基于翻转课堂的计算机图形学教学模式研究

高雪瑶，张春祥

（1． 哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2． 哈尔滨理工大学 软件学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

基于翻转课堂的计算机图形学教学模式研究

高雪瑶1，张春祥2

（1． 哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2． 哈尔滨理工大学 软件学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

分析计算机图形学的教学特点和翻转课堂的优势，提出将翻转课堂授课模式引入教学过程，结合教学视频、讲义PPT、相关辅助电子资料和实际项目案例，调动学生学习的主动性。在计算机图形学理论教学和实验教学中应用翻转课堂的基础上，总结该教学方法的优点并提出展望。

计算机图形学；翻转课堂；教学视频；项目案例

0 引 言

翻转课堂是一种新型的授课形式，这种授课方法以信息化载体为支撑，充分利用课堂时间，使学生由知识的被动接受者转变为知识的主动获取者，进而培养学生个性化学习、自主学习和合作学习的能力[1]。

计算机图形学是利用计算机表示、生成、处理和显示图形的科学，是计算机科学与技术学科中极其重要的一门课程[2]。在计算机专业方向中，计算机图形学始终是一门核心课程，是图形和图像专业的主干课程，也是后继课程的基础[3]。目前，计算机专业的研究生和高年级本科生都要选修这门课程。在公司招聘、项目开发和科学研究中，计算机图形学的相关知识都是必不可少的[4]。

该课程具有以下特点：

（1）学习计算机图形学需要具备较好的数学基础，所有图形生成算法都是以数学模型为基础的。为了掌握这些图形生成算法，学生需要了解描述这一问题的原始数学公式，并掌握数学模型的推导过程。只有这样，才能理解图形生成算法的整个流程。

（2）在计算机图形学的知识体系中，涉及大量的数学、硬件和软件知识。其中，数学知识包括高等数学、图论、几何学、线性代数等;硬件知识包括微电子学、计算机组成原理等;软件知识包括数据结构、程序设计算法、模式识别、图像处理等。要想学好这门课程，必须掌握上述基础理论。

（3）计算机图形学是一门理论教学与实践环节联系紧密的课程。数学模型是图形生成算法的核心，程序演示是图形生成算法的表象，二者彼此依赖。只有弄清楚算法背后的数学模型，利用编程语言将算法变为可演示的程序呈献给学生，才能充分调动其学习主动性。

传统的教学方法以教师课堂讲授为主，一次性将知识灌输给学生，忽视直观显示的一面。在学习这门课程时，学生经常会感到困难和乏味。

1 翻转课堂在计算机图形学教学中的应用

在翻转课堂的授课模式下，教师将计算机图形学的教学视频、讲义PPT、习题以及与知识点相关的辅助电子资料上传到教务空间上。课前，学生观看教学视频和讲义PPT进行自主学习。在这一过程中，学生会将自己不理解的问题记录下来，通过翻阅教师提供的相关资料逐一解答;学生也会标记自己无法解答的问题，带着疑问走进课堂，更有针对性地听课。课堂上，教师不再采用传统的教学方法，而是将相关知识点按照难度进行分类。对于难度一般的概念性知识点，通过提问的方式让学生讲解;在讲解之后，教师和学生共同讨论，探讨图形生成的原理和本质，让学生畅所欲言，发表各自的独到见解，使大家共享知识获取的乐趣。对于难度较高的知识点，采用启发式讲解方式，将关联的基础知识介绍给学生，构建一幅解决问题的知识结构图，让学生讲解图中的每一个知识点，与学生共同探讨，寻找问题的答案。课后，让学生上网做本节课的测试试题，巩固所学的知识。教师通过批阅试卷，发现学生在学习过程中遇到的问题，在下一次授课时，将会有针对性地复习讲解。

在这种授课模式下，学生自主安排学习内容[5]。计算机图形学往往涉及高等数学、离散数学、算法数据结构等相关课程的知识点，在教材和讲义PPT中，会引用和回顾这些知识点。对于基础好的学生，可以简略地浏览讲义PPT和教学视频，从而有更多的时间阅读教师提供的辅助学习资料，获取更多的知识。对于基础不好的学生，通过多次观看教学视频和讲义PPT，反复理解这些内容。课前，让学生认真预习要讲授的知识;课后，让学生慢慢消化所学习的内容。此外，教师提供的辅助材料也会为解决疑难问题提供指导信息，教师提供的辅助学习资料应尽可能多，形成不同的难度层次，针对不同基础的学生，设计不同的学习方案。对于基础一般的学生，只要求掌握计算机图形学的基本原理和基本图形生成算法;对于基础较好的学生，应该能够灵活地应用基本图形生成算法开发复杂几何图形的绘制程序。

各种图形生成算法之间存在着相似性，例如直线段扫描转换算法、圆弧扫描转换算法和多边形扫描转换算法，可采用类比教学方法讲解这些图形扫描转换算法。对于最简单的直线段扫描转换算法，可以进行详细地讲解，让学生掌握具体算法流程。在讲解其他扫描转换算法时，重点阐述基本原理，通过类比让学生讲解算法的细节，使学生积极参与授课环节。

2 翻转课堂在计算机图形学上机实践中的应用

翻转课堂教学方法非常注重项目实践环节，而计算机图形学是一门非常注重动手能力的课程。在给出目标图形的形状描述后，要求学生能够编写出显示该图形的算法程序。通常，复杂的图形由若干个简单的图形组成，而这些简单的图形生成算法都是课堂上讲过的。很多图形的形状不同，但其生成显示的原理是一致的，可以类比典型的图形生成算法来实现。因此，应该注重典型图形生成算法的上机实践。在上机实践环节中，给学生布置简单的图形绘制算法，让学生编程实现该算法，通过运行程序在屏幕上绘制图形，使学生能够直观地掌握该算法。实践表明，这种教学方法可以提高学生学习的主动性，学生对计算机图形学相关知识点掌握得更加牢靠，理解得更加深人，在使用这些知识编写图形生成程序时，表现得更加娴熟和灵活。

在掌握简单典型图形生成算法的基础上，需要培养学生的综合应用能力。在上机实践课上，教师与学生共同讨论复杂图形的特点。通过类比的手段，启发学生分解复杂图形生成的过程，让学生提出各自的图形生成方案。图形的生成方案有多种，教师要剖析每一种分解方法的优缺点，选择一种较优的方法，倾听学生解决问题的思路，对其中的问题一一进行点评，纠正其中的错误。通过这种方式，让学生掌握编写图形生成算法的思路，并针对实际给定的问题，学会利用已有的案例，结合图形的具体特点设计图形生成算法。在计算机图形学中，错误分析是一种有效的学习方法，激烈的讨论可以使学生对所学的知识印象更深，也可以使学生掌握设计图形生成算法的技巧。在这一过程中，学生编程实现自己的图形生成程序，在编译执行之后，屏幕上将呈现出错误的图形形状。教师结合错误的图形，剖析其中的问题，使用更直观的方法教育学生。实践结果表明，这种错误分析方法是十分有效的。

案例教学能够激发学习兴趣，使学生主动探究问题产生的原因[6]。在翻转课堂教学过程中，将实际项目引人课堂，让学生参与项目的开发过程，可以使学生对图形算法有一个更加深刻的理解。在系统中，往往存在着多个绘图功能模块，在设计出系统的框架结构和实现部分绘图功能模块之后，可以将功能简单和具有类似流程的模块作为题目分发给学生。全班学生按照任务划分，形成若干组，每一组负责开发实现一个绘图功能模块。在分配任务之前，教师已经实现了部分典型的功能模块;在分配任务的时候，将具体的任务和这些已实现的功能模块代码一起分发给学生。学生通过剖析这些模块的实现代码，找出与要实现任务之间的相关性，借鉴这些模块的设计方案和代码，研究探讨如何实现新任务。教学实践表明，这种项目驱动的实践方法可以最大限度地调动学生学习的主动性。分析模块实现方案和代码，是一种非常好的学习程序设计和编码的手段。通过研究教师给出的案例和项目整体框架，学生可以了解大型程序是如何开发出来的。学生可能没有时间和精力亲自完成每一项任务的开发工作，但是，应该向他们介绍项目的每一个环节是如何实现的。通过动手设计与开发某个固定模块，学生可以学习和了解整个项目的设计开发工作，能对实际项目开发流程有一个深刻的认识。基于翻转课堂的计算机图形学上机实践如图1所示。

图1 基于翻转课堂的计算机图形学上机实践

3 基于翻转课堂的计算机图形学教学方法的优点

在计算机图形学授课过程中，采用翻转课堂的教学模式可以提高学生的学习效率，使课堂更具创造性。在课堂上，教师的地位已发生变化，不再是授课过程的主角，而作为学习主体的学生发挥着越来越重要的作用。具体表现为以下3个方面：

（1）有利于个性化教学。在计算机图形学课程中，涉及很多数学和计算机相关课程的基础知识。根据自己掌握知识的程度，学生可以自主安排课前自学的内容。对于掌握得不好的学生，需要查阅资料弄懂相关知识;对于掌握得较好的学生，可以直接进人新知识的学习。

（2）在授课过程中，可以采用灵活多样的教学形式。通过提问了解学生课前学习的情况，让学生讲解基本概念和基本原理，教师对学生讲解的内容进行补充、解释和点评，其余学生通过这一过程获取知识。对于重要的知识点，教师可以采用讲授的方式，在整个教学过程中，教师使用启发式授课方法增加学生的学习兴趣。

（3）在整个教学过程中，学生是知识传播的主体。学生作为主体，能够充分调动其学习主动性。在学习过程中，教师让学生自己发现知识的薄弱点，培养其发现问题、探索问题和解决问题的能力。

4 结 语

翻转课堂教学模式为计算机图形学教学提供了一种新的思路。计算机图形学结合翻转课堂教学模式注重学生自主学习能力的提升，使用案例教学方法提高学生的自主学习兴趣，让学生参加实际的图形学项目开发，让他们理解、应用学到的知识，达到熟练掌握知识的目的。基于翻转课堂的计算机图形学教学是对传统教学模式的颠覆，整合了线上线下教学资源，是多媒体教学手段、教学理念和培养途径创新改革的一种升华。

[1] 袁友伟, 仇建, 张雪峰. 数字电路的翻转课堂教学[J]. 计算机教育, 2016(7): 40-44.

[2] 徐文鹏, 王玉琨, 刘永和. 计算机图形学基础(OpenGL版)[M]. 北京: 清华大学出版社, 2014.

[3] 宋春霖, 杨金龙, 袁运浩. 计算机图形学教学改革与探讨[J].教育教学论坛, 2015(49): 152-153.

[4] 梁芳, 沈济南, 胡俊鹏. 信息与计算科学专业计算机图形学课程教学改革实践[J]. 教育教学论坛, 2015(46): 114-115.

[5] 王佳文, 柴冬梅. 翻转课堂教学模式在高职数学教学中的实践研究[J]. 教育教学论坛, 2015(50): 125-126.

[6] 张淑琴, 马英忱, 闫石. 材料力学课程案例教学的研究[J].大学教育, 2015(12): 159-160.

（编辑：孙怡铭）

1672-5913(2017)01-0113-04

G642

国家自然科学基金项目(61502124)；黑龙江省自然科学基金项目(F201420)；哈尔滨理工大学教育教学研究项目(320150039)。

高雪瑶，女，副教授，研究方向为图形学与CAD，xueyao_gao@163．com。