层次化任务驱动教学法在“计算机图形学”实践教学中的应用

廖 宁

(中南林业科技大学涉外学院，湖南长沙410004)

随着信息技术的进步与发展，图形界面系统的广泛应用，计算机图形学已经成为现代科技人员必须掌握的工具课程。通过该课程的学习，使学生系统地掌握计算机图形生成与处理技术的基础知识、基本原理和方法，具备与图形有关软件的基本研发能力。

一 课程教学内容现状分析

计算机图形学综合了数学、物理、计算机科学等学科的知识。目前的教材章节安排都是从图形绘制的硬件设备介绍、基本图形的生产算法逐步过渡到真实感图形学绘制算法，这是一种从自下而上描述方法，对学生来说，知识面广，内容跨度大，知识结构不够清晰，学生很难建立计算机图形学这门课程的知识结构。此外，大部分理论教材对算法的描述并没有相应的程序代码，对于笔者从教的独立学院的学生而言，他们的基础知识本就比较薄弱，无法直接从书本找到实践方法，学习起来就有畏难情绪，学完后就将其束之高阁，无法达到学以致用的教学目的。加之学科的发展日新月异，应用领域不断拓展，因而对学生的要求较高［1］。

在计算机图形教学研究中，总的来说有两种模式，一种是传统的先理论后实践教学模式，这种方法虽然学生比较容易接受，但是在理论学习时对算法和概念等抽象知识缺乏感性认识，因而只能“死记硬背”，学习过程“似懂非懂”，学习效果“差强人意”;进入实践应用学习阶段时，对学过的算法及原理遗忘甚多，没有了理论指导，实践就无从下手。理论教学和实践教学的衔接不当，使得学生的专业兴趣得不到充分激发，学习积极性难以调动，严重影响教学质量，难以达到预期效果。因此有些教师主张从实用角度来讲授计算机图形学技术［2-3］，这种模式相对而言理论基础涉及较少，在一定程度上能够降低学习难度，提高学生学习兴趣，然而对于计算机图形学这门学科而言，此法浮于表面，学生难以深入了解学科内涵。

另外，为了吸引学生的注意力，一些教育工作者认为，应在课堂上增加图形生成演示以及算法验证的过程，从而加深学生对各种算法的理解。这种方法在一定程度上确实收到了良好的效果，然而从教授这门课程的亲身感受和体会出发，笔者认为过多依赖多媒体课程的教学方式，使得学生的注意力集中在课件的演示效果、算法的运行结果上，而图形生成的原理、算法设计的技巧等关键问题得不到重视。加之师生在课堂上的交流减少，会产生诸如“师不知弟子所学，弟子不知师所授”等不良后果。

二 实验教学中存在的问题

作为一门综合性强的课程，计算机图形学涉及的内容和应用很广，学科交叉繁杂，大部分的学校该课程的实验学时只占总课时的1/4，并且实验没有单独的学分，只是图形学课程的一个实践环节，因此，老师不能充分投入到实验课的教学中，实验设计和管理包括成绩评定都显粗糙。而学生对这种实验课程的安排，也不重视。

在实验环节中，教师设计好实验任务，将实验题目、实验内容和实验重点布置给学生，然后让学生上机实现。学生独立完成实验，教师在实验室指导学生，有问题进行解答。但这种教学方式单调，在班级人数较多的情况下，一次实验课仅能够对少数学生进行指导，大多数学生的问题只能留待课后解答，而一般情况下，教师每次实验课程都要进行考核，学生为了应付考核，在问题没有解决的情况下，不可避免地选择了抄袭。

实验课的主要内容也是验证图形生成算法，比较各种算法的优劣。对于笔者所在的独立学院的学生，基础知识不牢固，动手能力参差不齐，如果采用统一的难度和标准，无疑限制了他们主动创新能力的发挥，不利于培养学生的动手能力和创新意识。

三 新教学模式的探索

任务驱动教学法是指在教学过程中，以学生为中心，以任务为驱动的教学方式［4］。其任务可以是描绘一幅图形、编写一段程序等等。任务驱动教学法的特点是:教师以任务为中心，围绕解决实际问题组织教学，不求理论的系统性，只求内容的实用性。将书本知识和实际应用结合起来打破理论与实践二元分离的局面，实现理论与实践的有机结合。让学生在完成任务的过程中学习新知识和新技能，培养学生独立探索与合作精神。提高学生学习的主动参与意识，激发学生的学习兴趣。发展学生的综合能力［5］。

1.层次化任务教学，激发学习兴趣

层次化任务驱动教学模式，通过分层教学与任务驱动教学相结合，对不同知识结构和能力层次的学生采用不同的教学方法，真正做到因人而异、因材施教，提高学生整体学习的兴趣和学习效率，培养学生独立学习的能力，从而优化学习过程和学习效果，培养出具有高度创新能力的新型人才。该模式采用以学生为教学主体、教师为教学主导的“双主”模式，从学生的实际情况出发，基础内容侧重于深度，应用内容侧重于广度。根据计算机图形绘制过程，由浅入深、循序渐进地安排课堂教学内容，充分调动教师和学生的主动性、积极性，使学生在学习的过程中系统地获得计算机图形学的基本知识，必要的基础理论和常用的图形生成方法，为以后学习相关课程和从事相关研究与开发工作奠定坚实的理论基础。

采用这种新的教学思想后，我们把实验教学体系分为基础实验、综合实验和设计实验三个层次，以此为中心目标来进行实验教学。实验教学体系如图1。

根据实验教学体系的划分，我们将图形学的实验内容和任务目标进行了层次化(见表1)，列举了部分实验任务的层次化目标。对于一些实验难度大，知识涵盖广的任务，在有限的实验时间内无法完成的，我们采用开设课程设计等方式进行。

表1 任务目标层次化

2.理论联系实践，双管齐下

为了提高学生理论联系实际、动手编程的能力、实践动手能力，引导学生由浅入深地掌握计算机图形学基本理论和算法。我们除了从实验内容安排上进行分层实验教学，在理论教学手段上，采用多媒体教学与传统的教学方式相结合，充分发挥图形图示、动画演示的作用。强调对比学习方法，对解决同一问题的不同方法进行比较，如通过采用图示方法给定相同位置的几组控制点，比较Bezier、B样条、NURBS曲线曲面各自的特点，从而介绍曲线曲面的基本概念和几何性质。在讲解图形学的应用时，结合现实生活中的例子采用案例教学法，用多幅图片、视频生动地讲解，让学生身临其境，充分调动了学生的学习积极性［6-7］。

3.利用课余时间，实现立体教学

课堂上讲授和练习的时间有限，还应充分利用课外时间开展兴趣小组和程序设计比赛等活动，巩固提升所学知识，培养创新能力。笔者所在学院的计算机图形学课程在2013年之前未单独开设课程设计环节，仅安排了12节实验课时，且不单独计算学分，因此学生在短短的实验课程里完成不了难度比较大的算法设计。自2013年开设课程设计后，我们则鼓励学生组成设计小组，小组成员互相协作，共同完成难度比较大的课程设计项目，既提高了基础比较好、动手能力强的学生的创新意识和知识层次，也帮助了基础薄弱、动手能力差的学生对知识的理解以及培养他们的团队精神与协作意识。为了进一步调动学生挑战困难的勇气，我们还举行了程序设计比赛，以实现效果、软件运行性能、程序可读性等方面作为指标进行比较，以赛促学，通过竞技选拔，促进整个班级良好学风的形成。

4.严格考评制度，加强过程管理

考评的目的在于鼓励和督促学生自主学习，提高学习的积极性和主动性。对教学过程化管理与考核是保证教学质量的重要手段，因此，应及时发现课堂、作业、实验等环节中存在的问题，采取行之有效的管理办法。考核时可以打破单纯试卷的考评，充分重视学生掌握基础知识、应用能力、综合运用及创新能力等各方面的情况，选取多种方式全方位、立体化考核。

四 结语

自2010年9月起，我们将前面所提到的教学方法，逐步应用到实际教学过程中，取得了不错的效果，学生参与实验项目的积极性和创造性有了明显的提高，不再感到无所事事，无从下手。有多名学生在课程学习结束后，选择了图形学方向的课题进行毕业设计，通过剖析成熟的图形系统，分析开源的代码，帮助学生理解系统设计的构造及具体功能的实现;通过查阅文献资料，撰写论文，以提高学生跟踪学科前沿、文献检索与综述的能力。

教学有法但教无定法，要真正做到因材施教、全面培养学生的综合素质是一件很复杂的工程，需要教师努力提高自身学识，在教学过程中不断摸索和总结。

［1］严圣华.计算机图形学教学研究与实践［J］.计算机教育，2010(10).

［2］唐 棣，郭 禾.计算机图形学算法可视化教学研究与实践［J］.电化教育研究，2009(1).

［3］周芳芳，赵颖.高校计算机图形学教学改革探索［J］.科技信息(学术研究)，2008(15).

［4］蒋文沛.任务驱动项目导向教学模式的应用［J］.高教论坛，2011(10).

［5］冯 林，郑薇薇.任务驱动与项目驱动相结合的创新教育研究［J］.黑龙江教育，2010(4).

［6］窦易文，周鸣争.计算机图形学多需求模型的教学改革初探［J］.科教文汇，2010(10).

［7］姚 莉.计算机图形学教学改革与实践［J］.实验科学与技术，2010(2).