結合實踐的啟發式計算機圖形學課程教學探討＊

葛 琦，莊文芹

(南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

啟發式教學是傳統教育思想的精華，是以“學生為主體，教師為主導”的現代教育理念和方法。啟發式教學不僅在于啟發及啟發什么，而且在于如何進行啟發式的教學[1]。啟發式教學從激發學生的學習興趣和調動學生積極主動地思考問題出發，從而引導整個教師的教學活動結合啟發式思考的教與學[2]。

目前，在國家“一帶一路”、“互聯網+”，“中國制造2025”等戰略倡導下，社會對于本科人才培養提出了進一步的要求。電子信息工程專業的學生除少數進一步深造外，絕大多數畢業生會進入信息、互聯網、人工智能等新經濟領域。用人單位對于電子信息工程專業的畢業生的期待是動手編程等實踐能力，能解決一些數字信息化領域的實際問題。

“計算機圖形學”是電子信息工程專業的一門重要課程，該課程是利用計算機生成數字圖形，并研究如何對數字圖形進行處理和顯示的一門課程[3]。“計算機圖形學”的方法和技術被廣泛應用于科學計算可視化、計算機輔助制造/設計、三維仿真、虛擬現實等領域[4]。因此，本科教學中，學習計算機圖形學可以從計算思維、編程實踐和溝通協作三個方面結合程序設計實踐。本文將探討如何利用啟發式教學方法促進“計算機圖形學”作為電子信息工程專業一門重要課程從理論和實踐兩方面促進學生的學習提升，為電子信息工程專業的學生就業和升學服務。如圖1 所示，本文首先分析“計算機圖形學”的教學現狀，找出存在的問題痛點；然后針對這些問題提出結合實踐的啟發式教學改革措施；最后針對這些改革措施提出教學成果驗證和提升方案。

圖1 結合實踐的啟發式計算機圖形學課程教學探討方案

1 計算機圖形學教學的現狀

“計算機圖形學”作為本校通信與信息工程學院電子信息工程專業大三年級的本科教學的一門專業限選課，主要研究圖形在計算機中的顯示和處理的相關算法，是圖像處理方向本科教育和研究生教育的橋梁課程，是從事計算機視覺、科學計算可視化等相關工作的基礎。

1.1 課程難度和內容安排的矛盾

“計算機圖形學”課程作為對高年級本科生開設的一門課程，其內容不僅涵蓋抽象算法和理論、圖形學前沿應用技術的知識，而且有圖形軟硬件實現的編程能力要求。這門課程中大量圖形算法為主的核心內容必須掌握線性代數、高等數學、等課程為基礎，同時上機實踐操作又需要掌握程序設計基礎，數據結構算法較強等課程。此外，由于我們學校計算機圖形學的理論和實踐總學時為32學時，在相對少的學時內只能對基礎知識進行學習，對動手編程實踐訓練較少，限制了自主學習的意識和興趣。以我校電子信息工程專業大三學生開設的計算機圖形學為例，總課時32學時有26學時用于理論講解只有6學時用于實驗上機。很多學生因為缺乏動手實踐培養加上理論內容難度較大，學習的主動性無法激發，對課程的學習產生了畏難情緒，不利于整個計算機圖形學的教學效果。

1.2 教學觀念和手段的滯后

傳統的計算機圖形學教學在理論教學中采用直接授課的方式，而沒有深度挖掘專業需求和課程內容之間的關聯。這種簡單直接的教學手法導致原本就以抽象的數學物理知識為主的課程內容更加晦澀難懂，令學生失去學習興趣[5]。另外，對學生的考核主要通過課后作業和期末考試來完成，而且在有限的課程實踐中，與學生交流互動的次數有限。因此，在傳統的教學觀念和手段下，既不能夠做到較好的傳授知識給學生，又不能較好的掌握學生的學習情況，使得教學效果不盡理想。

2 結合實踐的啟發式教學改革

通過以上分析，為了解決計算機圖形學課程難度較大和編程實踐機會較少的問題，本文提出應采用結合程序設計實踐的啟發式教學改革思路和措施。首先，通過對冗余的教學內容配合較短的32學時的課時進行精簡和重新組織。然后，以計算機圖形學領域當前研究最熱點、最具有創新價值的內容入手，吸引學生的學習興趣，使學生快速了解計算機圖形學的實際操作方法。在此基礎上，結合啟發式的教學方法，深入利用關鍵詞句、關鍵問題探討、對比分析和發現核心思想這四個啟發式教學法，通過具體知識點案例進行詳細分析。

2.1 啟發式教學的內容改革

針對專業限選課的課程容量和實踐需求，對教學內容進行精簡和重組。①對課程中必要的基礎理論，如直線、橢圓、圓等基本圖形的生成；②對已成熟的光柵圖形學內容進行簡化，對實體造型技術和原理等進行重點講解；③對虛擬現實、人機交互技術、游戲渲染技術等當前應用熱點領域進行拓展講解。以此來構建一套適應新產業新發展的學生知識體系。然后以關鍵詞句和問題探討未主線組織教學。針對“計算機圖形學”中的關鍵問題，如圖形如何表示，如何操作，如何繪制進行探討，引出相應的數學原理、技術方法和程序設計方案，并根據關鍵詞句對某個知識點進行詳細闡述。例如，在圖形生成教學中，“生成”可以解釋為利用計算機生成一個多邊形。如果多邊形的位置和形狀暫不可用，則要對多邊形進行“裁剪”。對裁剪之后的圖形進行顯示，即對多邊形的顏色、光照等綜合進行真實感圖形繪制，再引入真實感圖形繪制的講解。我們利用有限的上機時間，從每一章引出的關鍵問題開始，進行分析探討，再到數學表達，最終編程實現，按這一步過程編寫課件。每一章的教學目標設定為以程序設計實踐為中心，并以程序設計實踐為考核目標。

2.2 啟發式教學的方法和手段改革

在有限的實踐上機學時中，以課程小作業結合大作業的形式作為計算機圖形學程序設計能力訓練的一個主要形式。小作業主要以每個知識點學習后的小練習題，作為課外需完成的程序實驗。大作業結合相應的計算機圖形學的研究熱點領域，內容涵蓋固定樣條曲線曲面、光線跟蹤、掃描多邊形等。

在上機實踐教學過程中，從學習算法到理解偽代碼，再到上機調試程序，對于學生來說是從抽象知識到具體實踐知識學習的一個關鍵階段，期間必然充滿各種理解困難[6]。因此，必須首先在課堂有限的時間內充分利用多媒體圖形圖像、音頻、視頻等手段，將抽象算法的知識點和主要程序語句編寫調試，充分調動學生視覺和聽覺的注意力，讓學生專注聽見和理解。然后，采用啟發式教學，對問題探討，激發學生的學習興趣。在講解過程中，可以提出一個關鍵問題讓學生進行探討加深學生的記憶和理解，例如，提出問題：在unity 粒子系統中，是如何實現簡單的云、火、霧的效果的？這樣，增加學生對學習使用unity開發平臺增加一定學習興趣；計算機圖形學中一些相近概念和知識有漸進相關聯系，比如在講解“二維變換和裁剪算法”和“三維變換和投影算法”時可以對兩者之間的聯系和區別拿來分析比較，使學生對處理低維到高維數據能更好的舉一反三，根據考核結果也發現學生掌握較為牢固。最后，在計算機圖形學中有眾多的算法具有相近的核心思想，例如光柵圖形學中的DDA 算法、中點畫線法、Bresenham 掃描轉換算法都是以最佳逼近為核心思想，這三種方法區別在于不同的增量判斷；再例如，裁剪算法的關鍵也是找到與線段頂點最近逼近的可見點為核心思想。利用核心思想啟發教學可以提煉一眾知識點，使學生的學習有的放矢。

3 結合實踐的啟發式教學成果驗證和提升

針對特殊的結合程序設計的計算機圖形學課程要求，如何客觀準確的對教學成果檢驗也非常重要。因此，我們將原本側重考察理論和原理知識的檢驗內容進行了改革。教學檢驗環節中圍繞平時課堂上啟發式教學方法使用的“關鍵詞句、問題探討、對比分析和發現核心思想”這幾個方面重點講解的理論知識點和程序設計作業，在卷面考試中增加利用數學、程序設計解決實際問題的內容，并根據大作業內容，組織答辯環節，增加學生對大作業內容的反思和理解，幫助學生查漏補缺。進一步，在完成常規考核后，組織學有余力的學生自由組隊，參與教師組建的或自行組建的創新項目。一方面由教師根據科研課題內容策劃設計與計算機圖形學課程內容相關的創新課題；另一方面由學生在教師指導下根據圖形學的研究熱點和前沿問題自行設計創新項目課題，可以更好地切合學生的學習興趣點。由學校為學生提供場地和設備等條件，教師為學生提出項目建議、技術討論等指導，使得優秀的學生能夠通過創新項目的訓練，進一步提高計算機圖形學的創新能力，實現實踐升級。

4 結束語

本文針對傳統計算機圖形學課程教學中理論與實踐脫節等問題，提出結合程序設計實踐能力培養的啟發式教學改革的思路和措施，并提出驗證教學改革后成果方案和提升方法。本文提出的教學改革思路有效的結合了啟發式教學理念和方法，充分調動了學生學習理論知識和動手實踐的積極性，將理論知識學習和動手實踐更好的結合，進一步加強了課程與專業緊密聯系，探討了利用啟發式教學實現與實踐緊密結合的計算機圖形學教學的深層次可能。