计算机图形学实验教学模式改革探索

陆玲，李祥，王蕾，李金萍

（东华理工大学 信息工程学院，江西 南昌）

一 引言

随着虚拟现实的广泛普及快速发展，计算机图形学也显的越来越重要，计算机图形学课程是计算机科学与技术专业中计算机科学方向的主干核心课程，占有重要地位和作用。由于计算机图形学综合性较强，理论涉及了计算机科学、数学、物理学等多个学科原理，图形绘制算法比较抽象，绘图程序设计也比较困难，如何教好这门课程对教师是一个挑战。要求教师在教学过程中不断优化教学方法，改革教学手段，同时对实验教学也提出了更高的要求，学生通过实验可以更深刻地理解相关理论知识，并提高学生图形应用编程的动手能力。

近几年在计算机图形学实验教学方面，刘煜岗[1]等以Bezier 曲面为例，结合OpenGL 编程语言，详细设计了实验内容。傅向华[2]等加强实验教学环节，合理设计实验内容，利用 Visual Stdio C++ 中的 MFC 编程实现基本图形生成、界面设计和交互设计，利用 OpenGL 中的函数进行真实感图形绘制，使该课程的教学效果得到有效改善。黄晓生[3]等，从实验内容、课堂组织、实验准备、课堂指导、课堂交互以及实验成绩考核等方面探讨了多模态学习理论在“计算机图形学”实验教学中的应用，采用OpenGL API及GLUT为交互编程环境。孙阳光[4]将基于项目驱动模式的实践教学引入到课堂理论教学，构建多阶段层次化的课程实践教学过程，把课堂理论教学和实践教学紧密结合，促进学生实践创新能力的提高。赵智[5]等将虚拟实验引入教学，用虚拟场景模拟算法运算过程，把抽象对象和算法运算过程形象化和可视化，使抽象的算法易于理解，达到提高教学效果的目的。刘斌[6]开发的实验平台可以直观互动地掌握最小二乘拟合、三维空间变换、网格模型法向量分析和 ICP 点云配准等算法原理，能提高学生学习兴趣。王振武[7]构建了面向矿业类高校学生的计算机图形学实验教学平台，学生使用该平台可以完成验证性实验，也可以完成设计性和综合性实验，能够有力地激发学生的学习热情。

可以看出，教师们对计算机图形学实验课的改革主要集中在实验内容和实验演示平台，本文除了以上两个方面外，还对实验安排、实验指导等方面进行改革。

二 实验教学中存在的问题

计算机图形学是研究用计算机显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科，所以实验教学内容重点是编程实现图形的生成和处理，是计算机图形学课程的重要一个环节。由于各种原因，目前仍然存在以下几个方面问题：

（1）课堂实验学时偏少，不利于学生较好地完成设计性与综合性实验；

（2）实验内容设计不太合理，太简单或太难都不能提高学生的兴趣；

（3）实验项目缺乏与实际应用相结合；

（4）程序设计没有都从底层写点开始，不利于学生对图形生成原理的理解。

为了解决上述问题，我们从多个方面进行了实验教学改革，提出了计算机图形学实验教学模式。

三 实验内外翻转教学模式

近几年翻转课堂已经被教师应用到相应课程中，高雪瑶[8]等也将翻转课堂应用到计算机图形学的理论教学与实验教学中，其重点是将案例与项目引入到实验教学中。我们除了引入案例，还将实验时间与内容进行翻转，如图1所示。

图1 实验内外翻转教学模式

（一） 多时空一体化教学资源体系建设

实验翻转教学的前提是必须建立比较完整的教学资源，我们研究以学生为中心的教学资源设计方案，建立了计算机图形学多时空一体化教学资源[9]，并且逐年更新教学资源。

（1）实物教学资源

目前使用我们主编出版理论与实验教材、程序设计参考书、案例应用参考书如表1所示，为学生在实验课前进行实验提供理论与实践参考资料。

表1 主编出版的图形学课程教材及参考书

1）理论与实验教材：重点介绍计算机图形学中各类基本图形的生成算法及程序设计，使读者学完本教材后能编程实现基本的二维图形到三维真实感图形，并结合作者的科研成果，将科研转为教学的部分内容，书后附有实验指导。

2）程序设计参考书：详细介绍了生成三维真实感图形涉及的理论与程序设计。

3）应用案例参考书：总结归纳了作者多年的科研成果，主要集中在植物树、枝、叶、花、果的真实感造型及基于点云的精细重建。引导学生进行创新。

（2）电子教学资源

电子教学资源主要指利用现有软件制作的教学课件、电子实验指导书等。教学课件简洁直观，能用图表示的不用文字，能用动态的不用静态。虽然教材中含有实验指导内容，但电子实验指导书可以逐年更新，且描述详细，方便学生在课前自主学习实验内容并进行实验。

（3）软件教学资源

软件教学资源是需要任课教师编程实现的软件，主要包括案例演示软件、算法演示软件、人机交互演示软件和实验演示软件等。为学生在设计实验算法界面及图形效果提供参考（如图2）。

图2 软件教学资源部分界面

我们设计的部分教学软件获软件著作权，如表2所示。

表2 自主开发计算机图形学教学软件获软件著作

（二） 实验环境的选择

我们采用Visual C++和MFC作为实验教学环境，要求学生只能使用写点函数编程实现图形的处理，不能用MFC所提供的图形函数，当然更不能使用OpenGL图形库。对于三维图形变换、投影以及真实感图形绘制等内容，虽然对于学生有一定难度，但我们只要提供足够的教学资源，大部分学生还是能够完成。我们要重视学生的基础教育，程序设计要从底层写点开始，有利于学生对图形生成原理的理解。

（三） 实验内容的选择

实验内容设计既不能太简单，也不能太难，为了顾及大部分学生，每个实验都包含必做内容和选做内容，实验项目尽量与实际应用相结合，提倡学生设计积极向上的思政图形。例如，在绘制直线与圆时，让学生自己设计自行车或党徽；在图形填充中，让学生填充中国地图或自己家乡的地图；在绘制三维多面体投影图时，让学生设计桌椅或英雄纪念碑；在绘制曲面时，让学生自己设计生活中常见的物体或口罩等等。

（四） 实验翻转方式

由于计算机图形学课程一般在大三年级开设，而且计算机专业的学生自己都拥有电脑，所以将课堂实验与课外时间进行翻转，可打破传统“实验在课堂学时内完成”的短期实践方式，让学生有更充足的时间进行实验。

（1）实验课前：课前教师提前一周在学习通中布置实验内容，学生使用网络教学资源自主进行实验，并随时与同学讨论，也可以在网上与教师交流，教师有针对性的辅导，学生在实验课前基本上完成实验内容。

（2）实验课中：教师检查学生实验成果，师生生生交流完善并优化程序，学生通过学习通提交程序，将课后提交程序翻转到课中，调动学生的积极性；在课前完成实验的学生，可以在课中撰写实验报告。

（3）实验课后：课后学生分析总结，撰写报告并在学习通中提交。将课堂中的任务翻转到课前完成，延长了实验时间，充分挖掘学生的潜力。同时也使教师在网上指导学生实验非常灵活。经过实验翻转，学生实验在一周内自主安排时间，学生实验质量有所提高，同时也挖掘出学生的创造力。

四 实验教学安排

本课程的实验教学包括课程中的12学时的实验课及一周的课程设计。

（一） 实验课内容

12学时的实验课共包括6个实验，包括：直线与圆的绘制、区域填充、图形变换、图形裁剪、曲线与曲面的绘制、真实感图形，具体内容如表3。

表3 实验教学内容

图3为部分学生具有创新性的实验成果。

（二） 课程设计内容

课程设计的学时有一周的时间，需要学生完成综合性图形绘制软件，软件内容由教师命题多个，学生自愿选择。学生也可以自选项目，但需要征求教师的同意。课程设计的软件内容主要包括4大类：

（1）算法演示类：包括直线与圆光栅扫描演示系统、字符显示演示系统、图形变换演示系统、光照演示系统等。

（2）真实感物体类：主要指复杂物体的造型，如纹理复杂、形状复杂、元素多样等。

（3）动画类：主要指不同时间的物体不同造型等。

（4）综合类：如小型绘图软件的设计等。

图4为部分学生的课程设计成果。

图4 部分学生的课程设计成果

五 结语

实验翻转为计算机图形学教学提供了一种新的思路，该教学模式也可以在类似其它课程中开展。实验翻转教学模式可以提升学生的自主学习能力，挖掘出学生的内在潜力，提高学生的自主学习兴趣，同时也促使学生理解所学的理论知识，提高了教学质量。