本科圖形圖像課程一體化教學模式

譚光華　李仁發

摘要：隨著學科的發展，圖形和圖像出現相互融合的發展趨勢，與此同時，教學時數削減，探討圖形圖像課程一體化教學模式具有十分重要的意義。文章從教學內容的組織、實驗體系的構建以及教學方法的探討3方面總結教學改革經驗，探索適應本科教育的圖形圖像處理一體化教學模式。

關鍵詞：計算機圖形學；數字圖像處理；一體化教學模式

0 引言

圖形圖像處理作為一門課程進行一體化教學在高職高專院校中并不罕見，主要圍繞圖形圖像處理軟件的使用展開教學，如圖像處理軟件Photoshop、二維矢量圖形軟件Illustrator等的使用，讓學生掌握如何使用這些軟件實現特定效果的技巧。然而，本科院校則主要教授學生圖形圖像處理的基本原理，尤其針對計算機專業的學生，其目的是通過該課程的教學，幫助學生在理解基本原理的基礎上實現類似于Photoshop、Illustrator、Maya等圖形圖像處理軟件，而不僅僅是應用。因此，一般的本科院校分別針對圖形和圖像的處理均開設了計算機圖形學和數字圖像處理兩門專業課程，形成了各自的教學體系。

然而，隨著學科的發展，圖形和圖像已經出現相互融合的發展趨勢。圖形學中的真實感顯示、紋理貼圖以及圖像處理中的矢量化、圖像繪制等都體現出兩門學科相互交叉的新特點。將兩個學科的知識融會貫通后傳授給學生，已經成為學科發展的必然。圖形圖像相互融合的思想在近些年的Siggraph論文中已有明顯體現。此外，清華大學的胡事明教授在973資助項目“可視媒體智能處理的理論與方法”中也提出了可視媒體的幾何計算方法，將幾何計算的理論引入圖像和視頻的處理并發表了一系列高水平的論文，得到國際的認可。另外，在長期的教學實踐中，由于教學時數的限制，學校無法同時開設兩門課程，但是鑒于社會對人才培養的需求，學生又需要同時掌握圖形學和圖像處理的知識，這就促使我們探討計算機圖形學與數字圖像處理的一體化教學改革。教學時數的削減在ACM和IEEE對計算機專業的課程體系構建草案（2013）中能夠得到體現。

因此，從學科發展的趨勢、目前國內高校學分制的現狀以及社會對人才培養的需求來看，將計算機圖形學與數字圖像處理知識融會貫通，進行一體化教學，是學科發展的趨勢，具有重要意義。

1 教學內容組織

數字圖像處理和計算機圖形學作為兩門獨立的課程在國內外高校教學過程中已經非常成熟，教學內容也各成體系，都出版有相應的教材，但是融合數字圖像處理技術和計算機圖形學原理的教材則非常少見。迄今為止，國內只有由電子工業出版社出版的國防科技大學唐波等編著的《計算機圖形圖像處理基礎》。

湖南大學從2010年起開始對圖形圖像處理一體化教學模式進行探討，并在信息科學與工程學院的智能、物聯、信息安全等專業進行試點。通過3年的探討與試點，我們確定理論教學時數為40學時，實驗學時為16學時，同時在教學時數的限定下逐步確定課程的教學內容。教學內容以電子工業出版社出版的《計算機圖形圖像處理基礎》為參考教材，以現有的國內外圖形圖像經典教材為參考書目，選取計算機圖形學中三維物體的幾何表示、三維觀察流水線、真實感繪制技術（包括光照、紋理映射）以及數字圖像處理中的圖像采集與表示、圖像增強（包括空域和頻域）、圖像分割為主要教學內容，將圖形和圖像的相關內容融會貫通后進行授課。例如，在介紹真實感繪制技術中的紋理映射時，可以貫穿數字圖像的表示方法；在介紹光照模型時，可以貫穿數字圖像處理中顏色模型的相關知識；在圖像的幾何變換中貫穿三維觀察的數學知識。各個教學內容之間的關系如圖1所示，具體的教學內容與課時分配見表1。

2 實驗體系構建

針對第1節的教學內容體系以及16學時的實驗課時需求，教師可以在教學實踐過程中設計相應的實驗體系，從而讓學生在掌握圖形圖像處理基本原理的基礎上，進一步提高實際應用與程序設計能力。為了體現數字圖像處理和計算機圖形學相互融合的特點，進一步提升理論教學的效果，我們總共設計4個課程實驗，每個課程實驗4學時，實驗體系構建見表2。

從表2中可以發現，該實驗體系既包含側重于基本原理實現的基礎實驗，如實驗1主要是為了實現數字圖像的表示與繪制，實驗2主要是為了實現二維幾何圖元的表示與繪制，又包含體現圖形和圖像融合特點的綜合實驗，如實驗3體現了三維圖形的繪制、OpenGL的應用以及圖像作為紋理用于真實感繪制的基本原理與過程，實驗4則結合了三維觀察流水線中幾何變換的基本原理以及圖像縮放過程中雙線性插值的基本原理，

3 教學方法探討

根據學習金字塔的理論，不同的學習方式使得學習者在兩周后的平均學習保持率（能夠記住內容的多少）會有明顯不同。其中，單純聽講的方式平均學習保持率最低；若在聽講的過程中輔以聲音、圖片、動畫等多媒體演示，平均學習保持率會有所提高；若在聽講過后進行小組討論或實際演練，平均學習保持率會更高；平均學習保持率最高的方式即在自己理解的基礎上，以簡明易懂的方式傳授給別人。

鑒于此學習理論，教師可以在教學過程中盡可能使用圖示、動畫方式講授原本枯燥無味的數學原理，如直線段的繪制算法、圖形顯示的三維觀察流水線以及紋理的繪制，還可以基于“做中學”的思想在教學過程中貫穿課程實驗。在課程開始之初，教師可以在課程網站上公布所有實驗，旨在讓學生提前了解該課程中需要掌握的知識點，從而帶著問題聽講；在講授完知識點后，可以帶領學生進行相應的實驗，在實際演練中加強學生對知識點的理解，學生還可以就不理解的問題及時向教師求教。在課程結束時，教師可以設置一個小組報告的環節，按照課程實驗將學生分成4個不同的小組，每個小組需要報告該實驗的基本知識點以及在實驗過程中遇到的問題、如何解決以及實驗體會，從而通過這樣的方式達到學習金字塔的最高層次——教別人。

4 結語

根據學科發展的趨勢以及教學時數削減的限制，我們在圖形圖像一體化教學模式上進行探討與實踐。經過3年的實踐，在教學內容的組織、實驗體系的構建以及教學方法的探討方面均積累了一些經驗，從教學反饋看也取得了良好的教學效果。由此可見，數字圖像處理與計算機圖形學課程一體化教學在本科教育中是一種可行的教學模式。

參考文獻：

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（編輯：宋文婷）endprint