“计算机图形学”教改研究与实践

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文章编号：1962-5913(2008)13-0080-03

摘要：本文分析了“计算机图形学”课程的学科特点和当前的教学形式，指出了当前教学过程中所面临的问题，从而提出了一些新的教学思路和方法。实践表明，这些方法对提高课程的易理解性、学习趣味性和教学质量有明显的作用。

关键词：计算机图形学；教学改革；教学实践

中图分类号：G642 文献标识码：A

“计算机图形学”是大部分院校计算机专业或相关专业中的一门重要课程。本课程的教学目的是使学生掌握计算机图形系统软硬件技术以及图形生成、处理、输出的基本原理和方法，培养学生利用计算机解决图形问题的程序设计能力，为开发图形软件打下必要的基础。

1计算机图形学的教学现状

计算机图形学是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科。该学科综合了计算机科学、数学、物理学等其它相关学科的知识，而且学科发展日新月异，新的应用领域不断拓展，这使计算机图形学具有学科内容丰富、理论性强、算法众多、实践性强这几方面特点。

学科内容丰富和理论性强造成该课程讲授起来比较枯燥；同时，传统地讲授教材上的理论将使学生感到该课程难于理解、难学、学习积极性和主动性受到影响，整个学习过程基本是被动接受。

目前，国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述计算机图形学的算法。许多算法为了追求高效率从而精益求精，算法本身构思独特且实现精巧，但也导致了算法本身及其实现都难于理解；而且传统的授课方案侧重于强调算法实现的数学基础。这种强调图形算法基础的教学方案适合于数学基础优秀的学生，但对本校这样的工科类院校，学生往往被一些必须掌握的算法所困扰，从而对该课程产生畏难心理。

计算机图形学这门课程实践性强的特点则要求学生具有较强的动手操作能力和编程能力，从另外一个方面来说，要求老师有更强的实践能力。如果理论与实践互动性不够，容易造成学生实践动手能力薄弱。

通过以上分析，可以看出在计算机图形学中采用传统的课堂上讲授理论，课下让学生去做实验的教学方式很难达到预期的教学效果，急切需要探讨新的教学思路和教学方法。

2计算机图形学课程的教学改革

本校针对现有教学中的不足，在总结多所知名大学在该门课程教学经验基础上，制定了计算机图形学的教改目标和教改方案，具体认识和做法如下。

2.1教学内容的组织

以教学大纲为依据，从学生的实际情况出发，以课堂讲授为主，上机实验为辅的方式组织教学内容。其中课堂讲授48学时，上机实验16学时。以讲清基本原理和概念为第一目标，以培养学生图形学算法的设计能力、图形软件的开发能力为原则，合理安排课堂教学内容。

根据学生的接受程度，教学内容首先注重基础，强调基本概念、基本原理；其次突出重点，对一些要求掌握的算法，要仔细分析，强调其基本思想。只要算法的基本思想掌握了，算法的实现就容易理解，对相关算法就可举一反三、触类旁通；再者教学内容中应该介绍一些当前的研究热点，使学生了解学科发展情况，也同时增加课堂教学的趣味性；最后在教学内容中应该注意理论与实用软件之间的关系，适当介绍计算机图形学理论、算法在流行的图形设计和动画制作软件(如AutoCAD、3DMAX等)中的应用，促进理论学习和实用软件使用之间形成互动。

根据以上原则，本校在2005届计算机专业本科生中，采用了清华大学出版社出版，孙家广主编的《计算机图形学》作为基本教材。同时引进国外一流大学的先进教材Donald Hearn, M. Pauline Baker编写的Computer Graphics(C Version)作为教辅资料，其中引用了一些最新的图形学研究成果，在彩页中体现了几乎乱真的图形效果。

2.2教学方法的选择

在讲授必须掌握的基础算法之前，强调启发式教学，提出课前思考题。这些思考题可以引导学生预习和自学，减轻课堂负担，使课堂教学目标清晰，任务简化。如在讲授多边形裁剪算法之前，应思考多边形由线段构成，是否可用已学过的二维线段裁剪算法逐边裁剪多边形？如果不能，原因如何？应如何解决？

在讲授同类算法之后，对解决同一问题的算法进行比较，强调对比性学习。如区域填充中，应对漫水法填充、边界填充算法、扫描线种子算法进行比较，说明其相同之处皆为在填充过程中搜索新种子点，不同之处在于搜索新种子点的方法不同。通过对比学习，学生在学习过程中不再孤立学习一种算法，而是同时掌握一类算法，为后续的扫描转换填充算法打下基础。

2.3教学手段的应用

在计算机图形学课堂教学过程中，本校采用多媒体教学与传统教学方式相结合。为了充分发挥图形图示、动画演示的作用，主讲教师精心制作了计算机图形学多媒体教学课件。在该多媒体教学课件中，对教学内容的各个知识点间用超链接进行链接，引入音频、视频等媒体信息，既增加了教学内容的连贯性，又使课堂教学变得生动有趣。

为了合理利用网络，拓展教学空间，主讲教师开设了自己的个人博客，在网上列出与课程相关的权威网络资源。在保留传统的面对面交流的基础上，学生可以通过网络与教师、同学讨论问题；教师则可以根据学生的反馈意见，及时了解学生的学习现状，调整下一步的教学方式。

除了网上讨论答疑外，教师根据学生的意见还采取了MSN、QQ 等学生喜爱的交流方式。通过这种网上交流，一方面使同学们不知不觉中利用课余实践学习巩固了图形学知识，扩展了知识面；另一方面也兼顾了图形学的教学大纲和同学们的兴趣。一般说来，教学大纲强调基本的概念算法，而学生则对如何生成各种漂亮的图形效果感兴趣，将如何基于图形学算法使用工具软件生成图形效果的资料放在网上，在课堂上就可以集中精力讲授算法理论。通过网上交流，给学生提供了一种获取知识的新渠道，这对于刚读完两年大学，已初步具备自学能力的大三学生而言，效果较好。

2.4上机实验的分配

计算机图形学涉及大量图形造形、图形生成和变换的算法，上机实验必不可少，应该结合课程特点设计实验内容，强调学习、研究和实验的有机结合，鼓励创新性。通过实验，发现问题，解决问题。

本校根据学生的实际情况，把实验环节分为必做的课内验证性实验、课内设计性实验、选做的课外创新性实验，并且要求学生将自己实现的各类图形算法统一到一个整体框架中。到课程结束时，每个学生都完成了一个具有自己特点的小型交互型计算机图形系统。在这个过程中，学生不仅学习了计算机图形学的各种算法，而且培养了学生的学习兴趣。

在上机实验过程中，由于本校学生在开设计算机图形学这门课程之前并没有学习过GUI编程，往届学生的上机实验都是基于Turbo C环境下的编程练习。由于TC的陈旧性和古板性，多数学生对它并不感兴趣，因此在2005届学生上机实验之前，本校教师将计算机图形学中的上机实验移植到VC、VB、C++ Builder等可视化的编程环境上来。这一方面让同学们学习编程时有与时俱进的感觉，另一方面又能学到新的内容。

2.5算法演示系统的设计

计算机图形学算法中涉及到较复杂的公式推导，在理解算法时要求有比较强的空间想像能力。为了帮助同学们更好地理解算法，本校组织毕业生在主讲教师的帮助下制作了“计算机图形学算法演示系统”，该系统利用Visual C++ 6.0结合OpenGL进行开发。

由于该系统主要用来进行辅助教学，而一般程序实现速度快，且操作的像素人眼看不见，这样的程序用于课堂讲解，虽然可以提高同学们的学习兴趣，但同学们看不到算法的具体实现过程。为了解决这个问题，本系统以放大的可见点模拟人眼看不见的屏幕像素，并且以动画的形式完成计算机图形学中各种算法的实现过程。系统中每一种算法都被设计为一个独立的类，各种算法根据其分类被组织在相应的菜单下，通过菜单调出设置参数和控制程序的对话框。采用该算法演示系统后，在学习相关算法时，同学们可以清楚地看到算法的分步执行结果，帮助同学从直观角度理解各种抽象算法，极大地提高了学生的学习兴趣，增强教学效果。

2.6课后习题的安排

课后习题对于帮助学生预习和自学, 激发学生兴趣等方面有重要作用。由于计算机图形学这门课程的特殊性，课后习题较少，因此根据课程教学需要，在参阅著名计算机图形学教材的基础上，本校教师经过收集整理，设计编写了教学辅助材料《计算机图形学习题集》，目前已基本成型，并在2005届学生中试用。

在设计习题的时候要精心设计和选择，特别避免作业形式单一、难度较大，否则就会使学生产生畏难情绪。注意循序渐进、难易适度。注重基础，注意多层次(如基础知识、算法设计和综合应用题等)、多形式(如判断题、选择题、填空题、简答题、算法设计题和综合应用题等)，使学生得到全面的训练。习题应注意启迪学生的思维, 培养独立思考的能力。

在每章习题的最后，都是这章内容的学习小结，要求学生回答：通过这一章的学习，掌握了哪些知识？哪些没有听懂？对老师有没有更好的建议等等。字数不限，但必须回答。从教师的角度出发，这种小结有利于了解学生的心理动态，了解自己的授课得失，有利于进一步改进教学质量；从学生的角度出发，这种小结客观上促进了学生进行课后复习，巩固了课堂效果，而且内容灵活，可长可短。

2.7教学过程的考核

重视教学的过程化管理与考核是保证教学质量的重要手段。对课堂、作业、实验等环节进行有效的管理，及时发现和纠正每一环节中存在的问题。应该在过程中解决教学中的问题，不能让其积累起来，避免学生感到课程的难学，以致学习积极性下降。

过程化管理和考核体现在评定学生的课程成绩时，全面考核各重要教学环节(如上课、作业、上机实验、期末考试等)的学习情况，应充分重视平时的学习情况，鼓励在平时作业、上机实践中独立思考，并有所创新的学生。对于平时作业，上机实验中存在的抄袭现象，教师要求学生用电子邮箱提交作业，两份完全雷同的作业，按照提交时间先后次序判断抄袭者。对于上机过程中，第一个完成的同学或者实现方法有所改进的同学都给予加分奖励。每次作业、上机实验都要给出等级，各环节的学习情况都有逐一的评定成绩，并按比例记入到课程的总成绩中。

3小结

通过本校2005届教学效果和往届学生教学效果的对比分析，在试卷难度相同的情况下，2005届计算机本科生图形学考核平均成绩提高5%，且成绩分布更趋向正态分布；网上评教系统表明，在2005届本科生中，学生对计算机图形学的畏难心理有较大的降低，仅有一人反映学习过程中听不懂，难度很大，这说明学生的学习兴趣和学习信心有一定的提高。从对比结果可看出本文所提出的方法有一定的实效，同时对其他课程也有一些参考意义。

参考文献

[1] 唐泽圣. 计算机图形学基础[M]. 北京:清华大学出版社,2003.

[2] 吴元斌. “计算机图形学”教学的几点体会[J]. 安康师专学报,2004,(16):119-121.

[3] 孙家广. 计算机图形学[M]. 北京:清华大学出版社,1998.

[4] 杨长强. “计算机图形学教学演示系统”的设计与实现[J]. 教育信息化,2006,(3):41-43.

Research and Practice of Teaching Reformation of Computer Graphics

Duan Jiang

(College of Information Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

Abstract: The paper analyzed the characteristics of computer graphics and its teaching methods, pointed out some problems in the course of teaching, Several innovative teaching thought and methods were put forward. The methods are useful to improve the comprehensible of course , the interesting of learning and the quality of teaching

Key words: Computer graphics, Teaching reformation, Teaching practice