項目驅動模式下《計算機圖形學》課程實踐教學改革研究與實踐

孫陽光

（中南民族大學計算機科學學院，武漢430074）

項目驅動模式下《計算機圖形學》課程實踐教學改革研究與實踐

孫陽光

（中南民族大學計算機科學學院，武漢430074）

針對《計算機圖形學》課程教學的特點及問題分析，設計基于項目驅動模式的四大核心教學模塊，構建項目案例分析、典型項目重建和自主性項目訓練的層次化項目實踐教學框架模式，進行教學內容設置，并給出相應的課程實踐教學體系。該教學模式注重學生的參與性與實踐性，逐步培養學生的學習主動性，也有利于教師及時發現教學過程中學生的困難和問題，實現教和學的相互促進。

項目驅動；計算機圖形學；實踐教學；教學改革

中南民族大學教研項目（No.JYX14023）

0　引言

1　課程教學的特點及問題分析

《計算機圖形學》是計算機相關學科和實現計算機可視化的重要研究內容之一，它借助數字化手段將數據轉換為圖形，研究在計算機環境下景物的幾何建模方法、模型的處理方法、模型的繪制技術、圖形輸入和控制的人機交互界面等內容［4］。與其他計算機專業課程相比，該課程教學具有以下幾個顯著特點［5-6］：一是理論要求高，知識范圍廣，該課程相關知識點多具有大量的方法、技術或算法，新技術和新方法又不斷涌現，且增強圖形真實感也需涉及物理等學科，所以課程對教學有著較高的理論基礎和知識范圍；二是實踐能力強，編程要求高，為了能夠更好地理解和掌握算法，需要能夠對其進行編程實現，這使得相關編程語言和數據結構知識的講解也要在課程的教學過程中有著較高的要求。三是技術發展快、學科交叉多，隨著軟硬件技術的快速發展，相關的新技術和新方法不斷涌現，尤其是應用領域不斷拓展，這就要求課程的教學過程中要緊跟其學科的發展，把最新的成果融入到教學過程中，進一步增強學生的興趣和課程實用性。

在《計算機圖形學》的傳統教學方法中，通過大量教學觀察發現，學生學習困難，教學效果不夠理想，其教學問題主要體現在以下幾個方面：一是該課程對理論基礎要求高，知識點具有多和分散特點，且不易掌握，尤其是需要一定的數學基礎和相關學科的基礎知識；二是對于圖形的各種生成算法、處理技術以及顯示過程，要求學生有較強的空間想象力，算法基礎和推導能力，以及軟硬件接口的基礎知識；三是該課程具有較強的實踐性，要求學生具有較強的動手操作能力和編程實現能力。因此，在教學上，增強理論與實踐教學的互動性，已成為學生掌握這門課程的關鍵。通過了解課程的教學特點，并對相關問題進行分析，這可幫助我們更好地制定教學計劃、改善教學效果。

2　課程實踐教學探索與實踐

針對計算機圖形學發展快，實踐性強，學科交叉內容多和課程教學的特點，結合課程教學過程中的問題分析，我們將在課堂理論教學的過程中引入項目實踐教學，可提高學生的學習興趣，增加學生學習的主動性。同時，在項目驅動的模式下有利于教師及時發現教學薄弱環節，有效地促進教學方式和方法的改進，從而進一步提高教學質量。

2.1課程實踐教學模式

基于項目驅動的模式，本文設計了相應的《計算機圖形學》課程實踐教學模式，該教學模式由基礎理論教學、項目案例分析、典型項目重建和自主性項目訓練這四大核心教學模塊組成。通過設計和運用這四個核心模塊，構建了項目案例分析、典型項目重建和自主性項目訓練的層次化項目實踐教學框架模式，引導學生學習的主動性，促進學生在學習過程中將基礎理論知識與實踐應用的有效結合，加深對課堂知識的理解和掌握，給出了相應的《計算機圖形學》課程實踐教學系統。這里，該教學模式中所設計的四大核心模塊內容具體如下：

（1）第一個模塊是基礎理論教學，該模塊以《計算機圖形學》課程的教學內容為中心，分析實踐教學過程中，課程設置的重點和難點，并充分考慮實踐教學環節的目標和特點，設計逐步提高的實踐教學內容；

（2）第二個模塊是項目案例分析，該模塊以實踐教學內容為基礎，按照核心概念的基本原理和基本方法，給出對應的課程教學案例及其綜合性的教學內容，加深學生對相應概念的知識點的理解和掌握；

（6）優先選用先進的環保機械。采取設立隔音墻、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允許值以下，同時盡可能避免夜間施工。

（3）第三個模塊是典型項目重建，該模塊將典型項目融入到實驗實踐中，設計相應的教學實驗系統，形成具有目標導向的具體項目實驗任務，將課堂知識與具體項目實踐相結合，從而引導學生進一步增強對課程知識點的熟練和運用；

（4）第四個模塊是自主性項目訓練，該模塊設計部分綜合性和自主性較強的實驗教學內容，讓學生依據所掌握的課程知識進行自主性項目訓練，使學生在課堂學習過程中開展創新訓練，從而實現讓項目帶動專業課程學習，讓專業課程學習融入到實際項目中的相互促進。

對于本科生的課程教學，我們設立的課程教學目標是通過本課程的教學，使學生熟悉計算機圖形學基本知識和基本理論的主要內容，掌握計算機圖形學中基本的二維和三維圖形的計算機繪制方法，理解光柵圖形生成基本算法、幾何造型技術、真實感圖形生成、圖形標準與圖形變換等基礎概念和知識，培養學生具有一定的運用所學知識進行圖形程序設計的能力，為圖形算法的設計、圖形軟件的開發打下基礎。

基于所設立的教學目標和所設計的四個核心教學模塊，本文給出了相應的項目驅動模式下的《計算機圖形學》課程實踐教學系統。該教學系統由課堂理論教學和實驗實踐教學兩大部分組成，其中課堂理論教學包含基礎理論教學模塊和項目案例分析模塊；實驗實踐教學包含典型項目重建模塊和自主性項目訓練模塊。這里，項目案例分析模塊、典型項目重建模塊和自主性項目訓練模塊這三個模塊組成項目實踐教學（該實踐教學系統的結構框圖如圖1所示）。

圖1　課程實踐教學結構框圖

2.2課程實踐教學實踐實施

本文以48學時的本科課堂教學為例，給出所構建的課程實踐教學改革的具體實踐實施。這里，我們將課程分為32學時的課堂理論教學和16學時的實驗實踐教學，其中，基礎理論教學模塊28學時、項目案例分析模塊4學時、典型項目重建模塊8學時和自主性項目訓練模塊8學時。可以看出，項目實踐教學達到了20學時，這將更好的促進了課堂教學和應用實踐之間的轉化，激發學生學習興趣和自主性，提高學生綜合應用能力。下面給出了課程實踐教學體系中教學內容及學時分配的相應具體規劃：

（一）課堂理論教學（32學時），包括基礎理論教學（28學時）和項目案例分析（4學時）

（1）概述（1學時），講述計算機圖形學的概念、研究內容、發展歷史、與其他專業課程的聯系、相關應用領域及其前景趨勢。

（2）計算機圖形系統及硬件基礎（2學時），講述計算機圖形系統的構成、計算機圖形系統硬件設備和圖形標準，尤其是圖形的顯示、繪制和輸入設備。

（3）基本光柵圖形算法（6學時），講述直線、圓和多邊形的掃描轉換、區域填充、字符的生成和光柵圖形的反走樣算法。教學重點是基本光柵圖形如直線、圓、橢圓和多邊形等圖形的常用生成算法，以及圖形區域填充等基本生成方法。

（4）變換和裁剪（5學時），講述變換的數學基礎、圖形顯示中的基本概念、幾何變換和裁剪。教學重點是二維、三維圖形幾何變換和二維圖形的裁剪方法。

（5）三維空間的觀察（4學時），講述投影基本概念、視見體到規范視見體的變換、用三維規范體裁剪、窗口到視口的變換、連續變換的處理和Java3D圖形變換。教學重點是投影的基本概念、基本原理以及相應的變換。

（6）人機交互繪圖技術（4學時），講述基本交互任務、常見輔助交互技術、人機交互輸入模式、人機交互新技術、人機交互的發展趨勢。教學重點是交互式繪圖概念、基本模式、技術和交互式繪圖系統的發展趨勢。

（7）可見面的判定（4學時），講述可見面判斷的有效技術、區域細分算法、八叉樹算法、z緩沖器算法和掃描線算法、深度排序算法和光線投射算法。教學重點是可見面的基本概念和典型的判定方法。

（8）顏色和簡單光照明模型（3學時），講述顏色基本概念、簡單光照明模型、光滑明暗處理技術和Java3D環境下的光照明模型。教學重點是顏色和光照明的基本模型，以及兩種典型的明暗處理技術。

（9）曲線曲面的表示（3學時），講述曲線曲面的基礎知識、Bézier曲線、雙三次Bézier曲面、B樣條曲線曲面和Coons曲面。教學重點是Bézier曲線曲面的基本模型和生成。

（二）實驗實踐教學（16學時），包括典型項目重建（8學時）和自主性項目訓練（8學時）

（1）典型項目重建（8學時），以項目具體實驗任務為實驗目標導向，設計4個以典型項目為實驗背景的教學實驗系統，包含直線和圓的掃描轉換、多邊形的剪裁、交互技術應用以及簡單自然場景的仿真等重要知識點，這里學生每次實驗課2學時完成一個具體的實驗項目。通過完成這些典型項目的重建，學生們經歷分析、設計、開發、測試、總結和驗收等項目實踐開發的各階段，有助于鞏固和實踐計算機圖形學課程中的理論和算法，學習和熟練表現計算機圖形學算法的實現技術。

（2）自主性項目訓練（8學時），以計算機圖形學算法為目標，設計并實現一個能夠表現計算機圖形學算法原理的或完整過程的演示系統，要求界面美觀大方，所設計項目具有創新性，并能清楚地演示系統執行的每一個步驟。該項目訓練以小組為單位開展和驗收，所設計實驗內容需整合到一個框架下，并形成完整的項目完成報告，包含項目需求分析、項目實驗原理、具體實現步驟、系統實現展示和項目總結分析。通過自主性項目訓練的創新實踐，培養學生積極主動學習和勇于探索的精神，樹立正確的科學研究習慣，以及獨立發現問題、分析問題、解決問題，并確定解決方案的綜合能力。

3　結語

本文利用項目驅動模式在課堂理論教學過程中引入實踐項目教學，不僅能夠引導學生學習的主動性，進一步加強實踐操作能力，還能夠使學生更好地了解學科最新發展動態，激發學生的創新思想，培養學生的創新能力。在項目的實施過程中，學生可在團隊協作中不斷學習進步，改變了單純依靠教師課堂說教的傳統教學模式，尤其在講解課程核心內容的同時，注重了學生的實際動手能力，使學生更好地掌握課程的基礎理論，從而進一步提高教學質量，提升學生的知識運用及創新能力。

［1］教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會.高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［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］李紅，吳粉俠，張琳娜.計算機圖形學教學改革研究［J］.現代計算機（專業版），2015，29：66-68.

［4］張彩明.計算機圖形學簡明教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］劉肖琳，尚洋，趙冬明.計算機圖形學課程的精講多練教學法［J］.計算機教育，2016，1：146-148.

［6］莊建東，曾勇進.《計算機圖形學》課程實踐教學探討［J］.集美大學學報（教育科學版），2013，3：125-127.

Project-Driven；Computer Graphics；Practice Teaching；Teaching Reformation

Research and Implement of Practice Teaching Reformation of Computer Graphics Based on Project-Driven Mode

SUN Yang-guang
（College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074）

According to the characteristics and problem analysis of the course teaching about Computer Graphics，presents the corresponding practice teaching system and the teaching content by designing the four core modules based on project-driven mode，and constructing the practice teaching framework mode include the project case analysis，the typical project reconstruction and the independent project training.The proposed teaching mode emphasizes students'participation and practice，cultivates gradually learning initiative，and is helpful for teachers to find out the difficulties and problems in teaching，so it realizes the mutual promotion of teaching and learning.

1007-1423（2016）28-0011-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.003

孫陽光（1978-），男，河南許昌人，博士，副教授，研究方向圖形圖像處理、計算機視覺

2016-08-18

2016-09-30