计算机图形学教学模式探讨与改进

张艳　车冬娟

摘 要： 针对计算机图形学理论性强、学科交叉、算法推导枯燥、实验内容难度大且效率不高等实际教学情况，分析了传统教学模式存在的问题，提出了新的教学方式。在课堂教学中，注重知识点的连贯性，增加启发式与可视化教学，加强与交叉学科课程的联系，课上讲解结合实验结果进行理论分析；在实验教学中，采取实验指导及上机方式；在课程考核上，注重实践能力的考核。实践表明，新的教学方式可显著提高学生学习积极性及应用能力。

关键词： 计算机图形学； 教学模式； 应用能力； 可视化教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）11-80-03

Discussion and improvement of computer graphics teaching mode

Zhang Yan， Che Dongjuan

（Dept. of Software Engineering， North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang， Hebei 065000， China）

Abstract： Aiming at the actual teaching situation in computer graphics of the strong theory， interdisciplinary， algorithm derivation boring， experiment content difficult and inefficient， the problems existed in traditional computer graphics teaching mode are analyzed and new teaching methods are proposed. In the classroom teaching， pay attention to knowledge consistency， increase the heuristic and visualized teaching， and strengthen the relationship with interdisciplinary course， combine the classroom explanation with the experiment result to theoretically analyze； in the experimental teaching， take the experimental instruction and on computer operation； in the course assessment， focus on practical ability assessment. Practice shows the proposed teaching methods can improve students' learning enthusiasm and application ability.

Key words： computer graphics； teaching mode； application ability； visualized teaching

0 引言

计算机图形学是一门研究通过计算机将数据转化为图形并在专门设备上显示和处理的学科[1]，它与数字图像处理、模式识别、计算几何等学科有着密切的关系，是一门多学科交叉的课程，适用于如计算机、电子、通信、遥感等专业。课程着重图形生成及处理的算法，理论性强，概念抽象，学生不易理解。而目前的课堂教学侧重于理论教学，把较多精力放在算法的理论推导上，讲授内容较为枯燥，考核方式相对单一，很难调动学生的学习积极性，需要对教学模式进行系统化的改进创新，以适应当前科技发展现状。

1 计算机图形学教学现状

随着现代信息技术的不断深入应用，人们对可视化技术提出了更高要求。为了让学生更深入地掌握计算机图形学理论课程和相关专业实践技能，教师必须探索新的课程教学及实验教学方法，提高学生的理论及实践能力。目前，此课程教学模式主要存在以下三个方面的问题。

⑴ 教学内容相对单一，与相关领域知识联系少

表面上看，计算机图形学课程的主要内容是图形算法，因此讲授重点和学习难点主要是算法的推导及理解。实际上，本课程是一门多学科交叉的课程，算法的推导不仅需要较好的数学基础，还需要其他相关课程的辅助学习。而目前很多高校在课程教学中很少与相关学科相结合，从而造成了学生在学习过程中，很难抽象地想象一些图形的生成原理及处理过程。

⑵ 实验环节缺少对实际应用能力的培养

目前，计算机图形学教材种类繁多，但相对应的实验指导教材却寥寥可数。很多高校的实验内容主要是根据课本提供的源代码让学生扩充来实现的，这些源代码的书写没有考虑学生的程序设计基础，实现起来难度高。这会导致部分学生在上机实验时无从下手，产生畏惧心理，更谈不上对算法的深刻理解，降低了学习积极性，严重影响教学质量。

⑶ 课程考核普遍过于侧重理论成绩

计算机图形学课程的主要教学目标是掌握相关图形算法，并通过计算机编程加以实现、应用及改进。但现在课程考核较多地注重书面考试成绩，忽视了学生在实践中发现问题、分析问题及解决问题能力的考核，更缺乏对创新能力和应用能力的综合考评。

2 具体改进措施

2.1 改进课堂教学模式

本节针对课堂教学存在问题，提出以下教学方法。

⑴ 注重知识点的连贯性，增加启发式与可视化教学

计算机图形学课程内容主要分三部分。第一部分是概述，让学生了解与图形学相关的软硬件及作用和研究发展等。第二部分涉及到二维图形的处理技术。第三部分是在第二部分的基础上学习三维图形的处理技术。经过课程的学习学生可以完成简单的线画图元的生成到真实感场景的重现。

课程各个部分有着密切的联系，围绕简单的图元生成到真实感场景的实现为主线。在教学的过程中，教师应以这门课程的大致流程为主线进行讲解，以此降低学生理解的难度。

课程增加启发式与可视化教学，可以降低学生理解难度，以生成真实感场景为目的让学生在学习的过程中思考需要哪些技术。例如图1[2]所示的真实感场景需要哪些技术。通过可视化图形进行讲解，启发学生。教师将中间使用的相关算法（投影、颜色、隐藏面的消除、光照明模型与真实感图形的绘制等）讲解给学生并提供效果图，学生由于看到了效果图，一目了然，就会对相关算法产生兴趣，提高学习的积极性。

⑵ 与交叉学科课程相辅相成

计算机图形学是一门多学科交叉的课程，教师在讲课时要讲清楚各个课程的主要研究内容及重要概念，了解这些课程之间的关系。由此，我们提出以“实践为导向，学生为主体”的教学理念，突出教学理论与实践相结合的特点。增加交叉学科知识的讲解，强调各学科的研究重点，区分各学科易混淆概念，使课程教学适应当前专业人才综合性培养要求。

⑶ 结合实验结果进行理论分析

在讲解算法时，学生不易理解，教学采用预先演示实验结果的案例教学方式，让学生看到演示结果之后加深算法的了解，可激发学生自己动手编程实践的欲望。

如二维填充图元的生成这一章节中，涉及到多边形扫描转换与区域填充方法，这两种方法虽然都是光栅图形的面着色，用于真实感图形显示，在一定条件下可相互转换，但基本思想、对边界的要求、基本条件均不同。为了使学生更好地理解这两种方法，在讲解理论知识时可预先演示两种算法的执行过程，根据结果进行讲解。如：区域填充方法要选定种子点，且种子点不能选在区域以外；两种方法在填充区域时可明显看到多边形扫描转换速度快；当选用区域填充的扫描线种子填充算法时，适用于边界表示的4连通区域，而多边形扫描转换没有边界要求。如图2（a）所示，是扫描线种子填充算法，由于边界不是4连通区域，是8连通区域，因此填充部分溢出了。如图2（b）所示，用多边形扫描转换方法会正确的绘制出理想效果。图3是边界为4连通区域的多边形。两种方法均可得到理想的填充效果，而在填充的过程中多边形扫描转换方法是按y的坐标从小到大的顺序填充的；扫描线种子填充算法填充顺序是按种子点为分界线，先填充一部分后，再填充剩下的一部分，且速度慢于扫描转换方法。图3是扫描线种子填充算法过程图。

⑷ 鼓励学生做好课下总结

课后知识点总结与巩固对于学生真正掌握课程内容有着十分重要的意义，传统的教学是通过书面作业的形式要求学生进行课下练习，巩固所学知识。这种方式是带有强迫性的，有些学生甚至为了完成任务而出现抄袭情况。为了激发学生的积极性及主动性，教师可以鼓励并指导学生以博客、微博、微信等网络形式进行总结，将课上所学知识或者自己的学习心得甚至作业及时提交到网络中，教师定期浏览学生的博文，及时发现学生学习中的问题，掌握教学动态。学生通过书写博文，巩固知识，亦可相互浏览，如此开放的方式使学生羞于抄袭。另外，还要鼓励学生课下以网络的形式进行交流，以便及时解决问题。

2.2 改进实验教学模式

对于计算机图形学课程，通过上机实践可以以可视化的形式将算法实现，从而加强对算法的掌握并让学生真正认识到相关算法的实际应用价值[3]。因此实验课程的设计对这门课有着十分重要的作用。根据以往教学经验，实验课程设计主要满足条件如下：

⑴ 与课本内容相辅相成；

⑵ 实验环境以所学语言为基础；

⑶ 实验难度要适宜。

根据以上要求，从实验课程设置及上机安排上进行改革，以完善课程的连贯性并激发学生的积极性、主动性和创新性。由于MFC（Microsoft Foundation Classes）可以实现从简单图元到真实感场景的生成设计[4]，实验课程采用MFC开发图形学案例。

传统的实验教学一般要求学生在上机课结束后交纸质版实验报告，致使一部分同学上机课慵懒，甚至忽视上机前的预习工作，效率低下。针对此问题，教师可以指导学生在实验结束前进行验收或者提交实验报告。如：教师可以指导学生在上机课结束前将实验报告提交到Moodle平台（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment，是一种为学生建立网上动态网站的开源课程管理工具）[5]，教师在平台上了对提交作业进行打分，书写评语，将学生提交的报告的修改稿再次提交到平台，反馈给学生。如此减少学生课下拖延及抄袭状况，并在上机过程中及时发现问题并随时请教老师。

2.3 改进课程考核模式

课程考核是学生学习课程的指挥棒，是督促学生掌握课本理论知识，进行实际操作，检验理论知识和实践效果的一种手段。应以提高学生实践应用能力为目的，不拘泥于试卷成绩。传统的考试方式是以笔试考核为主的检验手段，这种方式不能对学生的综合素质做出判断。教师应采用灵活有效的考核模式。课程考核应加大上机及平时成绩的加权系数，尤其注重学生上机时对理论知识掌握而表现的实践能力和创新能力。平时成绩要将学生以网络等形式进行课程内容的总结部分一并计入成绩中。

3 结束语

本文从课堂教学、上机实验教学、课程考核等方面提出了计算机图形学教学模式新方法，实践表明，本文提出方法可显著提高课程的教学效果。今后的教学中，计算机图形学要以能力培养和提高学习兴趣为目标，以理论算法为主线，上机实现算法为辅线，采用公正且注重实践能力的课程考核方式，以此提高学生创新能力及应用能力。

参考文献（References）：

[1] 倪明田，吴良芝等.计算机图形学[M].北京大学出版社，2005.

[2] 清华大学.计算机图形学基础[EB/OL].[2016.6.15]. http：//

cg.cs.tsinghua.edu.cn/course/.html.

[3] 孔令德，刘晋钢.应用型工科院校计算机图形学教学模式改

革[J].计算机教育，2011.9：20-22

[4] 仇谷烽，张京，曹黎明.基于Visual C++的MFC编程[M].清华

大学出版社，2015.

[5] Moodle[EB/OL].[2016.6.15].http：//www.aieln.com/zt/8/.