基于计算思维的“计算机图形学”教学改革路径

关键词：计算思维;计算机图形学;计算机教学改革

中图法分类号：TP314 文献标识码：A

在以往的“计算机图形”教学中，主要进行的是理论、编程语言、数学算法等方面的教学，侧重于理论知识的讲解。而“计算机图形学”的理论知识较为抽象，涉及众多的交叉学科，并且技术性强，需要学生进行大量的实践操作，才可完成理论知识的理解与学习。由于“计算机图形学”教学过于枯燥、教学方法较为单一，打击了学生的学习积极性与信心，限制了学生计算思维与创新能力的培养。所以，需要教师进行教学改革———运用计算思维概念，进行教学内容的深化设计，以完善教学流水线，取得理想的教学改革效果。

1计算思维在“计算机图形学”教学改革中应用的理论基础

1.1求解问题

“计算机图形学”涉及大量的数学算法，计算机通过处理这些算法生成各种图形，这是求解问题的过程。比如，使用计算机图形软件生成直线，或者进行图形区域的颜色填充等，这些都是常见的计算机图形处理功能。教师在教学中，讲解图形生成的原理，以及计算机数学算法解决问题的思路，将求解问题概念传授给学生，培养学生运用求解问题的思维去解决“计算机图形学”学习中面临的各种问题，以完成计算思维的培养。

1.2设计系统

1.2.1硬件系统

“计算机图形学”属于计算机科学的范畴，由于需要借助计算机绘制图形，所以其包含计算机软硬件系统。计算机硬件系统也就是计算机本身，包括CPU、显示器、显卡、内存、硬盘等，用于图形的输入与输出。由于计算机图形的计算量较大，比如虚拟场景算法的处理涉及大量的数学算法，才可完成一个完整场景的绘制。并且，计算机硬件系统需要配置功能强大的独立显卡以及充分考虑人体工学、人们的使用习惯、视觉特点等。

1.2.2软件系统

计算机软件系统指用于建模、渲染、动画、人机交互的专业软件，比如建模使用的商业化软件有Autodesk 3D Max与Maya等;渲染使用的商业化软件有Maya、Blender、Pov?Ray等;动画使用的是编程或动画制作软件;人机交互目前使用的是人机交互系统。

软件系统具有处理、生成、显示图形的功能，运用了大量的计算机编程语言，实现了计算机与人之间的交互。计算机接收人的操作指令后，将处理结果通过显示器显示出来，构建出人们想要的图形。人与计算机软硬件的交互生成图形是一个复杂的过程，其涉及大量的数学算法、程序的运行，需要将计算机科学众多知识整合到一起。所以，在“计算机图形学”的教学中，教师需结合计算机软硬件系统与“计算机图形学”两个方面，细化分解知识体系，将较为笼统的问题进行划分并描述，将教学过程系统性地串联在一起。借助计算机软硬件系统的分析与图形的生成原理，将计算思维潜移默化地传递给学生。

1.3理解人类行为

计算思维是基于人类思维活动并通过计算机实现的一种思维。而“计算机图形学”中的计算思维，则是对画家绘画思维与过程的模拟，并经过对思维与过程的分解，在计算机硬件与软件系统中构建计算机绘制图形的全过程。也就是说，人操作计算机图形软件的过程，其实是模拟绘画思维与绘画的过程。唯一的差别是，画家运用绘画思维使用画笔、颜料在画布上作画，作品直接呈现在画布上，而“计算机图形学”則是运用绘画思维与计算思维，借助计算机软硬件系统绘制作品，并通过显示器呈现作品。

“计算机图形学”模仿与理解画家的绘画步骤如下：第一，画家选景与定视角对应计算机图形的三维空间观察;第二，画家对物体位置与角度的调整对应计算机视图变换、大小的调整、剪裁等;第三，画家画出事物的轮廓对应网格建模;第四，画家通过绘画思维使用画笔与颜料上色，而计算机使用颜色与光照模型上色;第五，画家进行绘制的细节处理，计算机则使用真实感图形进行绘制。因此，“计算机图形学”将画家的绘画思维，转换为计算机绘画思维，也就是理解了人类的行为。教师在进行“计算机图形学”的教学中，要注重对计算机理解人类与模仿人类的行为进行讲解，以增强学生的计算思维，使其可以将人类思维与计算机思维相结合，在计算机中将头脑中的图形展示出来。

2基于计算思维的“计算机图形学”教学内容设计

2.1设计要点

在计算思维的指导下，教师需结合实际教学情况，对以往的教学方法进行创新、改进，注重提升的学生计算思维能力。在“计算机图形学”的课堂中，教师应注重理论与实践并行，加快教学改革的进度，培养学生的实践操作能力与思维能力：一是明确教学的重点和难点，合理控制理论知识的教学时长;二是精挑细选核心教学内容，提高教学的效率;三是“计算机图形学”的发展速度较快，教学内容需与时俱进，融入当下最前沿的计算机图形技术与知识，以增强教学改革的实效。

2.2构建教学流水线

基于“计算机图形学”教材，以计算思维为导向，围绕理论、技术开展教学内容的设计，构建“计算机图形学”教学的流程。从绘制图形开始至显示图形结束，进行全过程分层次、分阶段的理论讲解与技术实践，在课堂教学中潜移默化地培养学生的计算思维，具体流程为：顶点→顶点处理→剪裁、图片组装→光栅化→片元处理→像素。

2.2.1顶点

在顶点教学中，首先进行的是“计算机图形学”基本知识的讲解。可进行OpenGL的功能与操作方法的讲解，使学生初步了解OpenGL，并可进行简单图形的绘制。在后续的教学中，进行OpenGL知识与功能操作的进一步讲解，逐渐增加OpenGL教学的深度，给予学生一定的接受时间。还要注意的是，促进OpenGL程序包与图形学理论的融合，让学生利用OpenGL去求解理论上的问题，逐步熟悉“计算机图形学”求解问题的方法与技巧，实现理论与工具之间的相互转化。

2.2.2顶点处理

教师可指导学生使用OpenGL中的Vertex Shader（顶点着色器）输入数据，比如使用Attributes设置顶点的坐标，或者是利用Uniforms设置当前光源的位置等，以获取想要的图像。目前，Vertex Shader已经实现了通用可编程，根据使用者绘制图形的实际需要进行顶点数据的处理，通过使用着色器语言编写程序，借助矩阵改变顶点的坐标位置，形成纹理坐标，以及使用光照计算顶点的颜色等。在运行程序生成图形的过程中，顶点变换一次形成一个矩阵，在经过数次变换后，矩阵级联后形成复合矩阵。

2.2.3裁剪与光栅化处理

第一，在进行裁剪操作之前，组装顶点生成图元，然后裁剪掉图元的外部，留下图元内部;第二，光栅化处理———将裁剪后的图元进行处理获取片元。在“基本图形生成算法”章节中，介绍了光栅图形生成算法，比如绘制直线的算法以及图形填充的算法等，由于学习难度较小，可以安排学生进行课后学习和练习。教材中只选取了代码的关键部分，至于其他部分可要求学生通过课后学习进行补充，以做好剪裁与光栅化的整个操作，编写出一套完整的代码。

2.2.4片元处理

Open GL中的Fragment Shader（片段着色器）主要用于像素计算并输出最终的颜色。图元在经过光栅化处理后，可以使用片段着色器进行片元着色，使每个片元的颜色都由着色器的程序而设定。此外，真实感光照模型也可用于片元着色。现阶段，OpenGL构建了通用、统一的计算机图形渲染架构，可并行流水线。也就是所有的圖形处理操作可并行、各个处理同步执行，与人类的思维较为相似。学生从设定顶点坐标开始至片元着色结束，完成一整套的计算机图形处理操作，从而完成对“计算机图形学”计算思维的整体构建。

2.2.5构建计算思维流水线

通过以上教学，学生借助OpenGL进行“计算机图形学”各个章节的学习，从顶点开始将计算机图形的计算思维在教学中逐步渗透，使用OpenGL对抽象的理论知识进行验证。运用顶点处理，绘制出基本图形，经过剪裁获取图元，然后使用光栅化处理，生成最基本的片元，最后进行片元处理———使用Fragment Shader对片元进行着色。学生通过教师的课堂讲解与自身的课堂练习，系统性、整体性的学习“计算机图形学”，从基本图形的绘制到图形的生成，再到图形的着色，这些教学内容中都包含计算思维。学生在学习与动手绘制的同时，训练与培养计算思维，记忆求解的过程由浅入深、层层递进，持续提升计算思维能力。

2.3课堂教学方法设计

“计算机图形学”的实践性较强，在教学上可以使用“所见即所得”的教学方法。以颜色变化为例，教师使用多媒体教学设备展示一张场景图片，提出绘制该场景所使用的技术和理论知识，一边演示一边讲解，并鼓励学生进行讨论。在完成理论讲解后，让学生动手操作，在计算机图形软件上将理论转化为实践，使抽象化的理论具象化，使学生不再局限于理论的浅显理解，而是通过实践完成理论的应用与理解，以形成良好的计算思维。具体而言，一是可专门开发“计算机图形学”教学演示软件，进行理论的实际指导;二是可采用研究性教学理论，让学生在学习的过程中，以科学研究的角度去探索、分析、解决问题;三是积极应用互动教学模式，活跃课堂氛围，突显学生的主体地位，满足计算思维求解问题教学的需要;四是鼓励学生自主学习，自主设计、开发三维模型，并进行多元化考核———以“考试成绩+平时实践成绩+平时课堂表现”的模式，对学生进行综合性、客观性的评价，形成激励作用。

3“计算机图形学”教学改革的注意事项

3.1注意教学的延伸

为了较好地培养学生的计算思维，在教学内容设计阶段应注意知识的延伸。一是要精简理论教学，“计算机图形学”知识更新速度较快，部分陈旧的知识已经过时，在教学中应及时剔除，并补充当下最前沿的图形学理论与技术，保证教学的先进性，开拓学生的学习视野;二是在进行基础理论与概念讲解的同时，根据现阶段计算机硬件的发展程度，将可编程的顶点着色器、片段着色器等纳入至图形学教学中。或者在教学实践活动中，增加Web GL方面的内容，使学生应用计算机图形技术创建可在浏览器中展示的3D场景，拓展教学的广度与深度。

3.2注意教学案例的运用

采用案例开展计算机图形教学，将教学与案例相结合，在课堂中来回切换，完成教学的同时，学生就可完成一个图形作品。这让学生在完成课堂学习的同时，还可进行开发、创新思维的训练，提升学生探寻问题与解决问题的能力，以加快计算思维的提升速度。

3.3组织开展实践课

“计算机图形学”上下章节的知识有一定的关联性，系统性较强。教师在教学活动的设计中，需要注意上下章节的串联。比如，在完成颜色模型与光照模型、视觉模糊模型变化与剪裁、三维空间观察、网格与多层次模型、真实感图形绘制等课程后，将课程中的实践锻炼内容进行串联，要求学生利用所学知识绘制一个场景，或者是搭建一个3D模型。教师可事先制作一个教学案例，将上述章节的知识进行串联讲解，梳理好绘制流程后，组织学生设计作品，研究作品的整个架构，然后进行编程与实际操作。完成创作后，教师组织学生开展教学评价，指出学生学习中的不足，并对作品的不足之处进行现场调整，以帮助学生进一步完善作品。

3.4组织开展前沿讲座课

组织开展图“计算机图形学”前沿讲座课程———对现阶段的主流技术、主流图形软件以及行业发展状况等开展讲座，激发学生学习“计算机图形学”的兴趣，并使学生了解更多的前沿知识，了解行业发展对人才的需求状况，以此激发学生的学习热情与科学探索精神。“计算机图形学”的学习难度大，理论知识过于抽象，还涉及大量的算法、编程语言等。因此，为了帮助学生理解与消化知识，在教学中要根据实际情况，选择使用多种教学手段，并注重实践训练，加强培养学生的计算思维，以提高“计算机图形学”的教学质量。

4结束语

“计算机图形学”是中等职业学校计算机平面设计专业的课程之一，其教学难度大、涉及学科多、理论知识丰富，学生学习与理解的难度较大，部分学生对其失去学习兴趣。因此，需要中等职业学校在计算思维的指导下，进行该项课程的教学改革，将复杂难懂的问题简单化。此外，还应精简“计算机图形学”中陈旧的理论知识，增加课程实践练习的时间，整合多种教学方法，以此提高“计算机图形学”教学改革的实效，全面提升该课程的教学质量。

作者简介：

王霖（1982—），硕士研究生，高级讲师，研究方向：计算机平面、数字媒体、图形图像。