應用型工科院校計算機圖形學教學模式改革

　　摘要：根據應用型本科院校的辦學特色，提出“教材建設系列化、教學內容目標化，教學過程案例化，實踐資源數字化”的教學模式。文章闡述在計算機圖形學課程的教學實踐中，通過打造“省級精品課程＋系列化教材＋數字化教學資源”立體化教學平臺，取得良好的教學效果。
　　關鍵詞：計算機圖形學 教學模式 教學效果
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0020-03 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　1 應用型本科院校的辦學特色
　　作為一所工科應用型本科院校的教師，筆者一直在思考“應用型本科與普通本科的教學模式有何聯系與區別？”應用型本科教育是普通本科教育與高職教育的“交集”，這個交集中的元素既有普通本科教育的特征，也有高職教育的特征。應用型本科人才培養要遵循本科人才培養自身的教育規律，同時也要突出實踐、強化應用，既不能因為培養本科層次人才就沿襲普通本科的教育模式，辦成學科型、研究型的本科；也不能因為突出應用而削弱基礎理論的教學，辦成高職教育。應用型工科院校的教學模式應該是精簡本科的理論教學內容，突出高職的工程特色，培養既有基本的理論素養，又有很強動手能力的應用型人才。根據我院所招收的本科生“形象思維強于邏輯思維”的特點，應擺脫傳統的“學術型”、“研究型”人才培養模式的影響以及客觀環境的約束，積極探索以市場需求為導向，突出強化工程實踐能力的教學模式。我們率先計算機圖形學課程進行了教學模式改革與探索。
　　2 教學現狀分析
　　“計算機圖形學”是一門理論與實踐緊密聯系的專業課程，其主要教學目標[1]是使學生掌握計算機圖形生成與處理方面的基本理論，具備解決科學研究、工程設計與制造中有關圖形處理的能力，為后續的課
　　程學習及畢業設計奠定堅實基礎。然而在實際教學工作中，筆者發現由于計算機圖形學課程對空間想象能力的要求很高，僅僅是依據教材對原理算法的描述，很難抽象出實際的處理過程。同時，計算機圖形學課程對數學理論和編程能力的要求很高，導致學生在學習時產生畏難心理，更談不上對算法的深刻理解，嚴重影響教學質量，達不到預期的教學目標。另外，傳統的計算機圖形學教材在對算法的描述中，通常只給出基本算法步驟，缺少數字化的教學資源。要改變目前現狀，必須得從教學模式改革入手，開發出針對每個原理的算法，開發出可視化的教學案例。同時改革教學內容，以工作過程為導向編寫適合應用型工科院校的案例化教材，將理論教學與實踐資源緊密結合，打造全新的教學體系。
　　3 教學模式改革
　　針對傳統教學模式存在的不足之處，為了激發學生的學習興趣，提高學生實踐動手及學習效果，從課程的目標出發，為學生搭建可視化課程的整體構架，按照情景教學的方法，把握課程的教學要求，總結并提出了教學過程中“教材建設系列化、理論教學目標化，教學過程案例化，實踐資源數字化”的教學理念，精心打造“省級精品課程＋系列化教材＋數字化教學資源”立體化教學平臺。
　　3.1 教材建設系列化
　　目前課題組主持兩門省級精品課程——“C++程序設計”和“計算機圖形學”。將計算機圖形學的編程工具選用為Visual C++，充分利用了“C++程序設計”省級精品課程的建設成果。從2006年開始，課題組使用Visual C++的MFC框架，已經開發了近200個計算機圖形學教學源程序。在此基礎上，課題組編寫了《計算機圖形學基礎教程(Visual C++版)》、《計算機圖形學實踐教程(Visual C++版)》和《計算機圖形學基礎教程(Visual C++版)習題解答與編程實踐》、《計算機圖形學課程設計教程(Visual C++版)》等系列教材(清華大學出版社出版)，從教學內容、實驗項目、習題訓練、課程設計等角度全方位地解答教學中存在的疑難問題。
　　我們以《計算機圖形學基礎教程(Visual C++版)》
　　作為主教材，以生成真實感光照模型為主線，重點講解直線的掃描轉換、有效邊表填充、三維變換和投影、動態消隱、真實感光照等原理內容。《計算機圖形學實踐教程(Visual C++版)》給出了與主教材講解的原理相對應的所有源程序，可作為課堂教學的驗證性案例，《計算機圖形學基礎教程(Visual C++版)習題解答與編程實踐》針對主講教材中的課后編程習題給出了實現的源程序，同時給出了拓展技能要求的可執行程序。《計算機圖形學課程設計教程(Visual C++版)》突出工程實踐能力的培養，以類的形式對算法進行封裝，創建了三維光照場景，所建立的開發平臺可直接應用于科研項目的開發。計算機圖形學系列教材由于提供了眾多的源程序代碼，應用特色明顯，教學效果良好，目前已被國內上海大學等近50所本科院校和高職院校選為主講教材。
　　
　　3.2 教學內容目標化
　　計算機圖形學原理眾多、算法復雜。教學內容系統化，就是按照工作過程來進行教學內容的排序，而不是簡單地按照學科知識來排序。以真實感光照模型為主線，課題組精選直線的掃描轉換、有效邊表填充、三維變換和投影、建模與消隱、真實感光照等作為教學內容。學生沿著教學主線學習后能夠掌握開發一個圖形平臺的具體步驟和必要的方法，可以動態為場景中的物體添加光源、指定材質、設置紋理，渲染出精美的三維圖形。沿著這條教學主線培養出的學生不僅能熟練勝任高級圖形的開發任務，而且對所涉及的理論知識也有較深的理解。不在這條主線上的計算機圖形學原理，可以在以后的實踐教學中，根據任務的需要來單獨學習。
　　3.3 教學過程案例化
　　從2006年開始，課題組開始嘗試將微軟的Visual C++ 6.0引入到計算機圖形學教學過程中。提出了在計算機圖形學教學過程中，以真實案例為引導，開展可視化教學的改革，讓學生真切感受到“所見即所得”優秀案例，既可以充分領會到算法的精髓[2]，又激發了學習的興趣，提高了教學效果。課堂教學采用案例
　　演示→原理講解→算法實現→實踐拓展4個步驟，即從可視化的案例中，抽象出圖形學基本原理，對照程序理解算法，再結合工程中的項目要求，對學生提出課后訓練目標。
　　3.4 實踐資源數字化
　　計算機圖形學實踐教學過程劃分為驗證性實驗、綜合性實驗和創新性實驗三個實踐環節，漸進地強化學生的實際編程能力。其中，驗證性實驗是與主教材中所講授的原理一一對應的教學實驗，共開發43個源程序；“綜合性實驗”是在每一個實驗項目點，綜合應用前面已經學到的相關原理編寫的實驗項目，共開發18個源程序；創新性實驗是將所學原理的運用到工程項目中抽象出具有創新點的實驗項目，共開發18個源程序。教師在實踐環節中以“驗證性實驗、綜合性實驗、創新性實驗”三個層次組織實踐教學，知識的難度系數逐級遞增，學生的實踐技能逐步增強。目前，課題組開發的所有教學資源，已經上傳到計算機圖形學精品課程網站，供師生免費下載，擴大了省級精品課程的受益面。
　　4 教學效果
　　2007年，2005級的一名同學的“龍城虛擬現實
　　股份有限公司”獲山西省第三屆興晉挑戰杯大學生創業計劃競賽金獎，并于2009年，申報全國大學生科學創業項目“中國大洲虛擬現實股份有限公司”，成為我院唯一獲得項目支持孵化的項目。
　　5 結語
　　根據應用型工科院校的辦學特色，我們提出了“應用型工科院校計算機圖形學教學模式改革”的課題，從教學內容、教學方法、教學過程和教學資源等方面進行有益的改革探索，取得了良好的教學效果。課題組所在的計算機工程系于2009年被山西省教育廳授予山西省第十屆“育人杯”先進單位的稱號，課題項目于2010年榮獲山西省教學成果二等獎。筆者對教改經驗進行總結，以期進一步深化圖形圖像處理方向的系列課程建設。目前，課題組申報的“圖形圖像處理系列課程實踐教學資源與平臺的建設”已經被列為山西省“十二五”重點教改項目，下一步的工作將是按照專業特色方向的要求，對“C++程序設計”、“面向對象程序設計”、“數據結構”、“計算機圖形學”以及“游戲開發基礎”等系列課程的教學目標、教學大綱以及教學方法進行整體建設，打造面向游戲開發方向的優質實踐教學資源與管理平臺。
　　參考文獻：
　　[1] 孔令德. 計算機圖形學基礎教程(Visual C++版)[M]. 北京:清華大學