GIS專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中應(yīng)用WebQuest方法研究

王穎　張曉蕾

摘要：闡述了WebQuest的概念和原理，以“種子填充算法”作為教學(xué)案例，根據(jù)WebQuest網(wǎng)絡(luò)探究式學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)并實(shí)施了一次教學(xué)試驗(yàn)。通過這次嘗試發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、作業(yè)完成質(zhì)量均有顯著提高。因此，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中引入WebQuest是可行的，有效的。

關(guān)鍵詞：WebQuest；GIS；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；種子填充算法；因特網(wǎng)

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）02-0165-02

地理信息系統(tǒng)（GIS）是用于采集、存儲(chǔ)、管理、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics，CG）是研究如何利用計(jì)算機(jī)顯示和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科，與GIS聯(lián)系非常密切，在GIS中，需要大量用到圖形繪制，現(xiàn)實(shí)虛擬等技術(shù)，這就要求GIS從業(yè)人員具有深厚的計(jì)算機(jī)圖形理論基礎(chǔ)和較高技能的圖形繪制技術(shù)，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正是一門關(guān)于圖形繪制和圖形處理的學(xué)科，尤其是出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，GIS更是離不開計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的支持。雖然計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在GIS領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，并作為專業(yè)基礎(chǔ)課在GIS專業(yè)學(xué)生中講授。但在教學(xué)過程中仍然存在如下問題：使用計(jì)算機(jī)專業(yè)教材，這些教材忽視了GIS專業(yè)的特點(diǎn)，學(xué)生不易將圖形學(xué)與GIS專業(yè)知識聯(lián)系起來[1]；以教材為中心，側(cè)重理論學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)。使學(xué)生對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦、畏難的心理；反之，某些教師偏重關(guān)于圖形學(xué)的實(shí)際編程能力訓(xùn)練。會(huì)使該課程完全淪為程序設(shè)計(jì)課程，失去了圖形學(xué)課程設(shè)立的本意[2]。認(rèn)真研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)大綱及當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，結(jié)合GIS專業(yè)特點(diǎn)，開展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)模式改革，對提高教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生的綜合素質(zhì)具有十分重要的意義。

一、關(guān)于WebQuest

WebQuest是美國人伯尼·道奇（Bernie Dodge）等人于開發(fā)的一種課程計(jì)劃，是一個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的研究性活動(dòng)。“Web”是網(wǎng)絡(luò)，“Quest”是尋求、調(diào)查，可譯為“網(wǎng)絡(luò)主題探究”，是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的探究式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)。WebQuest學(xué)習(xí)過程一般分為五個(gè)模塊：（1）情境模塊：教師簡明介紹活動(dòng)背景；（2）任務(wù)模塊：確定切實(shí)可行和能引發(fā)學(xué)生興趣的目標(biāo)；（3）資源模塊：提供可能需要的信息，確定上網(wǎng)查找資源的定位點(diǎn)；（4）過程模塊：教師有一個(gè)預(yù)設(shè)步驟，步驟間既相互區(qū)別，又相互聯(lián)系；（5）評價(jià)模塊：每項(xiàng)WebQuest都要有一套客觀和公正的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對師生的教學(xué)活動(dòng)過程進(jìn)行評價(jià)[3-5]。

1.情景設(shè)計(jì)。情景設(shè)計(jì)是WebQuest中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。通過“問題”與“情景”的知識呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生對問題產(chǎn)生濃厚的興趣，吸引學(xué)生對枯燥的內(nèi)容進(jìn)行主動(dòng)探究。幫助學(xué)生將已有的知識和真實(shí)的情景關(guān)聯(lián)起來，促進(jìn)學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

2.任務(wù)設(shè)計(jì)。任務(wù)是課程教學(xué)目標(biāo)的具體表現(xiàn)。首先，交給學(xué)生的問題不能通過簡單的收集、整理信息就可以回答，應(yīng)該讓學(xué)生進(jìn)行一定的比較、判斷和綜合得到；應(yīng)注意將任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)有邏輯關(guān)聯(lián)、難度遞增的子任務(wù)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中能夠模擬前人的思維過程。

3.資源設(shè)計(jì)。資源是WebQuest最重要的組成部分，是學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。圍繞探究主題，教師對整理的資料進(jìn)行有效的歸類和篩選，為學(xué)生的資料查找提供引導(dǎo)。教師的資源應(yīng)以階梯狀形式提供，促使學(xué)生能在比較獨(dú)立的環(huán)境下能自行收集、分類、選擇、評價(jià)廣泛存在的信息或資源。

4.過程設(shè)計(jì)。過程設(shè)計(jì)是WebQuest教學(xué)中耗時(shí)最長的部分。在過程設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)制定學(xué)習(xí)步驟，讓學(xué)習(xí)者在完成任務(wù)過程中有清晰的思路。其中包括任務(wù)分塊策略、學(xué)習(xí)者扮演角色和看問題的視角描述等。過程設(shè)計(jì)的目的是對學(xué)生探究過程進(jìn)行引導(dǎo)和幫助，讓學(xué)生體驗(yàn)和經(jīng)歷掌握新知識必須經(jīng)歷的思維過程。

5.評價(jià)設(shè)計(jì)。WebQuest的評價(jià)通常采用量規(guī)表來考察學(xué)生表現(xiàn)。評價(jià)人員可以是自己、教師、家長及同學(xué)。評價(jià)內(nèi)容包括書面作業(yè)、作品等[6]。

二、WebQuest教學(xué)案例設(shè)計(jì)

根據(jù)WebQuest網(wǎng)絡(luò)探究式學(xué)習(xí)過程，以“種子填充算法”作為教學(xué)案例，設(shè)計(jì)如下復(fù)式網(wǎng)絡(luò)主題教學(xué)。

1.教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)。（1）認(rèn)知目標(biāo)：了解四鄰接點(diǎn)和四連通域概念；了解四鄰接點(diǎn)種子填充算法的基本原理、應(yīng)用；能獨(dú)立用高級語言描述種子填充算法。（2）能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的思考辨別能力；培養(yǎng)學(xué)生評價(jià)、篩選網(wǎng)絡(luò)信息的能力；培養(yǎng)學(xué)生利用高級語言編寫程序的能力

2.信息內(nèi)容及重點(diǎn)、難點(diǎn)分析。（1）信息內(nèi)容。種子填充算法是從區(qū)域內(nèi)任一個(gè)種子像素位置開始，由內(nèi)向外將填充色擴(kuò)散到整個(gè)多邊形區(qū)域的填充過程。從區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)出發(fā)，通過上、下、左、右四個(gè)方向到達(dá)區(qū)域內(nèi)的任意像素。用這種方法填充的區(qū)域就稱為四連通域；這種方式進(jìn)行填充的方法稱為四鄰接點(diǎn)種子填充算法。

算法原理為：先將種子像素入棧，種子像素為棧底像素，如果棧不為空，執(zhí)行如下3步操作：棧頂像素出棧；按填充顏色繪制出棧像素；按左、右、下、上順序搜索與出棧像素相鄰的四個(gè)像素，若該像素的顏色不是邊界色并且未置成填充色，則把該像素入棧；否則丟棄該像素[7]。（2）重點(diǎn)：四連通域的概念；四鄰接點(diǎn)種子填充算法的基本原理。（3）難點(diǎn)：四鄰接點(diǎn)種子填充算法的基本原理及高級語言實(shí)現(xiàn)。

3.教學(xué)對象分析：GIS專業(yè)學(xué)生基本是在大學(xué)二年二期或三年一期開始學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程，對面向?qū)ο缶幊踢€不夠熟悉，而當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材以基于C++為主。因此，教師有必要對涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識和面向?qū)ο笾R作一定的講解、復(fù)習(xí)。

4.教學(xué)策略及教法設(shè)計(jì)：本課采用自主學(xué)習(xí)、啟發(fā)引導(dǎo)的方法，讓學(xué)生先充分選擇相關(guān)信息閱讀，教師通過啟發(fā)引導(dǎo)激活學(xué)生思維，進(jìn)而通過共同探討，加深對問題的認(rèn)識，使學(xué)生產(chǎn)生親自實(shí)踐的沖動(dòng)，繼而完成本次學(xué)習(xí)任務(wù)。

5.教學(xué)媒體設(shè)計(jì)：本次教學(xué)采用的是接入INTERNET的計(jì)算機(jī)多媒體網(wǎng)絡(luò)教室，利用百度、google搜索網(wǎng)上的知識，讓學(xué)生獲取第一手資料。以突破難點(diǎn)。

6.教學(xué)過程設(shè)計(jì)：（1）問題式導(dǎo)入。創(chuàng)設(shè)情境，根據(jù)GIS專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，教師布置如下幾個(gè)問題：大家知道，GIS有地圖配色功能，不同區(qū)域，可以配置不同顏色。請大家以ArcGIS9.3為工具，實(shí)踐操作一下GIS的地圖配色功能；請大家思考一下用什么方法或算法可以實(shí)現(xiàn)這種區(qū)域顏色填充；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中講過“圖”，其中有關(guān)于圖的遍歷，是否可以利用圖的遍歷算法來實(shí)現(xiàn)區(qū)域填充呢？（2）瀏覽網(wǎng)頁或書本，分組討論交流。本次課主要講種子填充算法，在學(xué)習(xí)本次課之前，請同學(xué)們先解決上面三個(gè)問題。有任何不懂的、不會(huì)的地方，都可以上網(wǎng)查找或同學(xué)之間相互探討。上面三個(gè)問題都解決之后，請大家通過書本或網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)下面幾個(gè)概念：四鄰接點(diǎn)、四連通域、種子填充算法。（3）自由發(fā)言、導(dǎo)向動(dòng)手實(shí)踐，教師依次圍繞這三個(gè)問題，組織學(xué)生發(fā)表各自的見解。引起適當(dāng)爭論，教師做啟發(fā)銜接點(diǎn)評，最后宣布終止討論開始動(dòng)手實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生把爭而未果的強(qiáng)烈的表達(dá)欲望從嘴上轉(zhuǎn)移到手上。

7.布置實(shí)踐作業(yè)要求。題目設(shè)計(jì)：教師給定1～4個(gè)中間空白的四連通圖形，讓學(xué)生選擇其中一個(gè)圖形，用種子填充算法實(shí)現(xiàn)對空白區(qū)域的填充。描述語言可以是C、C++、C#、matlab中的任意一種。選做題：（課后完成）（1）了解八鄰接點(diǎn)、八連通域的概念。（2）給定2個(gè)中間空白的八連通圖形，讓學(xué)生選擇其中一個(gè)圖形，用種子填充算法實(shí)現(xiàn)對空白區(qū)域的填充。

8.成果發(fā)布與評價(jià)。鼓勵(lì)學(xué)生將完成的作業(yè)發(fā)布到論壇、qq空間、微信、微博等網(wǎng)絡(luò)平臺，供相互交流、學(xué)習(xí)模仿，并從中收獲信心與興趣。網(wǎng)絡(luò)評價(jià)的主體可以是教師，也可以是學(xué)生。不僅要評價(jià)最后的成果，還要評價(jià)其操作中的態(tài)度與投入程度，評價(jià)其獲取信息的能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)他人的作品，可以找出自己的不足；而通過別人對自己作品的回復(fù)，也能吸取他人合理的意見，取長補(bǔ)短，提高水準(zhǔn)。這種學(xué)生間在線即時(shí)評價(jià)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。在網(wǎng)絡(luò)評價(jià)中，教師起著關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。教師要善意對待學(xué)生間的評價(jià)，多肯定，保護(hù)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。最后，老師根據(jù)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)作業(yè)的過程和成果，綜合學(xué)生的意見，做出恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)。

三、結(jié)論

利用因特網(wǎng)，拓寬了師生的視野；加強(qiáng)了師生之間、學(xué)生之間的互動(dòng)交流，形成一個(gè)開放的、多視角的評論氛圍，使學(xué)生從中感受到平等和尊重，因而樂意去思考問題，動(dòng)手解決問題。WebQuest正是利用了因特網(wǎng)的這種優(yōu)勢。通過“種子填充算法”這個(gè)教學(xué)案例，利用WebQuest方式，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，啟發(fā)了學(xué)生的思維，誘發(fā)了他們的學(xué)習(xí)沖動(dòng)。由以前的“要我學(xué)”變成了“我要學(xué)”。實(shí)踐表明，在研究性學(xué)習(xí)中，學(xué)生應(yīng)用WebQuest探究式學(xué)習(xí)，能取得較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉娟，霍春玲，朱春曉.GIS專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2008，（29）：530-530.

[2]吳正升，郭健.GIS專業(yè)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程建設(shè)與教學(xué)改革[J].測繪與空間地理信息，2011，34（2）：10-12.