计算机图形学教学研究与实践

1、 计算机图形学教学研究与实践 严圣华(长江大学 计算机学院，湖北 荆州 434023)摘 要：本文针对计算机图形学的特点及以往教学中出现的问题，论述了改进课堂教学、实验教学的方法。实践表明，文中提出的教学模式对加深学生对课程的理解、培养学生学习兴趣和提高课程教学质量有明显效果。Keys：计算机图形学；教学环节；教学模式；教学改革：1672-5913(2010)13-0114-03 G642 ：A计算机图形学是研究如何利用计算机显示、生成和处理图形的原理、方法、技术的一门学科，也是计算机及相关学科的一门重要专业选修课。课程开设的目的在于使学生掌握计算机图形生成与处理技术的基础知识、基本原理和方法

2、，培养学生与图形有关的软件设计能力1-2。以往的教学实践表明，该课程理论难度大、实践性强，且作为选修课学时有限，极易造成教学低效、学生厌学等不良现象。在教学过程中如何利用有效的教学模式，解决课时少与内容多的矛盾、理论与实践的矛盾、学科发展与社会应用的矛盾，是各高校在图形学教学工作中必须面临的一个重要问题3-4。1 计算机图形学教学研究1.1 传统的教学模式及存在的问题计算机图形学这门课程从简单的基本图形，如直线、圆的生成显示到复杂的有真实感效果的三维场景模拟都涉及了大量的数学基础知识，而国内多数图形学教科书基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述20世纪70年代、80年代的图形技术，内容

3、编排只强调图形学的数学基础，因此，学生若数学基础知识不太牢固就很难较好地掌握这门课程。虽有部分教师从实用角度来讲授计算机图形学技术，但对理论基础涉及较少，也难以深入。另外，国内大部分教材章节目录的设置基本一致，都是从计算机图形绘制流水线最底层的硬件设备逐步过渡到高层的真实感图形学绘制算法，这是一种从底部到顶部的顺序，不符合通常的逻辑思维过程，对学生来说，掌握计算机图形学课程的知识结构不够清晰，学完这门课，学生只掌握了分散的知识点，却不能将各个知识点串连起来，只见树木，不见森林，学生很难建立计算机图形学这门课程的知识结构1-2。计算机图形学课程具有很强的理论性和实践性3。它要求学生既要掌握理论知

4、识，也能把所学知识应用于实践，并在应用实践中不断地发现问题、分析问题、解决问题。计算机图形学课程传统教学模式的重点是基本理论和算法的讲解，主要以教材为中心，侧重理论教学，忽视实际应用能力的培养，这势必导致学生的学习效率低下，难以面对和解决新的问题，学生的发散性思维、逆向思维被束缚，作为认知主体，学生主动性无从发挥，灵活和综合运用所学图形学知识进行创新的能力不高，这种情况应引起重视4。1.2 新教学模式的探索近年来我们就计算机图形学的课程教学改革进行尝试，在充分吸收国内外知名大学教学经验的基础上4-5，重新制定计算机图形学的教学大纲，从积极转变思想认识、恰当组织教学内容、有效调整教学模式、高效运

5、用教学手段、合理分配实践环节、完善教学考评方式等方面探索计算机图形学的教学改革，在注重基本理论和基本技能训练的基础上，重点进行实践能力和创新能力的培养，使学生既适应现在社会的需求，又能跟上现代化工业的迅速发展，从而达到满意的教学效果。新的教学模式从学生的实际情况出发，以课堂讲授为主，上机实验为辅的方式来组织教学。针对选修课学时较少的特点，教学以讲清基本原理和概念为第一目标，重点培养学生独立学习的能力，提高学生主动学习的兴趣；按照计算机图像绘制流水线调整课程章节顺序，合理安排课堂教学内容，并采用以学生为教学主体、教师为教学主导的“双主”模式，把教师和学生两方面的主动性、积极性都调动起来，最终目标

6、是要通过这种新的教学思想来优化学习过程和学习效果，以便培养出具有高度创新能力的新型人才。计算机图形学多媒体教学的实现，使教师的授课更方便，图形学的算法演示更形象具体，学生更容易接受，也提高了教学质量。另外我们还在教学过程中增加面向学科前沿的内容，使学生能及时了解学科发展的最前沿，开阔学生视野，激发自主学习的兴趣，提高自主学习的意识，培养自主学习的能力。1.3 教学实践中的具体做法1.3.1 精心准备第一堂课，激发学生兴趣计算机图形学是一门应用广泛的学科，学生在日常学习生活中能感受到计算机图形学在教学、娱乐、广告等行业的广泛应用，所以，学生对此门课程有很大兴趣。但在多数人的印象中，计算机图形学和

7、其他专业课相比较，数学公式太多，难以学习和理解。第一堂课的内容是对图形学的介绍，涉及图形学的内容、图形学的应用和图形学的发展历史等，难度不大，但要激发学生学习的积极性，第一堂课的讲解非常关键，它在很大程度上决定了学生是否定选这门课。图形学的理论抽象，但所表示的内容却非常形象，这可以作为教学的突破口。游戏动画很容易吸引学生眼球，从一个动画短片或游戏片段出发，将所涉及的图形学知识融会贯通，引出图形学的相关知识，让学生在不知不觉中了解图形学、接受图形学，这样做可以轻松建立起相关知识点与实际应用的联系，学生易于接受、理解，也能激发学生兴趣。1.3.2 认真组织课堂教学内容，注重教学方法和手段计算机图形

8、学课程的基本目标是全面而系统地理解计算机图形学的相关概念、原理和知识，了解当前的研究热点。因而教学内容的选取应跟上学科发展的步伐，介绍一些当前的研究热点及重要文献，使学生了解学科发展情况，同时增加课堂教学的趣味性。为了提高课堂教学质量，让学生牢固掌握知识结构中重要的知识点，我们应合理地选择各种现代教学方法和手段。为了让学生在有限的学时内掌握本课程的教学内容，本课程的教学应该是基础内容侧重于深度，应用内容侧重于广度。保证基础理论部分有“点”的深度，高级应用部分有“面”的广度。通过该课程的学习，使学生系统地获得计算机图形学的基本知识，必要的基础理论和常用的图形生成方法，并掌握图形软件的有关国际标准

9、，为以后学习相关课程和从事相关研究与开发工作奠定坚实的理论基础。在教学方法上注意启发性，在介绍算法及其改进方法的奇思妙想时，我们以讲故事的形式将知识点串连起来，启发学生思考。例如，在讲画线算法前，应启发学生思考，让他们知道为什么在屏幕上画直线段时，经常出现锯齿？如何解决？另外，在详细介绍了绘制直线和圆的算法的情况下，鼓励大家自学椭圆算法等。这些思考的问题可以引导学生预习和自学，减轻课堂负担，使课堂教学的目标清晰任务简化。在教学手段上，采用多媒体教学与传统的教学方式相结合，充分发挥图形图示、动画演示的作用，“一幅画胜过千言万语”。将图形学的常用算法做成演示程序，或者用Flash制作演示图形学算法

10、执行过程的动画片，然后将其嵌入到多媒体教学课件中，使学生通过算法执行过程的动态演示，加深对算法的理解，激发学生自己动手编程实践的欲望。强调对比学习方法，对解决同一问题的不同方法进行比较，如介绍曲线曲面时，可以比较Bezier、B样条、NURBS曲线曲面之间计算公式、基本概念和几何性质，并采用图示，根据给定相同位置的几组控制点，绘制不同的曲线，比较它们的弯曲程度、平滑效果等几何特点。在讲解图形学的应用时，结合现实生活中的例子采用案例教学法，用多幅图片、视频生动地讲解，不仅解决了课时少、知识点多、时效性差等问题，而且能让学生身临其境，充分调动了学生的学习积极性。1.3.3 多种措施促实践，切实提高

11、应用能力计算机图形学课程具有很强的实践性，目标是将学生的计算机操作能力、分析能力、设计能力与应用实践结合起来，引导学生由浅入深地掌握计算机图形学基本理论和算法。对于独立的、复杂度比较小的算法，如基本图元的绘制、图形的基本变换、裁剪和反混淆技术等，在讲授课程内容的同时即安排学生上机，并要求一周内提交编程的源代码及上机报告，目的是加深学生对这些独立的小算法的理解，提高学生理论联系实际、动手编程的能力，同时通过对各种图形学算法的设计、对比、分析，提高分析、解决问题的能力。为了帮助学生对整门课程在理解上做到融会贯通，除了基本的算法设计与编程外，还要增加大作业方式，不固定设计要求，让学生根据教师所讲内容

12、自己设计程序的界面以及所包含的功能，开发环境及编程语言不限，让学生根据自己能力大小自由发挥，完成个性化的作业；如教学计划允许，也可改为进行课程设计。总之，要有一个对学生计算机图形学课程作综合测试的环节，以考核学生分析问题、设计算法、编写程序和系统调试的能力。1.3.4 注重第二课堂，提高创新能力由于计算机图形学是专业限选课，学时不多，我们一般安排30个理论学时和10个实验学时。为了解决课时少与内容多的矛盾，还应充分利用课外时间开展第二课堂的活动，更好地完成大作业或课程设计，提高创新能力。大作业是让学生将课程的主要内容通过一个程序实现，有一定的难度。能力强的学生可以一个人独立完成，能力一般的学生

13、，我们则鼓励他们组成小组，小组成员互相协作，培养团队精神与协作意识。为了进一步调动学生挑战困难的勇气，就大作业的实现， 还可举行程序设计比赛，以实现效果、软件运行性能、程序可读性等方面作为指标进行比较，促进整个班级的良好学风的形成。另外，我们还组织学生剖析成熟的图形系统，分析开源的成熟代码，帮助学生理解大系统的构造及具体功能的实现。在课程后期，鼓励学生结合自己的兴趣、研究方向，通过查阅文献资料，撰写一篇反映计算机图形学最新研究进展的文献综述报告，以提高学生跟踪学科前沿、文献检索与综述的能力。1.3.5 严格教学的过程化管理与综合考评重视教学的过程化管理与考核是保证教学质量的重要手段，考评的目的

14、不仅是为了考核学生学习和掌握课程情况，更重要的是鼓励和督促学生学习的主动性。对课堂、作业、实验等环节要进行有效的管理，及时发现和纠正每一环节中存在的问题。考核时采用综合考评的方式，打破单纯试卷的考评方式，充分重视学生掌握基础知识、应用能力、综合运用及创新能力等各方面的情况。2 结语我院多年的计算机图形学教改实践表明，新的教学模式效果明显。学生普遍反映较好，认为内容充满趣味性，学习主动性和积极性不断提高。计算机图形学科发展迅猛，应用越来越广，今后教学实践中还应进一步改进教学模式，不断提高教学质量，将培养学生的综合应用能力及创新能力作为最终目标6-7。Reference：1 孙家广,胡事民. 计算

15、机图形学基础教程M. 北京:清华大学出版社,2005:1-8.2 倪明田,吴良芝. 计算机图形学M. 北京:北京大学出版社,1999:1-22.3 覃雄派. 计算机专业本科的图形学实践教学J. 计算机教育,2007(11):80-83.4 王玉琨,王永茂.“计算机图形学”课程改革与创新探究J. 高等理科教育,2008(1):134-136.5 姜忠鼎. 计算机图形学教学与实践J. 计算机教育,2006(3):10-13.6 曾巧明,河红波. 计算机图形学的教学改革与创新探讨J. 长沙铁道学院学报:社科版,2003(3):111-113.7 鲁敏,于慧颖,郑平刚. 信息工程专业计算机图形学教学模

16、式思考J. 高等教育研究学报,2006(9):31-33.Research and Practice on Computer Graphics Teaching YAN Sheng-hua(College of Computer Science, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)Abstract: This paper presents some improvement in teaching and experiment after analyzing the characteristics of Computer Graphicsand. The pra