計算機圖像學算法可視化教學系統設計與實現分析

史瑞芳

[摘 要]計算機圖像學算法具有一定的抽象性，難于理解，且較為枯燥，學生在學習的時候難度較大，而隨著計算機技術的不斷發展和進步，教育教學方式發生了巨大的變化。可視化教學系統就是以計算機技術為基礎誕生的一種新型教學方法，其在計算機圖像學算法中應用能夠將難以理解的知識點和抽象的概念，運用交互控制技術進行演示，使學生能夠充分理解相關的知識，其對于教學具有重要的作用。

[關鍵詞]計算機圖像學；算法；可視化；教學系統；設計

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.094

[中圖分類號]G642；TP391.41 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）16-0-02

計算機圖像學主要研究運用計算機進行圖像生成、處理、輸出與顯示的基本原理和算法的學科，是計算機應用中的重要分支之一，學習好這部分知識能夠有效提升學生的算法設計能力和編程實踐能力。但是，這門課程的學習難度也比較大，一些復雜的知識學生在課堂上難以理解。為了更好地提升教學質量，滿足學生的學習需要，部分學者嘗試將可視化教學系統應用在教學中，希望能夠借此做好相關教學工作。

1 應用可視化教學系統的意義

相關心理學研究表明，個人在一生中所獲得的信息有90%以上都是通過視聽渠道獲取的，而這90%中又有80%是通過視覺獲取的，由此可見，對于學習者來說聽覺器官比較重要。所謂的可視化實際上就是借助科學設備，利用人們可視的特點，傳遞、處理和理解各種各樣的信息。在教育教學知識的時候，可視化教學可謂是隨處可見，如在課堂上教師借助書本、多媒體教學設備等傳遞的知識，實際上都可以看作是可視化教學的一部分，可視化教學通過適當教學設計，能夠將可視化信息傳遞給學生，使他們在最佳的學習條件下學習相關的知識，這對于學習者獲取知識具有較大的幫助。同時，在教學工作開展的過程中，可視化教學還能使教師與學生更好地進行溝通和交流，可視化教學系統多種多樣，部分系統在傳遞信息的時候，傳遞的方法比較多，教師在教學時也不必拘泥于傳統的課本板書式教學，在教學相關知識的時候，教師有了更多的選擇，其與學生的交流和溝通也更為順暢。同時，其還具有活躍課堂氣氛的作用，在學習知識的過程中，每個學生對于知識的感興趣程度都是不同的，如有的學生對于教師所講解的知識比較感興趣，因此，學習積極性相對來說也比較高，但是也有許多學生對于教師所講解的知識，不是很感興趣，而在教學時就需要教師對學生進行適當的引導，可視化教學的方法比較新穎，能夠通過多種渠道和方法實現教學目的，因此其對于調動學生的學習興趣具有重要的作用。

此外，近些年來，隨著新課程教學改革工作的深入開展，教育教學模式也發生了較大的改變，各種新型教學方法可謂是層出不窮，這些新型教學方法的出現實現了教學創新。可視化教學系統的設計與實現，也是教學創新的一種表現，其對于我國教育教學事業的發展也具有一定的促進作用。

2 可視化教學的優點

可視化教學模式與傳統的教學模式相比，具有較為鮮明的區別，其是以現代化計算機技術為背景誕生的新型教學模式之一，其在教學中的應用能夠將抽象的理論知識進行轉化，使之轉變為具體的知識，對于提升學生的創造性思維能力具有重要的作用，在具體的教學中，其具有以下幾個方面的優勢。

（1）激發學生的學習積極性。在教學中應用可視化教學能夠激發學生的學習積極性，使相關的教學理念和教學方法更好地儲存在學生的記憶中，不僅有利于學習計算機圖像學算法，而且對于學習其他學科的知識也有著較好的幫助。

（2）具有一定的趣味性。可視化教學軟件具有一定的趣味性，在教學中興趣是學生學習路上的指路明燈，其對于獲取知識和提升能力具有重要的作用，但是培養學生的學習興趣也并非是一朝一夕的事情，而可視化教學系統的趣味性，能夠較好地吸引學生的注意力，有助于學生形成學習動機。而且，在教學中具有不受時間和空間限制的特點，學生在課下也可以借助相關系統，探究算法知識，對于學生的成長及發展具有重要的意義。此外，該系統能夠詳細地展示算法執行的過程，有助于學生理解和消化重難點內容，提升其學習能力，幫助他們掌握知識。

（3）有利于了解學生。在應用可視化教學法后，教師在教學中有了更多的時間了解班上的學生，進行課程教學設計，這樣在后期教學工作開展的過程中，教師也能夠結合學生的實際學習情況，更好地開展相關的教學工作。

3 教學系統的設計

計算機圖像學算法具有一定的抽象性，學生在課堂上學習相關的知識時，如果僅僅只是依靠傳統的靜態代碼教學，讓學生自行想象圖像數據的動態結構變化是一件極為困難的事情，長期如此很容易使學生喪失學習的積極性。為了讓學生對計算機圖像學算法原理有更加清晰的理解和認識，更加直觀的印象，提高學生的學習興趣，在教授該課程時，教師借助了大量多媒體教學技術開展相關的教學工作，但是這些教學軟件在應用過程中也存在較多的問題。例如：針對部分教學軟件知識課本的電子版本，教師只是簡單地將課本上的知識搬到投影儀上，教學方法可謂是換湯不換藥；算法雖然采取了Flash動畫演示，但在教學中也只是按照預先設定好的程序進行算法描述和演示，學習者在學習過程中只是被動地接受教學內容，無法根據自己的需要輸入不同的條件改變輸出結果，更無法控制動畫演示的進度，這樣學生在學習時，還是單方面地接受知識，教學互動效果并不是十分理想。此外，這些傳統的教學軟件還缺乏在線寫作學習的功能，教學效果并不是十分理想。

針對傳統計算機教學軟件中存在的不足，可視化教學系統結合計算機圖形學算法教學的實際情況，在設計過程中做了較大的改變和嘗試。首先，該系統建立了虛擬柵格和以可見點模擬人眼不可見的像素點，在教學中其能夠有效地利用可視化技術以動畫形式模擬該課程基本算法的實現過程、難以理解的知識點和抽象概念等。其次，在進行系統設計時，其注重運用交互控制技術，注重學習者在學習過程中的參與性，如在學習知識的時候，學習者能夠借助交互控制技術針對不同的算法修改參數和調整演示速度。最后，該系統還開發了題目實施更新的課后練習系統，學習者在課堂上的課程學習結束之后，還可以借助系統進行自主學習和探究式學習、協作學習等，滿足多元化的學習需求，教學平臺較為完善，學生的學習需要得到了充分滿足，具體設計如下。

3.1 技術路線

可視化編程工具將計算機圖像學課程所涉及的一些算法進行了可視化，如直線、曲線生成、橢圓生產、直線段裁剪、多邊形填充和分形模擬的動態演示等，在將這些內容可視化之后，其滿足了學生的個性化學習需要，提高了教學效率和教學效果。而且在教學時，其對于一些抽象概念、理念等進行模擬，對計算機圖形的點、線、面生成原理進行介紹，對多種直線、橢圓、曲面的生成算法進行介紹和演示，從而也能夠幫助學生更好地鞏固課堂學習重點，理解圖形在計算機中的生成原理，掌握計算機中的圖形生成算法。此外，該技術還能模擬人眼看不見的屏幕像素，并且以動畫的形式完成個性算法動畫演示過程，豐富了教學內容。

而GDI圖形處理技術，則采用了C++面向對象語言完成教學課件的制作，這樣教學運行效率更好。在系統中，還制作了圖像放大演示，從而學習者能夠了解在計算機中圖形的真實一面；學生可以在二維圖形的幾何變換中自己畫圖，自由地變化，從而也有助于學生掌握計算機的動畫原理。例如，三維立方體的空間運動演示中和貝塞爾曲面的透視演示，學生可以感受三維的震撼效果并且理解3D建模的原理，有助于學生對相關知識進行理解和鞏固。

3.2 理論設計

計算機程序、數據結構等內容在向學生傳授的過程中，都存在有說明表現和演示過程等方面的不足。因此，在進行可視化系統設計時，也較為注重這方面內容的設計，如在系統中將程序執行過程以及數據演變過程形象的設計在計算機屏幕上通過動態圖形的方式表現出來，學生能夠更加直觀地理解相關的內容。

在教學中，算法可視化教學能夠展示運動過程，彌補課本中只能以插圖或者是文字說明教學知識點的局限性。同時，應用該教學模式，還能夠有效培養學生的觀察力、想象力和邏輯思維能力，有助于提升學生解決問題的能力。而且，在設計可視化系統時，其所設計的界面一般都比較友好，具有動態交互的優勢，能夠根據學習者的學習需要，幫助他們進行自主學習，獲取自己想要的知識，并且在教學中不受時間和空間的局限，使師生之間的聯系更加的密切。

4 結 語

計算機圖像學是計算機學科的重要教學內容，在學習計算機圖像學課程之后，其有助于學習者向科學計算、計算機輔助設計、計算機仿真、信息數據的可視化、虛擬顯示、動畫、游戲和數字娛樂等行業發展。同時，計算機圖像學的相關知識還能夠解決計算機基礎教育難以直接解決用戶面臨的實際應用問題，彌補了當前計算機仿真等環節的缺失，使計算機應用程序設計教學模式發生了巨大的轉變，對于開展相關教學工作具有一定的促進作用。

主要參考文獻

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