计算机图形学教学改革与实践

朱国仲，陈海涛

(华北水利水电学院信息工程学院，河南郑州450011)

计算机图形学教学改革与实践

朱国仲，陈海涛

(华北水利水电学院信息工程学院，河南郑州450011)

针对当前计算机图形学教学中出现的系列问题，结合课程特点和教学理念，给出了具体的教学改革措施，探讨了其在教学环节中的实际应用。实践表明，这些措施对加深课程内容理解，提高教学质量，培养学生综合能力有明显的作用。

计算机图形学;教学理念;教学改革;教学环节

计算机图形学是关于利用计算机及相关设备研究图形处理和表示的理论、算法、技术及系统的综合性学科，广泛应用于航空航天、工业工程、商业及视频娱乐等领域，是计算机学科发展最活跃、影响最深远的分支之一，也是计算机专业重要的专业课［1，2］(P1，P3)。该课程理论抽象，实践性强。在当前各类专业课课时普遍压缩的情况下，如何让学生最大限度地学习课程内容，培养学生综合能力是一个值得思考的问题。

一、教学中遇到的问题

(一)学习的积极性和目标问题

计算机专业学生接触计算机较多，对计算机图形学应用的广泛性感受较为深刻，如逼真的游戏场面、赏心悦目的动画等。初学本课程时，学生一般均有较高的兴趣，但是随着学习的持续深入，发现课程晦涩难学，与期望目标偏差较大，会逐渐影响学习的积极性。

(二)多需求问题

作为上课主体的大学生对自己的未来已有了某种规划，因此对于所学的知识也有自己的侧重点。有的学生想从事图形学研究，有的想学习建模和CAD，也有从事图形应用开发的。因此如何在授课时兼顾各类需求是一个值得深入思考的问题。

(三)先修课问题

先修课内容的掌握情况直接影响着学生对计算机图形学课程的学习，先修课包括数学、程序设计语言和数据结构。学生的数学知识对学习该课程已经够用;而程序设计课程知识对学生理解算法并进行实验非常重要，掌握不好会使他们做实验时处处碰壁;数据结构用于描述图形内部结构，但在大型系统中才体现出重要性。

(四)偏理论或偏实践

图形学课程内容庞杂，数学公式繁多。要给学生讲明白一个算法需要从算法由来、图形建模到算法推导。老师的很多精力放在了课程内容的讲授上，学生被“填鸭”了大量知识，然而学生却不能动手进行实践巩固所学，因此最后就仅记得泛泛的概念了。很多学校也通过引入OpenGL或DX作为授课内容来改变这种情况，但是开发包的讲解需要大量的基础知识，其中包含的大量函数内容往往很枯燥，讲解效果也不太理想。

(五)内容多而学时短

图形学的课程内容包括图形设备和标准、光栅图形算法、图形变换、曲线曲面与几何造型、自然景物模拟、真实感图形、交互技术与用户接口等。前三部分内容属于传统图形学内容，学生比较容易接受;而其余每一项内容均包含很多的技术、方法、数学模型和最新成果，如果一一讲解，时间上不允许，也不利于学生掌握基本知识。如何在较短的学时内，使学生熟悉完整的图形学内容，掌握经典图形学原理和算法，了解研究热点和最新成果，需要进一步讨论。

二、课程特点及教学理念

经过40多年的发展，计算机图形学形成了自己鲜明的特点。了解这些特点有利于更好地制定教学计划，改进教学效果，树立教学理念。

(一)课程特点

由于图形学处于大发展阶段，吸引具有不同学科知识的研究人员从事图形学研究，促进了图形学与这些学科的交叉融合，丰富了图形学的研究内容，推动了图形学的快速发展。因此发展速度快，内容多，交叉学科关联密切，实践要求高是该课程最突出的特点。

(二)教学理念

计算机图形学作为计算机学科的一个分支，是学生知识构成的重要部分，要结合学生特点选择合适的教学内容，积极改进和完善教学方法。该课程的教学理念是:通过课程理论学习及实践锻炼，使学生掌握基本概念和理论，了解学科的研究内容，培养学生的学习能力，锻炼学生发现、分析、解决问题的能力，促进学生理论知识、综合素质和能力的全面发展和提高，使学生成为具有计算机图形学知识结构的实用型人才。

三、改革措施

(一)激发和保持学生的学习兴趣

针对学生学习兴趣的波动情况，要从首堂课和后续课分别着手。精心组织首堂课，讲清楚课程范围、相关学科知识及发展趋势，告诉学生他们所渴望掌握的知识需要从课程基础学起。和学生一起分析常见实例，使他们了解其中包含的本课程知识，进而使学生明白没有辛苦的付出是很难学到那些知识、达到期望效果的;并通过最新研究成果的介绍告诉同学们任何成就的取得都是通过努力做到的。后续内容讲解时要注意将枯燥的理论和日常所见或实际结合起来，让学生在实验中解决实际问题，使他们有成就感，从而保持住浓厚的兴趣;授课时经常将一些和课程内容相关的游戏画面、动画片段以及Siggraph会议演示引入课堂，和学生一起分析里面相关的图形学知识，进一步激发学生的兴趣。

(二)调整授课内容和方法

由于课程学时短，内容多，有深度，因此在基本内容讲授时要重点地精讲，而相似性内容泛讲。如讲授直线Bresenham光栅扫描算法时，选择从算法的由来、数学模型、算法推导及实现等过程详细讲;而针对圆和椭圆等相似图形，则仅需讲清原理和关键点，让学生自己推导即可。这样做不仅带领学生学习，而且让他们通过所学来解决相似问题，不仅缩短了学时也有助于锻炼学生独立学习的能力。图形学高级应用部分如真实感图形学均有深度和广度，每一个相关部分都可作为一个研究分支，如果全部精讲，不但学时不允许，也超出了本科大纲范围。对这部分内容宜选择少量内容深入讲，而对其它内容采用讲座的形式。如经典的Phong光照模型，由于不是很复杂，给学生讲清原理、推导、应用及局限性;并将其作为学生实验的一部分，实验过程所依赖的内容如法线可能会困扰学生，因此需要准备好这些实验条件;相关的其它内容采用讲座形式，并给出一些国际会议上的演示图片或视频。这样有点有面，并适当地加大深度，不仅让学生学到了必要的知识、方法，开阔了视野，体会到科研和应用的过程、乐趣，也进一步激发了学生的兴趣。

课程的高级知识部分由于具有研究性，且和学生渴望较接近，可选择性地给学生分组布置调研报告，并在课堂上抽少量时间，让部分学生做报告;很多学生反映这样的过程锻炼了他们查阅文献和写综述的能力、上讲台的胆量和阐述问题的能力等。而在学生讲的过程中，教师要注意总结，并对出现的问题进行纠正。

加强课堂互动，热爱学生，了解学生心理，启发和引导学生进入课堂角色。和学生一起提出问题、分析问题、解决问题，让学生体会到学习的全过程。教学方法上注意适当使用启发式和对比法，教学手段上采用多媒体和黑板板书并重，并根据具体内容区分使用，杜绝走马观花式教学。如图形算法的推导过程要和学生一起在黑板上完成，而算法的实现过程可以做成演示程序或Flash短片，不仅让学生明白了算法的原理和过程，也加深了对算法的理解，看到了算法效果，激发学生动手实践的兴趣。

(三)重视先修课和交叉课现象

学生掌握的数学知识已基本够用，所以原理性内容在课堂上讲清楚，课下稍加复习就能掌握。但实践部分情况比较严重，编程能力较弱，即使教师在课堂上能抽出时间给学生讲清楚、讲明白，但在实践时仍会出现很多问题，时间长了学生会出现畏难和厌学的情绪;而这些先修课知识很难在课堂上抽出大量时间进行补充。因此宜采取抽出较短的课堂时间，补充用到的先修课关键内容，编写参考资料给学生自学，督促学生抓紧时间补齐所缺知识。

(四)理论与实践并重

为了培养学生的综合能力，应强调理论与实践的结合。在加强教学内容和方法改革的同时，也应加强实践的改革和探索。对于实践内容的安排应遵循循序渐进、由易到难的原则，分为基本算法验证、提高性实验和综合性实验。不限定学生使用哪种开发工具，但鼓励采用C++和OpenGL。因为借助它可轻易实现复杂的图形效果，学会OpenGL还有助于学生为将来工作和学习做准备［3］。基础性实验巩固了学生所学，使他们熟悉了开发工具;而提高性实验可以提高学生理论联系实际的能力;综合性实验将学生所学和所想以系统的形式呈现，锻炼了学生大系统分析、设计和整合的能力。

实验内容的安排要注意伸缩性和灵活性。学生情况不一样，理解问题和解决问题的能力也不同，千篇一律的实验不利于培养学生的创新能力。如光栅图形算法实验仅要求学生实现一种算法，但鼓励学生在此基础上发挥想象力。有的学生实现了多种算法;有的则进一步增加了鼠标绘图;也有的实现了完整的二维图形编辑程序，并支持输出常见图形格式;还有学生通过查阅文献对原有算法进行改进。然而学生做这样的实验要想取得满意的效果，除了需要教师积极引导，还要求提供丰富资料和强有力指导。如我们在参考书中列出libPNG资料及使用示例，以助于学生了解常见图形格式。

实验过程锻炼学生解决问题的能力，而撰写实验报告则锻炼学生论文书写能力。要求小型实验不写实验报告，但要写出实验过程中遇到的问题和解决方法，并进行总结;而综合性实验则要求查阅相关文献，找出解决方法，实验完成后以论文的形式提交实验报告。

(五)注重锻炼和培养学生的学习方法

“授人以鱼不如授人以渔。”在教学和实践的过程中，学习方法的培养应该是最终目标，并且是一个缓慢的过程。从三个方面着手锻炼学生的学习方法:其一，精选某些课程内容，让学生检索文献，撰写文献综述，以锻炼文献检索和阅读能力;其二，在基本实验内容的基础上，指出扩展的实验题目，并给出参考文献，学生阅读并实现文献中给出的解决算法;其三要求学生整合所做实验，提交完整的实验系统，并要求以论文的形式提交实验内容。

四、考核与考试

考核是保证教学质量的重要手段，同时也能鼓励和督促学生主动学习，有利于教师了解学生学习情况和教学效果，及时发现问题。鉴于本课程理论与实践并重的特点，学生成绩主要分为卷面成绩和实验成绩。由于前者仅能测试学生对理论知识的理解，而本科层次的图形学课程更强调学以致用，实践更能锻炼学生的综合能力，因此我们将二者比例定为3∶7。实践考核不能仅重视最终结果，要采取过程考核，定期检查学生实验效果和进度，并记录实验情况。实践考核指标包括课堂教学和实验过程的参与程度，课堂讲述情况，学生实验完成的基本情况、创新性、完整性，论文的撰写情况等。

五、结语

经过多年的实践和探索，文中所采用的方法和措施学生普遍都能接受，他们的学习积极性得到明显提高，不仅重视抽象的理论学习，也主动加强锻炼自己的实践能力，学生的综合能力得到了大幅度的提高。但是计算机图形学学科发展速度很快，如何科学地将最新的学科内容纳入教学内容，还需要不断的实践和探索。

［1］孙家广，胡事民．计算机图形学基础教程［M］．北京:清华大学出版社，2009．

［2］张义宽．计算机图形学［M］．西安:电子科技大学出版社，2006．

［3］姚莉．计算机图形学教学改革与实践［J］．实验室科学与技术，2010，(4)．

Teaching ReforMof CoMputer Graphics and Its Practice

ZHU Guo-zhong， CHEN Hai-tao
(Department of Information Engineering，North China University ofWater Resources and Electric Power，Zhengzhou450011，China)

Aiming at some problems in the course theaching of computer graphics，combined with course characteristics and teaching concept，some concrete educational reforMmeasureswas proposed in the article，their actualapplication in the teaching processwas discussed．The teaching practices show that thesemethods canmake student understand the course better，evidently impove the quality of teaching，and Tmprove the students’overall ability．

Computer graphics;Teaching concept;Teaching reformation;Teaching process

G642

A

1008—4444(2011)04—0184—03

2011－03－04

朱国仲(1978—)，男，河南商水人，华北水利水电学院信息工程学院讲师，硕士。

(责任编辑:董红克)