計算機圖形學課程教學改革研究與實踐

□ 江南大學 周世兵 張曦煌

計算機圖形學課程教學改革研究與實踐

□ 江南大學 周世兵 張曦煌

本文針對計算機圖形學課程教學，分析了現有教學過程中存在的問題，探索了一些新的教學改革措施，并從課程定位、教學內容、教學模式、實踐教學和過程考核等方面對教學改革進行了深入研究。實踐表明，所提出的教改措施對提高課程的教學質量和教學效果有明顯的作用。

計算機圖形學；教學改革；教學實踐

計算機圖形學是研究如何利用計算機來生成、處理和顯示圖形的原理、方法和技術的一門學科［1］，也是計算機相關專業的一門重要課程。計算機圖形學課程是理論性較強的技術應用型課程，通過該課程的學習，使學生系統地掌握計算機圖形生成與處理技術的基礎知識、基本原理和方法，具備與圖形有關軟件的基本研發能力，為今后從事計算機圖形領域的研究工作打下良好基礎。由于計算機圖形學綜合了計算機科學、數學、物理學等相關學科的知識，而學科的發展日新月異，應用領域不斷拓展，因此，該課程需要學習的知識點較多，難度較大，并且對學生的要求較高，再加之該課程的學時較少，傳統的教學工作又存在很多問題，容易導致該課程的教學質量不高，教學效果不理想。

如何對該課程進行教學改革，使得在有限的學時內，最大限度地講授計算機圖形學的研究內容，提高學生的學習興趣，培養學生的問題求解能力，這是非常值得研究的。本文結合筆者的教學實踐，從多個方面進行了計算機圖形學課程的教學改革，以期提高教學質量，力求達到理想的教學效果。

一、現有課程存在的問題

1.課程定位不合理

目前的計算機圖形學課程，講述的重點仍然是經典的圖形學技術，強調計算機圖形學的數學基礎。這種強調算法基礎的課程定位，一般適合于數學基礎較好的學生，對于大部分計算機相關專業的學生則很難適用。雖然有部分教師從實用性角度出發，講授計算機圖形學技術，但對理論基礎涉及較少，也難以深入，使學生對計算機圖形學課程體系很難有比較深入的理解［2］。

2.實際教學內容簡化

由于高校擴招和專業就業需求等原因，計算機相關專業學生的基礎薄弱，學生學習和理解計算機課程的能力普遍不足。因此，教師講授計算機圖形學內容時，大多力求簡單易懂，點到即止。進而使得實際教學內容無法達到應有的深度和廣度。

3.具體教學模式單一

通常情況下，計算機圖形學的教學模式是“計算機＋大屏幕投影”的教學模式。在這種模式下，教師多使用PPT課件的方式講授課程，師生之間的互動性比較差，課堂氣氛不活躍，加上光線暗淡，學生容易困倦，最終影響了教學效果。

4.理論和實驗學時比例失衡

傳統的計算機圖形學教學，重視教師知識傳授而忽視學生能力培養，因此，形成理論學時多而實驗學時較少的比例失衡現象。由于計算機圖形學具有較強的理論性和實踐性，這種傳統的課堂上多傳授理論、少做實驗的教學方案很難達到預期的教學效果［3］。

5.考核方式不全面

傳統的計算機圖形學課程考核方式是采用卷面筆試方式進行的，這樣的考核方式并不能全面考查學生的知識掌握情況。由于忽視了對教學過程的考核，因此，該方式不能很好地調動學生的積極性，影響了學生對該課程的學習興趣。

二、課程教學改革措施

針對計算機圖形學課程存在的問題，結合教學實踐，筆者提出以下教學改革措施。

1.合理進行課程定位

為了更好地完成計算機圖形學課程的教學任務，提高該課程的教學質量，有必要對該課程進行合理定位。計算機圖形學不僅具有較強的理論性，而且具有較強的實踐性。計算機圖形學課程的基礎是掌握基本概念和基本原理，理解它們如何逼真地模擬現實中的對象，但同時要求掌握幾個經典算法的原理及其實現，以達到鞏固基礎的目的。為此，可以采用專題講座的形式，介紹計算機圖形學的高級應用內容，比如曲線和曲面設計、計算機動畫等。另外，應介紹計算機圖形學的最新研究進展，以便使學生對學科前沿有概念性和直觀性的理解，使學生對計算機圖形學學科有大致的認識，從而為他們快速地進入該領域從事研發工作打下良好的基礎。

2.精心選擇教學內容

根據教學大綱的要求，計算機圖形學課程由兩部分組成：一是理論知識部分，主要介紹計算機圖形學的基本概念、原理與技術；二是上機實踐部分，主要是計算機圖形學的算法實現。

如何合理選擇教學內容，關系到該課程教學質量的好壞。對知識點的選取，內容深度的把握，是每位從事計算機圖形學教學的教師必須認真思考的問題。針對計算機圖形學課程教學，我們的教學指導思想從最初的以理論知識為主，實踐知識為輔，發展到現在的理論知識與實踐知識并重。為了更好地把握教學內容，我們自編了《計算機圖形學》教材，作為師生學習與交流的主要平臺。課程的具體教學內容大致如下。

圖形系統基本知識。包括圖形設備、圖形系統和應用，以及計算機圖形接口等。

基本圖形生成算法。包括直線的掃描轉換、圓與橢圓的掃描轉換、區域填充、裁剪、曲線和曲面生成算法等。

圖形變換。包括圖形變換的數學基礎、窗口視圖變換、圖形的幾何變換、形體的投影變換等。

動畫技術。包括動畫技術概述、動畫分類與原理、動畫生成方法等。

通過以上內容的學習，使學生不但能夠掌握計算機圖形學的基本概念、基本原理和方法，而且能夠了解和使用計算機圖形學的部分成熟技術，提高圖形應用軟件系統的開發能力。

3.科學使用教學模式

在計算機圖形學課程教學中，教學內容的選擇是核心，其次是教學模式的選用。采用“計算機＋大屏幕投影”的教學模式，一方面可以使學生形象直觀地理解教學內容，另一方面還可以增加教學的信息量，由此對教學帶來的好處是很明顯的。但也存在一些問題，比如，教師講課不像傳統的“粉筆＋黑板”模式那樣有聲有色，不能通過肢體語言感染學生，再加上教師與學生之間的互動性差，影響了教學質量的提高。而面向教學的網絡教學平臺的使用，則為師生之間的交流提供了方便。為此，根據學校的實際情況，我們在教學過程中，以“計算機＋大屏幕投影”的教學模式為主，輔之以“粉筆＋黑板”模式，并適當兼顧網絡教學平臺模式。在多媒體教室上課，可以借鑒“粉筆＋黑板”模式的優勢，彌補“計算機＋大屏幕投影”模式的不足。對于需要邏輯推導、證明以及需要學生思考的教學內容，采用“粉筆＋黑板”模式的效果會更好一些。比如，在講解圖形生成和處理算法時，對一些數學推導過程，可以采用“粉筆＋黑板”模式，這樣，便于學生理解，并給學生留出思考的時間。電子課件應盡可能言簡意賅、生動有趣、富有創意，與教學內容有關的多媒體素材應盡可能多一些。可以通過Flash動畫演示，把復雜枯燥的數學推導和算法描述變成生動有趣的動畫，提高學生的感性認識。另外，為了進一步提高課堂教學質量，可以以動態演示算法的程序實現效果，使學生對算法的理解更加形象化和具體化。在課后環節，適當采用了網絡教學平臺模式。在自主研發的網絡教學平臺上發布信息，布置課后作業，提供電子課件、教學輔助資料等教學資源下載，并可以進行網上留言和討論（見圖1）。師生之間通過網絡進行交流，既不受時間和空間限制，也較好地解決了計算機圖形學課程學時數不足的問題。

圖1 計算機圖形學課程網絡教學平臺

4.真正重視實踐教學

計算機圖形學涉及大量的圖形造型、圖形生成和變換的算法，需要學生進行編程實踐，因此，實踐教學是非常重要的教學環節。抽象的理論，繁瑣的公式，如果不和實驗結合，學生很難體會到學習的樂趣。而通過實驗，既可以將所學的知識得到鞏固，也使繁瑣的算法與生動的圖形之間建立了聯系，對于提高學生的學習興趣、增強對原理和算法的理解具有很大作用。由于計算機圖形學課程的總學時數不多，大約54學時左右，其中的實驗課學時不足理論課學時的一半，為此，我們結合學校的實際情況，安排上課36學時，上機18學時，保證實驗學時是理論學時的一半，這樣，基本能夠滿足實踐教學的需要。此外，我們根據學生所學知識點，編寫了上機實驗材料，選擇有代表性的經典算法供學生進行編程實驗。根據學生的實際情況，將實驗分為必做的課內驗證性實驗、課內設計性實驗、選做的課外創新性實驗。其中，驗證性實驗是通過上機實驗來實現課堂上演示的算法原理，對所學理論知識進行驗證，從而進一步加深學生對所學算法原理的認識。設計性實驗是鍛煉學生選擇正確的算法解決實際問題的能力，通過選取特定的應用案例，在指定算法原理的基礎上，設計并編程實現具體的問題需求。創新性實驗旨在培養學生的綜合運用能力和開拓創新能力，通常以課程設計或大作業的形式來體現，使學生獨立完成設計，深化對計算機圖形學算法原理的理解，提高對知識理論的獨立運用能力，培養創新性思維和嚴謹的工作作風［4］。

5.切實推進過程考核

重視教學的過程化管理與考核是保證計算機圖形學課程教學質量的重要手段。教師要對課堂、實驗和作業等平時教學環節進行有效的管理，及時發現并糾正每一個環節存在的問題。通過提高平時考評在考評結果中的比重，激發學生對平時學習過程的重視。為了切實推進過程考核，全面考核各重要環節的學習情況，應充分重視平時的考評情況，避免只注重期終考試帶來的缺陷。要鼓勵在課堂表現、平時作業、上機實踐中能夠獨立思考并有所創新的學生，充分發揮他們的主體作用。

計算機圖形學課程是一門理論性很強的應用基礎課程，有很多內容值得研究。本文從自身教學體會出發，對當前計算機圖形學課程教學中存在的問題，提出了一些新的教學改革措施。經過兩年的教改實踐，取得了比較理想的教學效果。另外，由于計算機圖形學學科發展較快，在今后的教學過程中，仍有許多需要改進的地方，特別是對計算機圖形學課程教學內容的研究，仍需要進一步加強。

[1]陸楓，何云峰.計算機圖形學基礎（第二版）[M].北京:電子工業出版社，2008.

[2]姜忠鼎.計算機圖形學教學與實踐[J].計算機教育，2006（3）：10－13.

[3]陳永強，杜小勤，彭利華.普通高校計算機專業計算機圖形學課程教改研究[C]//大學計算機課程報告論壇論文集：2009.北京：高等教育出版社，2010：286－290.

[4]劉晉鋼，孔令德，王進忠.“計算機圖形學”課程新教學模式的研究與實踐[J].計算機教育，2010（3）：63－65.

G642.0

項目名稱：江南大學本科教育教學改革研究項目（［2008］240號）。