李紅，吳粉俠，張琳娜

（1.咸陽師范學(xué)院　信息工程學(xué)院，咸陽　712000；2.禮泉實驗中學(xué)，咸陽　713200）

計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革研究

李紅1，吳粉俠1，張琳娜2

（1.咸陽師范學(xué)院信息工程學(xué)院，咸陽712000；2.禮泉實驗中學(xué)，咸陽713200）

0　引言

計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于圖形界面系統(tǒng)（Graphic User Interface，GUI）、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造CAD/CAM、地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實、計算機(jī)游戲和影視廣告等領(lǐng)域［1-2］。計算機(jī)圖形學(xué)是軟件工程專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，它主要研究利用計算機(jī)顯示、生成和處理圖形的原理、方法與技術(shù)，課程開設(shè)的目的旨在使學(xué)生掌握計算機(jī)圖形生成與處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識、基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)與處理圖形相關(guān)軟件的能力。該課程研究內(nèi)容豐富，知識跨度大，不僅涉及到了計算機(jī)學(xué)科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計等課程，同時涉及到高等數(shù)學(xué)方面的曲線曲面表示、幾何變換和微分等知識。該課程是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，傳統(tǒng)的講授型教學(xué)模式很難滿足教學(xué)要求。

本文首先分析了計算機(jī)圖形學(xué)課程的特點以及傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，針對這些問題，探討了軟件工程專業(yè)以培養(yǎng)學(xué)生興趣為主導(dǎo)的多模式教學(xué)改革思路，以提高學(xué)生編程能力，改善計算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1　計算機(jī)圖形學(xué)的課程特點

計算機(jī)圖形學(xué)是一門理論性很強(qiáng)的課程。當(dāng)前，本科階段計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)重點仍是圖形生成、圖形變換、曲線曲面的生成和三維幾何造型等，內(nèi)容抽象、數(shù)學(xué)推理多，算法繁多，對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生來說難以理解和掌握，聽課就如同聽天書，學(xué)習(xí)積極性受打擊，學(xué)習(xí)效果也就打了折扣。

計算機(jī)圖形學(xué)是一門綜合性的課程，它綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等課程的知識［3-4］。例如，在這門課程中涉及到了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊列、棧、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的知識；在幾何變換章節(jié)中涉及到了線性代數(shù)的知識；在曲線曲面生成章節(jié)涉及到高等數(shù)學(xué)中的微積分的知識。這些知識分布在大學(xué)的不同年級，不同階段，也給學(xué)習(xí)造成了困難。

計算機(jī)圖形學(xué)又是一門實踐性很強(qiáng)的課程，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的動手操作能力和編程實現(xiàn)能力。圖形學(xué)中的算法在教學(xué)目標(biāo)中都要求被實現(xiàn)，包含了二維圖形的生成，幾何變換，三維圖形的幾何造型等的實現(xiàn)。在教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生編程能力不強(qiáng)，無法完成相應(yīng)的實驗任務(wù)。

2　教學(xué)中存在的一些問題

由于計算機(jī)圖形學(xué)理論性，實踐性都很強(qiáng)，又綜合應(yīng)用了計算機(jī)學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科及其他學(xué)科的知識，導(dǎo)致該課程在實際教學(xué)過程中存在如下問題。

2.1教學(xué)模式單一

由于其理論性強(qiáng)，教師為了有助于學(xué)生理解掌握理論通常都是用板書和PPT進(jìn)行灌輸式的傳授知識。學(xué)生被動接受知識，理解膚淺，對算法的思想難以掌握，更難以將算法進(jìn)行擴(kuò)展，舉一反三。

2.2動手能力不足導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不夠

軟件工程專業(yè)對計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)要求中，要求學(xué)生掌握基本圖形的生成算法等，并要求學(xué)生能將生成算法用程序?qū)崿F(xiàn)，然而在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生的編程能力不強(qiáng)，無法按要求獨立自主的實現(xiàn)相應(yīng)算法，只能依賴課本上提供的代碼。而計算機(jī)圖形學(xué)的實踐環(huán)節(jié)是幫助學(xué)生理解掌握抽象理論的有效手段，完不成實驗任務(wù)一方面不利于學(xué)生理解掌握理論，同時學(xué)習(xí)積極性受到打擊，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)也造成了困難，同時也達(dá)不到提高學(xué)生編程能力的教學(xué)目標(biāo)。

3　培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果

3.1精心組織課堂，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

首先，通過豐富多彩的第一節(jié)課來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過多媒體教學(xué)充分的展示圖形學(xué)的研究內(nèi)容，包括基本的二維圖形曲線曲面的生成，分形樹的生成，三維場景的效果圖，非藝術(shù)的效果圖等，如圖1所示。通過分析與講解其中所包含的圖形學(xué)技術(shù)及原理，讓學(xué)生了解這門課程的研究內(nèi)容及應(yīng)用前景，這樣學(xué)生就容易對該課程產(chǎn)生興趣。同時展示以往學(xué)生的優(yōu)秀作品，增加他們的學(xué)習(xí)信心，也就能促進(jìn)他們堅持學(xué)習(xí)的積極性。

圖1　示例圖

教學(xué)過程中將傳統(tǒng)的板書和多媒體教學(xué)有效結(jié)合起來，將枯燥的理論推導(dǎo)與算法的實現(xiàn)結(jié)合起來，對于算法推理的部分，用板書分析，逐一講解，但若僅限這些，學(xué)生很容易對課程失去興趣，所以就得借用多媒體系統(tǒng)，直觀演示教學(xué)，讓學(xué)生所想即所得，以實際效果調(diào)動其積極性；在此基礎(chǔ)上對算法做改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)一步的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在教學(xué)方式上將講授型與自主學(xué)習(xí)型結(jié)合起來。對于教材中不是特別難的理論及算法如二維基本圖元的生成算法，教師可以依據(jù)自主學(xué)習(xí)的原則，教學(xué)目標(biāo)，組織、幫助和指導(dǎo)學(xué)生有效地開展自主性學(xué)習(xí)，最后再針對學(xué)生不理解的問題重點講解，達(dá)到讓學(xué)生內(nèi)化知識的教學(xué)效果。對于理論性強(qiáng)的如Bezier曲線曲面的生成部分，教師則需要精心組織教學(xué)內(nèi)容，知識結(jié)構(gòu)，由淺入深，逐層遞進(jìn)的方式給學(xué)生講授，達(dá)到高效地學(xué)習(xí)的效果。

3.2設(shè)計階梯式試驗任務(wù)

為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在實驗課程中設(shè)計了階梯式實驗任務(wù)，通過生動有趣的實驗調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。對實驗任務(wù)精心設(shè)計，程序可漸增式完成，難度由低到高，具有階梯性，大部分實驗任務(wù)以交互式實現(xiàn)，實驗內(nèi)容生動活潑。筆者所教授的學(xué)生為軟件工程專業(yè)的學(xué)生，他們在學(xué)習(xí)圖形學(xué)之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和VC++程序設(shè)計等前導(dǎo)課，所以我們所選擇的實驗環(huán)境是VC++，對于二維圖形的實驗任務(wù)VC++能全部完成，對于三維圖形的相關(guān)程序就需要給其添加OpenGL庫以完成實驗任務(wù)。

實驗從VC++繪圖程序框架開始，指導(dǎo)學(xué)生搭建好應(yīng)用程序的框架，并添加各類繪圖功能，包括二維圖元的存儲等功能。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)圖形學(xué)中的二維基本圖元生成的各類算法的實現(xiàn)，再增加填充圖元的算法實現(xiàn)及線型線寬的處理，二維裁剪算法的實現(xiàn)。對于圖形變換設(shè)計的實驗為簡單動畫的設(shè)計實現(xiàn)，借助前一章的圖元結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上增加圖元的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和色彩變換等功能，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并且鞏固變換的理論知識。對于三維圖形的實驗采用的是先以O(shè)penGL實現(xiàn)簡單的三維形體的繪制與顯示，在此基礎(chǔ)上添加多個三維構(gòu)件實現(xiàn)復(fù)雜的三維場景，最后再對燈光等作調(diào)整，添加不同的紋理效果。對分形幾何部分單獨設(shè)計分形實驗完成實驗內(nèi)容。

針對課程與學(xué)生的特點，我們制定了適合于我們教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容的實驗體系，如表1所示。

4　結(jié)語

本文探討了軟件工程專業(yè)計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革的思路，提出了以興趣為主導(dǎo)的多模式教學(xué)思路，重點強(qiáng)調(diào)了在教學(xué)與實驗的各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合直觀演示教學(xué)法和案例教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。多年的教學(xué)實踐表明這樣的教學(xué)方式較傳統(tǒng)教學(xué)方式更能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而達(dá)到提高學(xué)生編程能力，掌握圖形學(xué)相關(guān)理論和技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)。

表1計算機(jī)圖形學(xué)課程設(shè)置及學(xué)時分配表

［1］吳正升，郭健.GIS專業(yè)《計算機(jī)圖形學(xué)》課程建設(shè)與教學(xué)改革［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（2）:10-12.

［2］周虹，傅向華，王志強(qiáng).基于計算思維的計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革［J］.計算機(jī)教育，2013，5:55-58.

［3］曹衛(wèi)群.研究生計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)研究［J］.計算機(jī)教育，2013，23:38-41.

［4］杭后俊.計算機(jī)專業(yè)計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實踐探討［J］.計算機(jī)教育，2012，17:76-79.

Computer Graphics；Interest Teaching；Learn Autonomy

Research on Computer Graphics Teaching Reformation

LI Hong1，WU Fen-xia1，ZHANG Lin-na2
（1.School of Information Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000；2.Li Quan Shi Yan Middle School，Xianyang 713200）

1007-1423（2015）29-0066-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.29.016

李紅（1976-），女，陜西人，碩士研究生，副教授，研究方向為圖像處理

吳粉俠（1976-），女，陜西人，碩士研究生，講師，研究方向為圖像處理

張琳娜（1984-），女，陜西人，本科，研究方向為圖像處理

2015-09-25

2015-10-10

通過分析計算機(jī)圖形學(xué)課程的特點及計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中存在的問題，提出以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣為主導(dǎo)的多模式的教學(xué)方法，以激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性。實踐證明，所提出的教學(xué)方法，可以改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的動手能力。

計算機(jī)圖形學(xué)；趣味教學(xué)；自主學(xué)習(xí)

陜西省教育廳科研項目（No.14JK1802）、陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（No.SGH140808）、咸陽師范學(xué)院科研項目（No.13XSYK053）、咸陽師范學(xué)院教育教學(xué)改革課題（No.201402014）

Analyzes the characteristics and the problems of the courses of computer graphics，proposes a novel multimodal teaching method.This method is arousing the students'interest and curiosity.Thus，we can mobilize students'learning enthusiasm and initiative way of teaching. The practice indicated that we can obtain the satisfied teaching effect and improve the practical ability.