计算机图形学教学改革研究

李红，吴粉侠，张琳娜

（1.咸阳师范学院　信息工程学院，咸阳　712000；2.礼泉实验中学，咸阳　713200）

计算机图形学教学改革研究

李红1，吴粉侠1，张琳娜2

（1.咸阳师范学院信息工程学院，咸阳712000；2.礼泉实验中学，咸阳713200）

0　引言

计算机图形学技术已经广泛地应用于图形界面系统（Graphic User Interface，GUI）、计算机辅助设计与制造CAD/CAM、地理信息系统GIS（Geographic Information System）、科学计算可视化、虚拟现实、计算机游戏和影视广告等领域［1-2］。计算机图形学是软件工程专业的专业核心课程之一，它主要研究利用计算机显示、生成和处理图形的原理、方法与技术，课程开设的目的旨在使学生掌握计算机图形生成与处理技术的基础知识、基本原理和方法，培养学生开发与处理图形相关软件的能力。该课程研究内容丰富，知识跨度大，不仅涉及到了计算机学科的数据结构和程序设计等课程，同时涉及到高等数学方面的曲线曲面表示、几何变换和微分等知识。该课程是一门理论与实践相结合的课程，传统的讲授型教学模式很难满足教学要求。

本文首先分析了计算机图形学课程的特点以及传统教学中存在的问题，针对这些问题，探讨了软件工程专业以培养学生兴趣为主导的多模式教学改革思路，以提高学生编程能力，改善计算机图形学课程的教学质量。

1　计算机图形学的课程特点

计算机图形学是一门理论性很强的课程。当前，本科阶段计算机图形学的教学重点仍是图形生成、图形变换、曲线曲面的生成和三维几何造型等，内容抽象、数学推理多，算法繁多，对于数学基础较差的学生来说难以理解和掌握，听课就如同听天书，学习积极性受打击，学习效果也就打了折扣。

计算机图形学是一门综合性的课程，它综合应用数据结构、程序设计、高等数学、线性代数等课程的知识［3-4］。例如，在这门课程中涉及到了数据结构中的队列、栈、树、图等数据结构中的知识；在几何变换章节中涉及到了线性代数的知识；在曲线曲面生成章节涉及到高等数学中的微积分的知识。这些知识分布在大学的不同年级，不同阶段，也给学习造成了困难。

计算机图形学又是一门实践性很强的课程，要求学生具有较强的动手操作能力和编程实现能力。图形学中的算法在教学目标中都要求被实现，包含了二维图形的生成，几何变换，三维图形的几何造型等的实现。在教学实践中，发现大部分学生编程能力不强，无法完成相应的实验任务。

2　教学中存在的一些问题

由于计算机图形学理论性，实践性都很强，又综合应用了计算机学科、数学学科及其他学科的知识，导致该课程在实际教学过程中存在如下问题。

2.1教学模式单一

由于其理论性强，教师为了有助于学生理解掌握理论通常都是用板书和PPT进行灌输式的传授知识。学生被动接受知识，理解肤浅，对算法的思想难以掌握，更难以将算法进行扩展，举一反三。

2.2动手能力不足导致学习积极性不够

软件工程专业对计算机图形学的教学要求中，要求学生掌握基本图形的生成算法等，并要求学生能将生成算法用程序实现，然而在教学实践中发现，大部分学生的编程能力不强，无法按要求独立自主的实现相应算法，只能依赖课本上提供的代码。而计算机图形学的实践环节是帮助学生理解掌握抽象理论的有效手段，完不成实验任务一方面不利于学生理解掌握理论，同时学习积极性受到打击，为后续章节的学习也造成了困难，同时也达不到提高学生编程能力的教学目标。

3　培养学生的学习兴趣，提高教学效果

3.1精心组织课堂，调动学生的学习兴趣

首先，通过丰富多彩的第一节课来调动学生的学习兴趣。通过多媒体教学充分的展示图形学的研究内容，包括基本的二维图形曲线曲面的生成，分形树的生成，三维场景的效果图，非艺术的效果图等，如图1所示。通过分析与讲解其中所包含的图形学技术及原理，让学生了解这门课程的研究内容及应用前景，这样学生就容易对该课程产生兴趣。同时展示以往学生的优秀作品，增加他们的学习信心，也就能促进他们坚持学习的积极性。

图1　示例图

教学过程中将传统的板书和多媒体教学有效结合起来，将枯燥的理论推导与算法的实现结合起来，对于算法推理的部分，用板书分析，逐一讲解，但若仅限这些，学生很容易对课程失去兴趣，所以就得借用多媒体系统，直观演示教学，让学生所想即所得，以实际效果调动其积极性；在此基础上对算法做改进优化，进一步的激发学生的学习兴趣。

在教学方式上将讲授型与自主学习型结合起来。对于教材中不是特别难的理论及算法如二维基本图元的生成算法，教师可以依据自主学习的原则，教学目标，组织、帮助和指导学生有效地开展自主性学习，最后再针对学生不理解的问题重点讲解，达到让学生内化知识的教学效果。对于理论性强的如Bezier曲线曲面的生成部分，教师则需要精心组织教学内容，知识结构，由浅入深，逐层递进的方式给学生讲授，达到高效地学习的效果。

3.2设计阶梯式试验任务

为了调动学生学习的积极性，在实验课程中设计了阶梯式实验任务，通过生动有趣的实验调动学生学习的积极性。对实验任务精心设计，程序可渐增式完成，难度由低到高，具有阶梯性，大部分实验任务以交互式实现，实验内容生动活泼。笔者所教授的学生为软件工程专业的学生，他们在学习图形学之前已经学习过数据结构和VC++程序设计等前导课，所以我们所选择的实验环境是VC++，对于二维图形的实验任务VC++能全部完成，对于三维图形的相关程序就需要给其添加OpenGL库以完成实验任务。

实验从VC++绘图程序框架开始，指导学生搭建好应用程序的框架，并添加各类绘图功能，包括二维图元的存储等功能。在此基础上实现图形学中的二维基本图元生成的各类算法的实现，再增加填充图元的算法实现及线型线宽的处理，二维裁剪算法的实现。对于图形变换设计的实验为简单动画的设计实现，借助前一章的图元结构，在其基础上增加图元的平移、旋转、缩放和色彩变换等功能，以达到提高学生学习兴趣并且巩固变换的理论知识。对于三维图形的实验采用的是先以OpenGL实现简单的三维形体的绘制与显示，在此基础上添加多个三维构件实现复杂的三维场景，最后再对灯光等作调整，添加不同的纹理效果。对分形几何部分单独设计分形实验完成实验内容。

针对课程与学生的特点，我们制定了适合于我们教学目标与教学内容的实验体系，如表1所示。

4　结语

本文探讨了软件工程专业计算机图形学课程教学改革的思路，提出了以兴趣为主导的多模式教学思路，重点强调了在教学与实验的各个环节培养学生的学习兴趣，结合直观演示教学法和案例教学法，激发学生的自主学习能力。多年的教学实践表明这样的教学方式较传统教学方式更能调动学生学习的积极性，从而达到提高学生编程能力，掌握图形学相关理论和技术的教学目标。

表1计算机图形学课程设置及学时分配表

［1］吴正升，郭健.GIS专业《计算机图形学》课程建设与教学改革［J］.测绘与空间地理信息，2011，34（2）:10-12.

［2］周虹，傅向华，王志强.基于计算思维的计算机图形学教学改革［J］.计算机教育，2013，5:55-58.

［3］曹卫群.研究生计算机图形学课程教学研究［J］.计算机教育，2013，23:38-41.

［4］杭后俊.计算机专业计算机图形学教学实践探讨［J］.计算机教育，2012，17:76-79.

Computer Graphics；Interest Teaching；Learn Autonomy

Research on Computer Graphics Teaching Reformation

LI Hong1，WU Fen-xia1，ZHANG Lin-na2
（1.School of Information Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000；2.Li Quan Shi Yan Middle School，Xianyang 713200）

1007-1423（2015）29-0066-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.29.016

李红（1976-），女，陕西人，硕士研究生，副教授，研究方向为图像处理

吴粉侠（1976-），女，陕西人，硕士研究生，讲师，研究方向为图像处理

张琳娜（1984-），女，陕西人，本科，研究方向为图像处理

2015-09-25

2015-10-10

通过分析计算机图形学课程的特点及计算机图形学教学中存在的问题，提出以培养学习兴趣为主导的多模式的教学方法，以激发学生的求知欲，调动学生的学习积极性与主动性。实践证明，所提出的教学方法，可以改善教学效果，提高学生的动手能力。

计算机图形学；趣味教学；自主学习

陕西省教育厅科研项目（No.14JK1802）、陕西省教育科学“十二五”规划课题（No.SGH140808）、咸阳师范学院科研项目（No.13XSYK053）、咸阳师范学院教育教学改革课题（No.201402014）

Analyzes the characteristics and the problems of the courses of computer graphics，proposes a novel multimodal teaching method.This method is arousing the students'interest and curiosity.Thus，we can mobilize students'learning enthusiasm and initiative way of teaching. The practice indicated that we can obtain the satisfied teaching effect and improve the practical ability.