对“计算机图形学”选修课教学的思考

刘　辉

摘要:本文通过分析“计算机图形学”的课程特点及选修课教学中面临的一些问题,本着“学生是主体”的教学指导原则,提出了“五要”的教学思路。实践表明,这些新的教学思路对提高课程趣味性、增进学生学习热情、改进教学质量具有很好的促进作用。

关键词:计算机图形学;选修课教学;知识导航链;知识屏蔽;自我成就感

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

计算机图形学(以下简称CG)是研究如何利用计算机显示、生成和处理图形的学科。目前它已经成为一门发展最活跃、应用最广泛的前沿学科。CG涉及物理学、数学、计算机科学、心理学及艺术等诸多方面的内容,因此,该课程的特点是综合性较强,多学科交叉,课程本身具有极强的理论性和实践性。

由于CG自身的特点,使得它的讲授有别于其他课程。在讲授这门课程时,经常会遇到下面几个问题:

(1) 由于学科本身涉及的内容多、变化快、应用广,容易使学生在学习过程中混淆所学知识、疲于应付。

(2) 由于课程本身具有极强的理论性和实践性,教学过程中较难把握两者的轻重。作为选修课时,以上几个问题显得尤为严重。学生往往对选修课不够重视,难以提起学习兴趣。另外,作为选修课,学时相对较少,学生又来自不同专业,基础参差不齐,给教师授课内容的组织及进度安排也带来了困难。

针对该课程特点及选修课学生的特点,我们对教学中的一些问题进行了深入思考并提出了新的教学思路,即“五要”,要重视第一次课,要让学生始终保持思路清晰,要注意知识屏蔽,要强调实用性,要能增强学生自我成就感。实践表明,这些教学新思路对培养学生学习兴趣,提高学习热情,改进教学质量具有很好的指导和促进作用。

2教学中的思考

2.1要重视第一次课

很多学生在选修CG这门课时,不知道它是讲什么的,往往会误以为只是介绍一种图形软件的课程,因此就没有很明确的学习目标,这也直接导致学生有怠慢的情绪。作为教师,应该在第一次课的时候就纠正学生的错误理解,强调该课程所学习的内容,那就是“我们是做一个图形软件,而不是用一个图形软件”。

“万事开头难!”在给学生讲第一次课的时候,如果能让学生对这门课有一个正确的认识,不产生厌烦、畏惧心理,而是建立起学习激情、学习兴趣,确立较清晰明确的学习目标,那么对今后学习这门课的其他内容是有很好的指导作用的。

CG已有40多年的历史,其应用已经深入到方方面面。就人们经常可以接触到的广告、游戏、动画等而言,无一不用到它的知识,将这些实际应用以图示、动画等形式充分展示在学生面前,让学生看到CG的魅力所在,不但可以激发学生的学习兴趣,而且可以让学生了解到学习这门课的用处。在举例子时,不要只考虑到炫目,应该让这些

应用在后继的学习中与相关内容有联系,否则如果出现学生的强烈期望与枯燥现实的矛盾时,会挫伤学生的学习热情。课上,教师可以让学生列举他所认为的用到了CG知识来解决的问题,采用讨论的形式,活跃课堂气氛。课下还可以要求学生利用网络资源、图书馆资源等,去了解如何用CG技术制作诸如羽毛、雪景、水、海面、火焰等效果,加深学生对CG的认识。

总之,第一次课下来,应能达到以下两个目标:

(1) 学生明确知道了这门课的学习内容,确立了学习目标。

(2) 激发学生学习CG的兴趣和热情。

2.2要让学生始终保持思路清晰

在教授这门课的过程中,我们发现有些学生在学习了几种算法之后,竟然混淆了各算法所解决的问题。究其原因,学生在学习过程中没有一个清晰的学习框架和路线,在学习一个知识点的时候,不知道它所处的位置,造成了“只见树木,不见森林”的情况。

CG其实就是研究如何利用计算机“逼真”地模拟现实世界景物,而模拟景物的过程可以用图形流水线来给出如图1所示。依次将利用流水线上各技术处理的典型示例及效果图展示出来,让学生知道各部分大致完成的功能,并且要让学生知道,在学习过程中,他们也可以利用所学知识做出同样的效果,完成同样的功能,这样学生就会有清晰的学习思路,不会感到混乱,也有了学习兴趣。采用图形流水线的顺序组织课程内容,符合学生理解问题的逻辑顺序,有利于学生理解课程的知识结构,便于掌握各知识点间的关系,可以解决“只见树木,不见森林”的问题,使学生始终保持思路清晰,提高学习效果。

整体的学习思路按照上述流水线来进行,而在实际讲解各知识点时,可以通过加入导航的方式来给学生提供学习线索。如对Bresenham算法而言,既有画圆的Bresenham算法,也有的画直线的Bresenham算法,如果它是在图2所示的一个知识导航链上的,学生就会很清楚它所处的位置和完成的功能了。这种方式使学生无论在学习哪一个知识点的时候,都知道自己身处何地,不至于迷失在CG这座“森林”里。

2.3要注意知识屏蔽

CG涉及到很多方面的知识,如果不采取一定的“知识屏蔽”措施,学生会觉得自己掉进了一个知识的深渊,变得毫无目标,这会极大地影响学习热情。

比如,CG涉及很多数学知识,有些学生数学基础比较差,看到这种情况就会产生畏惧心理。其实就CG基础部分来说,涉及到的数学知识是有限的、简单的。老师在讲授涉及数学知识的部分时,要进行必要的数学知识的复习,但不必讲太深。如在学习几何变换时,要涉及到矩阵运算,主要是矩阵乘法,那么就可以通过下面的提问方式来做复习:“求矩阵T12×3和矩阵T23×4的乘法?结果矩阵的行数列数分别是多少?能否求T2×T1?”这个例子涉及了几个知识点,然而都是相当基本简单的,“第一个矩阵的列数要和第二个矩阵的行数相同才能进行矩阵乘法运算”,稍微提示一下学生就可以回忆起来,这样学生就有信心了。千万不要长篇细研,能不讲就不讲,毕竟在有限的时间能接受的知识也是有限的。

CG还涉及到人类视觉系统,这是一个复杂的系统,至今人类也没有完全搞清楚它是怎样工作的,所以也不要给学生详细讲解这个系统,而是能避则避。比如抖动技术的实现,本来只是两种颜色的图形简单地交错拼接在一起,怎么人眼就会看到另外一种颜色呢?如图3所示,黑白方格交错,从远处看就是灰色。这种情况只讲实际人们的经历体会,而不要太细地去探究人眼的工作机理。日常发生的情况,一说学生就会知道有这种现象,至于为什么,不去管它,这种情况只要“想当然”地接受就好了。

CG涉及的知识面太广,选修课课时又相对较少,因此对很多知识进行“知识屏蔽”,并“想当然”地接受并不是坏事,反而可以让学生专注于必要知识的学习。这就像人们想要走过一条路,走到一半时,发现路面发生了一些变化,但并不会影响继续行走,与其停下来探究路为什么发生变化,不如继续走下去,毕竟路的问题不是我们要解决的事,这条路我们只是用而已。

2.4要强调实用性

学习知识的最终目的是为了解决实际问题。如果不知道学的东西会有什么用、怎么用,学生就会感觉到很盲目,没有目标,会丧失学习兴趣和热情。“学这有什么用啊?我以后用得着吗?”,这几句话是学生经常会问的问题。有些课程的内容可能确实很难给出具体的应用,但CG不同,它是一门实践性很强的课,应用非常广泛,应用实例随手可得,教师应该充分利用这种资源,让学生看到学所用,这是调动学习积极性、明确学习目标的一个非常好的途径。

如何强调实用性呢?在介绍CG理论和算法时,要配合它们在流行的图形设计和动画制作软件(如AutoCAD、3D MAX、MAYA等)中的应用来讲解,促进理论学习和软件使用形成互动。如在介绍真实感图形时,播放由计算机绘制出来的各种云彩、山峰、海绵等效果,动画片中的各种变形效果等等,这样本显枯燥的理论内容通过实际应用展示出来,非常有利于学生理解和接受,也容易激发学习兴趣,进一步明确学习目标。

2.5要能增强学生自我成就感

这一点放在最后讲,是因为相对其他几点来讲,它是更加重要的。

通过分析有关心理因素认为:成就感是学习动机的基础,是建立主动学习动机的保证,是被动学习转化为主动学习的桥梁。因此,形成不同程度的成就感,是提高学习效果的有效手段。

现在许多学生为什么厌学?因为他们找不到“成就感”。在学习上看不到收获,感到的只是挫折和疲倦,如此这般,想让他们自觉努力地学习,是不可能的。所以一个明智的老师,应该研究一下学生的学习心理,想办法让他们不断找到“自我成就感”,保持学习的积极性。

对CG来说,由于实践性强、应用广泛,因而讲起来其实更容易些。在讲理论课时,充分利用现有的CG应用资源,尽量用实际应用中的图、动画、游戏等来展示,学生更易接受。一张图所能传达信息的内容和速度都是言语所不及的,学生一看一听就明白,也就会愿意继续学习下去。课上课下还要提供氛围,加强教学互动,可以让学生分组讨论,让学生有时间思考,也要让学生及时展示他的理解、他的想法,如果能得到肯定,自我成就感油然而生,一定会鼓舞学生的学习士气。

在实践教学方面时,实验的内容应是学生力所能及的,并且鼓励创新。当学生发现自己也能有新的想法时,学习的快乐会像一缕温暖的阳光激励他继续前进。实验内容的安排上还要考虑系统性,将每次实验内容、实现的程序综合到一个系统上(这个系统框架最好先由老师事先架设好)。到学期末,学生就会看到自己的作品——一个简单的图形系统,这无疑是一个最大的鼓励和肯定,也会让学生有继续深入学习的期望和热情。

当然增强学生自我成就感并不就是盲目的肯定和夸奖,不能让学生产生怠慢的心理,认为这门课好学。必须适当增加需要认真思考,甚至多人合作、讨论才能解决的问题,这样有伸有缩,才会既不减学习热情,又不使有怠慢情绪。

3小结

CG是一门综合性学科,有其自身不同于其他课程的特点,教授起来会有一定困难,特别是作为选修课时,会面临更多问题。依据课程特点及教授过程中的心得体会,我们总结出了以上教学思路。教学实践表明,学生普遍反映较好,教学效果明显提高。教学过程中,“学生是主体”这一点是毋庸置疑的,文中每一个想法和思路都以学生为出发点来思考问题,相信对学生的学习是有帮助的,当然这也对教师的教学工作提出了挑战。

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