应用型工科院校计算机图形学教学模式改革

　　摘要：根据应用型本科院校的办学特色，提出“教材建设系列化、教学内容目标化，教学过程案例化，实践资源数字化”的教学模式。文章阐述在计算机图形学课程的教学实践中，通过打造“省级精品课程＋系列化教材＋数字化教学资源”立体化教学平台，取得良好的教学效果。
　　关键词：计算机图形学 教学模式 教学效果
　　文章编号：1672-5913(2011)18-0020-03 中图分类号：G642 文献标识码：A
　　1 应用型本科院校的办学特色
　　作为一所工科应用型本科院校的教师，笔者一直在思考“应用型本科与普通本科的教学模式有何联系与区别？”应用型本科教育是普通本科教育与高职教育的“交集”，这个交集中的元素既有普通本科教育的特征，也有高职教育的特征。应用型本科人才培养要遵循本科人才培养自身的教育规律，同时也要突出实践、强化应用，既不能因为培养本科层次人才就沿袭普通本科的教育模式，办成学科型、研究型的本科；也不能因为突出应用而削弱基础理论的教学，办成高职教育。应用型工科院校的教学模式应该是精简本科的理论教学内容，突出高职的工程特色，培养既有基本的理论素养，又有很强动手能力的应用型人才。根据我院所招收的本科生“形象思维强于逻辑思维”的特点，应摆脱传统的“学术型”、“研究型”人才培养模式的影响以及客观环境的约束，积极探索以市场需求为导向，突出强化工程实践能力的教学模式。我们率先计算机图形学课程进行了教学模式改革与探索。
　　2 教学现状分析
　　“计算机图形学”是一门理论与实践紧密联系的专业课程，其主要教学目标[1]是使学生掌握计算机图形生成与处理方面的基本理论，具备解决科学研究、工程设计与制造中有关图形处理的能力，为后续的课
　　程学习及毕业设计奠定坚实基础。然而在实际教学工作中，笔者发现由于计算机图形学课程对空间想象能力的要求很高，仅仅是依据教材对原理算法的描述，很难抽象出实际的处理过程。同时，计算机图形学课程对数学理论和编程能力的要求很高，导致学生在学习时产生畏难心理，更谈不上对算法的深刻理解，严重影响教学质量，达不到预期的教学目标。另外，传统的计算机图形学教材在对算法的描述中，通常只给出基本算法步骤，缺少数字化的教学资源。要改变目前现状，必须得从教学模式改革入手，开发出针对每个原理的算法，开发出可视化的教学案例。同时改革教学内容，以工作过程为导向编写适合应用型工科院校的案例化教材，将理论教学与实践资源紧密结合，打造全新的教学体系。
　　3 教学模式改革
　　针对传统教学模式存在的不足之处，为了激发学生的学习兴趣，提高学生实践动手及学习效果，从课程的目标出发，为学生搭建可视化课程的整体构架，按照情景教学的方法，把握课程的教学要求，总结并提出了教学过程中“教材建设系列化、理论教学目标化，教学过程案例化，实践资源数字化”的教学理念，精心打造“省级精品课程＋系列化教材＋数字化教学资源”立体化教学平台。
　　3.1 教材建设系列化
　　目前课题组主持两门省级精品课程——“C++程序设计”和“计算机图形学”。将计算机图形学的编程工具选用为Visual C++，充分利用了“C++程序设计”省级精品课程的建设成果。从2006年开始，课题组使用Visual C++的MFC框架，已经开发了近200个计算机图形学教学源程序。在此基础上，课题组编写了《计算机图形学基础教程(Visual C++版)》、《计算机图形学实践教程(Visual C++版)》和《计算机图形学基础教程(Visual C++版)习题解答与编程实践》、《计算机图形学课程设计教程(Visual C++版)》等系列教材(清华大学出版社出版)，从教学内容、实验项目、习题训练、课程设计等角度全方位地解答教学中存在的疑难问题。
　　我们以《计算机图形学基础教程(Visual C++版)》
　　作为主教材，以生成真实感光照模型为主线，重点讲解直线的扫描转换、有效边表填充、三维变换和投影、动态消隐、真实感光照等原理内容。《计算机图形学实践教程(Visual C++版)》给出了与主教材讲解的原理相对应的所有源程序，可作为课堂教学的验证性案例，《计算机图形学基础教程(Visual C++版)习题解答与编程实践》针对主讲教材中的课后编程习题给出了实现的源程序，同时给出了拓展技能要求的可执行程序。《计算机图形学课程设计教程(Visual C++版)》突出工程实践能力的培养，以类的形式对算法进行封装，创建了三维光照场景，所建立的开发平台可直接应用于科研项目的开发。计算机图形学系列教材由于提供了众多的源程序代码，应用特色明显，教学效果良好，目前已被国内上海大学等近50所本科院校和高职院校选为主讲教材。
　　
　　3.2 教学内容目标化
　　计算机图形学原理众多、算法复杂。教学内容系统化，就是按照工作过程来进行教学内容的排序，而不是简单地按照学科知识来排序。以真实感光照模型为主线，课题组精选直线的扫描转换、有效边表填充、三维变换和投影、建模与消隐、真实感光照等作为教学内容。学生沿着教学主线学习后能够掌握开发一个图形平台的具体步骤和必要的方法，可以动态为场景中的物体添加光源、指定材质、设置纹理，渲染出精美的三维图形。沿着这条教学主线培养出的学生不仅能熟练胜任高级图形的开发任务，而且对所涉及的理论知识也有较深的理解。不在这条主线上的计算机图形学原理，可以在以后的实践教学中，根据任务的需要来单独学习。
　　3.3 教学过程案例化
　　从2006年开始，课题组开始尝试将微软的Visual C++ 6.0引入到计算机图形学教学过程中。提出了在计算机图形学教学过程中，以真实案例为引导，开展可视化教学的改革，让学生真切感受到“所见即所得”优秀案例，既可以充分领会到算法的精髓[2]，又激发了学习的兴趣，提高了教学效果。课堂教学采用案例
　　演示→原理讲解→算法实现→实践拓展4个步骤，即从可视化的案例中，抽象出图形学基本原理，对照程序理解算法，再结合工程中的项目要求，对学生提出课后训练目标。
　　3.4 实践资源数字化
　　计算机图形学实践教学过程划分为验证性实验、综合性实验和创新性实验三个实践环节，渐进地强化学生的实际编程能力。其中，验证性实验是与主教材中所讲授的原理一一对应的教学实验，共开发43个源程序；“综合性实验”是在每一个实验项目点，综合应用前面已经学到的相关原理编写的实验项目，共开发18个源程序；创新性实验是将所学原理的运用到工程项目中抽象出具有创新点的实验项目，共开发18个源程序。教师在实践环节中以“验证性实验、综合性实验、创新性实验”三个层次组织实践教学，知识的难度系数逐级递增，学生的实践技能逐步增强。目前，课题组开发的所有教学资源，已经上传到计算机图形学精品课程网站，供师生免费下载，扩大了省级精品课程的受益面。
　　4 教学效果
　　2007年，2005级的一名同学的“龙城虚拟现实
　　股份有限公司”获山西省第三届兴晋挑战杯大学生创业计划竞赛金奖，并于2009年，申报全国大学生科学创业项目“中国大洲虚拟现实股份有限公司”，成为我院唯一获得项目支持孵化的项目。
　　5 结语
　　根据应用型工科院校的办学特色，我们提出了“应用型工科院校计算机图形学教学模式改革”的课题，从教学内容、教学方法、教学过程和教学资源等方面进行有益的改革探索，取得了良好的教学效果。课题组所在的计算机工程系于2009年被山西省教育厅授予山西省第十届“育人杯”先进单位的称号，课题项目于2010年荣获山西省教学成果二等奖。笔者对教改经验进行总结，以期进一步深化图形图像处理方向的系列课程建设。目前，课题组申报的“图形图像处理系列课程实践教学资源与平台的建设”已经被列为山西省“十二五”重点教改项目，下一步的工作将是按照专业特色方向的要求，对“C++程序设计”、“面向对象程序设计”、“数据结构”、“计算机图形学”以及“游戏开发基础”等系列课程的教学目标、教学大纲以及教学方法进行整体建设，打造面向游戏开发方向的优质实践教学资源与管理平台。
　　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