项目驱动模式下《计算机图形学》课程实践教学改革研究与实践

孙阳光

（中南民族大学计算机科学学院，武汉430074）

项目驱动模式下《计算机图形学》课程实践教学改革研究与实践

孙阳光

（中南民族大学计算机科学学院，武汉430074）

针对《计算机图形学》课程教学的特点及问题分析，设计基于项目驱动模式的四大核心教学模块，构建项目案例分析、典型项目重建和自主性项目训练的层次化项目实践教学框架模式，进行教学内容设置，并给出相应的课程实践教学体系。该教学模式注重学生的参与性与实践性，逐步培养学生的学习主动性，也有利于教师及时发现教学过程中学生的困难和问题，实现教和学的相互促进。

项目驱动；计算机图形学；实践教学；教学改革

中南民族大学教研项目（No.JYX14023）

0　引言

1　课程教学的特点及问题分析

《计算机图形学》是计算机相关学科和实现计算机可视化的重要研究内容之一，它借助数字化手段将数据转换为图形，研究在计算机环境下景物的几何建模方法、模型的处理方法、模型的绘制技术、图形输入和控制的人机交互界面等内容［4］。与其他计算机专业课程相比，该课程教学具有以下几个显著特点［5-6］：一是理论要求高，知识范围广，该课程相关知识点多具有大量的方法、技术或算法，新技术和新方法又不断涌现，且增强图形真实感也需涉及物理等学科，所以课程对教学有着较高的理论基础和知识范围；二是实践能力强，编程要求高，为了能够更好地理解和掌握算法，需要能够对其进行编程实现，这使得相关编程语言和数据结构知识的讲解也要在课程的教学过程中有着较高的要求。三是技术发展快、学科交叉多，随着软硬件技术的快速发展，相关的新技术和新方法不断涌现，尤其是应用领域不断拓展，这就要求课程的教学过程中要紧跟其学科的发展，把最新的成果融入到教学过程中，进一步增强学生的兴趣和课程实用性。

在《计算机图形学》的传统教学方法中，通过大量教学观察发现，学生学习困难，教学效果不够理想，其教学问题主要体现在以下几个方面：一是该课程对理论基础要求高，知识点具有多和分散特点，且不易掌握，尤其是需要一定的数学基础和相关学科的基础知识；二是对于图形的各种生成算法、处理技术以及显示过程，要求学生有较强的空间想象力，算法基础和推导能力，以及软硬件接口的基础知识；三是该课程具有较强的实践性，要求学生具有较强的动手操作能力和编程实现能力。因此，在教学上，增强理论与实践教学的互动性，已成为学生掌握这门课程的关键。通过了解课程的教学特点，并对相关问题进行分析，这可帮助我们更好地制定教学计划、改善教学效果。

2　课程实践教学探索与实践

针对计算机图形学发展快，实践性强，学科交叉内容多和课程教学的特点，结合课程教学过程中的问题分析，我们将在课堂理论教学的过程中引入项目实践教学，可提高学生的学习兴趣，增加学生学习的主动性。同时，在项目驱动的模式下有利于教师及时发现教学薄弱环节，有效地促进教学方式和方法的改进，从而进一步提高教学质量。

2.1课程实践教学模式

基于项目驱动的模式，本文设计了相应的《计算机图形学》课程实践教学模式，该教学模式由基础理论教学、项目案例分析、典型项目重建和自主性项目训练这四大核心教学模块组成。通过设计和运用这四个核心模块，构建了项目案例分析、典型项目重建和自主性项目训练的层次化项目实践教学框架模式，引导学生学习的主动性，促进学生在学习过程中将基础理论知识与实践应用的有效结合，加深对课堂知识的理解和掌握，给出了相应的《计算机图形学》课程实践教学系统。这里，该教学模式中所设计的四大核心模块内容具体如下：

（1）第一个模块是基础理论教学，该模块以《计算机图形学》课程的教学内容为中心，分析实践教学过程中，课程设置的重点和难点，并充分考虑实践教学环节的目标和特点，设计逐步提高的实践教学内容；

（2）第二个模块是项目案例分析，该模块以实践教学内容为基础，按照核心概念的基本原理和基本方法，给出对应的课程教学案例及其综合性的教学内容，加深学生对相应概念的知识点的理解和掌握；

（6）优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。

（3）第三个模块是典型项目重建，该模块将典型项目融入到实验实践中，设计相应的教学实验系统，形成具有目标导向的具体项目实验任务，将课堂知识与具体项目实践相结合，从而引导学生进一步增强对课程知识点的熟练和运用；

（4）第四个模块是自主性项目训练，该模块设计部分综合性和自主性较强的实验教学内容，让学生依据所掌握的课程知识进行自主性项目训练，使学生在课堂学习过程中开展创新训练，从而实现让项目带动专业课程学习，让专业课程学习融入到实际项目中的相互促进。

对于本科生的课程教学，我们设立的课程教学目标是通过本课程的教学，使学生熟悉计算机图形学基本知识和基本理论的主要内容，掌握计算机图形学中基本的二维和三维图形的计算机绘制方法，理解光栅图形生成基本算法、几何造型技术、真实感图形生成、图形标准与图形变换等基础概念和知识，培养学生具有一定的运用所学知识进行图形程序设计的能力，为图形算法的设计、图形软件的开发打下基础。

基于所设立的教学目标和所设计的四个核心教学模块，本文给出了相应的项目驱动模式下的《计算机图形学》课程实践教学系统。该教学系统由课堂理论教学和实验实践教学两大部分组成，其中课堂理论教学包含基础理论教学模块和项目案例分析模块；实验实践教学包含典型项目重建模块和自主性项目训练模块。这里，项目案例分析模块、典型项目重建模块和自主性项目训练模块这三个模块组成项目实践教学（该实践教学系统的结构框图如图1所示）。

图1　课程实践教学结构框图

2.2课程实践教学实践实施

本文以48学时的本科课堂教学为例，给出所构建的课程实践教学改革的具体实践实施。这里，我们将课程分为32学时的课堂理论教学和16学时的实验实践教学，其中，基础理论教学模块28学时、项目案例分析模块4学时、典型项目重建模块8学时和自主性项目训练模块8学时。可以看出，项目实践教学达到了20学时，这将更好的促进了课堂教学和应用实践之间的转化，激发学生学习兴趣和自主性，提高学生综合应用能力。下面给出了课程实践教学体系中教学内容及学时分配的相应具体规划：

（一）课堂理论教学（32学时），包括基础理论教学（28学时）和项目案例分析（4学时）

（1）概述（1学时），讲述计算机图形学的概念、研究内容、发展历史、与其他专业课程的联系、相关应用领域及其前景趋势。

（2）计算机图形系统及硬件基础（2学时），讲述计算机图形系统的构成、计算机图形系统硬件设备和图形标准，尤其是图形的显示、绘制和输入设备。

（3）基本光栅图形算法（6学时），讲述直线、圆和多边形的扫描转换、区域填充、字符的生成和光栅图形的反走样算法。教学重点是基本光栅图形如直线、圆、椭圆和多边形等图形的常用生成算法，以及图形区域填充等基本生成方法。

（4）变换和裁剪（5学时），讲述变换的数学基础、图形显示中的基本概念、几何变换和裁剪。教学重点是二维、三维图形几何变换和二维图形的裁剪方法。

（5）三维空间的观察（4学时），讲述投影基本概念、视见体到规范视见体的变换、用三维规范体裁剪、窗口到视口的变换、连续变换的处理和Java3D图形变换。教学重点是投影的基本概念、基本原理以及相应的变换。

（6）人机交互绘图技术（4学时），讲述基本交互任务、常见辅助交互技术、人机交互输入模式、人机交互新技术、人机交互的发展趋势。教学重点是交互式绘图概念、基本模式、技术和交互式绘图系统的发展趋势。

（7）可见面的判定（4学时），讲述可见面判断的有效技术、区域细分算法、八叉树算法、z缓冲器算法和扫描线算法、深度排序算法和光线投射算法。教学重点是可见面的基本概念和典型的判定方法。

（8）颜色和简单光照明模型（3学时），讲述颜色基本概念、简单光照明模型、光滑明暗处理技术和Java3D环境下的光照明模型。教学重点是颜色和光照明的基本模型，以及两种典型的明暗处理技术。

（9）曲线曲面的表示（3学时），讲述曲线曲面的基础知识、Bézier曲线、双三次Bézier曲面、B样条曲线曲面和Coons曲面。教学重点是Bézier曲线曲面的基本模型和生成。

（二）实验实践教学（16学时），包括典型项目重建（8学时）和自主性项目训练（8学时）

（1）典型项目重建（8学时），以项目具体实验任务为实验目标导向，设计4个以典型项目为实验背景的教学实验系统，包含直线和圆的扫描转换、多边形的剪裁、交互技术应用以及简单自然场景的仿真等重要知识点，这里学生每次实验课2学时完成一个具体的实验项目。通过完成这些典型项目的重建，学生们经历分析、设计、开发、测试、总结和验收等项目实践开发的各阶段，有助于巩固和实践计算机图形学课程中的理论和算法，学习和熟练表现计算机图形学算法的实现技术。

（2）自主性项目训练（8学时），以计算机图形学算法为目标，设计并实现一个能够表现计算机图形学算法原理的或完整过程的演示系统，要求界面美观大方，所设计项目具有创新性，并能清楚地演示系统执行的每一个步骤。该项目训练以小组为单位开展和验收，所设计实验内容需整合到一个框架下，并形成完整的项目完成报告，包含项目需求分析、项目实验原理、具体实现步骤、系统实现展示和项目总结分析。通过自主性项目训练的创新实践，培养学生积极主动学习和勇于探索的精神，树立正确的科学研究习惯，以及独立发现问题、分析问题、解决问题，并确定解决方案的综合能力。

3　结语

本文利用项目驱动模式在课堂理论教学过程中引入实践项目教学，不仅能够引导学生学习的主动性，进一步加强实践操作能力，还能够使学生更好地了解学科最新发展动态，激发学生的创新思想，培养学生的创新能力。在项目的实施过程中，学生可在团队协作中不断学习进步，改变了单纯依靠教师课堂说教的传统教学模式，尤其在讲解课程核心内容的同时，注重了学生的实际动手能力，使学生更好地掌握课程的基础理论，从而进一步提高教学质量，提升学生的知识运用及创新能力。

［1］教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］魏海涛，俞志强，鲁汉榕，等.计算机图形学教学改革与教学体系创新［J］.计算机教育，2012，6：26-29.

［3］李红，吴粉侠，张琳娜.计算机图形学教学改革研究［J］.现代计算机（专业版），2015，29：66-68.

［4］张彩明.计算机图形学简明教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］刘肖琳，尚洋，赵冬明.计算机图形学课程的精讲多练教学法［J］.计算机教育，2016，1：146-148.

［6］庄建东，曾勇进.《计算机图形学》课程实践教学探讨［J］.集美大学学报（教育科学版），2013，3：125-127.

Project-Driven；Computer Graphics；Practice Teaching；Teaching Reformation

Research and Implement of Practice Teaching Reformation of Computer Graphics Based on Project-Driven Mode

SUN Yang-guang
（College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074）

According to the characteristics and problem analysis of the course teaching about Computer Graphics，presents the corresponding practice teaching system and the teaching content by designing the four core modules based on project-driven mode，and constructing the practice teaching framework mode include the project case analysis，the typical project reconstruction and the independent project training.The proposed teaching mode emphasizes students'participation and practice，cultivates gradually learning initiative，and is helpful for teachers to find out the difficulties and problems in teaching，so it realizes the mutual promotion of teaching and learning.

1007-1423（2016）28-0011-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.003

孙阳光（1978-），男，河南许昌人，博士，副教授，研究方向图形图像处理、计算机视觉

2016-08-18

2016-09-30