利用概念圖技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)

摘 要 知識(shí)爆炸和人類社會(huì)的高度發(fā)展使世界各國的高等教育體制在傳授學(xué)生知識(shí)的同時(shí)更加致力于培養(yǎng)其終生學(xué)習(xí)的能力。而對(duì)概念圖技術(shù)的靈活運(yùn)用，可以培養(yǎng)學(xué)生自主把握時(shí)間和知識(shí)，以及構(gòu)建復(fù)雜概念等方面的能力，有助于學(xué)習(xí)者終生學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成。本文在簡(jiǎn)介該技術(shù)定義和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了利用概念圖改進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)的案例。

關(guān)鍵詞 概念圖 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 終生學(xué)習(xí)

1 引言

知識(shí)爆炸使終生學(xué)習(xí)成為現(xiàn)代人的生活方式，而培養(yǎng)學(xué)生與終生學(xué)習(xí)相關(guān)的各方面能力就成為高等教育機(jī)構(gòu)責(zé)無旁貸的任務(wù)。然而傳統(tǒng)的基于知識(shí)傳授的教育很難滿足新的要求，因此，改革高等教育以應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的要求已勢(shì)在必行。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，沒有最好的教學(xué)策略，只有針對(duì)不同學(xué)生，不同課程選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段才是最適合的策略。

本文針對(duì)大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程之一——計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)對(duì)象及教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了利用概念圖的教學(xué)策略，以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的發(fā)揮，并在提高教學(xué)效果的同時(shí)，達(dá)到提高學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的目的。

2 概念圖

概念圖技術(shù)最初由康奈爾大學(xué)的Joseph D. Novak于20世紀(jì)80年代提出。其后該技術(shù)的強(qiáng)大能力被廣泛認(rèn)同，并得到進(jìn)一步的深入研究和廣泛應(yīng)用。2004年9月14-17日在西班牙舉行了第一屆國際概念圖會(huì)議，匯報(bào)了很多相關(guān)的研究成果。第二屆國際概念圖會(huì)議（CMC）也將于2006年在哥斯達(dá)黎加舉行。

概念圖是一種使用圖形表示知識(shí)的技術(shù)，也可稱為知識(shí)圖，圖中的節(jié)點(diǎn)和連線分別表示概念及其關(guān)系，通常表現(xiàn)為網(wǎng)狀圖形。概念間的連接關(guān)系可以是無向、單向或雙向的。圖1使用概念圖技術(shù)描述了概念圖的定義。

將概念圖與英國人Tony Buzan發(fā)明的腦圖進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)概念圖可能具有多個(gè)主要的概念，而不像腦圖只有一個(gè)，這使得概念圖需要用網(wǎng)絡(luò)圖來表示。這種網(wǎng)絡(luò)圖示的表示方式使得概念以及概念之間的關(guān)系得以“視覺化”，并具備了如下的特點(diǎn)：

*概念圖可以明確地整合新舊知識(shí)從而協(xié)助學(xué)習(xí)過程；

*概念圖可用以評(píng)估理解程度或用以診斷理解錯(cuò)誤；

*概念圖可建立復(fù)雜概念間的聯(lián)系；

*概念圖設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的概念結(jié)構(gòu)；

*從概念圖中可產(chǎn)生新的創(chuàng)意。

正如Novak指出的：有效的學(xué)習(xí)包括兩個(gè)過程：一是消化新知識(shí)；二是在消化的基礎(chǔ)上將其融入自身已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中去。概念圖所具備的上述特點(diǎn)使其一方面成為學(xué)習(xí)者構(gòu)建自身知識(shí)體系的便利工具，另一方面也是授業(yè)者組織講授材料的利器，這使得概念圖成為提高教學(xué)活動(dòng)效率強(qiáng)有力的工具。

該技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用表明，概念圖技術(shù)作為一種知識(shí)以及知識(shí)間聯(lián)系表示的強(qiáng)有力方法，可以深刻地揭示復(fù)雜概念之間的本質(zhì)聯(lián)系，建立新舊知識(shí)之間的融匯橋梁，從而為學(xué)習(xí)者提供理解、掌握并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建新概念的便利途徑。對(duì)這一技術(shù)的掌握及靈活運(yùn)用，可極大地推動(dòng)學(xué)習(xí)者終生學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成。

3 概念圖技術(shù)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是我國大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的選修課，該課程在北京工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開設(shè)了十余年時(shí)間。從教學(xué)內(nèi)容及效果上看，尚有待完善之處。本文借助概念圖技術(shù)，對(duì)教學(xué)過程中面臨的兩個(gè)關(guān)鍵問題設(shè)計(jì)了解決方案。

3.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)認(rèn)知概念圖

主講老師首先需要面對(duì)的問題是：學(xué)生們對(duì)于該課程的失望。產(chǎn)生失望情緒的原因在于：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在教學(xué)、娛樂、廣告等行業(yè)的廣泛應(yīng)用使學(xué)生們強(qiáng)烈地感受了圖形學(xué)豐富多彩、生動(dòng)引人的一面，而其下所掩蓋的支撐其應(yīng)用成果的嚴(yán)謹(jǐn)、枯燥的一面——基礎(chǔ)原理、邏輯、算法、程序等卻在開課之后成為選修學(xué)生的意外遭遇。這種期望與現(xiàn)實(shí)的失衡嚴(yán)重打擊了許多學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，在開始講授該課程之前正確地認(rèn)知計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成了課程教學(xué)能否成功的最重要環(huán)節(jié)之一。這種認(rèn)知是雙向的，即包括對(duì)教師的認(rèn)知要求，也包括對(duì)學(xué)生的認(rèn)知要求。也就是要求教師了解學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理解及讓學(xué)生了解通過該課程將掌握的知識(shí)、概念。

由于概念圖具有的特性之一是評(píng)估理解程度并診斷理解錯(cuò)誤，所以，它可以用來解決上面提到的問題。首先請(qǐng)每個(gè)學(xué)生單獨(dú)繪出自己所理解的關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念圖，然后以8～10人為一組進(jìn)行討論并修改他們的概念圖。由于每個(gè)學(xué)生接觸到的圖形學(xué)應(yīng)用知識(shí)的層面不同，因此這種相互的交流會(huì)使他們構(gòu)造出一個(gè)有關(guān)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的較有共性的概念圖。

當(dāng)學(xué)生們的概念圖完成后，教師就可以將其與自己預(yù)先制作的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)認(rèn)知概念圖進(jìn)行比對(duì)，從而掌握學(xué)生們的課程期望與即將傳授的實(shí)際的課程內(nèi)容之間的區(qū)別，這會(huì)有助于讓教師清楚應(yīng)該怎樣幫助學(xué)生來適應(yīng)該課程的學(xué)習(xí)。一個(gè)簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概念圖如圖2所示。

主講教師可利用該圖把學(xué)生們關(guān)于圖形學(xué)的原始印象從色彩、圖像、動(dòng)畫、電影、迪斯尼世界、Photoshop、3D Max等等引向一個(gè)全新的、即將在后面的講授中進(jìn)行討論的圖形學(xué)基本問題，使學(xué)生們了解到他們之前對(duì)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí)都是在應(yīng)用層面的，如果要開發(fā)游戲、Photoshop、3D Max等工具是需要掌握好圖3所示的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的。

對(duì)于學(xué)生來講，親自參與概念圖的設(shè)計(jì)過程使他們清楚了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，明確了學(xué)習(xí)重點(diǎn)，為他們選課指明了方向。對(duì)于只對(duì)應(yīng)用圖形學(xué)軟件感興趣的學(xué)生來說，他們可能放棄選修這門課，而用更多的精力去選修Photoshop、3D Max等課；而對(duì)那些對(duì)開發(fā)圖形學(xué)應(yīng)用軟件感興趣的學(xué)生來說，他們會(huì)更積極主動(dòng)地選修這門課。而且由于在設(shè)計(jì)概念圖的過程中，他們已了解了這門課的學(xué)習(xí)目的、課程體系，理清了學(xué)習(xí)重點(diǎn)，所以有助于他們對(duì)每一章節(jié)的學(xué)習(xí)。

可見，以上的概念圖可使學(xué)生在明確計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，理解該內(nèi)容與其所期望的學(xué)習(xí)效果之間的直接、間接聯(lián)系，有利于調(diào)節(jié)其學(xué)習(xí)節(jié)奏、提高學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)由于設(shè)計(jì)概念圖的過程本身就是對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程脈絡(luò)的理順過程，因此培養(yǎng)了學(xué)生思考新知識(shí)、比對(duì)舊知識(shí)以及分析總結(jié)的終生學(xué)習(xí)能力。

隨著課程的進(jìn)展和不同主題的分支，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的初始概念圖將動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，成為下一層次的主題概念圖。學(xué)生們也可以根據(jù)課程的不斷深入而動(dòng)態(tài)修改和擴(kuò)展他們的概念圖，并利用該圖找到學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，評(píng)價(jià)在各個(gè)階段的理解情況。基于此概念圖的學(xué)生互評(píng)也可以用來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)3D物體繪制技術(shù)概念圖

在選修計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的學(xué)生中，通常有超過一半的人認(rèn)為要理解3D物體。

繪制過程是一件非常困難的事。主要是因?yàn)檫@個(gè)過程本身的復(fù)雜性和對(duì)這個(gè)過程中包含著的變換的不理解。在工科院校中，其原因之一是學(xué)生們的數(shù)學(xué)功底偏弱。要解決這一問題，概念圖的另一特性可以派上用場(chǎng)，這就是構(gòu)建復(fù)雜概念之間的聯(lián)系。圖4將3D物體繪制過程中的主要步驟和概念組織為概念圖，用以指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)。在這個(gè)概念圖中，困擾學(xué)生的復(fù)雜的基本繪制技術(shù)“投影”概念，經(jīng)過逐步的分類、分解、層次化地引入新概念，最終得以用高等數(shù)學(xué)中使用的較為簡(jiǎn)單的“幾何變換”概念表達(dá)出來。在克服學(xué)生畏難情緒的同時(shí)，給出了各概念之間的本質(zhì)聯(lián)系，方便其對(duì)“繪制技術(shù)”的掌握。

可見，利用概念圖技術(shù)，每一個(gè)復(fù)雜階段都被分解成許多更容易理解的概念和技巧。在概念圖的指導(dǎo)下，學(xué)生們可以根據(jù)自己的喜好安排學(xué)習(xí)的順序，并且按照?qǐng)D中所給出的線索把學(xué)到的東西一件一件組織起來，最終把關(guān)注點(diǎn)匯聚到他們可能遇到的難點(diǎn)上，之后逐漸實(shí)現(xiàn)他們自己設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方案。最終，當(dāng)以自己的理解完成整個(gè)概念圖時(shí)，也就達(dá)到了教師期望的教學(xué)目的。因此，基于概念圖技術(shù)的學(xué)習(xí)方式的掌握，有助于學(xué)生自學(xué)能力乃至終身學(xué)習(xí)能力的養(yǎng)成。

4 結(jié)束語

社會(huì)的高速發(fā)展使我國的高等教育系統(tǒng)在發(fā)展了一百多年之后，面臨了與西方同行相同的問題：擴(kuò)招帶來的學(xué)生素質(zhì)差異拉大、數(shù)量增長過快以及知識(shí)的爆炸，這使得高等教育迫切需要授人以漁而非授人以魚，高校授課的目的不僅僅在于傳授知識(shí)，而是要將授課內(nèi)容及活動(dòng)本身作為培養(yǎng)學(xué)生多方面能力的一種媒介和能力培養(yǎng)的一個(gè)過程。因此，必須不斷進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改進(jìn)，努力把學(xué)習(xí)方法與要傳授的知識(shí)以及用以傳授知識(shí)的教學(xué)策略有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的素質(zhì)教育，將其培養(yǎng)為具有終生學(xué)習(xí)能力的個(gè)體。概念圖技術(shù)作為知識(shí)的一種表示方法，為教學(xué)效果的改善提供了可能。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文