計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革與探討

宋春霖 楊金龍 袁運浩

摘要：計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛，已成為計算機(jī)科學(xué)中最為活躍的分支之一。但如何更好地指導(dǎo)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高教學(xué)效率仍是一個值得探討的課題。本文對計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行分析，提出以學(xué)生為主體，以實踐為主導(dǎo)，拓寬思維，加強案例教學(xué)，科學(xué)考試模式及評價等幾個方面展開討論，為下一步提高新時期計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)效果奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)改革；案例教學(xué)；拓寬思維

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）49-0152-02

一、引言

計算機(jī)圖形學(xué)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡單地說，計算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容是如何在計算機(jī)中表示圖形，以及利用計算機(jī)進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示相關(guān)原理與算法。計算機(jī)圖形學(xué)虛擬了真實的現(xiàn)實環(huán)境，生成視覺感強的真實感圖形。

計算機(jī)圖形學(xué)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門必修課程，該課程主要介紹了計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、構(gòu)成不同圖形所需要的元素、生成圖形的算法等，其研究內(nèi)容也極其廣泛，如虛擬場景模擬，動態(tài)仿真等，該課程可以讓學(xué)生加深對計算機(jī)的理解，同時又可以提高學(xué)生解決實際問題的能力。然而，計算機(jī)圖形學(xué)強調(diào)學(xué)生需要具備較強的數(shù)學(xué)功底以及較好的編程能力，所以，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感到枯燥無味，無法吸收，難以達(dá)到應(yīng)有效果。本文分析了計算機(jī)圖形學(xué)的課程特點及教學(xué)中存在的問題，提出解決問題的個人見解，適時引入OpenGL3D實驗平臺，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，對晦澀的理論知識有了感官上的理解和認(rèn)識，降低了教學(xué)難度。

目前，計算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)存在以下幾個問題。從課程理論內(nèi)容來看，計算機(jī)圖形學(xué)的理論晦澀難懂，計算機(jī)圖形學(xué)是建立在圖論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門新興學(xué)科。涉及計算幾何、圖像處理、模式識別等多個學(xué)科的相關(guān)知識。學(xué)科交叉繁雜，使該學(xué)科成為一門以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)、算法為主線的強理論、重實踐的課程。因此學(xué)生體會到學(xué)習(xí)理論知識抽象。計算機(jī)實現(xiàn)算法難度較大。故而漸漸地失去了學(xué)習(xí)的興趣。

從實際應(yīng)用角度來說，計算機(jī)圖形學(xué)快速發(fā)展，越來越多的開源圖形學(xué)項目被廣泛應(yīng)用到我們的生活中，其中，比較著名的有OpenGL，Direct3D，Unity3D等，這些軟件不僅僅集成了圖形學(xué)的原理及數(shù)學(xué)公式，同時具有良好的視覺效果。然而，在高校的實驗環(huán)境中，C/C++作為編程工具，沿用至今，使得學(xué)生實現(xiàn)起來難度太大，特別是繪制模型的實現(xiàn)。

從學(xué)生的角度來說，對于面向以程序員為職業(yè)的同學(xué)，復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)屬于畫蛇添足。既浪費了學(xué)生學(xué)習(xí)的時間，也浪費了學(xué)生學(xué)習(xí)的精力。對于面向以考研的同學(xué)來說，這部分內(nèi)容缺乏新意，只涉及到簡單的2D圖形的變換，建模，沒有深層次的研發(fā)設(shè)計，難以給學(xué)生以啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生迸發(fā)智慧火光。

從課程實驗內(nèi)容來看，實驗部分偏少。并且大部分都是驗證性實驗，沒有創(chuàng)新性，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。計算機(jī)圖形學(xué)需要需要大量實踐的內(nèi)容，不斷的實踐才能讓學(xué)生真正理解計算機(jī)圖形學(xué)的精髓。否則，就無法體驗到計算機(jī)圖形學(xué)帶給他們的神奇，更無法激起學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，更不用說學(xué)習(xí)的目標(biāo)性。依葫蘆畫瓢成為了學(xué)生上實驗課程的通病，沒有實際價值，對于沒有充分實驗的學(xué)生們來說，沒有得到有價值的鍛煉，收益頗淺。

從課程教學(xué)時間來看，這門課程被安排在了大四上學(xué)期。這一學(xué)期是大學(xué)生最為忙碌的一段時間。一部分學(xué)生為考研究生而努力，一部分學(xué)生為出國留學(xué)在艱苦奮斗，還有一部分學(xué)生為實習(xí)找工作而焦頭爛額，真正一心一意、認(rèn)認(rèn)真真來上課的學(xué)生鳳毛麟角。掙得學(xué)分、順利畢業(yè)成為了學(xué)生來上這門課程的主要動機(jī)。學(xué)生自主學(xué)習(xí)的態(tài)度不端正，學(xué)習(xí)的目標(biāo)性不明確，動力自然不足，學(xué)習(xí)效果可想而知。

針對上述問題，文章將從自身課堂教學(xué)實踐出發(fā)，探討如何有效指導(dǎo)教學(xué)，以提高學(xué)生對計算機(jī)圖形學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，更好明確學(xué)生學(xué)習(xí)方向和目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革模式

（一）精簡理論內(nèi)容，增加實踐機(jī)會

理論是實踐的基礎(chǔ)，任何一件事情總必先有理論，后有實踐，缺乏理論，實踐就像是失去控制的方向盤；缺乏實踐，一切都將只是紙上談兵。計算機(jī)圖形學(xué)，是一門實踐重于理論的學(xué)科。換句話說，以學(xué)生熟練使用為目的，以能將理論應(yīng)用于實踐為行動方針，簡單闡述復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，圖形學(xué)原理，將更多的時間花費在軟件的編程，效果圖的呈現(xiàn)上?，F(xiàn)有計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，這僅適合于“面向理論”的教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，而有悖于新時期的人才培養(yǎng)目標(biāo)與趨勢。因此，在教學(xué)內(nèi)容上，主要需要從圖形學(xué)的使用者角度來講解計算機(jī)圖形學(xué)的必備理論與概念，摒棄不必要的數(shù)學(xué)知識與公式推導(dǎo)，不追求“羅列式的全面”，而追求“使用型的精煉”。

（二）拓寬思維，合理分配實驗環(huán)節(jié)

實驗是增強學(xué)生動手操作能力的重要途徑。現(xiàn)階段的教學(xué)實驗以驗證性實驗為主，枯燥無味，打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)這一門課程的積極性。因此，因材施教，在增加實驗課程學(xué)時的同時，將實驗課程分為課程驗證實驗，課程設(shè)計實驗以及課程創(chuàng)新實驗。這對教師備課有了更高的要求。驗證性的實驗只需要照本宣科，但是課程設(shè)計實驗以及課程創(chuàng)新實驗需要老師非常熟悉計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展前沿，啟發(fā)學(xué)生獲得他們的課程題目，從而有目的地進(jìn)行實驗，學(xué)習(xí)更加自主，學(xué)習(xí)效果更好。實驗內(nèi)容以培養(yǎng)學(xué)生圖形學(xué)算法的設(shè)計能力、圖形軟件的開發(fā)能力為原則，合理分配實驗環(huán)節(jié)。在實驗環(huán)境上，采用國際流行的開源平臺，幫助學(xué)生跟深入理解圖形學(xué)。

（三）啟發(fā)教學(xué)，思路新穎

大學(xué)是學(xué)生的舞臺，在這里教師做引路人，培養(yǎng)他們創(chuàng)新思維能力，學(xué)生做舞臺上的表演者，展現(xiàn)他們的個性，留下精彩。以建構(gòu)主義為指導(dǎo)思想，提倡將問題還給學(xué)生，讓他們經(jīng)歷完整的問題探究—分析—解決過程，并在此過程中建構(gòu)知識，培養(yǎng)能力。計算機(jī)圖形學(xué)需要學(xué)生在了解掌握其基本思想理念之后，結(jié)合自己的想法，找到學(xué)習(xí)這門課程的興趣與運用這門課程的竅門。使用啟發(fā)式的教學(xué)模式能夠讓學(xué)生腦洞打開，從不同的角度去詮釋計算機(jī)圖形學(xué)，更好地掌握計算機(jī)圖形學(xué)的精髓。教師本身有自己的研究領(lǐng)域，將其應(yīng)用于教學(xué)固然很好，但是，這一研究領(lǐng)域需要突破，采用頭腦風(fēng)暴式的形式既有利于拓寬計算機(jī)圖形學(xué)的研究范圍，找到新的思路，也可以引領(lǐng)新一代大學(xué)生帶著滿腔熱血走向科學(xué)研究之路，為國家新興產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

（四）案例教學(xué)，學(xué)以致用

學(xué)習(xí)是為了更好地服務(wù)社會，服務(wù)國家。僅僅知道計算機(jī)圖形學(xué)原理，僅僅學(xué)會公式的推導(dǎo)，僅僅能夠做一些簡單的驗證性實驗，離國家旨在培養(yǎng)高水平人才的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。目前，我們需要培養(yǎng)的是學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)用于實際，解決實際問題，創(chuàng)造性地生產(chǎn)出有利于人民生產(chǎn)生活的產(chǎn)品或服務(wù)。案例教學(xué)，將計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域最新的研究成果和最先進(jìn)的研究思維注入教學(xué)過程中，結(jié)合OpenGL，用實際案例熏陶學(xué)生，學(xué)習(xí)已有先進(jìn)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生對于科學(xué)研究的熱情，自主學(xué)習(xí)，主動探索，充分調(diào)動數(shù)以億計的腦細(xì)胞，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，能再創(chuàng)奇跡。計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)核心應(yīng)該是重視基礎(chǔ)，增強應(yīng)用，聯(lián)系實際。步步遞升，一切為科學(xué)技術(shù)發(fā)展。

（五）調(diào)整學(xué)習(xí)時間，避開忙碌學(xué)期

計算機(jī)圖形學(xué)是一門實用性非常強的學(xué)科，需要學(xué)生集中精力與時間來學(xué)習(xí)。大四的上學(xué)期是學(xué)生四年以來最為忙碌的一個學(xué)期，各種想法在此時都會在頭腦中閃現(xiàn)。集中精力學(xué)習(xí)一門新的課程成為了一件奢侈品。相反，大三的上學(xué)期，正是學(xué)生們找到自己的未來方向，各門基礎(chǔ)課程都已學(xué)習(xí)完畢的時候，此時，學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)是最佳時期，計算機(jī)圖形學(xué)說需要的輔助學(xué)科不需要重新鞏固，省時，省力；學(xué)生此時也正逢一門心思的學(xué)習(xí)，正是培養(yǎng)學(xué)習(xí)方向的時候。學(xué)好計算機(jī)圖形學(xué)對學(xué)生將來的就業(yè)也是不小的幫助。

（六）靈活考試模式，科學(xué)考試評價標(biāo)準(zhǔn)

目前，計算機(jī)圖形學(xué)的考試模式仍然采用閉卷考試的形式。這一形式束縛了學(xué)生學(xué)習(xí)這一門課程的學(xué)習(xí)空間，只能考核學(xué)生的記憶能力和簡單的推理能力。容易導(dǎo)致學(xué)生一味追求考前突擊，臨時抱佛腳，而不注重平時知識的積累和實質(zhì)性掌握。導(dǎo)致學(xué)生知識結(jié)構(gòu)不成體系，難以應(yīng)用。如果以創(chuàng)新課程設(shè)計取代傳統(tǒng)的考試，要求學(xué)生利用整個學(xué)習(xí)時間，完成一創(chuàng)新課程設(shè)計，學(xué)習(xí)效果必將會事半功倍。無可厚非的是，創(chuàng)新設(shè)計的考題需要教師在教學(xué)過程中充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，不然，考試答案必將以雷同的形式收場，達(dá)不到最初設(shè)定這種考試形式的初衷。另外，創(chuàng)新課程設(shè)計沒有標(biāo)準(zhǔn)的考試答案，只需要有創(chuàng)新點，以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，鼓勵創(chuàng)新，鼓勵思維的擴(kuò)散。

三、結(jié)論

計算機(jī)圖形學(xué)是一門發(fā)展速度很快的交叉性學(xué)科。文章針對目前計算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過程中存在的一些問題，分別從教學(xué)內(nèi)容體系完善方面，案例設(shè)計方面，時間調(diào)整，考試模式方面做了初步研究，結(jié)合自身教學(xué)實踐，給出了簡單建議。目前，國內(nèi)關(guān)于計算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)模式還存在許多不足，還需要相關(guān)的研究人員做進(jìn)一步的研究。

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