计算机图像学算法可视化教学系统设计与实现分析

史瑞芳

[摘 要]计算机图像学算法具有一定的抽象性，难于理解，且较为枯燥，学生在学习的时候难度较大，而随着计算机技术的不断发展和进步，教育教学方式发生了巨大的变化。可视化教学系统就是以计算机技术为基础诞生的一种新型教学方法，其在计算机图像学算法中应用能够将难以理解的知识点和抽象的概念，运用交互控制技术进行演示，使学生能够充分理解相关的知识，其对于教学具有重要的作用。

[关键词]计算机图像学；算法；可视化；教学系统；设计

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.094

[中图分类号]G642；TP391.41 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）16-0-02

计算机图像学主要研究运用计算机进行图像生成、处理、输出与显示的基本原理和算法的学科，是计算机应用中的重要分支之一，学习好这部分知识能够有效提升学生的算法设计能力和编程实践能力。但是，这门课程的学习难度也比较大，一些复杂的知识学生在课堂上难以理解。为了更好地提升教学质量，满足学生的学习需要，部分学者尝试将可视化教学系统应用在教学中，希望能够借此做好相关教学工作。

1 应用可视化教学系统的意义

相关心理学研究表明，个人在一生中所获得的信息有90%以上都是通过视听渠道获取的，而这90%中又有80%是通过视觉获取的，由此可见，对于学习者来说听觉器官比较重要。所谓的可视化实际上就是借助科学设备，利用人们可视的特点，传递、处理和理解各种各样的信息。在教育教学知识的时候，可视化教学可谓是随处可见，如在课堂上教师借助书本、多媒体教学设备等传递的知识，实际上都可以看作是可视化教学的一部分，可视化教学通过适当教学设计，能够将可视化信息传递给学生，使他们在最佳的学习条件下学习相关的知识，这对于学习者获取知识具有较大的帮助。同时，在教学工作开展的过程中，可视化教学还能使教师与学生更好地进行沟通和交流，可视化教学系统多种多样，部分系统在传递信息的时候，传递的方法比较多，教师在教学时也不必拘泥于传统的课本板书式教学，在教学相关知识的时候，教师有了更多的选择，其與学生的交流和沟通也更为顺畅。同时，其还具有活跃课堂气氛的作用，在学习知识的过程中，每个学生对于知识的感兴趣程度都是不同的，如有的学生对于教师所讲解的知识比较感兴趣，因此，学习积极性相对来说也比较高，但是也有许多学生对于教师所讲解的知识，不是很感兴趣，而在教学时就需要教师对学生进行适当的引导，可视化教学的方法比较新颖，能够通过多种渠道和方法实现教学目的，因此其对于调动学生的学习兴趣具有重要的作用。

此外，近些年来，随着新课程教学改革工作的深入开展，教育教学模式也发生了较大的改变，各种新型教学方法可谓是层出不穷，这些新型教学方法的出现实现了教学创新。可视化教学系统的设计与实现，也是教学创新的一种表现，其对于我国教育教学事业的发展也具有一定的促进作用。

2 可视化教学的优点

可视化教学模式与传统的教学模式相比，具有较为鲜明的区别，其是以现代化计算机技术为背景诞生的新型教学模式之一，其在教学中的应用能够将抽象的理论知识进行转化，使之转变为具体的知识，对于提升学生的创造性思维能力具有重要的作用，在具体的教学中，其具有以下几个方面的优势。

（1）激发学生的学习积极性。在教学中应用可视化教学能够激发学生的学习积极性，使相关的教学理念和教学方法更好地储存在学生的记忆中，不仅有利于学习计算机图像学算法，而且对于学习其他学科的知识也有着较好的帮助。

（2）具有一定的趣味性。可视化教学软件具有一定的趣味性，在教学中兴趣是学生学习路上的指路明灯，其对于获取知识和提升能力具有重要的作用，但是培养学生的学习兴趣也并非是一朝一夕的事情，而可视化教学系统的趣味性，能够较好地吸引学生的注意力，有助于学生形成学习动机。而且，在教学中具有不受时间和空间限制的特点，学生在课下也可以借助相关系统，探究算法知识，对于学生的成长及发展具有重要的意义。此外，该系统能够详细地展示算法执行的过程，有助于学生理解和消化重难点内容，提升其学习能力，帮助他们掌握知识。

（3）有利于了解学生。在应用可视化教学法后，教师在教学中有了更多的时间了解班上的学生，进行课程教学设计，这样在后期教学工作开展的过程中，教师也能够结合学生的实际学习情况，更好地开展相关的教学工作。

3 教学系统的设计

计算机图像学算法具有一定的抽象性，学生在课堂上学习相关的知识时，如果仅仅只是依靠传统的静态代码教学，让学生自行想象图像数据的动态结构变化是一件极为困难的事情，长期如此很容易使学生丧失学习的积极性。为了让学生对计算机图像学算法原理有更加清晰的理解和认识，更加直观的印象，提高学生的学习兴趣，在教授该课程时，教师借助了大量多媒体教学技术开展相关的教学工作，但是这些教学软件在应用过程中也存在较多的问题。例如：针对部分教学软件知识课本的电子版本，教师只是简单地将课本上的知识搬到投影仪上，教学方法可谓是换汤不换药；算法虽然采取了Flash动画演示，但在教学中也只是按照预先设定好的程序进行算法描述和演示，学习者在学习过程中只是被动地接受教学内容，无法根据自己的需要输入不同的条件改变输出结果，更无法控制动画演示的进度，这样学生在学习时，还是单方面地接受知识，教学互动效果并不是十分理想。此外，这些传统的教学软件还缺乏在线写作学习的功能，教学效果并不是十分理想。

针对传统计算机教学软件中存在的不足，可视化教学系统结合计算机图形学算法教学的实际情况，在设计过程中做了较大的改变和尝试。首先，该系统建立了虚拟栅格和以可见点模拟人眼不可见的像素点，在教学中其能够有效地利用可视化技术以动画形式模拟该课程基本算法的实现过程、难以理解的知识点和抽象概念等。其次，在进行系统设计时，其注重运用交互控制技术，注重学习者在学习过程中的参与性，如在学习知识的时候，学习者能够借助交互控制技术针对不同的算法修改参数和调整演示速度。最后，该系统还开发了题目实施更新的课后练习系统，学习者在课堂上的课程学习结束之后，还可以借助系统进行自主学习和探究式学习、协作学习等，满足多元化的学习需求，教学平台较为完善，学生的学习需要得到了充分满足，具体设计如下。

3.1 技术路线

可视化编程工具将计算机图像学课程所涉及的一些算法进行了可视化，如直线、曲线生成、椭圆生产、直线段裁剪、多边形填充和分形模拟的动态演示等，在将这些内容可视化之后，其满足了学生的个性化学习需要，提高了教学效率和教学效果。而且在教学时，其对于一些抽象概念、理念等进行模拟，对计算机图形的点、线、面生成原理进行介绍，对多种直线、椭圆、曲面的生成算法进行介绍和演示，从而也能够帮助学生更好地巩固课堂学习重点，理解图形在计算机中的生成原理，掌握计算机中的图形生成算法。此外，该技术还能模拟人眼看不见的屏幕像素，并且以动画的形式完成个性算法动画演示过程，丰富了教学内容。

而GDI图形处理技术，则采用了C++面向对象语言完成教学课件的制作，这样教学运行效率更好。在系统中，还制作了图像放大演示，从而学习者能够了解在计算机中图形的真实一面；学生可以在二维图形的几何变换中自己画图，自由地变化，从而也有助于学生掌握计算机的动画原理。例如，三维立方体的空间运动演示中和贝塞尔曲面的透视演示，学生可以感受三维的震撼效果并且理解3D建模的原理，有助于学生对相关知识进行理解和巩固。

3.2 理论设计

计算机程序、数据结构等内容在向学生传授的过程中，都存在有说明表现和演示过程等方面的不足。因此，在进行可视化系统设计时，也较为注重这方面内容的设计，如在系统中将程序执行过程以及数据演变过程形象的设计在计算机屏幕上通过动态图形的方式表现出来，学生能够更加直观地理解相关的内容。

在教学中，算法可视化教学能够展示运动过程，弥补课本中只能以插图或者是文字说明教学知识点的局限性。同时，应用该教学模式，还能够有效培养学生的观察力、想象力和逻辑思维能力，有助于提升学生解决问题的能力。而且，在设计可视化系统时，其所设计的界面一般都比较友好，具有动态交互的优势，能够根据学习者的学习需要，帮助他们进行自主学习，获取自己想要的知识，并且在教学中不受时间和空间的局限，使师生之间的联系更加的密切。

4 结 语

计算機图像学是计算机学科的重要教学内容，在学习计算机图像学课程之后，其有助于学习者向科学计算、计算机辅助设计、计算机仿真、信息数据的可视化、虚拟显示、动画、游戏和数字娱乐等行业发展。同时，计算机图像学的相关知识还能够解决计算机基础教育难以直接解决用户面临的实际应用问题，弥补了当前计算机仿真等环节的缺失，使计算机应用程序设计教学模式发生了巨大的转变，对于开展相关教学工作具有一定的促进作用。

主要参考文献

[1]胡敏.基于VB可视化弧焊机器人教学系统开发[J].现代装饰，2016（8）.

[2]刘小英.计算机图形学可视化教学演示系统的设计与实现[J].攀枝花学院学报，2015（5）.

[3]李皓铖.计算机图像学算法可视化教学系统设计与实现[J].电脑知识与技术，2013（34）.