計算機圖形學實驗教學模式改革探索

陸玲，李祥，王蕾，李金萍

（東華理工大學 信息工程學院，江西 南昌）

一 引言

隨著虛擬現實的廣泛普及快速發展，計算機圖形學也顯的越來越重要，計算機圖形學課程是計算機科學與技術專業中計算機科學方向的主干核心課程，占有重要地位和作用。由于計算機圖形學綜合性較強，理論涉及了計算機科學、數學、物理學等多個學科原理，圖形繪制算法比較抽象，繪圖程序設計也比較困難，如何教好這門課程對教師是一個挑戰。要求教師在教學過程中不斷優化教學方法，改革教學手段，同時對實驗教學也提出了更高的要求，學生通過實驗可以更深刻地理解相關理論知識，并提高學生圖形應用編程的動手能力。

近幾年在計算機圖形學實驗教學方面，劉煜崗[1]等以Bezier 曲面為例，結合OpenGL 編程語言，詳細設計了實驗內容。傅向華[2]等加強實驗教學環節，合理設計實驗內容，利用 Visual Stdio C++ 中的 MFC 編程實現基本圖形生成、界面設計和交互設計，利用 OpenGL 中的函數進行真實感圖形繪制，使該課程的教學效果得到有效改善。黃曉生[3]等，從實驗內容、課堂組織、實驗準備、課堂指導、課堂交互以及實驗成績考核等方面探討了多模態學習理論在“計算機圖形學”實驗教學中的應用，采用OpenGL API及GLUT為交互編程環境。孫陽光[4]將基于項目驅動模式的實踐教學引入到課堂理論教學，構建多階段層次化的課程實踐教學過程，把課堂理論教學和實踐教學緊密結合，促進學生實踐創新能力的提高。趙智[5]等將虛擬實驗引入教學，用虛擬場景模擬算法運算過程，把抽象對象和算法運算過程形象化和可視化，使抽象的算法易于理解，達到提高教學效果的目的。劉斌[6]開發的實驗平臺可以直觀互動地掌握最小二乘擬合、三維空間變換、網格模型法向量分析和 ICP 點云配準等算法原理，能提高學生學習興趣。王振武[7]構建了面向礦業類高校學生的計算機圖形學實驗教學平臺，學生使用該平臺可以完成驗證性實驗，也可以完成設計性和綜合性實驗，能夠有力地激發學生的學習熱情。

可以看出，教師們對計算機圖形學實驗課的改革主要集中在實驗內容和實驗演示平臺，本文除了以上兩個方面外，還對實驗安排、實驗指導等方面進行改革。

二 實驗教學中存在的問題

計算機圖形學是研究用計算機顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科，所以實驗教學內容重點是編程實現圖形的生成和處理，是計算機圖形學課程的重要一個環節。由于各種原因，目前仍然存在以下幾個方面問題：

（1）課堂實驗學時偏少，不利于學生較好地完成設計性與綜合性實驗；

（2）實驗內容設計不太合理，太簡單或太難都不能提高學生的興趣；

（3）實驗項目缺乏與實際應用相結合；

（4）程序設計沒有都從底層寫點開始，不利于學生對圖形生成原理的理解。

為了解決上述問題，我們從多個方面進行了實驗教學改革，提出了計算機圖形學實驗教學模式。

三 實驗內外翻轉教學模式

近幾年翻轉課堂已經被教師應用到相應課程中，高雪瑤[8]等也將翻轉課堂應用到計算機圖形學的理論教學與實驗教學中，其重點是將案例與項目引入到實驗教學中。我們除了引入案例，還將實驗時間與內容進行翻轉，如圖1所示。

圖1 實驗內外翻轉教學模式

（一） 多時空一體化教學資源體系建設

實驗翻轉教學的前提是必須建立比較完整的教學資源，我們研究以學生為中心的教學資源設計方案，建立了計算機圖形學多時空一體化教學資源[9]，并且逐年更新教學資源。

（1）實物教學資源

目前使用我們主編出版理論與實驗教材、程序設計參考書、案例應用參考書如表1所示，為學生在實驗課前進行實驗提供理論與實踐參考資料。

表1 主編出版的圖形學課程教材及參考書

1）理論與實驗教材：重點介紹計算機圖形學中各類基本圖形的生成算法及程序設計，使讀者學完本教材后能編程實現基本的二維圖形到三維真實感圖形，并結合作者的科研成果，將科研轉為教學的部分內容，書后附有實驗指導。

2）程序設計參考書：詳細介紹了生成三維真實感圖形涉及的理論與程序設計。

3）應用案例參考書：總結歸納了作者多年的科研成果，主要集中在植物樹、枝、葉、花、果的真實感造型及基于點云的精細重建。引導學生進行創新。

（2）電子教學資源

電子教學資源主要指利用現有軟件制作的教學課件、電子實驗指導書等。教學課件簡潔直觀，能用圖表示的不用文字，能用動態的不用靜態。雖然教材中含有實驗指導內容，但電子實驗指導書可以逐年更新，且描述詳細，方便學生在課前自主學習實驗內容并進行實驗。

（3）軟件教學資源

軟件教學資源是需要任課教師編程實現的軟件，主要包括案例演示軟件、算法演示軟件、人機交互演示軟件和實驗演示軟件等。為學生在設計實驗算法界面及圖形效果提供參考（如圖2）。

圖2 軟件教學資源部分界面

我們設計的部分教學軟件獲軟件著作權，如表2所示。

表2 自主開發計算機圖形學教學軟件獲軟件著作

（二） 實驗環境的選擇

我們采用Visual C++和MFC作為實驗教學環境，要求學生只能使用寫點函數編程實現圖形的處理，不能用MFC所提供的圖形函數，當然更不能使用OpenGL圖形庫。對于三維圖形變換、投影以及真實感圖形繪制等內容，雖然對于學生有一定難度，但我們只要提供足夠的教學資源，大部分學生還是能夠完成。我們要重視學生的基礎教育，程序設計要從底層寫點開始，有利于學生對圖形生成原理的理解。

（三） 實驗內容的選擇

實驗內容設計既不能太簡單，也不能太難，為了顧及大部分學生，每個實驗都包含必做內容和選做內容，實驗項目盡量與實際應用相結合，提倡學生設計積極向上的思政圖形。例如，在繪制直線與圓時，讓學生自己設計自行車或黨徽；在圖形填充中，讓學生填充中國地圖或自己家鄉的地圖；在繪制三維多面體投影圖時，讓學生設計桌椅或英雄紀念碑；在繪制曲面時，讓學生自己設計生活中常見的物體或口罩等等。

（四） 實驗翻轉方式

由于計算機圖形學課程一般在大三年級開設，而且計算機專業的學生自己都擁有電腦，所以將課堂實驗與課外時間進行翻轉，可打破傳統“實驗在課堂學時內完成”的短期實踐方式，讓學生有更充足的時間進行實驗。

（1）實驗課前：課前教師提前一周在學習通中布置實驗內容，學生使用網絡教學資源自主進行實驗，并隨時與同學討論，也可以在網上與教師交流，教師有針對性的輔導，學生在實驗課前基本上完成實驗內容。

（2）實驗課中：教師檢查學生實驗成果，師生生生交流完善并優化程序，學生通過學習通提交程序，將課后提交程序翻轉到課中，調動學生的積極性；在課前完成實驗的學生，可以在課中撰寫實驗報告。

（3）實驗課后：課后學生分析總結，撰寫報告并在學習通中提交。將課堂中的任務翻轉到課前完成，延長了實驗時間，充分挖掘學生的潛力。同時也使教師在網上指導學生實驗非常靈活。經過實驗翻轉，學生實驗在一周內自主安排時間，學生實驗質量有所提高，同時也挖掘出學生的創造力。

四 實驗教學安排

本課程的實驗教學包括課程中的12學時的實驗課及一周的課程設計。

（一） 實驗課內容

12學時的實驗課共包括6個實驗，包括：直線與圓的繪制、區域填充、圖形變換、圖形裁剪、曲線與曲面的繪制、真實感圖形，具體內容如表3。

表3 實驗教學內容

圖3為部分學生具有創新性的實驗成果。

（二） 課程設計內容

課程設計的學時有一周的時間，需要學生完成綜合性圖形繪制軟件，軟件內容由教師命題多個，學生自愿選擇。學生也可以自選項目，但需要征求教師的同意。課程設計的軟件內容主要包括4大類：

（1）算法演示類：包括直線與圓光柵掃描演示系統、字符顯示演示系統、圖形變換演示系統、光照演示系統等。

（2）真實感物體類：主要指復雜物體的造型，如紋理復雜、形狀復雜、元素多樣等。

（3）動畫類：主要指不同時間的物體不同造型等。

（4）綜合類：如小型繪圖軟件的設計等。

圖4為部分學生的課程設計成果。

圖4 部分學生的課程設計成果

五 結語

實驗翻轉為計算機圖形學教學提供了一種新的思路，該教學模式也可以在類似其它課程中開展。實驗翻轉教學模式可以提升學生的自主學習能力，挖掘出學生的內在潛力，提高學生的自主學習興趣，同時也促使學生理解所學的理論知識，提高了教學質量。