引入思維導圖的計算機圖形學教學實踐*

廖彬 胡金龍

[摘 要] 通過分析計算機圖形學教學的特點及其存在的主要問題，將思維導圖引入教學中，并對圖形學課程設置、理論教學、實踐教學進行了改革。在教學的各階段，利用思維導圖構建起完整的知識體系。同時，將理論教學與實踐教學的考核相分離，使圖形學理論課程成為實踐課程的前期課程。通過理論課程中原理、算法的針對性講解，實現理論向實踐的平穩過渡，由此激發學生的學習興趣并培養學生理論聯系實際的能力。

[關鍵詞] 計算機圖形學；思維導圖；圖形學理論教學；圖形學實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2016） 07-0106-02

一 計算機圖形學課程教學中存在的問題

本科的計算機圖形學教學對數學理論有一定要求，往往體現為公式推導、演化等形式，同時也涉及算法設計及其代碼實現。而傳統計算機圖形學教學重點一般側重于考核學生對知識點的掌握，課程實踐所占比例較低。因此傳統的教學模式不適用于計算機圖形學課程，若仍沿用傳統教學模式，則不僅不利于維持學生的學習興趣，更不利于學生發現問題、解決問題以及創新能力的培養。

1 計算機圖形學教學內容與學生的學習興趣

傳統的計算機圖形學內容主要有：計算機圖形系統概述；二維圖形生成和變換技術；三維圖形生成和變換技術；真實感圖形生成技術；計算機動畫技術與實踐。該課程入門階段需要的數學知識主要涉及代數、三角學和線性代數，數學原理與圖形的結合在理論教學中占據了一定比重。

傳統的計算機圖形學教學目標是側重于培養學生對計算機圖形學理論知識的了解與掌握，在教學內容的設置上主要強調圖形學知識、概念的系統性與整體性，重點是概念解釋與原理講解，體現為大量的公式推導。

未進入圖形學教學前，學生們對該課程的理解大致分為兩類：一類認為該課程主要講述游戲開發。另一類認為是藝術設計。實際上，在本科階段開設的計算機圖形學課程，通常立足于計算機圖形學科的入門，教學內容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實現算法，能進行基本圖形的程序設計。由此，學習內容的枯燥、教學內容與現實應用的巨大落差會導致部分學生的學習興趣隨課程的深入而有所下降。

2 計算機圖形學課程實驗的設置

計算機圖形學的實驗內容主要集中于基本圖形算法的實現，需要學生運用高級程序語言進行編程，然而作為專業基礎課程學習的此類高級程序設計課程，往往以基本知識、程序設計、數據組織三方面為主要內容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導致在本課程的實驗教學時，需要針對授課學生原先所學的高級程序語言，補充對應的圖形庫編程知識，這使得實際的有效實驗學時被縮減，而且增大了學生實現算法的難度，以至于進一步加劇了理論與實踐脫節的現象。

二 理論教學與實踐教學的改革方法與目標

我們在大學本科的第7個學期開設計算機圖形學課程，并將其分為理論課與實驗課兩門課程，兩門課程單獨核算成績。其中理論課為32學時，2.0學分；實驗課為16學時，0.5學分。在理論課程完成后開始實驗課程，計算機圖形學的實驗不再是傳統教學中對理論課知識點的簡單重復與驗證，而是對所學知識的綜合運用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學內容，以完成與實驗課程的銜接。同時，設計合適的實驗項目使學生掌握課程基礎知識，提高學生的動手能力，以提升計算機圖形學的教學質量。

1 理論課教學內容的設計

計算機圖形學技術在快速的發展著，與之相適應，圖形學課程的教學也發生著變化。現階段，在計算機圖形學教學中主要有3種教學體系，大致分為：理論為主、編程為主、問題為主。其中，理論為主是傳統的教學體系，強調對計算機圖形學理論的理解與掌握，以公式推導為主要呈現方式，國內外此類教材有Floey的《計算機圖形學原理及實踐——C語言描述（原書第2版）》，孫家廣的《計算機圖形學》等。編程為主的教學體系側重于培養學生初步掌握一種典型的圖形學API，以圖形學使用者的角度講授計算機圖形學所需的理論與概念，去除非必需的數學原理與公式推導。國內外此類教材有Donald的《計算機圖形學（第四版）》，徐文鵬的《計算機圖形學基礎（OpenGL版）》等。問題為主教學體系的教學目標著重于培養利用計算機圖形學知識建立與用戶交流的能力，從而實現問題的圖形化建模并解決問題。相應的教學內容既涵蓋了圖形學中的基本概念和技術，也涉及了實現這些概念和技術的圖形學工具，然而重點在于介紹如何使用計算機圖形學知識來解決實際問題以及如何有效地進行結果展示，Steve Cunningham的《計算機圖形學》是此類教學體系的典型教材。此類問題為主的教學體系近年來在美國興起。

在我們的本科教學中，考慮到學生前期課程的設置與掌握情況，采用了結合OpenGL實現算法的編程為主的教學體系。在實際教學中，既要保證計算機圖形學基本概念、理論的完整講述，也為后續的實踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學生在掌握圖形學基本知識的同時，能夠在一定程度上自主實踐，保持與激發學生的學習興趣。

2 以思維導圖優化圖形學教學的實踐應用

思維導圖（又稱心智圖），是英國教育學家東尼·博贊在20世紀60年代創造的，它作為模擬放射性思維的圖形工具，能激發大腦的潛力。在人獲得信息后，進入大腦的信息以新的思想中心與其他信息建立關聯，形成向外發散的網狀結構。此后，每一個發散出的節點，又將作為新的中心，再次發散形成新連接。

3 實驗課教學內容的設計

計算機圖形學傳統教學中的實踐一般使用C++來實現相關算法，實現難度過大，導致學生沒有時間和興趣去完成。實踐教學的本意是對理論教學的鞏固、完善與提高，為實現理論與實踐教學的平穩銜接，我們在實踐教學環節中，采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學生有針對性地完成若干實驗項目。

OpenGL是一個工業標準的三維計算機圖形接口軟件，其具有的功能基本上涵蓋了圖形系統要求提供的所有功能，此外，OpenGL具有的跨平臺性、可擴展性、繪制專一性、網絡透明性等特點使其應用廣泛，降低了對學生編程能力的要求，且由于其開源的特性，使得學生可通過參考其中的算法實現獲得編程能力的提高。

我們結合圖形學的實際應用與學生的實踐能力，設置了如表1所示的實踐項目。