面向應用的計算機圖形學第一課

摘 要： 由于計算機圖形學中圖形處理算法具有高度的抽象性，并且涉及多個學科領域，致使學生認為這是一門遠離生活、繁瑣難學的課程。根據專業人才培養要求，通過調查分析課程的教學現狀，確立了第一堂課的教學內容。第一堂課要使學生明確為什么學、學什么、如何學，以及有哪些實際應用。使學生明確課程與生活應用之間的密切關系，進而產生濃厚的學習興趣，實現教與學的相互促進。

關鍵詞： 計算機圖形學； 第一堂課； 教學方法； 學習方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）10-73-02

Abstract： Because of the high degree of abstraction of graphics processing algorithms in computer graphics， and it involves many subjects， which leads the students to think that this is a course of far from life， complicated and difficult to learn. According to the requirements of professional personnel training， through the investigation and analysis of the situation of the teaching of the course， the teaching content of the first lesson is established. In the first lesson， why to learn， what to learn， how to learn and what practical applications to have should let the student know， which makes student clear the close relationship between the course and the daily life application， so as to have a strong interest in learning， and realizes the mutual promotion between teaching and learning.

Key words： computer graphics； the first lesson； teaching method； studying method

0 引言

計算機圖形學（Computer Graphics，簡稱CG）是研究如何在計算機中表示圖形，以及如何利用計算機進行圖形生成、處理和顯示的課程[1]。隨著人們對圖形交互界面需求的不斷增長，圖形學的相關技術得到了快速發展。在ACM SIGGRAPH、Eurographics和SIGGRAPH Asia會議和中國計算機圖形學大會中，當前圖形學的發展水平與未來發展趨勢都會在參會的作品中得到展示，圖形學教學中的相關問題也會在此討論[2]。為更好地完成課程教學目標，文獻[3-5]從不同方面提出了課程教學改革方案，以適應新時期的人才培養要求。

由于圖形處理技術的原理與算法理論性較強，學生學習難度較大，容易產生厭學情緒。因此，如何在第一堂課中激發學生的學習興趣顯得尤為重要。本文將第一堂課分成建立師生信任關系、學習課程的主要意義、課程的主要內容、以及課程的學習方法四個部分進行探討。

1 建立師生信任關系

課程教學中的第一課如果是直奔主題、單以緒論為出發點，這無疑會使學生迷失在“迷霧”中，難以看清前方的學習道路，找不到可以信賴的領路人。在大學教育中，學生眼里的好老師更應該是一位良師益友，只有以親其師為前提，學生才能信其道。因此，建立師生之間的信任關系是課程教與學的前提保障[6]。

信任是人際關系的基礎，可以使彼此之間和諧相處，并能相互幫助解決問題。建立信任關系的兩大基礎是能力與品質。正如教育家陶行知老師所說：“德高為師，身正為范。”作為老師，最讓學生欽佩的應該是自身的專業素質與正直的品質。因此，老師可以向學生介紹自己的求學經歷，專業方向，課題研究內容等方面，展示自己過硬的專業素質，讓學生認可老師的專業水平。同時，教師可以將其手機號碼，E-mail地址，QQ等聯系方式留給學生，以便建立起學生與老師之間溝通的橋梁。

正直的品質是贏取學生親和力的有力招牌。教師要時刻踐行社會主義的核心價值觀，做到嚴于律己、言行一致、舉止文明、關愛學生、公平正義、為人師表。在第一堂課中，教師應該面帶微笑，神采奕奕的進入教室，讓學生感受到老師對教學和生活的熱情，讓學生有愉快的心理體驗。

2 學習課程的主要意義

計算機圖形學是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。在第一堂課要使學生明白計算機圖形學并非只是一門抽象的學科，同時也是一種時刻貫穿并服務人們生活的新科技。可從以下方面闡述計算機圖形學與人們的生活關系。

汽車作為現代人們一種的交通工具，它的生產制造過程中離不開計算機圖形學技術。在起初的汽車設計工作中，依據汽車的設計要求（如尺寸、結構、性能、外觀等），利用計算機實現圖形的放大、縮小、平移和旋轉等數據加工工作，生成汽車的3D模型，用于指導后續的生成制造工藝。在飛機、汽車等工業產品的整個設計過程中，運用到計算機圖形學所討論的交互技術、圖形變換技術、曲面造型技術和實體造型技術等。

電影將視覺與聽覺綜合為觀賞對象以服務大眾。隨著計算機圖形學技術的突飛猛進，電影工業產生了一次深刻的變革，計算機圖形學技術讓電影由講故事的圖畫變成了一場場視覺盛宴。從《變形金剛1》到《阿凡達》，圖形渲染量由15TB增加到1000TB。圖形渲染技術的廣泛使用，為觀眾鑄就了一個個扣人心弦的場面。這一應用實例又稱為“電影特效”，綜合了虛擬現實技術、消隱技術以及光照處理技術等。

智慧城市是運用信息和通信技術對城市的各項資源（如地理、生態環境、人口、經濟等）進行數字化建模，從而實現對城市安全、醫療衛生、環保、交通等需求做出準確及時的響應。智能交通作為智慧城市的重要組成部分，融合了交通信息系統、交通管理系統、公共交通系統、車輛管理系統以及電子收費系統，為智能公交、出租車信息服務管理、電子警察、交通信號控制、交通視頻監控等行業提供信息服務，為交通參與者提供多樣性的服務。虛擬現實技術以及可視化技術的發展為智能城市的構建提供了技術支持。

可穿戴設備通過將硬件、軟件與互聯網技術融為一體，為人們提供了一種具有隨時隨地查詢信息、監測健康和交流合作等功能的便攜式智能設備。隨著Google Glass（谷歌眼鏡）與蘋果iWatch的相繼問世。可穿戴設備形成了以watch類、shoes類、glass類等產品形態。可穿戴產品不僅僅是一種硬件設備，更是一種通過數據采集、計算、反饋來指導對我們的日常生活與工作學習的智能伙伴。其中，數據處理過程融合了圖形硬件、圖形變換技術、真實感圖形技術等計算機圖形學的研究內容。

上述內容通過以實物、數字、視頻、圖片的形式，并采用小組討論的教學模式，讓學生體會到這門課的具體實用價值，進而參照這些生活實例選擇自己后續的研究方向及就業方向。

3 課程的主要內容

計算機圖形學課程的主要內容包括：計算機對圖形進行表示、處理和顯示所采用的方法和技術兩個方面。通過分析整合教材內容，以“圖形”為核心形成課程內容的框架結構如圖1所示，使學生從整體上把握課程內容之間的相互關系。進而，給出學生重點學習圖形生成、圖形變換、曲線曲面和實體造型、裁剪以及光照模型等算法，讓學生掌握紋理映射與陰影生成等技術，提高靈活使用計算機語言和圖形標準開發基本的圖形應用軟件的能力，以滿足后續課程學習和就業崗位的要求。

在第一堂課中，要使學生準確把握本課程與其相關課程之間的區別和聯系，特別是計算機圖形學與數字圖像處理之間的區別。避免學生混淆不同課程的知識，認為只要通過本課程的學習，就可以自己開發游戲軟件，進行動畫設計，導致教學內容與學生期望之間的落差。這部分內容通過采用圖2所示的結構圖直觀地呈現給學生，并輔助相應的講述。

4 課程的學習方法

由于計算機圖形學課程的先修課程較多，理論性強，實踐要求高等特點，學生掌握正確的學習方法成為學好本課程的關鍵。正確的學習方法是保證學習效率和學習效果的前提，同時有助于知識的融會貫通，學以致用，進而形成良好的學習習慣[7]。本文著重從基本理論知識、實踐訓練以及拓展知識三個方面引導學生學習本課程。

4.1 基本理論知識

針對課程中的概念、公式、算法等理論知識，課前預習，課堂聽講，課后及時復習構成了一個完整的學習過程。在課前預習過程中，學生需要復習已學過的相關知識點，避免它成為聽課時的“絆腳石”；整理學習內容的重點難點，在聽課過程中重點理解和消化。在上課過程中，學生需要及時做課堂筆記，緊跟老師的講課思路，積極主動思考，充分吸收知識點，靈活地運用“五到學習法”實現高效率聽課。在課后復習過程中，結合習題與思考題，鞏固理解課程的重難點，注重總結不同學科知識間的滲透關系。

4.2 實踐訓練

如何應用所學理論知識解決圖形處理問題是實踐環節的主要內容。學生在訓練過程中，可以通過學習軟件以及編程實驗兩種方法實現學以致用的目標。孔子曰“學而不思則罔，思而不學則殆”。思考貫穿于整個學習過程，因此在實踐中更應該主動思考已學過的圖形算法可以解決哪些現實問題，以及如何將理論知識用于生活中。在編程實驗中，通過閱讀、參考成熟的代碼來避免初始階段的無從下手，進而反復訓練，主動思考，形成自己的編程思維。在處理實際問題之前往往都需要建立其數學模型，然后用計算機編程求解。因而，在編程期間要注重數學的學習，培養自己的邏輯思維能力，以提高編程能力。

4.3 拓展知識

鑒于計算機知識更新速度相對較快，在學習過程中要引導學生將本課程知識與時具進。通過觀看最新圖形學會議上演示過的視頻和論文，體驗相關的科技產品，了解圖形學技術最新動態和研究成果，以加深對課程知識的理解，拓展現有知識面。

5 結束語

本文針對計算機圖形學課程的特點和面向應用型人才的培養要求，對第一堂課的教學內容進行有效組織，并充分運用多媒體技術將生活實例引入到課堂。實踐表明，第一堂課中的教學內容有效地抓住了學生主動學習的內因，糾正了學生對課程原有的認識，促進了學生對課程產生濃厚的興趣，為實現學以致用能力培養目標奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 孫家廣，胡事民.計算機圖形學[M].清華大學出版社，2005.

[2] 魏海濤，俞志強，魯漢榕等.計算機圖形學教學改革與教學體系創新[J].計算機教育，2012.6：26-29

[3] 徐文鵬，強曉煥，侯守明.面向問題解決的圖形學教學改革探討[J].高等理科教育，2013.5：107-111

[4] 陳莉.談計算機圖形學的教學與實驗[J].計算機教育，2014.10：51-54

[5] 錢蘇斌.計算機圖形學“體驗式”教學體系的研究與實踐[J].計算機時代，2013.11：63-65

[6] 張永翊.上好大學里的第一堂課[J].中國成人教育，2008.20：131-132

[7] 單維鋒，繼林，高方平.改革教學方法和學習方法，提高學生計算機應用能力[J].計算機教育，2010.5：30-33