孫陽光

（中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074）

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)改革研究與實(shí)踐

孫陽光

（中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074）

針對(duì)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)的特點(diǎn)及問題分析，設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式的四大核心教學(xué)模塊，構(gòu)建項(xiàng)目案例分析、典型項(xiàng)目重建和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練的層次化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)框架模式，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，并給出相應(yīng)的課程實(shí)踐教學(xué)體系。該教學(xué)模式注重學(xué)生的參與性與實(shí)踐性，逐步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，也有利于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中學(xué)生的困難和問題，實(shí)現(xiàn)教和學(xué)的相互促進(jìn)。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

中南民族大學(xué)教研項(xiàng)目（No.JYX14023）

0　引言

1　課程教學(xué)的特點(diǎn)及問題分析

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)可視化的重要研究內(nèi)容之一，它借助數(shù)字化手段將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，研究在計(jì)算機(jī)環(huán)境下景物的幾何建模方法、模型的處理方法、模型的繪制技術(shù)、圖形輸入和控制的人機(jī)交互界面等內(nèi)容［4］。與其他計(jì)算機(jī)專業(yè)課程相比，該課程教學(xué)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)［5-6］：一是理論要求高，知識(shí)范圍廣，該課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)多具有大量的方法、技術(shù)或算法，新技術(shù)和新方法又不斷涌現(xiàn)，且增強(qiáng)圖形真實(shí)感也需涉及物理等學(xué)科，所以課程對(duì)教學(xué)有著較高的理論基礎(chǔ)和知識(shí)范圍；二是實(shí)踐能力強(qiáng)，編程要求高，為了能夠更好地理解和掌握算法，需要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，這使得相關(guān)編程語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的講解也要在課程的教學(xué)過程中有著較高的要求。三是技術(shù)發(fā)展快、學(xué)科交叉多，隨著軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)的新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，尤其是應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，這就要求課程的教學(xué)過程中要緊跟其學(xué)科的發(fā)展，把最新的成果融入到教學(xué)過程中，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的興趣和課程實(shí)用性。

在《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的傳統(tǒng)教學(xué)方法中，通過大量教學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，教學(xué)效果不夠理想，其教學(xué)問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是該課程對(duì)理論基礎(chǔ)要求高，知識(shí)點(diǎn)具有多和分散特點(diǎn)，且不易掌握，尤其是需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)；二是對(duì)于圖形的各種生成算法、處理技術(shù)以及顯示過程，要求學(xué)生有較強(qiáng)的空間想象力，算法基礎(chǔ)和推導(dǎo)能力，以及軟硬件接口的基礎(chǔ)知識(shí)；三是該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力和編程實(shí)現(xiàn)能力。因此，在教學(xué)上，增強(qiáng)理論與實(shí)踐教學(xué)的互動(dòng)性，已成為學(xué)生掌握這門課程的關(guān)鍵。通過了解課程的教學(xué)特點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行分析，這可幫助我們更好地制定教學(xué)計(jì)劃、改善教學(xué)效果。

2　課程實(shí)踐教學(xué)探索與實(shí)踐

針對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展快，實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)科交叉內(nèi)容多和課程教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合課程教學(xué)過程中的問題分析，我們將在課堂理論教學(xué)的過程中引入項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)，在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的模式下有利于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)，有效地促進(jìn)教學(xué)方式和方法的改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

2.1課程實(shí)踐教學(xué)模式

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的模式，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)模式，該教學(xué)模式由基礎(chǔ)理論教學(xué)、項(xiàng)目案例分析、典型項(xiàng)目重建和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練這四大核心教學(xué)模塊組成。通過設(shè)計(jì)和運(yùn)用這四個(gè)核心模塊，構(gòu)建了項(xiàng)目案例分析、典型項(xiàng)目重建和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練的層次化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)框架模式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將基礎(chǔ)理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的有效結(jié)合，加深對(duì)課堂知識(shí)的理解和掌握，給出了相應(yīng)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。這里，該教學(xué)模式中所設(shè)計(jì)的四大核心模塊內(nèi)容具體如下：

（1）第一個(gè)模塊是基礎(chǔ)理論教學(xué)，該模塊以《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容為中心，分析實(shí)踐教學(xué)過程中，課程設(shè)置的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并充分考慮實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目標(biāo)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)逐步提高的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容；

（2）第二個(gè)模塊是項(xiàng)目案例分析，該模塊以實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，按照核心概念的基本原理和基本方法，給出對(duì)應(yīng)的課程教學(xué)案例及其綜合性的教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)概念的知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握；

（6）優(yōu)先選用先進(jìn)的環(huán)保機(jī)械。采取設(shè)立隔音墻、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允許值以下，同時(shí)盡可能避免夜間施工。

（3）第三個(gè)模塊是典型項(xiàng)目重建，該模塊將典型項(xiàng)目融入到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，形成具有目標(biāo)導(dǎo)向的具體項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)任務(wù)，將課堂知識(shí)與具體項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的熟練和運(yùn)用；

（4）第四個(gè)模塊是自主性項(xiàng)目訓(xùn)練，該模塊設(shè)計(jì)部分綜合性和自主性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生依據(jù)所掌握的課程知識(shí)進(jìn)行自主性項(xiàng)目訓(xùn)練，使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中開展創(chuàng)新訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)讓項(xiàng)目帶動(dòng)專業(yè)課程學(xué)習(xí)，讓專業(yè)課程學(xué)習(xí)融入到實(shí)際項(xiàng)目中的相互促進(jìn)。

對(duì)于本科生的課程教學(xué)，我們?cè)O(shè)立的課程教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)和基本理論的主要內(nèi)容，掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基本的二維和三維圖形的計(jì)算機(jī)繪制方法，理解光柵圖形生成基本算法、幾何造型技術(shù)、真實(shí)感圖形生成、圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形變換等基礎(chǔ)概念和知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行圖形程序設(shè)計(jì)的能力，為圖形算法的設(shè)計(jì)、圖形軟件的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

基于所設(shè)立的教學(xué)目標(biāo)和所設(shè)計(jì)的四個(gè)核心教學(xué)模塊，本文給出了相應(yīng)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式下的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)系統(tǒng)由課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)兩大部分組成，其中課堂理論教學(xué)包含基礎(chǔ)理論教學(xué)模塊和項(xiàng)目案例分析模塊；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)包含典型項(xiàng)目重建模塊和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練模塊。這里，項(xiàng)目案例分析模塊、典型項(xiàng)目重建模塊和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練模塊這三個(gè)模塊組成項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)（該實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）。

圖1　課程實(shí)踐教學(xué)結(jié)構(gòu)框圖

2.2課程實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐實(shí)施

本文以48學(xué)時(shí)的本科課堂教學(xué)為例，給出所構(gòu)建的課程實(shí)踐教學(xué)改革的具體實(shí)踐實(shí)施。這里，我們將課程分為32學(xué)時(shí)的課堂理論教學(xué)和16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，其中，基礎(chǔ)理論教學(xué)模塊28學(xué)時(shí)、項(xiàng)目案例分析模塊4學(xué)時(shí)、典型項(xiàng)目重建模塊8學(xué)時(shí)和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練模塊8學(xué)時(shí)?？梢钥闯?，項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)達(dá)到了20學(xué)時(shí)，這將更好的促進(jìn)了課堂教學(xué)和應(yīng)用實(shí)踐之間的轉(zhuǎn)化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主性，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。下面給出了課程實(shí)踐教學(xué)體系中教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配的相應(yīng)具體規(guī)劃：

（一）課堂理論教學(xué)（32學(xué)時(shí)），包括基礎(chǔ)理論教學(xué)（28學(xué)時(shí)）和項(xiàng)目案例分析（4學(xué)時(shí)）

（1）概述（1學(xué)時(shí)），講述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念、研究內(nèi)容、發(fā)展歷史、與其他專業(yè)課程的聯(lián)系、相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域及其前景趨勢(shì)。

（2）計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)及硬件基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)），講述計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的構(gòu)成、計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)硬件設(shè)備和圖形標(biāo)準(zhǔn)，尤其是圖形的顯示、繪制和輸入設(shè)備。

（3）基本光柵圖形算法（6學(xué)時(shí)），講述直線、圓和多邊形的掃描轉(zhuǎn)換、區(qū)域填充、字符的生成和光柵圖形的反走樣算法。教學(xué)重點(diǎn)是基本光柵圖形如直線、圓、橢圓和多邊形等圖形的常用生成算法，以及圖形區(qū)域填充等基本生成方法。

（4）變換和裁剪（5學(xué)時(shí)），講述變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、圖形顯示中的基本概念、幾何變換和裁剪。教學(xué)重點(diǎn)是二維、三維圖形幾何變換和二維圖形的裁剪方法。

（5）三維空間的觀察（4學(xué)時(shí)），講述投影基本概念、視見體到規(guī)范視見體的變換、用三維規(guī)范體裁剪、窗口到視口的變換、連續(xù)變換的處理和Java3D圖形變換。教學(xué)重點(diǎn)是投影的基本概念、基本原理以及相應(yīng)的變換。

（6）人機(jī)交互繪圖技術(shù)（4學(xué)時(shí)），講述基本交互任務(wù)、常見輔助交互技術(shù)、人機(jī)交互輸入模式、人機(jī)交互新技術(shù)、人機(jī)交互的發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)重點(diǎn)是交互式繪圖概念、基本模式、技術(shù)和交互式繪圖系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

（7）可見面的判定（4學(xué)時(shí)），講述可見面判斷的有效技術(shù)、區(qū)域細(xì)分算法、八叉樹算法、z緩沖器算法和掃描線算法、深度排序算法和光線投射算法。教學(xué)重點(diǎn)是可見面的基本概念和典型的判定方法。

（8）顏色和簡單光照明模型（3學(xué)時(shí)），講述顏色基本概念、簡單光照明模型、光滑明暗處理技術(shù)和Java3D環(huán)境下的光照明模型。教學(xué)重點(diǎn)是顏色和光照明的基本模型，以及兩種典型的明暗處理技術(shù)。

（9）曲線曲面的表示（3學(xué)時(shí)），講述曲線曲面的基礎(chǔ)知識(shí)、Bézier曲線、雙三次Bézier曲面、B樣條曲線曲面和Coons曲面。教學(xué)重點(diǎn)是Bézier曲線曲面的基本模型和生成。

（二）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)（16學(xué)時(shí)），包括典型項(xiàng)目重建（8學(xué)時(shí)）和自主性項(xiàng)目訓(xùn)練（8學(xué)時(shí)）

（1）典型項(xiàng)目重建（8學(xué)時(shí)），以項(xiàng)目具體實(shí)驗(yàn)任務(wù)為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)導(dǎo)向，設(shè)計(jì)4個(gè)以典型項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)背景的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包含直線和圓的掃描轉(zhuǎn)換、多邊形的剪裁、交互技術(shù)應(yīng)用以及簡單自然場(chǎng)景的仿真等重要知識(shí)點(diǎn)，這里學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)課2學(xué)時(shí)完成一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過完成這些典型項(xiàng)目的重建，學(xué)生們經(jīng)歷分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、總結(jié)和驗(yàn)收等項(xiàng)目實(shí)踐開發(fā)的各階段，有助于鞏固和實(shí)踐計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的理論和算法，學(xué)習(xí)和熟練表現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

（2）自主性項(xiàng)目訓(xùn)練（8學(xué)時(shí)），以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠表現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法原理的或完整過程的演示系統(tǒng)，要求界面美觀大方，所設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有創(chuàng)新性，并能清楚地演示系統(tǒng)執(zhí)行的每一個(gè)步驟。該項(xiàng)目訓(xùn)練以小組為單位開展和驗(yàn)收，所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需整合到一個(gè)框架下，并形成完整的項(xiàng)目完成報(bào)告，包含項(xiàng)目需求分析、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)原理、具體實(shí)現(xiàn)步驟、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)展示和項(xiàng)目總結(jié)分析。通過自主性項(xiàng)目訓(xùn)練的創(chuàng)新實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)和勇于探索的精神，樹立正確的科學(xué)研究習(xí)慣，以及獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，并確定解決方案的綜合能力。

3　結(jié)語

本文利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式在課堂理論教學(xué)過程中引入實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)，不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐操作能力，還能夠使學(xué)生更好地了解學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，學(xué)生可在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步，改變了單純依靠教師課堂說教的傳統(tǒng)教學(xué)模式，尤其在講解課程核心內(nèi)容的同時(shí)，注重了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生更好地掌握課程的基礎(chǔ)理論，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用及創(chuàng)新能力。

［1］教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］魏海濤，俞志強(qiáng)，魯漢榕，等.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革與教學(xué)體系創(chuàng)新［J］.計(jì)算機(jī)教育，2012，6：26-29.

［3］李紅，吳粉俠，張琳娜.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革研究［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2015，29：66-68.

［4］張彩明.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡明教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］劉肖琳，尚洋，趙冬明.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的精講多練教學(xué)法［J］.計(jì)算機(jī)教育，2016，1：146-148.

［6］莊建東，曾勇進(jìn).《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)探討［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2013，3：125-127.

Project-Driven；Computer Graphics；Practice Teaching；Teaching Reformation

Research and Implement of Practice Teaching Reformation of Computer Graphics Based on Project-Driven Mode

SUN Yang-guang
（College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074）

According to the characteristics and problem analysis of the course teaching about Computer Graphics，presents the corresponding practice teaching system and the teaching content by designing the four core modules based on project-driven mode，and constructing the practice teaching framework mode include the project case analysis，the typical project reconstruction and the independent project training.The proposed teaching mode emphasizes students'participation and practice，cultivates gradually learning initiative，and is helpful for teachers to find out the difficulties and problems in teaching，so it realizes the mutual promotion of teaching and learning.

1007-1423（2016）28-0011-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.003

孫陽光（1978-），男，河南許昌人，博士，副教授，研究方向圖形圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺

2016-08-18

2016-09-30