談計算機圖形學的教學與實驗

陳莉

摘要：分析當前計算機圖形學課程教學和實驗中存在的若干問題，提出通過不斷更新和優化課程內容提高學生的學習、實驗興趣；通過改進的教學方法和手段激發學生的自主學習能力及創造力，同時說明實施過程。

關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；建構主義；開放式

0、引言

計算機圖形學課程是計算機科學與技術專業的一門比較重要的課程。計算機圖形學研究的是如何利用計算機生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術n]。它是一門復雜的綜合性新興學科，廣泛應用在工業、科技、教育、管理、商業、藝術、娛樂等多種領域。這門課程理論性較強，內容抽象、難懂，要求學生有一定的數學基礎并且具有一定的編程能力，部分學生感覺學習起來吃力，學習積極性不高，教學效果不夠理想。文獻提出了建構教學模式在圖形學教學中的應用；文獻[3]也針對已有的圖形學教學模式提出了改進。筆者對計算機圖形學課程教學中存在的問題進行了分析探討，并對計算機圖形學的教學內容及方法提出了改進，在計算機圖形學教學與實驗中，取得了良好的效果。

1、圖形學教學及實驗的現狀及存在的問題

1.1 內容枯燥難懂

目前，計算機圖形學課程講述的重點是圖形學技術，強調計算機圖形學基本算法的生成和實現，對學生的數學基礎要求較多，還要有一定的三維空間想象能力。這種強調圖形算法基礎的教學比較適合數學基礎優秀的學生，對大多數本科學生來說，這種理論性太強的課程，理解起來較難，學習起來不易，直接影響了學生的積極性，影響了教學效果。

1.2 編程語言環境古板陳舊

在很多高校，計算機圖形學的實驗都是基于Turbo C環境下的編程練習。雖然Turbo C提供了非常優秀的C語言編程環境，但是由于編程界面不夠友好，使用不方便，多數學生對它不感興趣。

1.3 實驗內容單一

該課程的實驗內容包括最基本的實驗環境的熟悉及像素點的生成，基本圖形元素（直線、圓和橢圓）生成算法的實現，二維圖形的填充和裁剪算法和圖形幾何變換（二維、三維變換）的實現等。基本的實驗主要是為了驗證理論教學中學到的算法，比如直線生成算法實驗，就是編程實現一條直線的生成，沒有實際的應用價值，學生感覺所編程序與現實中成熟的各類畫圖軟件差距較大，進而失去學習興趣。

2、教學改革實踐

2.1 選擇內容稍簡單的教材

當前圖形學的課本非常多，經典教材中多采用c語言偽代碼，且講解的知識較多、難度較大，學生學習比較吃力。考慮到本校碩士專業也開設了計算機圖形學這門課，主要講解三維的知識，所以我們將本科教學中的重點定位為二維知識的掌握，三維的知識作為簡單介紹和了解，這樣降低了學生的學習難度，為以后學習三維打好基礎。因此，在選擇教材時，主要考慮以二維知識為主的、包含有程序代碼的、利于學生實驗的教材。

2.2 將AutoGAD等成熟軟件引入圖形學課堂

圖形學的基本內容以二維為基礎，AutoCAD是最為成熟的二維圖形軟件之一，它的功能非常強大，幾乎囊括了圖形學中的所有知識。因此，在教學過程中以AutoCAD為例給學生講解，使本來抽象難瞳的知識變得可見，例如，在講到矢量字符時，AutoCAD可以允許用戶以形定義的方式自己創建矢量字符。學生在使用AutoCAD創建字符的同時，加深了對概念的理解。AutoCAD的交互能力是非常強大的，教師在講解圖形交互技術一章時，重點介紹AutoCAD中的對象捕捉功能、網格功能、約束技術等，使學生對圖形交互有更直觀的印象。在講解曲線一章時，教師可以用Photoshop中的路徑生成工具來講解Hermit曲線，講三維建模時引入3DMAX。這些成熟的軟件給學生搭建一個對所學知識進行實踐的平臺，讓學生更好地理解課本的內容，使難懂晦澀的內容變得生動形象起來，極大地提高了學生的學習積極性。

2.3 將最新的研究成果帶入課堂

圖形學是當前研究的熱點問題，它應用廣泛，每一個應用方面都有最新的研究成果。在講解課本知識之外，為了提高學生的學習興趣，我們搜集了一些介紹圖形學知識的紀錄片。比如在講到分形時，播放分形在影視特效中的應用；在講到真實感圖形時，播放工業光魔在這方面的研究歷史，從最初起步到現在技術日益成熟。這些紀錄片豐富了學生的知識，開闊了學生的視野，加深了學生對課本知識的理解。

3、實驗改革實踐

3.1 選擇可視化編程語言環境

針對Turbo C編程環境的死板和界面不夠友好的情況，我們在選擇教材時，選擇的是用VC編程的教材。學生可按照教材完成實驗。因為VC開發環境是可視化的，編寫的程序執行結果明顯，學生很有成就感，對完成實驗更有自信。學生也可以通過實驗，來學習實用的編程語言，促進了對新知識的學習。

3.2 明確實驗目標，整合實驗效果

教師在新課剛剛開始講解時就以Windows自帶的畫圖軟件為目標，鼓勵學生在實驗的時候以其為模板。在講解實驗的時候，老師一開始就引入了添加菜單、工具欄、鼠標畫圖、橡皮筋技術以及調色板，這樣在實驗中學生就可以自己編出用鼠標畫出直線、設置顏色的程序，因為非常貼近現有的成熟軟件，所以學生很有成就感。

整個學期的實驗內容的設計圍繞畫圖軟件，使其與課程進展相結合，由簡入繁。

有了畫圖軟件這個目標，學生在實驗中會主動地考慮一些功能的實現，比如用鼠標實現鉛筆畫功能，是學生自己考慮出來的。學生通過自己去想、去嘗試、去實現，提高了學習的主動性、積極性，最后不僅完成了課本上要求的任務，還自己增加了一些實驗內容，提高了編程能力。學生將每次所學的課程內容都添加在一個程序中，最后自然就完成了教材中所要求的綜合性實驗內容，而且所實現的功能要遠遠大于教材中的要求。

3.3 教學與實驗結合，變被動復習為主動復習

在教學中，我們引入建構主義教育思想，將期末設計改為圖形學教學網站的設計。建構主義認為學習者的知識是在一定情境下，借助他人的幫助，人與人之間的協作、交流，利用必要的信息等，通過意義的建構而獲得的。以往的復習，就是學生個人死記硬背概念，學生不愿意背，也不容易記住。期末設計以小組團隊為單位，在設計過程中，借助開放式實驗思想，不限制實驗地點，不限制實驗時間，不限制實驗小組，由學生自己決定團隊，團隊內部自主分配任務，通過網上指導，隨時有問題隨時解決，這是對學生將以往所學的網絡知識與計算機圖形學知識的一次整合，使學生充分體會到每門課都是息息相關的。學生們需要將所學的知識在網上重現，在重現的過程中，就是對所學知識的一次鞏固、一次主動的復習。教學網站的設計包括各種圖形學的基礎知識、算法代碼、當前圖形學的研究熱點、著名圖形學網站的鏈接等。學生們根據自己在學習圖形學中遇到的問題，借鑒現在網上已有的教學網站，設計出自己風格的網站，將枯燥的死記硬背改為有效的主動復習。圖1是某小組實現的關于“當前研究的熱點問題”這個方面的網頁，他們搜集、查閱了大量資料，豐富了其圖形學知識，在搜集過程中更提高了對圖形學的興趣。

圖2中某小組搜集了各類圖形學題目，在此給出了答案。在出題過程中，不會題的同學之間相互討論，問老師，更好地掌握了所學知識，加深了對所學知識的理解。

通過期末設計，老師不僅可以了解學生的學習思維的方式，而且從中也能發現自己的不足，從而為以后的教學改進提供依據，在以后的教學中也應多從學生的角度來考慮教授內容，應將演示軟件、網站等引入教學中，實現多方面、多維的立體化教學，提高學生的學習興趣，并通過各種途徑與學生交流和討論。

4、結語

計算機圖形學是一門比較重要的專業課程，它具有較強的理論性和實踐性，但是在教師的教與學生的學之間存在著各種各樣的問題。我們對該課程教學、實驗中遇到的問題進行了分析，從教學內容、教學和實驗方法等方面對該課程進行了探討，改進了傳統的實驗任務，調動了學生的學習積極性，提高了學生的學習能力，并使老師從中找到自身教學的不足，也提高了老師的教學水平，達到了雙贏的效果。endprint