引入思维导图的计算机图形学教学实践*

廖彬 胡金龙

[摘 要] 通过分析计算机图形学教学的特点及其存在的主要问题，将思维导图引入教学中，并对图形学课程设置、理论教学、实践教学进行了改革。在教学的各阶段，利用思维导图构建起完整的知识体系。同时，将理论教学与实践教学的考核相分离，使图形学理论课程成为实践课程的前期课程。通过理论课程中原理、算法的针对性讲解，实现理论向实践的平稳过渡，由此激发学生的学习兴趣并培养学生理论联系实际的能力。

[关键词] 计算机图形学；思维导图；图形学理论教学；图形学实践教学

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2016） 07-0106-02

一 计算机图形学课程教学中存在的问题

本科的计算机图形学教学对数学理论有一定要求，往往体现为公式推导、演化等形式，同时也涉及算法设计及其代码实现。而传统计算机图形学教学重点一般侧重于考核学生对知识点的掌握，课程实践所占比例较低。因此传统的教学模式不适用于计算机图形学课程，若仍沿用传统教学模式，则不仅不利于维持学生的学习兴趣，更不利于学生发现问题、解决问题以及创新能力的培养。

1 计算机图形学教学内容与学生的学习兴趣

传统的计算机图形学内容主要有：计算机图形系统概述；二维图形生成和变换技术；三维图形生成和变换技术；真实感图形生成技术；计算机动画技术与实践。该课程入门阶段需要的数学知识主要涉及代数、三角学和线性代数，数学原理与图形的结合在理论教学中占据了一定比重。

传统的计算机图形学教学目标是侧重于培养学生对计算机图形学理论知识的了解与掌握，在教学内容的设置上主要强调图形学知识、概念的系统性与整体性，重点是概念解释与原理讲解，体现为大量的公式推导。

未进入图形学教学前，学生们对该课程的理解大致分为两类：一类认为该课程主要讲述游戏开发。另一类认为是艺术设计。实际上，在本科阶段开设的计算机图形学课程，通常立足于计算机图形学科的入门，教学内容主要是理解与掌握基本的图形绘制原理及其实现算法，能进行基本图形的程序设计。由此，学习内容的枯燥、教学内容与现实应用的巨大落差会导致部分学生的学习兴趣随课程的深入而有所下降。

2 计算机图形学课程实验的设置

计算机图形学的实验内容主要集中于基本图形算法的实现，需要学生运用高级程序语言进行编程，然而作为专业基础课程学习的此类高级程序设计课程，往往以基本知识、程序设计、数据组织三方面为主要内容，一般不涉及图形库编程接口（API）。这导致在本课程的实验教学时，需要针对授课学生原先所学的高级程序语言，补充对应的图形库编程知识，这使得实际的有效实验学时被缩减，而且增大了学生实现算法的难度，以至于进一步加剧了理论与实践脱节的现象。

二 理论教学与实践教学的改革方法与目标

我们在大学本科的第7个学期开设计算机图形学课程，并将其分为理论课与实验课两门课程，两门课程单独核算成绩。其中理论课为32学时，2.0学分；实验课为16学时，0.5学分。在理论课程完成后开始实验课程，计算机图形学的实验不再是传统教学中对理论课知识点的简单重复与验证，而是对所学知识的综合运用与深化。由此，需要合理选择理论课教学内容，以完成与实验课程的衔接。同时，设计合适的实验项目使学生掌握课程基础知识，提高学生的动手能力，以提升计算机图形学的教学质量。

1 理论课教学内容的设计

计算机图形学技术在快速的发展着，与之相适应，图形学课程的教学也发生着变化。现阶段，在计算机图形学教学中主要有3种教学体系，大致分为：理论为主、编程为主、问题为主。其中，理论为主是传统的教学体系，强调对计算机图形学理论的理解与掌握，以公式推导为主要呈现方式，国内外此类教材有Floey的《计算机图形学原理及实践——C语言描述（原书第2版）》，孙家广的《计算机图形学》等。编程为主的教学体系侧重于培养学生初步掌握一种典型的图形学API，以图形学使用者的角度讲授计算机图形学所需的理论与概念，去除非必需的数学原理与公式推导。国内外此类教材有Donald的《计算机图形学（第四版）》，徐文鹏的《计算机图形学基础（OpenGL版）》等。问题为主教学体系的教学目标着重于培养利用计算机图形学知识建立与用户交流的能力，从而实现问题的图形化建模并解决问题。相应的教学内容既涵盖了图形学中的基本概念和技术，也涉及了实现这些概念和技术的图形学工具，然而重点在于介绍如何使用计算机图形学知识来解决实际问题以及如何有效地进行结果展示，Steve Cunningham的《计算机图形学》是此类教学体系的典型教材。此类问题为主的教学体系近年来在美国兴起。

在我们的本科教学中，考虑到学生前期课程的设置与掌握情况，采用了结合OpenGL实现算法的编程为主的教学体系。在实际教学中，既要保证计算机图形学基本概念、理论的完整讲述，也为后续的实践课程做铺垫，有针对性地介绍图形支撑软件，使学生在掌握图形学基本知识的同时，能够在一定程度上自主实践，保持与激发学生的学习兴趣。

2 以思维导图优化图形学教学的实践应用

思维导图（又称心智图），是英国教育学家东尼·博赞在20世纪60年代创造的，它作为模拟放射性思维的图形工具，能激发大脑的潜力。在人获得信息后，进入大脑的信息以新的思想中心与其他信息建立关联，形成向外发散的网状结构。此后，每一个发散出的节点，又将作为新的中心，再次发散形成新连接。

3 实验课教学内容的设计

计算机图形学传统教学中的实践一般使用C++来实现相关算法，实现难度过大，导致学生没有时间和兴趣去完成。实践教学的本意是对理论教学的巩固、完善与提高，为实现理论与实践教学的平稳衔接，我们在实践教学环节中，采用OpenGL作为图形算法接口，让学生有针对性地完成若干实验项目。

OpenGL是一个工业标准的三维计算机图形接口软件，其具有的功能基本上涵盖了图形系统要求提供的所有功能，此外，OpenGL具有的跨平台性、可扩展性、绘制专一性、网络透明性等特点使其应用广泛，降低了对学生编程能力的要求，且由于其开源的特性，使得学生可通过参考其中的算法实现获得编程能力的提高。

我们结合图形学的实际应用与学生的实践能力，设置了如表1所示的实践项目。