基于翻轉課堂的計算機圖形學教學模式研究

高雪瑤，張春祥

（1． 哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2． 哈爾濱理工大學 軟件學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于翻轉課堂的計算機圖形學教學模式研究

高雪瑤1，張春祥2

（1． 哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2． 哈爾濱理工大學 軟件學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

分析計算機圖形學的教學特點和翻轉課堂的優勢，提出將翻轉課堂授課模式引入教學過程，結合教學視頻、講義PPT、相關輔助電子資料和實際項目案例，調動學生學習的主動性。在計算機圖形學理論教學和實驗教學中應用翻轉課堂的基礎上，總結該教學方法的優點并提出展望。

計算機圖形學；翻轉課堂；教學視頻；項目案例

0 引 言

翻轉課堂是一種新型的授課形式，這種授課方法以信息化載體為支撐，充分利用課堂時間，使學生由知識的被動接受者轉變為知識的主動獲取者，進而培養學生個性化學習、自主學習和合作學習的能力[1]。

計算機圖形學是利用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的科學，是計算機科學與技術學科中極其重要的一門課程[2]。在計算機專業方向中，計算機圖形學始終是一門核心課程，是圖形和圖像專業的主干課程，也是后繼課程的基礎[3]。目前，計算機專業的研究生和高年級本科生都要選修這門課程。在公司招聘、項目開發和科學研究中，計算機圖形學的相關知識都是必不可少的[4]。

該課程具有以下特點：

（1）學習計算機圖形學需要具備較好的數學基礎，所有圖形生成算法都是以數學模型為基礎的。為了掌握這些圖形生成算法，學生需要了解描述這一問題的原始數學公式，并掌握數學模型的推導過程。只有這樣，才能理解圖形生成算法的整個流程。

（2）在計算機圖形學的知識體系中，涉及大量的數學、硬件和軟件知識。其中，數學知識包括高等數學、圖論、幾何學、線性代數等;硬件知識包括微電子學、計算機組成原理等;軟件知識包括數據結構、程序設計算法、模式識別、圖像處理等。要想學好這門課程，必須掌握上述基礎理論。

（3）計算機圖形學是一門理論教學與實踐環節聯系緊密的課程。數學模型是圖形生成算法的核心，程序演示是圖形生成算法的表象，二者彼此依賴。只有弄清楚算法背后的數學模型，利用編程語言將算法變為可演示的程序呈獻給學生，才能充分調動其學習主動性。

傳統的教學方法以教師課堂講授為主，一次性將知識灌輸給學生，忽視直觀顯示的一面。在學習這門課程時，學生經常會感到困難和乏味。

1 翻轉課堂在計算機圖形學教學中的應用

在翻轉課堂的授課模式下，教師將計算機圖形學的教學視頻、講義PPT、習題以及與知識點相關的輔助電子資料上傳到教務空間上。課前，學生觀看教學視頻和講義PPT進行自主學習。在這一過程中，學生會將自己不理解的問題記錄下來，通過翻閱教師提供的相關資料逐一解答;學生也會標記自己無法解答的問題，帶著疑問走進課堂，更有針對性地聽課。課堂上，教師不再采用傳統的教學方法，而是將相關知識點按照難度進行分類。對于難度一般的概念性知識點，通過提問的方式讓學生講解;在講解之后，教師和學生共同討論，探討圖形生成的原理和本質，讓學生暢所欲言，發表各自的獨到見解，使大家共享知識獲取的樂趣。對于難度較高的知識點，采用啟發式講解方式，將關聯的基礎知識介紹給學生，構建一幅解決問題的知識結構圖，讓學生講解圖中的每一個知識點，與學生共同探討，尋找問題的答案。課后，讓學生上網做本節課的測試試題，鞏固所學的知識。教師通過批閱試卷，發現學生在學習過程中遇到的問題，在下一次授課時，將會有針對性地復習講解。

在這種授課模式下，學生自主安排學習內容[5]。計算機圖形學往往涉及高等數學、離散數學、算法數據結構等相關課程的知識點，在教材和講義PPT中，會引用和回顧這些知識點。對于基礎好的學生，可以簡略地瀏覽講義PPT和教學視頻，從而有更多的時間閱讀教師提供的輔助學習資料，獲取更多的知識。對于基礎不好的學生，通過多次觀看教學視頻和講義PPT，反復理解這些內容。課前，讓學生認真預習要講授的知識;課后，讓學生慢慢消化所學習的內容。此外，教師提供的輔助材料也會為解決疑難問題提供指導信息，教師提供的輔助學習資料應盡可能多，形成不同的難度層次，針對不同基礎的學生，設計不同的學習方案。對于基礎一般的學生，只要求掌握計算機圖形學的基本原理和基本圖形生成算法;對于基礎較好的學生，應該能夠靈活地應用基本圖形生成算法開發復雜幾何圖形的繪制程序。

各種圖形生成算法之間存在著相似性，例如直線段掃描轉換算法、圓弧掃描轉換算法和多邊形掃描轉換算法，可采用類比教學方法講解這些圖形掃描轉換算法。對于最簡單的直線段掃描轉換算法，可以進行詳細地講解，讓學生掌握具體算法流程。在講解其他掃描轉換算法時，重點闡述基本原理，通過類比讓學生講解算法的細節，使學生積極參與授課環節。

2 翻轉課堂在計算機圖形學上機實踐中的應用

翻轉課堂教學方法非常注重項目實踐環節，而計算機圖形學是一門非常注重動手能力的課程。在給出目標圖形的形狀描述后，要求學生能夠編寫出顯示該圖形的算法程序。通常，復雜的圖形由若干個簡單的圖形組成，而這些簡單的圖形生成算法都是課堂上講過的。很多圖形的形狀不同，但其生成顯示的原理是一致的，可以類比典型的圖形生成算法來實現。因此，應該注重典型圖形生成算法的上機實踐。在上機實踐環節中，給學生布置簡單的圖形繪制算法，讓學生編程實現該算法，通過運行程序在屏幕上繪制圖形，使學生能夠直觀地掌握該算法。實踐表明，這種教學方法可以提高學生學習的主動性，學生對計算機圖形學相關知識點掌握得更加牢靠，理解得更加深人，在使用這些知識編寫圖形生成程序時，表現得更加嫻熟和靈活。

在掌握簡單典型圖形生成算法的基礎上，需要培養學生的綜合應用能力。在上機實踐課上，教師與學生共同討論復雜圖形的特點。通過類比的手段，啟發學生分解復雜圖形生成的過程，讓學生提出各自的圖形生成方案。圖形的生成方案有多種，教師要剖析每一種分解方法的優缺點，選擇一種較優的方法，傾聽學生解決問題的思路，對其中的問題一一進行點評，糾正其中的錯誤。通過這種方式，讓學生掌握編寫圖形生成算法的思路，并針對實際給定的問題，學會利用已有的案例，結合圖形的具體特點設計圖形生成算法。在計算機圖形學中，錯誤分析是一種有效的學習方法，激烈的討論可以使學生對所學的知識印象更深，也可以使學生掌握設計圖形生成算法的技巧。在這一過程中，學生編程實現自己的圖形生成程序，在編譯執行之后，屏幕上將呈現出錯誤的圖形形狀。教師結合錯誤的圖形，剖析其中的問題，使用更直觀的方法教育學生。實踐結果表明，這種錯誤分析方法是十分有效的。

案例教學能夠激發學習興趣，使學生主動探究問題產生的原因[6]。在翻轉課堂教學過程中，將實際項目引人課堂，讓學生參與項目的開發過程，可以使學生對圖形算法有一個更加深刻的理解。在系統中，往往存在著多個繪圖功能模塊，在設計出系統的框架結構和實現部分繪圖功能模塊之后，可以將功能簡單和具有類似流程的模塊作為題目分發給學生。全班學生按照任務劃分，形成若干組，每一組負責開發實現一個繪圖功能模塊。在分配任務之前，教師已經實現了部分典型的功能模塊;在分配任務的時候，將具體的任務和這些已實現的功能模塊代碼一起分發給學生。學生通過剖析這些模塊的實現代碼，找出與要實現任務之間的相關性，借鑒這些模塊的設計方案和代碼，研究探討如何實現新任務。教學實踐表明，這種項目驅動的實踐方法可以最大限度地調動學生學習的主動性。分析模塊實現方案和代碼，是一種非常好的學習程序設計和編碼的手段。通過研究教師給出的案例和項目整體框架，學生可以了解大型程序是如何開發出來的。學生可能沒有時間和精力親自完成每一項任務的開發工作，但是，應該向他們介紹項目的每一個環節是如何實現的。通過動手設計與開發某個固定模塊，學生可以學習和了解整個項目的設計開發工作，能對實際項目開發流程有一個深刻的認識。基于翻轉課堂的計算機圖形學上機實踐如圖1所示。

圖1 基于翻轉課堂的計算機圖形學上機實踐

3 基于翻轉課堂的計算機圖形學教學方法的優點

在計算機圖形學授課過程中，采用翻轉課堂的教學模式可以提高學生的學習效率，使課堂更具創造性。在課堂上，教師的地位已發生變化，不再是授課過程的主角，而作為學習主體的學生發揮著越來越重要的作用。具體表現為以下3個方面：

（1）有利于個性化教學。在計算機圖形學課程中，涉及很多數學和計算機相關課程的基礎知識。根據自己掌握知識的程度，學生可以自主安排課前自學的內容。對于掌握得不好的學生，需要查閱資料弄懂相關知識;對于掌握得較好的學生，可以直接進人新知識的學習。

（2）在授課過程中，可以采用靈活多樣的教學形式。通過提問了解學生課前學習的情況，讓學生講解基本概念和基本原理，教師對學生講解的內容進行補充、解釋和點評，其余學生通過這一過程獲取知識。對于重要的知識點，教師可以采用講授的方式，在整個教學過程中，教師使用啟發式授課方法增加學生的學習興趣。

（3）在整個教學過程中，學生是知識傳播的主體。學生作為主體，能夠充分調動其學習主動性。在學習過程中，教師讓學生自己發現知識的薄弱點，培養其發現問題、探索問題和解決問題的能力。

4 結 語

翻轉課堂教學模式為計算機圖形學教學提供了一種新的思路。計算機圖形學結合翻轉課堂教學模式注重學生自主學習能力的提升，使用案例教學方法提高學生的自主學習興趣，讓學生參加實際的圖形學項目開發，讓他們理解、應用學到的知識，達到熟練掌握知識的目的。基于翻轉課堂的計算機圖形學教學是對傳統教學模式的顛覆，整合了線上線下教學資源，是多媒體教學手段、教學理念和培養途徑創新改革的一種升華。

[1] 袁友偉, 仇建, 張雪峰. 數字電路的翻轉課堂教學[J]. 計算機教育, 2016(7): 40-44.

[2] 徐文鵬, 王玉琨, 劉永和. 計算機圖形學基礎(OpenGL版)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2014.

[3] 宋春霖, 楊金龍, 袁運浩. 計算機圖形學教學改革與探討[J].教育教學論壇, 2015(49): 152-153.

[4] 梁芳, 沈濟南, 胡俊鵬. 信息與計算科學專業計算機圖形學課程教學改革實踐[J]. 教育教學論壇, 2015(46): 114-115.

[5] 王佳文, 柴冬梅. 翻轉課堂教學模式在高職數學教學中的實踐研究[J]. 教育教學論壇, 2015(50): 125-126.

[6] 張淑琴, 馬英忱, 閆石. 材料力學課程案例教學的研究[J].大學教育, 2015(12): 159-160.

（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)01-0113-04

G642

國家自然科學基金項目(61502124)；黑龍江省自然科學基金項目(F201420)；哈爾濱理工大學教育教學研究項目(320150039)。

高雪瑤，女，副教授，研究方向為圖形學與CAD，xueyao_gao@163．com。