基于多層次案例引導(dǎo)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)方法

胡建平+謝琪

【摘 要】論文介紹了一種以多層次案例為引導(dǎo)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的教學(xué)方法，方法通過(guò)驗(yàn)證性案例講解理論、算法和技巧，再通過(guò)綜合性案例進(jìn)行強(qiáng)化和擴(kuò)展，最后通過(guò)設(shè)計(jì)性案例進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新。通過(guò)在東北電力大學(xué)理學(xué)院“信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)”的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的教學(xué)過(guò)程可以看出，該方法取得了較好的效果。

【Abstract】This paper introduces a method of teaching based on the guidance of multi-level case for "Computer Graphics”. The method explains the theory， algorithm and skills through the validation case， and then strengthens and expands them through a comprehensive case， finally， practices and innovates itself through the design case. Through the teaching process in "Computer Graphics" class of Information and Computing Science Department in Science College of Northeast Electric Power University， we can see that this method has achieved good results.

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；課程教學(xué)；多層次案例引導(dǎo)

【Keywords】 computer graphics； course teaching； guidance of multi-level cases

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）09-0082-02

1 引言

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的生成、處理和顯示的相關(guān)原理與算法的學(xué)科，在工業(yè)制造、影視娛樂(lè)、電子商務(wù)、數(shù)字城市等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，是由傳統(tǒng)的圖形學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等多門學(xué)科交叉而成，是許多后續(xù)課程（如圖像處理、模式識(shí)別等）的基礎(chǔ)課程。《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程[1][2]涉及到大量數(shù)學(xué)知識(shí)，各種生成算法、處理技術(shù)和顯示過(guò)程。該課程除了要求掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)外，還要求學(xué)生能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)圖形學(xué)的基本算法，能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。但是在課堂教學(xué)中如果完全按照教材的理論講解，并采用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的傳統(tǒng)教學(xué)方式，將使學(xué)生感到該課程難于理解和學(xué)習(xí)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高校在《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的教學(xué)改革實(shí)踐中進(jìn)行了諸多嘗試，提出了一些能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法[3]，其中以“案例為引導(dǎo)”的教學(xué)方法受到了諸多高校的重視 [4]。然而，東北電力大學(xué)理學(xué)院“信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)”的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)還一直停留在傳統(tǒng)的教學(xué)方式上，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，迫切需要引入新的教學(xué)方法。

為此，本文根據(jù)東北電力大學(xué)學(xué)理學(xué)院“信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)”學(xué)生的具體特點(diǎn)以及學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和要求，使用了一種基于多層次案例引導(dǎo)的教學(xué)方法，方法通過(guò)整理用于《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)的多層次案例庫(kù)，并將其作為引導(dǎo)進(jìn)行《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)，該方法的實(shí)施對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率有著重要意義。

2 《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的多層次案例庫(kù)

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程主要講授的內(nèi)容包括基本圖形的掃描轉(zhuǎn)換方法，多邊形填充算法，二維變換與裁剪，三維變換與投影，自由曲線與曲面，建模和消隱，真實(shí)感圖形顯示等[2]。本文通過(guò)搜集使用C、C++、Matlab等語(yǔ)言編寫的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)程序資源，同時(shí)根據(jù)東北電力大學(xué)理學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)以及學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和要求對(duì)相關(guān)資源進(jìn)行整理和二次開(kāi)發(fā)，得到用于課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的多層次案例教學(xué)資源庫(kù)，具體包括應(yīng)用于案例化教學(xué)和課后練習(xí)的驗(yàn)證性案例資源庫(kù)，應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)的綜合性案例資源庫(kù)，應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)性案例資源庫(kù)，指導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的圖形學(xué)知識(shí)開(kāi)發(fā)圖形處理系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

2.1 驗(yàn)證性案例資源庫(kù)

針對(duì)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程每一章教學(xué)內(nèi)容中基本的圖形學(xué)算法設(shè)計(jì)了驗(yàn)證性案例資源庫(kù)，包括圖形動(dòng)畫(huà)、顯示器原理展示、虛擬系統(tǒng)漫游、直線中點(diǎn)的Bresenham算法、圓中點(diǎn)的Bresenham算法、多邊形有效邊表填充算法、多邊形邊緣填充算法、區(qū)域四鄰接點(diǎn)填充算法、二維基本幾何變換算法、Cohen-sutherland直線裁剪算法、中點(diǎn)分割直線裁剪算法、梁-Barsky裁剪算法、三維基本幾何變換算法、正交投影與斜投影轉(zhuǎn)換、HSV顏色模型算法、RGB顏色模型算法、簡(jiǎn)單透明模型算法、簡(jiǎn)單陰影算法等，用于課堂教學(xué)的案例演示和課后的算法驗(yàn)證，其主要功能是吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中加深對(duì)算法的理解。

2.2 綜合性案例資源庫(kù)

為了使學(xué)生進(jìn)一步理解三維真實(shí)感圖形的生成算法，通過(guò)對(duì)基本圖形生成方法進(jìn)行組合，得到一些綜合性案例資源庫(kù)，包括立方體線框模型正交投影、立方體線框模型透視投影、顏色漸變立方體、立方體光照模型、圓柱體紋理映射、任意斜率直線段裁剪、三維球體的幾何變換、圖像的二維幾何變換、金剛石圖案的繪制、交互式繪制多邊形等，用于《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠讓學(xué)生掌握?qǐng)D形學(xué)中一些比較重要的算法，做到舉一反三。

2.3 設(shè)計(jì)性案例資源庫(kù)

為了使學(xué)生深入研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的生成原理，將學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作能力、分析能力、工程設(shè)計(jì)能力與應(yīng)用實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，針對(duì)一些具體的應(yīng)用問(wèn)題得到了設(shè)計(jì)性的案例，包括太陽(yáng)月亮地球運(yùn)行軌跡模擬、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)模擬、彈跳的彩球動(dòng)畫(huà)、圓柱體線框模型放大鏡顯示、橢球面光源與材質(zhì)交互作用、北斗七星的閃爍的模擬、機(jī)器人行走模擬等，用于《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)使用技能和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。endprint

3 基于多層次案例庫(kù)引導(dǎo)的教學(xué)方法

本文使用的基于多層次案例庫(kù)引導(dǎo)的教學(xué)方法是在前面建立的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的多層次案例庫(kù)的基礎(chǔ)上，在課程教學(xué)中采用案例進(jìn)行演示，然后對(duì)算法原理進(jìn)行講解，再對(duì)圖形學(xué)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)課后實(shí)踐拓展進(jìn)行訓(xùn)練提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。在實(shí)際的案例設(shè)計(jì)和教學(xué)方法的使用過(guò)程中，通常在下面的步驟中進(jìn)行迭代循環(huán)：

①基于案例講解理論和算法，即根據(jù)教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容的要求，選擇具有可行性、典型性、濃縮性的案例進(jìn)行講解，并對(duì)案例進(jìn)行分析、討論和擴(kuò)展；

②督促學(xué)生根據(jù)案例進(jìn)行具體實(shí)踐和操作，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)的案例進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，啟發(fā)學(xué)生大膽嘗試，學(xué)以致用；

③了解學(xué)生對(duì)于案例的使用情況，并及時(shí)修改、調(diào)整和完善案例以及相應(yīng)的教學(xué)方法。

經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)改革與實(shí)踐，可以看出該方法能夠幫助學(xué)生更好地理解和掌握《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的基本理論和算法，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的興趣。一些圖形學(xué)的演示程序能夠吸引學(xué)生眼球，讓他們體會(huì)到數(shù)學(xué)的實(shí)際用處，同時(shí)通過(guò)提供一些基本算法的實(shí)現(xiàn)代碼給學(xué)生，降低了學(xué)生實(shí)現(xiàn)算法的難度。

②鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。多層次案例庫(kù)引導(dǎo)的教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)的是理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須理解算法的思想，并通過(guò)編程語(yǔ)言將算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，不僅可以鍛煉學(xué)生的程序編寫能力，而且也鍛煉了學(xué)生綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

③增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。學(xué)生在通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫程序過(guò)程中，通常會(huì)遇到很多的困難，如算法編寫，程序調(diào)試等，最明顯的是只要出現(xiàn)一個(gè)小的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致程序不能運(yùn)行。多層次案例庫(kù)提供給學(xué)生參考代碼，可以幫助學(xué)生少走彎路，并有效地完成大型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。

4 結(jié)論

本文介紹的多層次案例為引導(dǎo)的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的教學(xué)模式首先通過(guò)驗(yàn)證性案例講解理論、算法和技巧，然后通過(guò)綜合性案例進(jìn)行強(qiáng)化和擴(kuò)展，最后通過(guò)設(shè)計(jì)性案例進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新，從而使學(xué)生真正理解“所學(xué)”，并能實(shí)際指導(dǎo)“所用”。通過(guò)在實(shí)際的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的教學(xué)過(guò)程可以看出，該方法能更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，同時(shí)為其他相關(guān)課程提供示范作用，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率有著重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

【1】胡建平，李鵬松. Matlab在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的應(yīng)用 [J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 33 （6）：71-74.

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【3】王艷春，張金政，李紹靜.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)思考[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2011（14）：63-66.

【4】孔令德.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)踐教學(xué)資源庫(kù)的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2013（13）：87-90.endprint