以能力為導向的計算機圖形學教學模式

　　摘要：傳統的教學模式偏重知識傳授，強調學生對知識的掌握程度，這在一定程度上使學生具備扎實的專業基礎知識，但不利于培養學生的自主學習能力。本文結合筆者多年對計算機圖形學教學和課程改革的研究，提出以能力為導向的教學模式，以培養學生的實踐動手能力、綜合應用能力和創新能力為目標，通過教學內容的優化，教學過程的合理設計以及實驗教學的改革，使學生的思維和動手能力明顯增強，教學效果顯著提高。
　　關鍵詞：計算機圖形學；教學模式；能力導向；教學改革
　　
　　1研究背景
　　計算機圖形學是計算機科學領域中一個重要而又年輕的學科，它是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設備的發展而逐漸產生發展起來的。該學科主要研究利用計算機顯示、生成和處理圖形的基本原理、方法和技術，涉及數學、物理、計算機、心理學等多個學科的交叉融合，相關問題的討論往往涉及比較復雜的算法和比較抽象的理論[1]。因此，該課程具有較強的綜合性、理論性和實踐性。
　　筆者將“以能力為導向”的教學理念融入計算機圖形學教學實踐過程中，研究如何恰當地組織教學內容，有效調整教學模式，高效運用教學手段，合理分配實驗環節，使學生從“要我學”的被動接受知識型學習模式轉變到“我要學”的主動學習型模式。在基本理論和基本技能培養的基礎上，更進一步加強實踐動手能力和創新能力的培養，達到知識傳授和能力培養的有效結合。實踐證明，通過一系列改革，我校在提高教學質量，培養學生能力方面都取得了較好成果。
　　2教學現狀
　　由于計算機圖形學具有廣泛的應用領域，且該課程名稱本身具有吸引力，很多學生在剛剛接觸這門課時有極大的興趣，特別是影視動畫和游戲愛好者，都抱著極大的期望，幻想能通過該課程的學習制作精美動畫，開發精彩的游戲。然而，在后續的學習過程中，學生的積極性和主動性逐漸消失，學習的信心所剩無幾，最終導致整個學習過程變為被動接受。究其原因，主要有以下幾點。
　　1) 學科本身難度較大。計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，涉及多個學科的相關知識，學科交叉繁雜，且新的應用領域又不斷拓展，使該學科內容豐富、算法眾多、理論性和實踐性較強。而當前的教科書大多以基礎原理和理論講解為主，詳細展示了多種算法的推導、優化和發展過程，對這些內容的理解需要學生有很好的工科基礎，特別是數學基礎，也需要教師在講課過程中有清晰的思路和清楚的表達。即便是這樣，也往往造成課堂教學枯燥無味，而學生也經常被這些算法所困擾，產生畏懼心理。
　　2) 教學觀念落后。傳統的教學觀念強調知識傳授，看重學生對知識點的掌握、重難點的理解。因此，教師備課時往往根據知識點來安排課堂內容，對大綱中要求的章節重要知識點作較詳細的講解。這樣很容易形成滿堂灌的課堂局面，學生也自然而然地習慣了老師講到哪兒就聽到哪兒，聽到哪兒就學到哪兒，學習主動性和積極性基本喪失。如果學生課下不看書復習，即使每節課的知識點掌握了，也很難完整理解整個知識結構，很難融會貫通所學知識，對知識的理
　　解只能停留在“只見樹木，不見森林”的層面。教學觀念的落后也會導致較落后的實驗教學，大部分實驗停留在算法驗證性實驗上，不能激發學生的興趣和主動思考問題、解決問題的科學探索激情。
　　3) 考核方式單一。“以知識為導向”的傳統教學觀念也導致了考核方式具有單一性，主要以理論考試為主，試題形式主要是填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡答、計算等，試題內容要求盡可能多地涵蓋大綱中的知識點。這常常導致學生把大量的精力和時間放在對基本概念和基礎知識的理解和記憶上，考試成績高的學生，有可能動手能力差。因此，這種考核方式無法真正考核學生對知識的掌握及應用能力，也不利于學生創新意識的培養。有些教師也將實驗成績按比例添加到總成績中，但對實驗過程沒有好的管理方法，也很難對學生進行客觀評價。
　　4) 現狀分析。通過以上分析，我們可以得知，計算機圖形學若仍采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生做實驗的教學方式，很難達到預期的教學效果，不利于學生各方面能力的培養，有悖于新時期的人才培養目標。因此，探討新的教學思路和教學方法，就成了廣大教師需要研究的重點內容。
　　3教學觀念改革
　　在信息技術飛速發展的今天，培養單純技能型人才已不適應社會需求，市場經濟的發展需要大批具有一定創造性的專業人才。因此，教師要在教學過程中轉變思想認識，更新教學觀念，改變傳統教學方式，注重學生合理的智能結構培養，使學生在學習知識的同時提高運用知識、更新知識、擴展知識的能力[2]。
　　1) 教學重點從傳授知識轉向能力培養。就計算機圖形學課程而言，學生能力的培養主要體現在邏輯思維能力、實際動手能力和應用創新能力等方面。邏輯思維能力主要體現在形數轉換的能力方面，即對具體對象的幾何信息進行分析、抽象和歸類，建立對象的數學模型，最后再轉化成一定的數據結構形式。實際動手能力是指編程能力和實際操作能力，能熟練編寫程序，處理復雜的圖形問題和結構問題，能夠進行簡單系統的設計開發。應用創新能力指創造性能力，是在掌握理論的基礎上有所創新，體現為在解決實際問題上有獨到見解[3]。此外，教師還可應用靈活的教學手段培養學生的工程應用能力、團隊協作能力、信息檢索和組織能力、表達能力、專業外語應用能力等。
　　2) 課堂教學模式由傳授方式轉向引導方式。在課堂教學過程中，為了給學生提供積極思維和主動思維的時間、空間和條件，教師要在“導”字上下功夫，使課堂的教學過程演變成學習知識、啟發思維的引導過程，形成探究性學習風氣，使學生逐漸接受和喜歡“積累知識—積極思考—主動創新”的新型學習模式[3]。
　　4教學內容和方法改革
　　基于能力培養的教學觀念，在教學過程中，我們設計了一個小型“虛擬魚建模”項目實例，該項目的設計與實現可以分解成多個步驟，而每一個步驟都對應相應的教學內容。因此，可將該項目作為一根主線貫穿在所有的教學內容中。
　　4.1理論教學
　　1) 內容組織。
　　我們以“虛擬魚”為主線，使其貫穿于整個教學內容。要讓計算機“逼真”地模擬虛擬魚的水底世界，模擬過程可用圖形流水線給出，如圖1所示[4]。教師依次講解流水線上的每一步涉及的相關理論知識，并將相關技術處理的動態效果實時展示出來，讓學生清楚地了解每堂課所講的理論知識在整個課程中的作用、地位，以及以該理論為基礎的程序或軟件所能完成的功能、任務。這樣，在整個學習過程中，學生有較高的學習興趣和熱情，同時會有清晰的學習思路和學習目標，不會感到混亂無序。
　　因此，采用實例教學和圖形流水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，便于他們掌握各知識點間的關系，可以解決“只見樹木，不見森林”的問題，使學生始終保持思路清晰，提高學習效果。
　　在講解每個理論知識點時，教師也可結合它們在圖形編程(如OpenGL)和圖形制作軟件(如3D max等) 中的應用來講解。如講授光照處理時，教師可以先給學生演示3D max 里面制作光源的過程，重點讓學生觀察不同參數選擇產生的不同光照效果。同時教師可以提出疑問，如“各個參數起到什么作用”、“表示什么含義”等，讓學生思考。然后，教師演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同樣的問題。帶著這些問題，教師引導學生回到光照模型的理論學習階段，學生的學習目標就更加明確了，學習效率和興趣也自然提高了，也就解決了學生諸如“學這個有什么用”、 “為什么要那樣計算”、“參數到底表示什么”等疑問。因此，在理論課堂上加入實際應用環節，讓學生看到理論和實際的融合點，會起到事半功倍的作用，也讓學生感到學有所用。筆者常常在CG的第一課時就給學生布置自學3D max的要求，因為應用軟件的學習能促進他們更深入地理解理論知識。而后續的大部分課堂幾乎包括了應用部分和理論部分的講解，如圖2所示。雖然應用部分的講解只占10～15分鐘左右的課堂時間，但起到了非常大的作用。
　　
　　2) 教學過程設計。
　　教學內容的學習分為5個環節，如圖3所示。上完緒論課后，教師便給學生演示虛擬魚系統，使學生對用程序編寫出來的栩栩如生、悠然自得、游來游去的小魚產生極大的興趣。教師接下來對該系統進行簡要介紹，分解步驟，從而打開學生學習CG的大門，而每一個步驟的引入將引導學生充分學習相關的理論知識。因此，在每一次理論課前，教師都要布置相關步驟的學習任務，如小魚的曲面構造、紋理映射等；學生通過自學、查閱資料，對問題進行分析探討；上課時，教師先讓學生自由發言，說出自己的想法和思考，再由教師講解相關內容；隨后，學生將自學和聽課中發現的問題與教師進行進一步交流探討；最后，教師提出下一步驟的任務。如此循環，不僅能使學生對每堂課所學的知識有深入的理解和認識，明白該節課內容在整個課程中的地位，還能使學生學習的知識具有系統性、連貫性和完整性。通過具體應用實例的剖析和教師的“導”，學生對每一部分內容的學習都經過了一番努力思考，這樣的知識一定會記憶深刻。因此，這種教師“導”，學生“學”的教學過程，既豐富了學生的思維過程，又給予他們主動學習、理論結合實際的基點，便于激發學生學習和思考的積極性和主動性，自然也能培養學生主動學習、獨立思考問題和解決問題等各方面的能力。
　　4.2實驗教學
　　作為實踐教學的最重要組成部分，實驗教學在培養實踐能力和創新精神人才中有著十分重要的作用。傳統的實驗教學內容大多為算法的驗證性實驗或圖形庫的應用實驗，這些實驗在一定程度上鍛煉了學生的編程能力和基礎應用能力，但對學生綜合應用理論知識能力、創新性思維能力和解決實際問題能力的培養非常欠缺。本教學改革以培養學生解決實際問題能力和創新能力為主導思想，結合我校的學科專業特色和需求，綜合多門課程知識，大力開展綜合性設計性實驗，培養學生的動手實踐能力、創新意識，提高學生的綜合素質。
　　1) 實驗內容安排。我們將實驗分為基礎性、綜合性、設計性和創新性四個層次，分別培養學生的基本技能、綜合設計和創新等各方面的能力，如圖4所示。其中，基礎驗證性實驗由學生在開放實驗室自行完成，教師負責檢查；綜合、設計性實驗由教師提供多組選題，學生自由選擇，按項目管理方式對學生進行分組管理，要求學生團結協作，合理分工，共同完成各個模塊，實現實驗所要求的預期功能；創新性實驗為學有余力的學生提供一個創新平臺，將結合我校特色專業和多門學科知識點進行綜合性、創新性實驗，如虛擬植物建模、虛擬動物仿真等。
　　2) 實驗考核方式。為加強對實驗的過程管理，我們采用實際工程運作中的項目經理負責制度。在綜合實驗過程中，我們將學生分成項目小組，小組成員扮演不同的角色，在項目經理的組織下共同完成項目的設計與實現。在項目設計和實施、驗收過程中，由項目組選派或教師隨機抽選一名學生進行匯報答辯，其成績作為小組成績。在學生的最終成績評定時，以項目小組為單位，學生的成績由個人、整個團隊成員、項目經理和教師多方面決定，得分內容由實驗設計、實驗過程、實驗成果、實驗報告等幾部分的得分組成。這種管理方式在訓練學生實踐動手能力的同時，也加強了對學生團隊協作和組織協調能力的培養。
　　5結語
　　計算機圖形技術的不斷發展，要求計算機圖形學課程的內容要不斷更新，教學手段、教學模式也要不斷改進。“以能力為導向”的教學模式，改變了傳統教學方法的弊端，能激發學生的創新思維和動手能力，能培養學生主動學習的能力，將“注入式教學”變為“啟發式教學”，為培養適應社會需求的科技人才奠定了基礎。
　　
　　參考文獻：
　　[1]