－04

朱國仲(1978—)，男，河南商水人，華北水利水電學(xué)院信息工程學(xué)院講師，碩士。

(責(zé)任編輯:董紅克)