《计算机图形学》教学探索与实践

摘要：为了提高《计算机图形学》的教学质量，在分析教学过程中存在的主要问题的基础上，提出改进的教学方法。针对理论教学和实践教学环节，探讨了该课程的教学方法，以激发学生的学习兴趣和创新思维，培养学生的综合应用能力和解决实际问题能力，教学效果显著。

关键词：计算机图形学；教学方法；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）05-0094-02 一、引言

《计算机图形学》是计算机科学领域中一个重要的学科，是随着计算机及其他设备的发展而产生的，是一门研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示图形的学科[1]。由于图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据已经成为计算机领域的一个重要发展趋势，所以《计算机图形学》已经成为计算机学科中发展最活跃、应用最广泛的分支之一，成为许多计算机从业人员的必备素质之一，也是计算机专业本科生的一门专业基础课。我院《计算机图形学》的课程的培养目标是：了解和掌握图形学的基本概念、表示方法、生成技术和实现算法；进一步提高学生的可视化编程能力；具备一定的交互式图形应用系统开发能力。

二、教学中存在问题

由于该课程学科内容丰富、理论抽象、实践性强，如果按照传统的教学方法在课堂上讲解图形的各种生成原理和算法、处理技术和显示过程，必然涉及到大量的数学公式推导，这就要求学生有较好的数学基础和空间想象能力，导致学生学习起来比较困难，兴趣不高，教学效果不佳[2]。并且实验课比例较小且难度较大，同时大部分学生本身的编程能力有限，很难在较短的时间内完成实验课内容，最终导致学生失去对实验课的兴趣，消极应对，学生的动手能力没有得到充分锻炼。笔者在计算机图形学教学实践中注重理论教学与实践教学紧密相连，研究如何恰当组织教学内容，高效运用多媒体教学手段，合理分配实验环节，激发学生的学习兴趣，加强学生实践动手能力培养，达到了知识传授和能力培养的有效结合。

三、教学方法改进

1.理论教学。理论教学是整个教学过程中最为关键的一个环节，是学生获取知识的直接渠道。如何激发学生的学习兴趣，提高学生的听课积极性；如何将枯燥晦涩的理论、算法讲解的生动，形象，深入浅出，易于理解，是理论教学要解决的重要问题。可以从以下几个方面入手，如图1所示。

（1）注重理论与实践相连。学生的学习是具有目的性和选择性的。如果这门课的知识让学生觉得学了没什么用或者不知道怎么用，学生就会失去学习兴趣，学习效率降低。因此，在理论教学中，一定要注重理论与实践相连。进行理论讲解时，要注意介绍理论的应用背景，应用场合，最好能举出学生喜闻乐见的实例；进行算法分析时，要注意讲解算法中各参数的意义和作用，最好能通过实例让学生感受到参数改变所产生的实际效果。例如，在讲解多边形填充时，教师可以以学生感兴趣的PS（PhotoShop）抠图为例，说明PS抠图的原理就是以手工的方式得到所抠图的多边形轮廓，然后用多边形填充算法得到该区域内的像素点。在讲解分形时，教师可以举出分形山、分形草的实例，说明其在动漫、游戏等虚拟场景中的应用，并演示算法迭代次数、方向参数的改变导致生成结果在规模、朝向上变化的实际效果。这样，学生明确学习目的，知道应用场合和方法，学习兴趣和效率自然就提高了。

（2）注重多媒体教学。计算机图形学的很多算法理论性强，抽象，不易理解，单纯采用文字叙述和公式推导的教学手段，教学效果并不好。因此，应充分利用多媒体教学的优势，制作算法的动画仿真演示，分解算法步骤，使抽象难懂的原理公式变成具体生动的画面，加深学生的印象，便于学生理解。例如，笔者在讲解多边形种子填充算法时，用Flash做成动画分解算法的每一步，以图画展示多边形的填充过程和堆栈中的数据变化，使学生直观感受到算法的过程和效果，活跃了课堂气氛，加深了学生对算法的理解。

（3）注重启发式教学。课堂教学模式应由传统传授满堂灌方式转向引导问答式方式。通过提问引导学生去思考，激发学生的求知欲，肯定学生回答中好的一面，着重分析其不足、有待完善的地方和正确解决问题的方法，并评价该方法的优缺点，有没有进一步提升改进的空间。通过“提出问题学生解答问题分析问题解决问题分析解决方法的优缺点”的方式[3]，引导学生思考，形成探究性学习风气，充分调动学生的学习积极性和主观能动性。例如在讲解多边形种子填充算法时，问，该算法有什么不足？学生回答，由于一些像素反复压入到堆栈中导致算法效率低。接着问，有什么改进方法？学生回答，在像素压入堆栈前进行比较，如果没有才将其压入堆栈。指出这种方法的有效性，但效率还是不高，因为要和堆栈中的每一个像素进行比较，正确的方法是将种子像素所在扫描线上位于多边形内的点全部压入堆栈，然后向两边扩散，引出具体的扫描线种子填充算法，再进行该算法讲解时，学生就易于理解并乐于接受。

（4）注重知识联系。《计算机图形学》是一门综合性很强的交叉学科，其内容涉及高等数学、程序设计、可视化编程、数据结构等多门课程知识。因此，在传授计算机图形学时，要注重多门课程知识之间的联系，让学生学到的知识在这门课中得到综合应用，完善学生的知识体系，锻炼学生的综合应用能力。例如在讲解基本图形的扫描转换时，不仅要求学生实现直线、圆和椭圆的生成算法，而且要求学生以面向对象的思想采用交互式方式实现图形的位置、大小、颜色的改变，综合应用程序设计、可视化编程、数据结构、计算机图形学等多门课程的知识。

2.实践教学。实践教学是理论教学的深化和补充，学生在实践环节将理论教学学到的知识加以运用，有助于知识的理解和掌握。传统的实践教学内容大多为验证型和应用型实验，缺乏综合性实验，对学生综合应用能力、创新能力和解决实际问题能力的培养不够[4]。因此，教学过程中要加强实践教学，扩大综合性实验比例，将理论教学与实践教学密切结合起来。可以从以下几个方面入手，如图2所示：（1）实验设计层次化。根据理论教学内容，结合学生的实际情况，按照由浅入深的原则安排了四个实验：直线、圆和椭圆的生成，图形变换，多边形填充，图形绘制系统。实验的难度由易到难，层层深入，由验证型实验逐步过渡到综合性、设计性实验，分别培养学生的基本技能、综合应用能力和创新能力。（2）实验内容综合化。在实验内容的安排上不仅要求学生以类的方式实现计算机图形学中的算法，而且要求学生用可视化界面实现交互式输入输出，并进行不同算法之间的比较，综合应用可视化编程，数据结构和计算机图形学的知识。在多边形填充实验中，要求学生实现有效边表填充、边缘填充、种子填充这三种填充算法，并可选择填充颜色，还要求学生记录三种算法所消耗的时间，精确到毫秒，比较三种算法的效率。（3）实验考核常规化。为了保证实验的质量，加强对实验的管理，对每一次实验都要求学生完成相应的实验报告，将核心代码和运行结果贴在实验报告上，教师根据学生完成实验报告的情况，给出评分和评语，并计入学生的平时成绩中。学生的最终考试成绩为平时成绩与卷面成绩的加权和。这样，学生就会意识到实验环节的重要性，积极认真的对待试验。对个别没完成和完成不好的学生督促其完成和修改，保证每一个学生切实完成了实验。

四、结语

《计算机图形学》是一门不断发展的交叉学科，要求计算机图形学课程的内容不断更新，教学方法和教学模式也要不断改进。为了更好的讲授这门课，激发学生的学习兴趣和创新思维，培养学生的综合应用能力和解决实际问题能力，还需要在日后的教学实践中不断改进和完善。

参考文献：

[1]孔令德.计算机图形学基础教程（Visual C++版）[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]刘晋钢，孔令德，王进忠.“计算机图形学”课程新教学模式的研究与实践[J].计算机教育，2010，（3）：63-65.

[3]王艳春，张金政，李绍静.计算机图形学课程教学思考[J].计算机教育，2011，（14）：63-66.

[4]彭辉，刘善梅，翟瑞芳.以能力为导向的计算机图形学教学模式[J].计算机教育，2011，（8）：5-8.

基金项目：武汉工程大学博士起动基金（12106021）