數字媒體技術專業計算機圖形學教學改革探討*

張 鵬 于海燕 劉 強 牛慶麗 張 闖

（鄭州科技學院 河南鄭州 450064）

計算機圖形學在當前時代背景下的應用前景越來越寬廣，并成為了計算機科學中實用的學科分支之一。基于這一原因，高校做好計算機圖形學的指導教學工作十分重要。而對于數字媒體技術專業而言，提升計算機圖形學的教學效率則更為重要。因此，高校應當以學生作為學科教育的主體，重視教學實踐，培養學生的計算機思維，從而實現計算機圖形學科的教學改革目標。

一、計算機圖形學簡介

計算機圖形學的英文名為computer graphics。在長期的實踐過程中，這一學科技術被廣泛地應用于游戲產業、電影產業以及各類商業活動之中。該學科的主要研究內容是以數學模型為基礎，借助計算機算法，實現二維和三維圖形的光柵化。那么，教師則需要幫助學生掌握利用計算機表示圖形的方法、計算、處理、顯示圖形的基本原理和多種相關算法。從這點來看，基于計算機圖形學的理論基礎，學生進行計算機虛擬的目標能夠得到充分實現。與此同時，借助計算機技術，培養學生解決實踐性問題的能力，也是計算機圖形學的基本教育目標。而長期的教學實踐中，由于計算機圖形學自身由多門學科的基礎知識交匯構成，因此，該學科的交叉性較強，主要內容涉及了相關專業課程應用領域的多個方面。因此，學校必須要做好計算機圖形學與相關學科的滲透教育，通過有力的教學改革，幫助學生形成較強的數學功底，且使其具備一定的編程能力，進而達成課程教育的預期效果。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，計算機圖形學教育改革成了高校的一大教育目標，在主要改革內容上，計算機圖形學教學資源庫建設、教學內容改革、教學方法更新成了高校實現教學模式創新的主要手段。而為了進一步地落實教學改革的基本目標，高校有必要分析當前計算機圖形學課程的基本特點和教學現狀，從而結合課程改革方法，建立起更有效的課程教育平臺，幫助學生更好地感知學科內容，做到既降低教師的教學難度，又提升學生的學習效果[1]。

二、教學過程中存在的問題分析

以計算機圖形學學科的基本特點為依據，結合課程教學內容的內涵和廣度，當前，數字媒體技術專業計算機圖形學教學過程中主要存在以下幾點問題。

1.教學內容晦澀難懂，學生學習興趣相對低下

對于計算機圖形學課程的教學開展，學生需要具備一定的相關學科知識基礎。總體來看，微分幾何中的參數圖形理論、線性代數中的空間變換等，都是該學科的學科教育基礎。在開展計算機圖形學教育之前，學校應當做好基礎課程的教育規劃，促使學生有一定的數學理論基礎，同時具備較強的算法知識理論。基于較為完善的學科基礎教育，在開展計算機圖形學科教學時，教師應當在注重理論教育的基礎上，強化實踐教學，促使教學過程更適應課程特點。而基于這種教學方式，學科教學體現出了難度較高的特點，一些難度極高、抽象性較強的學科內容，使得學生難以長期維持學習興趣。這在很大限度上影響了課堂教學內容的深入開展，也是學科教育難以達到良好效果的主要原因。

2.實踐教育平臺建設不完善

當前，計算機圖形學課程教育已經迎來了新的發展階段，教師有必要利用開源工具中的圖形處理庫和界面開發框架，實現課程教育應用項目的進一步拓展。例如，open GL、MFC、qt等，都是教師可以有效利用的教學工具。這類開源庫不僅能夠幫助教師開展計算機圖形學教育，而且，軟件和開源庫自身良好的用戶接口和視覺效果，也將為學生進行更方便的程序開發提供幫助。現階段，大部分高校都以C++和Java語言作為主要的開發平臺，并結合底層開發教學思路幫助學生實現模型繪制的學習目標。然而，這樣的教學實踐平臺，與開源工具的發展趨勢嚴重不符，學生在學校中所獲得的學科知識，無法被充分地應用于工作崗位的實踐中。

3.實驗教學內容不利于培養學生的創新意識

計算機圖形學學科以基本理論算法為基礎，結合高級語言開發平臺開展實踐性教學內容，因此，教師需要引導學生基于廣泛的教學實踐，檢驗自身的理論和算法能力。學生需要通過比較和分析，逐漸感知課程核心內容。總體來看，在傳統的計算機圖形學學科教育中，圖形變換、圖形建模和圖形展示等具有較強理論性的實驗內容，難以激發學生的學習興趣，使得學生在長期的實驗過程中無法培養較強的創新意識。通常來看，大部分高校在開展專業課程時，往往會設定特定的時間、目的，大部分實驗內容以驗證性操作為主，學生在進行課程實踐時，難以獲得充分的滿足感。即使學生進行大量的課程實踐，也難以深刻理解計算機圖形學的學科內容精髓。特別是，大部分實驗在內容設置上并不充分，學生難以在課程實踐中獲得較大的收益。與此同時，部分高校在課程實踐內容的設置上，并沒有與數字媒體技術專業的相關工程項目和實際應用進行有機結合，這使得學生對計算機圖形學學科的認識處在相對初級的層次，也并沒有理解到該學科的交叉性特點，學科內容難以在專業實踐中發揮較高的價值[2]。

4.課程安排不合理，不利于學生多樣化發展

大部分學校在安排計算機圖形學課程時，往往設置于大四第一學期，而受到就業、考研等多方面因素的影響，導致學生對該學期的課程教育并不關注。一方面，學生受到了自身學習環境的影響；另一方面，學生也并沒有充分認識到該課程的內在價值。這也是導致學生學習課程內容動力不足的主要原因，從而使得課程教學效果相對較低。基于計算機圖形學自身課程內容的重要性，高校務必要重新設置教學內容安排，幫助學生更好地學習計算機圖形學專業技能，為培養高素質的數字媒體技術專業人才奠定良好的基礎。

三、計算機圖形學課程教學改革策略

1.算法可視化協同理論結合教育實踐

學科理論教育和算法教學是計算機圖形學的課程核心教學內容，而教學實踐則要以計算機圖形學理論為基礎，開展更具應用價值的創新性教學。作為一門既注重理論和算法教育，又強調實踐性教學的專業學科，在開展計算機圖形教育時，高校必須要注重以上三個課程要素，并利用合理的教學安排，幫助學生深刻地理解學科理論，掌握算法過程，了解并熟練掌握學科應用技能，這將幫助學生在面對現實中的工程問題和數據處理難題時，有效地利用底層算法技能，實現創新目的。教師在引導學生利用課程知識解決工程問題時，也必須要以實踐化應用為基礎，強化學生的創新性實踐能力。當前在大部分高校的計算機圖形學教學大綱中，通常利用了以面向理論為核心的教學方法。而在當前教育形勢下，基于計算機圖形學的基本特征，教師在引導學生了解專業知識時，應當利用數學推導，帶領學生了解圖形學內容，并將圖形學算法與具有較強可視化特征的人機交互界面進行深度融合，這將使得理論知識、算法過程、處理結果能夠在同一界面下進行展示。而這種圖形化的界面，使得學生能夠更好理解算法過程，感受圖形處理結果。通過這種教育形式，一些相對晦澀難懂的學科理論將具備較強的可視化特征，學生的學習興趣也將初步形成。以學生的學習興趣為依據，課程教育中十分復雜的理論知識，將在學生既有知識基礎的幫助下進一步得到化簡，這也將使學生更好地理解學科專業知識。例如，結合曲線生成與線性代數空間變換相關知識內容，學生將更好地理解處理過程。而基于圖形使用和展示的教育解讀，學生對基本理論知識的掌握程度將進一步加深可視化的數據展示，則可以最大程度地避免一些不必要的理論推導[3]。

2.強化教學實踐的思維拓展教育

教學實踐是強化學生理論基礎，培養學生應用能力的有效手段。在當前的高校教育過程中，實驗教學內容具有較強的傳統性。這主要體現在，大部分實驗教育往往是以驗證性實驗為主，學生的自主性難以在實踐過程中得到充分發展。實踐性較強的實驗教學卻體現出了枯燥乏味的特征，這極大程度上降低了學生學習學科內容的積極性。因此，在進行課程改革的過程中，高校有必要進一步改善實驗教學方式，更大程度地利用自主性的實驗教育，讓學生主動地設計實驗方案，采取恰當的實驗方法，實現驗證性實驗和創新性實驗結合的教育效果，這對于強化實驗課程教育效果具有重要意義。因此，高校有必要建設更具時代特征的實驗平臺，幫助學生掌握計算機自然語言，熟練操作編程軟件，并結合課程教育的基本內容，引導學生參與到交互式框架內容平臺實踐中來，從而讓學生能夠依據個人學習需求，模塊化添加實驗內容，讓課程實驗進一步體現軟件框架基本特征。基于開源數據庫的支持，高校可以提供基于多個開源庫的實驗框架，從而引導學生更好地進行自主驗證、自主設計和自主實踐。基于這種教學改革，學科教學內容將發生根本性變革，基于底層的函數實現教學將轉變為GUI交互設計教育、學習函數內容填寫教育。總體來看，實驗教育的改革發展將促使實踐教學更具啟發性，學生的圖形算法設計能力、軟件開發能力將得到充分培養，學生對計算機圖形學內容的感知程度也將進一步加深。

3.結合教學案例，培養學生學科思維

對于高校而言，學科教育不僅是培養學生學習能力的舞臺，而且也是幫助學生更好地融入社會發展的重要平臺。高質量的學科教育，應當能夠引導學生在實踐化的學科問題中，完成問題探究、問題分析和問題解決等各個教學過程。這也是培養學生學科技能，構建學生知識體系的重要方式。因此，在學科教育過程中，高校教師有必要結合教學案例，開展更具啟發性的教學，并結合專業知識的不同應用場景，帶領學生從不同視角感知計算機圖形學學科理論。教師要依據學生的興趣點，結合課程技能教育，幫助學生在學習過程中獲得更強的收獲感。為適應當前國家社會發展的基本需求，在選擇教學案例時，教師也要進一步分析數字媒體技術專業的基本特征，采取更具專業性的教學案例，引導學生感知社會化工作崗位實踐的實際內容。總體來看，教師要將計算機圖形學教學與圖形開發和設計進行有機融合，例如，結合open GL、vtk等工具和傳統相機、primacy sense等設備，促使圖形學學科內容研究與教學案例實現有機融合。教師應重視學生的自主性學習能力，讓學生在社會實踐的教學案例中獲得啟迪，在學習中面向技術應用，在應用過程中，體會專業知識和社會崗位需求。這種教學方式，不僅能夠強化學生的學習獲得感，而且也將為學生的未來發展奠定良好基礎。在選取教學案例時，教師應當結合數字媒體技術專業的未來發展方向，以及專業發展趨勢，體現數據展示、圖形設計和計算機圖形學基本內容，實現不同教學內容的有機統一。教師要注重引導學生，在課程學習中獲得直觀化的學習感受，體驗學科內容在項目實踐和專業方向應用上的內在價值。在學生掌握一定學習基礎的前提下，教師也要以專業化的教學案例為基礎，引入真實的數據分析，進一步強化學生對計算機圖形學應用價值的理解程度。

4.優化課程學習安排，科學評價學生學習成果

作為一門應具有較強應用性的計算機課程，教師在開展計算機圖形學教育時，必須要進一步地調整課程學習安排和學習時間設置，促使學生的學習成果評價更具科學性和合理性。在當前，大部分高校將計算機圖形學的授課時間設置為大四上學期，而考察模式則為卷面考察，這是導致該學科教學效果不佳，對學生能力培養作用不強的主要原因。因此，高校應當調整學科教學時間，改為大二下學期開展課程教育，這是學生學習計算機圖形學知識的最佳時期。而在課程考察和評價方式方面，高校也應當進行深入改革，利用課程實踐答辯的形式，綜合考查學生對學科知識的掌握程度。教師要引導學生開展自主化的課程實踐，鼓勵學生在課程學習中發揮創新意識，以此來調動學生學習專業知識的積極性，培養學生的應用專業知識能力。

結語

計算機圖形學具有較強的學科交叉性，因此，高校在教學過程中必須要利用關聯學科教育，深入分析學科發展趨勢，結合學科知識的應用場景，在教學過程中更加注重實踐性教育。基于當前學科教育中存在的各類問題，高校應當注重課程體系完善和教學案例設計，通過調整課程教育時間和教學方法、教學評價等環節，建設更具實踐意義和創新意義的專業課程，為學生的綜合能力發展作出積極貢獻。