計算機圖形學實驗課程改革探討

李紅林

摘 要：計算機圖形學是計算機科學的一個重要分支，已成為信息技術領域不可缺少的重要內容和發展基礎，同時計算機圖形學技術也深入到人們生活的各個領域。雖然該課程原理強、算法抽象、實踐性強，但是很多高校越來越重視該門課程，并把其列在教學計劃中。該文通過分析計算機圖形學教學中存在的問題，并結合多年的教學經驗，提出了圖形學實驗教學改革的思路及教學內容，并對各實驗項目分別展開說明。實踐證明，改革后的教學效果較好。

關鍵詞：計算機圖形學 實驗 教學改革 VC

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0155-02

計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門的顯示設備上顯示的原理、方法和技術學科[1]。目前，計算機圖形學技術已經深入到人們生活的各個領域，例如：飛機、汽車外形設計、電影、電視廣告、游戲制作、天氣預報、醫藥醫療以及地質勘探等。因此，很多高校都越來越重視該門課，并把其列在教學計劃中。但是該門課程原理深、算法抽象、實踐性強。大部分學生在課程開始時抱著極大的興趣學習，但隨著算法的深入，雖然上課能聽懂算法，但是課后實現算法卻很困難，這樣一來，理論與實踐不能很好結合，而使學生覺得枯燥單調，學習的積極性與主動性逐漸下降，教學效果不理想。

1 教學中存在的問題

圖形學教學中會存在如下問題：一是實驗教材選擇不恰當；二是很多高校圖形學實驗都是基于Turbo C環境下的編程，因編程界面不夠友好，使用不方便，多數學生對它不感興趣。三是過分注重理論教學，實踐教學的時間遠比理論教學時間少；四是過分強調圖形學的數學基礎；五是實踐課程設置合理，但是實驗內容有的過于簡單，而有的又太難。以上五方面都會導致學生學習興趣不濃或厭學。針對此，對實驗課程進行改革是非常必要的。

2 圖形學教學改革措施

如何針對本校學生實際制定適合其學習的實驗方案尤其重要。通過筆者多年的教學實踐，我們可以通過計算機圖形學實驗的演示、驗證和開發，來鞏固學生對計算機圖形學所學知識的理解，同時加強學生的動手操作能力。可以從以下幾方面進行改革。

2.1 教材選取

目前，圖形學教材非常的多，大部分的經典教材中講解的知識較多、難度較大，學生學習較吃力。如何選用教材，使學生學到更多知識很重要。在教學的過程中，針對地方高校的特點，學生的基礎較差。筆者在教學中，把教學重點定位為二維知識的掌握；三維知識只作簡單的了解和介紹，以此來降低學生學習難度，提高學習興趣，為以后的三維知識的學習打好基礎。因此，在選擇教材時，盡量考慮偏重二維知識的、包括程序代碼的，利于學生上機實驗的教材。

2.2 編程環境選擇

針對Turbo C編程環境存在的問題，我們在實驗過程中可以基于Visual C++的MFC編程。因為VC開發環境是可視化的，編寫的程序執行結果明顯，學生有成就感，對完成實驗更有自信[2-3]。通過實驗，學生不但可以學習實用的編程語言，而且也促進其對新知識的學習。

2.3 實驗教學改革

目前，課程開展了九個實驗，實驗內容如表1所示，其中實驗類型有驗證性、設計性和綜合性三種。驗證性實驗是讓學生對理論課程學習的圖形學基本算法進行編程驗證；設計性實驗是一種探索性的實驗，不但要求學生綜合多種知識來設計實驗方案，而且要求學生能充分運用已學到的知識，去發現問題、解決問題，實驗中，學生自己選題、自己設計，在教師的指導下進行，以最大限度發揮學生學習的主動性；綜合性實驗是通過學生一段時間的學習，具有一定的圖形學綜合知識和技能，且實驗內容涉及到這些知識和技能的實驗[4]。

2.4 實驗項目說明

實驗1中，關鍵是熟悉VC的MFC編程環境，了解如何創建工程及添加消息以及 MFC繪圖函數的使用。

實驗2中將驗證直線生成算法。通過理論分析直接直線生成算法、DDA算法、Bresenham算法、中點畫線算法等，找到各算法的優缺點，對比各種算法運行的速度；然后通過上機實現上述算法，并比較各算法在生成同一直線時的效率。

實驗3中對比中點畫圓算法與Bresenham畫圓算法的實現機制及運行效率。

實驗4中主要是驗證課本中內點表示、邊界表示的4連通或8連通種子填充算法填充規則圖形（矩形、圓等）及不規則圖形（任意形狀各異的圖形）。實驗中，對于基礎好的同學，還可試著采用掃描線多邊形填充算法（選做）來填充一個簡單的圖形內部。

實驗5中主要是運用已學過的各種圖形學的知識來填充圓的內部。A.點到圓心的距離小于等于半徑；B.種子填充法；C.Bresenham畫圓法；D.用改進的Bresenham畫圓算法；E.中點畫圓算法；F.改進的中點畫圓算法等。并對比各種算法在填充圓的內部時的差異。（見表2）

實驗6主要是驗證Cohen-Sutherland直線裁剪算法。實驗主要是基于矩形窗口的直線裁剪，對于三類型直線裁剪的正確性進行驗證：一是直線完全在矩形窗口內；二是直線完全在矩形窗口外；三是直線與矩形窗口有交。其他直線裁剪算法的驗證可選做。

實驗7中，可針對生成的一個簡單圖形實現其二維變換。例如三角形的比例、平移、旋轉變換等。

實驗8中，主要是實現課本中的Bezier曲線生成算法。若能正確生成Bezier曲線，可以結合圖形變換知識和平面曲線知識實現的正葉線、正葉線蝴蝶結等圖形的生成。

實驗9中，可以結合本學期的學習情況，利用所學的圖形學知識，發揮想象力，設計一個圖形學作品。例如：雪人，火車等。

3 結語

從文中的實驗教材、實驗教學環境以及實驗教學內容的選取以及多年的教學經驗，可以看出在計算機圖形學實驗課程教學中，首先要加強理論與實踐相結合，要進行培養方案修改，加大實驗課的比例；其次要針對學生的特點，找到適合當前學生學習的方法和實驗內容進行教學。經過改革后，教學效果較好。

參考文獻

[1] 伏玉琛，周洞汝.計算機圖形學——原理、方法與應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2003.

[2] 廖方茵，丁凰.計算機圖形學實驗教學的改進[J].北京電力高等專科學校學報，2009（5）：2-3.

[3] 陳莉.談計算機圖形學的教學與實驗[J].計算機教育，2014（10）：51-54.

[4] 袁國武，徐丹，趙楊.“計算機圖形學”實驗課程改革經驗與探索[J].計算機教育，2009（15）：29-32.endprint