關于計算機圖形學課程教學的思考

王春 華

（黃淮學院 計算機科學系，河南 駐馬店 463000）

關于計算機圖形學課程教學的思考

王春 華

（黃淮學院 計算機科學系，河南 駐馬店 463000）

計算機圖形學是計算機科學與技術專業的一門重要的專業課程，其基本特點是數學公式多、抽象性強．為了激發學生的學習興趣，調動學生的學習主動性，培養學生的創新精神和編程能力，在教學中教師應注意：重視第一節課，讓學生全面了解并接受圖形學；理清課程內容的脈絡，避免學生“只見樹木，不見森林”；盡量采用可視化教學方式，變抽象為直觀；盡量采用啟發式教學方式，充分調動學生的學習積極性；改進上機實驗環境，使學生適應業界的需求；充分考慮學生在學習能力、愛好特長及實踐能力方面的差異，設置多層次的上機實踐題目．

計算機圖形學；可視化教學；上機實踐

0 引言

通常，非計算機專業的教師和學生對計算機圖形學的研究內容存在一個誤解，認為該課程就是研究如何利用圖形軟件（如 Flash等）進行圖形的創作．其實不然，計算機圖形學的主要內容是研究如何在計算機中表示圖形以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，是一門理論性和實踐性要求較強的課程[1]．

計算機圖形學作為計算機及其相近專業的專業課程，一般在大學三年級上學期或下學期開設，這個時間段上的學生有如下2個特點：(1)學生在大學一、二年級剛剛學過圖形學所需要的數學知識，在理解圖形學的原理方面困難不大；(2)學生在一年級和二年級主要學習物理、高等代數、電路、數據結構等課程，C語言或C++語言的學習通常停留在語言功能的掌握階段，基本上沒有真實設計過中等規模的項目，大部分學生的編程能力較弱．盡管學生此時有了學習計算機圖形學課程的基礎，但是由于不少教師在教學中過分強調圖形學的數學基礎，使得計算機圖形學成為計算機及其相近專業學生很難掌握的一門課程．這種強調數學基礎的教學方式適合數學基礎優秀的學生，難以適合數學基礎一般的學生，它使得計算機圖形學變得深奧、抽象而難于理解，往往造成很多學生有畏難、厭學的情緒[2―3]．

為了有效地提高計算機圖形學課程的教學質量，我們必須綜合考慮該課程的特點和學生的數學及計算機語言基礎，對課堂教學、上機實踐等進行精心的設計，使抽象的內容形象化，激發學生的學習興趣．

1 理論教學

1.1 重視第一節課，讓學生全面了解并接受圖形學

受先入為主的影響，第一節課尤為重要．在多數“過來人”的印象中，計算機圖形學和其他專業課相比，數學公式太多，難以學習和理解．要使學生對該課程產生興趣，第一節課教學內容的設計非常關鍵．圖形學理論本身雖然抽象，但基于圖形學理論的一些作品卻很形象．因此，第一節課可讓學生觀看若干個動畫短片或游戲片段，通過這些動畫、游戲所涉及的圖形學知識，讓學生在不知不覺中了解圖形學，接受圖形學，喜歡圖形學．

雖然計算機圖形學已經廣泛地應用于CAD、計算機美術與設計、計算機動畫藝術、科學計算可視化、虛擬現實等領域，但仍有很多問題還有待解決．為了進一步提高學生的學習興趣，教師可接著介紹圖形學的前沿問題，例如：實時高真實感、高分辨率渲染的技術難點，和諧自然的三維模型建模方法，具有高度物理真實的動態仿真，高精度數據的獲取與處理技術，計算機圖形學與圖像視頻處理技術的結合，等等．另外，教師還可要求學生通過互聯網調查采用什么圖形技術可制作出煙花、瀑布、火焰、山川、植物等效果，并提交報告，其目的仍在于讓學生了解并接受圖形學，提高學生的學習興趣．

1.2 理清思路，避免學生“只見樹木，不見森林”

計算機圖形學涉及的算法和變換很多，如各種直線段的繪制算法、各種圖元的填充算法、各種圖元的裁剪算法，世界變換、視圖變換、透視變換等．筆者發現，有些學生對各種算法的理解不透徹，沒有一個清晰的思路，容易混淆各種算法的用途．究其原因，主要是學生在學習一個知識點的時候，不清楚其所處的位置，“只見樹木，不見森林”．

計算機圖形學其實就是研究如何利用計算機產生有真實感的圖形，而產生圖形的過程可以用圖形管線來表示，如圖1所示．將教材中各章節的內容與圖形管線對應起來，有利于學生對各部分內容有一個清晰的認識．同時，采用圖形管線順序組織課程內容，符合學生理解問題的邏輯順序，有利于學生理解課程的知識結構，便于學生掌握各知識點之間的關系，提高學習效率．

圖1 圖形繪制管線及相應的學習內容[4]

整體的教學思路可按照圖1進行，而在具體講解各知識點時，可采用對比分析、歸納總結的方式讓學生深入理解解決同一問題的各種算法之間的區別．例如：對于直線段繪制算法，有 DDA、中點畫線法和Bresenham等算法；Bresenham算法既包括直線段生成算法，也包括圓生成算法．

1.3 采用可視化教學，變抽象為直觀

計算機圖形學的一大特點是算法眾多．在教學中筆者發現，不少學生往往被一些必須掌握的算法所困擾，感到它們難以理解、枯燥、難學，從而學習該課程的積極性和主動性受到影響．算法教學的復雜和困難，最主要因素是學生無法實際看到或想象出教師在課堂上口頭講授的算法，而必須通過思考執行靜態的程序代碼來了解數據結構的動態變化[5]．由于受篇幅限制，教材上通常只呈現關鍵概念的圖示，忽略了某些算法的細節內容，因此學生閱讀時必須通過自己的理解去補足省略的細節，這會為學生學習和掌握算法帶來一定的困難．為了解決這一教學問題，筆者嘗試在備課時編程制作出各種算法的運行動畫（圖2所示為筆者制作的一種三維觀察動畫的截圖），用于在講解算法內容后運用多媒體平臺演示算法的運行結果及各參數變化對算法結果的影響．教學實踐表明，通過實現算法的可視化將算法的執行過程動態地演示出來，能夠克服以往教學軟件只是簡單重復課本內容的弊端，幫助學生輕松地理解算法的執行過程和結構，使學生的悟性和靈感在不知不覺中得到升華，實踐能力和創新能力逐漸得到提高．算法、幾何變換（平移、旋轉、縮放等變換）和觀察變換是計算機圖形學的核心內容，也是應用計算機圖形學解決具體問題的基礎，這些內容的教學都適于采用可視化教學手段．盡管可視化的教學手段要求教師花費更多的時間、精力去備課，但這種付出能夠產生顯著的教學效果．

圖2 一種三維觀察動畫的截圖

1.4 采用啟發式教學，充分調動學生的學習積極性

計算機圖形學算法（包括矩陣運算、解析幾何等內容）需要以數學知識為支撐，而學生對數學知識的掌握是純數學思維，教師在教學中必須把學生的這種純數學思考引導到利用數學知識實現圖形學算法、提高算法效率上．在算法教學上，筆者嘗試采用“提出問題→幫助學生分析問題→找到問題的解決方案→比較解決方案的優缺點”的啟發式教學模式．以直線段的繪制算法為例，講授思路如下：(1)讓學生自行設計出一個繪制直線段的算法，這時大多數學生會想到直接利用直線方程 y=ax+b，即在直線段的 x取值范圍[x0，x1]內將一系列的點(x，y)作為屏幕坐標，從而把直線段顯示出來（這里將該算法命名為普通算法）；(2)教師指出普通算法存在的問題，如正確性、效率低下等（這可能是學生始料未及的，他們會對接下來的內容表現出強烈的學習興趣）；(3)介紹直線段的繪制算法，包括DDA算法、中點算法和Bresenham算法，并說明這些算法為什么比普通算法高效；(4)引導學生分析上述3種直線段繪制算法的優缺點及輸入條件、迭代條件、終止條件等，進一步鞏固教學成果．

2 上機實踐

學生扎實掌握基礎知識和基本技能的同時，還要重視發展動手能力，這樣才能保證他們在任何時候都能快速獲取新知識，適應新情況．傳統的上機實驗題目只是課堂上所講算法的實現，這種驗證性實驗無疑將學生的行為方式和思維方式束縛在課堂的基本知識框架內，在一定程度上制約著學生創新能力的培養．為了培養創新型人才，在計算機圖形學的實踐環節上可從以下2個方面著手：

(1)改進上機實驗環境，適應業界新需求

應盡量采用 IT界主流的軟硬件并配置多種軟件開發環境，包括目前工業界廣泛使用的OpenGL和娛樂界使用的 DirectX等，以滿足不同學生的興趣和需要．同時，應提供高質量的圖形代碼供有能力的學生進一步學習，引導學生去實踐一些常見的圖形算法，如粒子算法、分形算法等．

(2)設置多層次的上機實踐題目

根據學生在學習能力、愛好特長及實踐能力方面的差異，可以將上機實驗內容分為驗證型、設計性和綜合性3類．驗證性實驗是讓學生對理論課程學習的圖形學基本算法和 OpenGL的基本語法進行編程驗證；綜合性實驗是在學生經過一個階段的學習并具有一定的基本知識和基本技能的基礎上，讓學生綜合運用圖形學知識，對實驗技能和方法進行綜合訓練的一種復合型實驗；設計性實驗是一種探索性的實驗，即在教師的指導或引導下由學生自己選題、設計，最大限度發揮學生學習的主動性，它不但要求學生能綜合運用多種知識來設計實驗方案，而且要求學生能充分運用已學知識去發現和解決問題．學生根據自己的實際情況選擇實踐題目，能夠避免題目難度相同所造成的部分學生難以發揮特長、部分學生因難度太大難以完成而挫傷學習積極性的不足．

教學是一門藝術，追求更卓越的教學效果是所有教育工作者孜孜不倦的職業目標．本文中筆者結合自己的教學實踐，探討了計算機圖形學課程的教學改革問題．隨著計算機技術的發展，計算機圖形學課程的內容必然會不斷地得到充實和更新，其適用的教學方法也不可能一成不變，這就需要我們根據該課程的特點不斷地進行教學改革，最大限度地提高教學質量和教學效率．

[1] 嚴圣華．計算機圖形學的教學模式探討[J]．長江大學學報：自然科學版，2009，6(2)：375―376．

[2] 袁國武，徐丹，趙楊．“計算機圖形學”實驗課程改革經驗與探索[J]．計算機教育，2009(15)：29―32．

[3] 陳國軍．工科《計算機圖形學》教學改革探索[J]．中國石油大學勝利學院學報，2009，23(2)：81―83．

[4] 劉輝．對“計算機圖形學”選修課教學的思考[J]．計算機教育，2009(13)：164―166．

[5] 張玉新，張月清，卜治國，等．《計算機圖形學》算法可視化教學研究與實現[J]．河北農業大學學報：農林教育版，2009，11(2)：236―239．

〔責任編輯 張繼金〕

G642.421

A

1006-5261(2010)05-0089-03

2010-03-01

王春華（1980―），女，四川仁壽人，講師，博士．