本科图形图像课程一体化教学模式

谭光华　李仁发

摘要：随着学科的发展，图形和图像出现相互融合的发展趋势，与此同时，教学时数削减，探讨图形图像课程一体化教学模式具有十分重要的意义。文章从教学内容的组织、实验体系的构建以及教学方法的探讨3方面总结教学改革经验，探索适应本科教育的图形图像处理一体化教学模式。

关键词：计算机图形学；数字图像处理；一体化教学模式

0 引言

图形图像处理作为一门课程进行一体化教学在高职高专院校中并不罕见，主要围绕图形图像处理软件的使用展开教学，如图像处理软件Photoshop、二维矢量图形软件Illustrator等的使用，让学生掌握如何使用这些软件实现特定效果的技巧。然而，本科院校则主要教授学生图形图像处理的基本原理，尤其针对计算机专业的学生，其目的是通过该课程的教学，帮助学生在理解基本原理的基础上实现类似于Photoshop、Illustrator、Maya等图形图像处理软件，而不仅仅是应用。因此，一般的本科院校分别针对图形和图像的处理均开设了计算机图形学和数字图像处理两门专业课程，形成了各自的教学体系。

然而，随着学科的发展，图形和图像已经出现相互融合的发展趋势。图形学中的真实感显示、纹理贴图以及图像处理中的矢量化、图像绘制等都体现出两门学科相互交叉的新特点。将两个学科的知识融会贯通后传授给学生，已经成为学科发展的必然。图形图像相互融合的思想在近些年的Siggraph论文中已有明显体现。此外，清华大学的胡事明教授在973资助项目“可视媒体智能处理的理论与方法”中也提出了可视媒体的几何计算方法，将几何计算的理论引入图像和视频的处理并发表了一系列高水平的论文，得到国际的认可。另外，在长期的教学实践中，由于教学时数的限制，学校无法同时开设两门课程，但是鉴于社会对人才培养的需求，学生又需要同时掌握图形学和图像处理的知识，这就促使我们探讨计算机图形学与数字图像处理的一体化教学改革。教学时数的削减在ACM和IEEE对计算机专业的课程体系构建草案（2013）中能够得到体现。

因此，从学科发展的趋势、目前国内高校学分制的现状以及社会对人才培养的需求来看，将计算机图形学与数字图像处理知识融会贯通，进行一体化教学，是学科发展的趋势，具有重要意义。

1 教学内容组织

数字图像处理和计算机图形学作为两门独立的课程在国内外高校教学过程中已经非常成熟，教学内容也各成体系，都出版有相应的教材，但是融合数字图像处理技术和计算机图形学原理的教材则非常少见。迄今为止，国内只有由电子工业出版社出版的国防科技大学唐波等编著的《计算机图形图像处理基础》。

湖南大学从2010年起开始对图形图像处理一体化教学模式进行探讨，并在信息科学与工程学院的智能、物联、信息安全等专业进行试点。通过3年的探讨与试点，我们确定理论教学时数为40学时，实验学时为16学时，同时在教学时数的限定下逐步确定课程的教学内容。教学内容以电子工业出版社出版的《计算机图形图像处理基础》为参考教材，以现有的国内外图形图像经典教材为参考书目，选取计算机图形学中三维物体的几何表示、三维观察流水线、真实感绘制技术（包括光照、纹理映射）以及数字图像处理中的图像采集与表示、图像增强（包括空域和频域）、图像分割为主要教学内容，将图形和图像的相关内容融会贯通后进行授课。例如，在介绍真实感绘制技术中的纹理映射时，可以贯穿数字图像的表示方法；在介绍光照模型时，可以贯穿数字图像处理中颜色模型的相关知识；在图像的几何变换中贯穿三维观察的数学知识。各个教学内容之间的关系如图1所示，具体的教学内容与课时分配见表1。

2 实验体系构建

针对第1节的教学内容体系以及16学时的实验课时需求，教师可以在教学实践过程中设计相应的实验体系，从而让学生在掌握图形图像处理基本原理的基础上，进一步提高实际应用与程序设计能力。为了体现数字图像处理和计算机图形学相互融合的特点，进一步提升理论教学的效果，我们总共设计4个课程实验，每个课程实验4学时，实验体系构建见表2。

从表2中可以发现，该实验体系既包含侧重于基本原理实现的基础实验，如实验1主要是为了实现数字图像的表示与绘制，实验2主要是为了实现二维几何图元的表示与绘制，又包含体现图形和图像融合特点的综合实验，如实验3体现了三维图形的绘制、OpenGL的应用以及图像作为纹理用于真实感绘制的基本原理与过程，实验4则结合了三维观察流水线中几何变换的基本原理以及图像缩放过程中双线性插值的基本原理，

3 教学方法探讨

根据学习金字塔的理论，不同的学习方式使得学习者在两周后的平均学习保持率（能够记住内容的多少）会有明显不同。其中，单纯听讲的方式平均学习保持率最低；若在听讲的过程中辅以声音、图片、动画等多媒体演示，平均学习保持率会有所提高；若在听讲过后进行小组讨论或实际演练，平均学习保持率会更高；平均学习保持率最高的方式即在自己理解的基础上，以简明易懂的方式传授给别人。

鉴于此学习理论，教师可以在教学过程中尽可能使用图示、动画方式讲授原本枯燥无味的数学原理，如直线段的绘制算法、图形显示的三维观察流水线以及纹理的绘制，还可以基于“做中学”的思想在教学过程中贯穿课程实验。在课程开始之初，教师可以在课程网站上公布所有实验，旨在让学生提前了解该课程中需要掌握的知识点，从而带着问题听讲；在讲授完知识点后，可以带领学生进行相应的实验，在实际演练中加强学生对知识点的理解，学生还可以就不理解的问题及时向教师求教。在课程结束时，教师可以设置一个小组报告的环节，按照课程实验将学生分成4个不同的小组，每个小组需要报告该实验的基本知识点以及在实验过程中遇到的问题、如何解决以及实验体会，从而通过这样的方式达到学习金字塔的最高层次——教别人。

4 结语

根据学科发展的趋势以及教学时数削减的限制，我们在图形图像一体化教学模式上进行探讨与实践。经过3年的实践，在教学内容的组织、实验体系的构建以及教学方法的探讨方面均积累了一些经验，从教学反馈看也取得了良好的教学效果。由此可见，数字图像处理与计算机图形学课程一体化教学在本科教育中是一种可行的教学模式。

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（编辑：宋文婷）endprint