數字媒體專業《計算機圖形學》教學研究

何辰+孫垂蓮

摘要：《計算機圖形學》是數字媒體技術專業的一門理論基礎課。為了有效提高《計算機圖形學》的教學質量，本文在分析《計算機圖形學》的學科特點和當前教學現狀的基礎上，從教學內容、教學方法、實踐教學、考核方式等方面進行探討，提出了一些新的教學思路和方法。教學實踐表明，本文提出的方法對提高學生興趣和改善教學質量有明顯的促進作用。

關鍵詞：《計算機圖形學》；教學方法；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）30-0191-03

一、引言

《計算機圖形學》是數字媒體技術專業的一門理論基礎課，主要研究如何利用計算機來表示、生成、處理和顯示圖形的原理、方法和技術。目前，大多數高校計算機以及數字媒體等相關專業都會開設《計算機圖形學》課程。由于圖形學技術在計算機游戲、數字娛樂、平面設計、網頁設計等行業中的廣泛應用，學生在選擇這門課程時都抱有很大的興趣和期待。然而，《計算機圖形學》要求學生具有較好的數學基礎和較強的編程能力，所以隨著課程的深入，學生普遍感到學習比較吃力，達不到應有的教學效果。

本文在分析《計算機圖形學》的學科特點以及當前教學中存在問題的基礎上，從合理選擇教學內容、靈活運用多種教學方法和手段、注重實踐教學、重視過程考核等方面對《計算機圖形學》的教學思路進行了一些探討。

二、學科分析及教學現狀

1.《計算機圖形學》的學科特點。《計算機圖形學》是建立在圖論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，該學科涵蓋了計算機科學、數學、物理學等其他學科的相關知識，學科交叉繁雜，研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形軟件標準、圖形交互技術、基本圖形生成算法、建模、渲染、計算機動畫等。總體來說，《計算機圖形學》是一門以應用為背景，以數學為基礎，以算法為核心的強理論，重實踐的課程。同時，該課程又以C語言、數據結構等為先導課程，因此，要將這樣一門課的內容較好的傳授給數字媒體專業的學生，不是一件容易的事情，需要積極探討新的教學思路和教學方法。

2.教學中存在的主要問題。《計算機圖形學》內容豐富，理論性和實踐性都比較強，造成該課程講授起來比較枯燥；同時，由于數字媒體專業的學生數學基礎和編程基礎都不是太好，學生普遍感到對于圖形學的內容難以接受，學習的積極性和主動性都受到了影響，學習效果較差。在教學實踐中，筆者發現目前的圖形學教學普遍存在以下問題。

（1）理論性強，難度大，導致學生興趣減弱。《計算機圖形學》主要研究如何在二維的屏幕上顯示三維的圖形，其中涉及到三維形狀的建模，渲染以及動畫等。圖形渲染流水線的背后，要求學生具有較強的數學功底，特別是向量和矩陣的一些基礎知識，要熟練掌握。學生要能用向量的思想去解決圖形學中的一些基本問題。對于數學基礎較弱的數字媒體專業的學生，這種要求往往令他們產生畏懼心理，極大的影響了他們的學習興趣和信心。

（2）教學內容多，知識點分散。《計算機圖形學》學科交叉繁雜，內容豐富，不僅涉及圖形硬件、軟件和大量的實際算法，而且還與微電子學、計算幾何、圖論學等專業學科密切相關，并在發展過程中逐步與數字圖像處理、數字幾何處理、模式識別、人工智能、虛擬現實等相結合，這就要求授課教師要具有比較全面的知識結構，對于內容的講解有所側重，合理取舍，透徹了解各學科之間的關系。目前國內大部分圖形學教材都是從底層的圖形硬件設備開始講起，然后是基本圖形元素的生成算法，最后逐步過渡到光照模型和紋理映射等高層的真實感圖形渲染方法，這容易導致學生只掌握了分散的知識點，很難將各個知識點串連起來。另外，現在的圖形學教材一般都只局限于經典的圖形學算法原理，而對于學科前沿的研究動態少有涉及，這樣不利于開闊學生的視野，激發他們自主學習的興趣和意識。

（3）實驗課時少，學生缺乏實踐訓練。《計算機圖形學》是一門實踐性很強的學科，要求學生具有較強的編程能力和動手操作能力。上機實踐是鍛煉學生編程能力的主要手段，也是學好這門課的必要手段。沒有實驗課的訓練，學生很難真正理解圖形學中的算法原理。但是，由于總課時的壓縮，實驗課時很少，僅提供6次實驗機會，而且實驗基本上都是驗證性試驗，學生很難在實驗中獲得將來工作時需要掌握的編程知識，另外大部分學生本身的編程能力不強，上機興趣也不高，最終導致學生無法獲得充足的實踐鍛煉機會。

（4）考核形式單一，無法調動學生的學習主動性。目前《計算機圖形學》的考核形式主要還是通過卷面筆試的形式來進行。卷面筆試考核通常考察的是學生對知識點的記憶和理解能力，適用于基礎課教學，強調的是“記”和“背”。但是對于以實踐和應用為主的專業課程而言，它強調的是“做”和“用”，因此，要求學生死記硬背相關理論和算法，無疑是一種資源浪費，學生不能學以致用就等于白學。這種考核方法也無法調動學生平時的學習積極性，他們大都寄希望于最后幾周的突擊復習，考試完之后很快就忘記了，達不到課程教學的培養目標。

三、教學思路探討

1.結合應用上好第一節課。第一節課非常重要，因為上好第一節課就能夠激發學生的學習興趣，讓學生能夠自愿、自主的學習。在《計算機圖形學》的第一節課上，教師應該系統的給學生介紹圖形學的應用以及研究前沿，并讓學生了解圖形學內容的整體框架。

根據筆者的經驗，剛開始接觸圖形學時，很多學生都不知道學了這門課程可以做什么。因此，教師可以結合應用，給學生介紹一下圖形學有哪些應用領域。比如，數字媒體專業的學生一般都會學習三維建模軟件（3ds Max、Maya等），在這些軟件中，點幾下鼠標，就可以畫出直線、曲線等，教師可以告訴學生，在畫直線和曲線的過程中，軟件是在底層運行的，其實就是圖形學里面的一些基本圖形生成算法。學生了解了這門課的用處，才能真正的用心去學。

第一節課，還要讓學生對圖形學內容有一個整體的認知和把握，這樣有利于學生整體知識結構的建立。同樣的，還可以結合三維應用軟件3ds Max來做講解，這個軟件所實現的主要功能，也正是圖形學要研究的主要內容，即建模、渲染和動畫。當然，圖形學教學中主要涉及的是一些基本的內容，比如基本圖形元素生成算法、三維渲染流水線等，學生了解了圖形學的整體知識結構，以后再學習一些分散的知識點時，才不至于迷失了方向。

2.合理選擇教學內容。《計算機圖形學》內容豐富，發展迅速，新的應用領域也在不斷拓展。為了在有限的學時內，使學生既掌握了基礎知識，又能夠了解圖形學的研究進展，教學工作者要合理選擇教學內容，使學生專注于必要知識的學習，從而提高教學效率，保證教學質量。

考慮到學生的知識接受程度，我們選擇了以下教學內容：基本圖形元素生成算法、圖形變換、圖形裁剪、可見面檢測、真實感繪制、曲線曲面。其中基本圖形元素包括直線、圓、橢圓、填充區域以及字符等基本圖形。中間四部分內容其實是三維圖形渲染流水線的主要內容，這也是圖形學教學的一個重要目標，即讓學生知道三維的圖形是如何顯示在二維屏幕上的。曲線曲面部分我們以曲線為主，重點講解Bezier曲線的生成算法，曲面部分則只作簡要介紹。對于圖形學的研究進展，我們在課程內容結束后，以學術講座的形式安排一次課進行介紹，當然也會在適當的課程內容中穿插介紹一些研究熱點，比如真實感圖形顯示，虛擬現實等，這樣既可以拓寬學生的視野，又可以增加課堂的趣味性。

3.靈活運用各種教學方法。成功的教學，要求教師不僅要熟練掌握教學內容，更要靈活運用各種教學方法，引導學生由苦學變樂學，由學會變會學。教學模式要以能力培養為目標，由灌輸型向引導型和討論型轉變。

（1）啟發式教學：培養學生的思維能力比知識本身更重要，采用啟發式教學方法講解圖形學中的算法可以很好的鍛煉學生的思維能力。教師要把講授的重點放在算法的提出、發展和完善的過程上，而不是單純的簡單描述。比如在講直線生成算法時，可以先問學生，為什么要有直線生成算法？這是因為數學上的直線是連續的，而顯示器上卻只是一些離散的像素點，直線生成算法就是要在給定直線的起點和終點之后，找出最接近這條直線的一組像素點來近似表示這條直線。給學生一定的思考時間，并鼓勵學生一起去發現，去探索，這樣，枯燥的算法講解就變成了一個啟發式的研究過程，這種方法可以有效的鍛煉學生的思維能力，提高他們發現問題和解決問題的能力。

（2）可視化演示教學：圖形學中的很多算法理論性較強，數學模型也比較抽象，要清晰介紹其基本思想和原理，可以使用一些可視化的方法進行直觀的演示，這樣能夠加深學生對于算法的理解，并激發他們自己去實現這些算法的欲望。

（3）對分模式教學：對分課堂是張學新教授提出的一種新的課堂教學模式。其核心理念是分配一半時間給教師講授，另一半時間給學生討論，并留給學生內化吸收的過程。筆者在圖形學課程中嘗試過幾次當堂對分，取得了不錯的效果，有效提高了學生的學習自主性和積極性。

4.注重實踐環節。實踐教學是理論教學的深化和補充，是學好圖形學的重要保證，也是培養學生動手能力的主要手段。因此，教學過程中要加強實踐教學，將理論教學和實踐教學密切結合起來，這樣才能有效提高學生的編程能力和動手操作能力。

根據教學大綱要求和學生的實際情況，我們的實踐環節除了課程實驗，還有兩個小的課程項目。課程實驗使用OpenGL圖形庫來完成，當然有些實驗會對學生做一些限制，比如在實現畫線算法時，要求學生只能使用GL_POINTS模式。由于圖形學的課程實驗都已經是比較成熟的內容，在此主要介紹一下兩個小的課程項目，這兩個項目一個在期中提交，另一個在期末時提交。第一個項目是在學完基本圖形元素生成算法之后，讓學生實現一個簡單的交互繪圖系統，繪制直線、圓、橢圓等基本圖形元素，還可以選擇線型和線寬，用戶交互使用橡皮筋技術來實現。第二個項目要求學生用OpenGL實現一個簡單場景的漫游系統，在一個平面上放置幾個簡單的物體，比如球體、圓柱、圓錐等，構成一個簡單的場景。要求物體要有光照效果，另外要實現漫游功能，即通過鍵盤或者鼠標的控制，可以從任意角度觀察這個場景。對于這兩個項目，學生可以根據自身情況選擇獨立完成或者小組合作完成，每組不超過3人。實踐表明，通過這兩個課程項目的鍛煉，不但培養了學生的創新意識和動手能力，而且還培養了他們的團隊合作精神。

5.重視過程考核。重視教學的過程考核是保證教學質量的重要手段，把過程考核納入到最終的期末成績評定中可以更好的調動學生平時學習的積極性。在我們的考核方法中，學生平時的出勤情況占10%，兩個課程項目各占20%，期末成績占50%。對于兩個課程項目，我們會組織學生在班上進行演示并講解，演示時各組間可以討論交流，教師則根據學生的實現情況進行打分，并對學生不足的地方進行指導，這樣做不僅活躍了課堂氣氛，提高了學習興趣，還有效提高了學生平時學習的積極性和主動性。

四、結語

《計算機圖形學》是一門快速發展的交叉學科。通過該課程的學習，學生不僅要掌握圖形學的基礎理論，還要具備一定的圖形編程能力。本文針對圖形學的學科特點以及教學中存在的一些問題，從教學內容、教學方法、教學實踐、教學考核等方面提出了一些新的教學思路。在以后的工作中，教學工作者不僅要積極探討更有效的教學方法和教學手段，更要積極投入到圖形學相關的研究工作中，緊跟研究前沿，更好的培養學生的思維能力，激發學生的學習主動性和積極性。

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