層次化任務驅動教學法在“計算機圖形學”實踐教學中的應用

廖 寧

(中南林業科技大學涉外學院，湖南長沙410004)

隨著信息技術的進步與發展，圖形界面系統的廣泛應用，計算機圖形學已經成為現代科技人員必須掌握的工具課程。通過該課程的學習，使學生系統地掌握計算機圖形生成與處理技術的基礎知識、基本原理和方法，具備與圖形有關軟件的基本研發能力。

一 課程教學內容現狀分析

計算機圖形學綜合了數學、物理、計算機科學等學科的知識。目前的教材章節安排都是從圖形繪制的硬件設備介紹、基本圖形的生產算法逐步過渡到真實感圖形學繪制算法，這是一種從自下而上描述方法，對學生來說，知識面廣，內容跨度大，知識結構不夠清晰，學生很難建立計算機圖形學這門課程的知識結構。此外，大部分理論教材對算法的描述并沒有相應的程序代碼，對于筆者從教的獨立學院的學生而言，他們的基礎知識本就比較薄弱，無法直接從書本找到實踐方法，學習起來就有畏難情緒，學完后就將其束之高閣，無法達到學以致用的教學目的。加之學科的發展日新月異，應用領域不斷拓展，因而對學生的要求較高［1］。

在計算機圖形教學研究中，總的來說有兩種模式，一種是傳統的先理論后實踐教學模式，這種方法雖然學生比較容易接受，但是在理論學習時對算法和概念等抽象知識缺乏感性認識，因而只能“死記硬背”，學習過程“似懂非懂”，學習效果“差強人意”;進入實踐應用學習階段時，對學過的算法及原理遺忘甚多，沒有了理論指導，實踐就無從下手。理論教學和實踐教學的銜接不當，使得學生的專業興趣得不到充分激發，學習積極性難以調動，嚴重影響教學質量，難以達到預期效果。因此有些教師主張從實用角度來講授計算機圖形學技術［2-3］，這種模式相對而言理論基礎涉及較少，在一定程度上能夠降低學習難度，提高學生學習興趣，然而對于計算機圖形學這門學科而言，此法浮于表面，學生難以深入了解學科內涵。

另外，為了吸引學生的注意力，一些教育工作者認為，應在課堂上增加圖形生成演示以及算法驗證的過程，從而加深學生對各種算法的理解。這種方法在一定程度上確實收到了良好的效果，然而從教授這門課程的親身感受和體會出發，筆者認為過多依賴多媒體課程的教學方式，使得學生的注意力集中在課件的演示效果、算法的運行結果上，而圖形生成的原理、算法設計的技巧等關鍵問題得不到重視。加之師生在課堂上的交流減少，會產生諸如“師不知弟子所學，弟子不知師所授”等不良后果。

二 實驗教學中存在的問題

作為一門綜合性強的課程，計算機圖形學涉及的內容和應用很廣，學科交叉繁雜，大部分的學校該課程的實驗學時只占總課時的1/4，并且實驗沒有單獨的學分，只是圖形學課程的一個實踐環節，因此，老師不能充分投入到實驗課的教學中，實驗設計和管理包括成績評定都顯粗糙。而學生對這種實驗課程的安排，也不重視。

在實驗環節中，教師設計好實驗任務，將實驗題目、實驗內容和實驗重點布置給學生，然后讓學生上機實現。學生獨立完成實驗，教師在實驗室指導學生，有問題進行解答。但這種教學方式單調，在班級人數較多的情況下，一次實驗課僅能夠對少數學生進行指導，大多數學生的問題只能留待課后解答，而一般情況下，教師每次實驗課程都要進行考核，學生為了應付考核，在問題沒有解決的情況下，不可避免地選擇了抄襲。

實驗課的主要內容也是驗證圖形生成算法，比較各種算法的優劣。對于筆者所在的獨立學院的學生，基礎知識不牢固，動手能力參差不齊，如果采用統一的難度和標準，無疑限制了他們主動創新能力的發揮，不利于培養學生的動手能力和創新意識。

三 新教學模式的探索

任務驅動教學法是指在教學過程中，以學生為中心，以任務為驅動的教學方式［4］。其任務可以是描繪一幅圖形、編寫一段程序等等。任務驅動教學法的特點是:教師以任務為中心，圍繞解決實際問題組織教學，不求理論的系統性，只求內容的實用性。將書本知識和實際應用結合起來打破理論與實踐二元分離的局面，實現理論與實踐的有機結合。讓學生在完成任務的過程中學習新知識和新技能，培養學生獨立探索與合作精神。提高學生學習的主動參與意識，激發學生的學習興趣。發展學生的綜合能力［5］。

1.層次化任務教學，激發學習興趣

層次化任務驅動教學模式，通過分層教學與任務驅動教學相結合，對不同知識結構和能力層次的學生采用不同的教學方法，真正做到因人而異、因材施教，提高學生整體學習的興趣和學習效率，培養學生獨立學習的能力，從而優化學習過程和學習效果，培養出具有高度創新能力的新型人才。該模式采用以學生為教學主體、教師為教學主導的“雙主”模式，從學生的實際情況出發，基礎內容側重于深度，應用內容側重于廣度。根據計算機圖形繪制過程，由淺入深、循序漸進地安排課堂教學內容，充分調動教師和學生的主動性、積極性，使學生在學習的過程中系統地獲得計算機圖形學的基本知識，必要的基礎理論和常用的圖形生成方法，為以后學習相關課程和從事相關研究與開發工作奠定堅實的理論基礎。

采用這種新的教學思想后，我們把實驗教學體系分為基礎實驗、綜合實驗和設計實驗三個層次，以此為中心目標來進行實驗教學。實驗教學體系如圖1。

根據實驗教學體系的劃分，我們將圖形學的實驗內容和任務目標進行了層次化(見表1)，列舉了部分實驗任務的層次化目標。對于一些實驗難度大，知識涵蓋廣的任務，在有限的實驗時間內無法完成的，我們采用開設課程設計等方式進行。

表1 任務目標層次化

2.理論聯系實踐，雙管齊下

為了提高學生理論聯系實際、動手編程的能力、實踐動手能力，引導學生由淺入深地掌握計算機圖形學基本理論和算法。我們除了從實驗內容安排上進行分層實驗教學，在理論教學手段上，采用多媒體教學與傳統的教學方式相結合，充分發揮圖形圖示、動畫演示的作用。強調對比學習方法，對解決同一問題的不同方法進行比較，如通過采用圖示方法給定相同位置的幾組控制點，比較Bezier、B樣條、NURBS曲線曲面各自的特點，從而介紹曲線曲面的基本概念和幾何性質。在講解圖形學的應用時，結合現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，讓學生身臨其境，充分調動了學生的學習積極性［6-7］。

3.利用課余時間，實現立體教學

課堂上講授和練習的時間有限，還應充分利用課外時間開展興趣小組和程序設計比賽等活動，鞏固提升所學知識，培養創新能力。筆者所在學院的計算機圖形學課程在2013年之前未單獨開設課程設計環節，僅安排了12節實驗課時，且不單獨計算學分，因此學生在短短的實驗課程里完成不了難度比較大的算法設計。自2013年開設課程設計后，我們則鼓勵學生組成設計小組，小組成員互相協作，共同完成難度比較大的課程設計項目，既提高了基礎比較好、動手能力強的學生的創新意識和知識層次，也幫助了基礎薄弱、動手能力差的學生對知識的理解以及培養他們的團隊精神與協作意識。為了進一步調動學生挑戰困難的勇氣，我們還舉行了程序設計比賽，以實現效果、軟件運行性能、程序可讀性等方面作為指標進行比較，以賽促學，通過競技選拔，促進整個班級良好學風的形成。

4.嚴格考評制度，加強過程管理

考評的目的在于鼓勵和督促學生自主學習，提高學習的積極性和主動性。對教學過程化管理與考核是保證教學質量的重要手段，因此，應及時發現課堂、作業、實驗等環節中存在的問題，采取行之有效的管理辦法。考核時可以打破單純試卷的考評，充分重視學生掌握基礎知識、應用能力、綜合運用及創新能力等各方面的情況，選取多種方式全方位、立體化考核。

四 結語

自2010年9月起，我們將前面所提到的教學方法，逐步應用到實際教學過程中，取得了不錯的效果，學生參與實驗項目的積極性和創造性有了明顯的提高，不再感到無所事事，無從下手。有多名學生在課程學習結束后，選擇了圖形學方向的課題進行畢業設計，通過剖析成熟的圖形系統，分析開源的代碼，幫助學生理解系統設計的構造及具體功能的實現;通過查閱文獻資料，撰寫論文，以提高學生跟蹤學科前沿、文獻檢索與綜述的能力。

教學有法但教無定法，要真正做到因材施教、全面培養學生的綜合素質是一件很復雜的工程，需要教師努力提高自身學識，在教學過程中不斷摸索和總結。

［1］嚴圣華.計算機圖形學教學研究與實踐［J］.計算機教育，2010(10).

［2］唐 棣，郭 禾.計算機圖形學算法可視化教學研究與實踐［J］.電化教育研究，2009(1).

［3］周芳芳，趙穎.高校計算機圖形學教學改革探索［J］.科技信息(學術研究)，2008(15).

［4］蔣文沛.任務驅動項目導向教學模式的應用［J］.高教論壇，2011(10).

［5］馮 林，鄭薇薇.任務驅動與項目驅動相結合的創新教育研究［J］.黑龍江教育，2010(4).

［6］竇易文，周鳴爭.計算機圖形學多需求模型的教學改革初探［J］.科教文匯，2010(10).

［7］姚 莉.計算機圖形學教學改革與實踐［J］.實驗科學與技術，2010(2).