基于多层次案例引导的《计算机图形学》课程教学方法

胡建平+谢琪

【摘 要】论文介绍了一种以多层次案例为引导的《计算机图形学》的教学方法，方法通过验证性案例讲解理论、算法和技巧，再通过综合性案例进行强化和扩展，最后通过设计性案例进行实践和创新。通过在东北电力大学理学院“信息与计算科学专业”的《计算机图形学》课程的教学过程可以看出，该方法取得了较好的效果。

【Abstract】This paper introduces a method of teaching based on the guidance of multi-level case for "Computer Graphics”. The method explains the theory， algorithm and skills through the validation case， and then strengthens and expands them through a comprehensive case， finally， practices and innovates itself through the design case. Through the teaching process in "Computer Graphics" class of Information and Computing Science Department in Science College of Northeast Electric Power University， we can see that this method has achieved good results.

【关键词】计算机图形学；课程教学；多层次案例引导

【Keywords】 computer graphics； course teaching； guidance of multi-level cases

【中图分类号】G642 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0082-02

1 引言

计算机图形学是研究利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法的学科，在工业制造、影视娱乐、电子商务、数字城市等领域具有广泛应用，是由传统的图形学、现代数学和计算机科学技术等多门学科交叉而成，是许多后续课程（如图像处理、模式识别等）的基础课程。《计算机图形学》课程[1][2]涉及到大量数学知识，各种生成算法、处理技术和显示過程。该课程除了要求掌握计算机图形学的基础理论知识外，还要求学生能够通过计算机编程语言实现图形学的基本算法，能够培养和提高学生的实践创新能力。但是在课堂教学中如果完全按照教材的理论讲解，并采用课内实验进行验证的传统教学方式，将使学生感到该课程难于理解和学习。近年来，国内外高校在《计算机图形学》课程的教学改革实践中进行了诸多尝试，提出了一些能够提高学生学习兴趣的教学方法[3]，其中以“案例为引导”的教学方法受到了诸多高校的重视 [4]。然而，东北电力大学理学院“信息与计算科学专业”的《计算机图形学》课程教学还一直停留在传统的教学方式上，学生缺乏学习的积极性和主动性，迫切需要引入新的教学方法。

为此，本文根据东北电力大学学理学院“信息与计算科学专业”学生的具体特点以及学生的培养目标和要求，使用了一种基于多层次案例引导的教学方法，方法通过整理用于《计算机图形学》课程教学的多层次案例库，并将其作为引导进行《计算机图形学》课程教学，该方法的实施对提高教学质量和教学效率有着重要意义。

2 《计算机图形学》的多层次案例库

《计算机图形学》课程主要讲授的内容包括基本图形的扫描转换方法，多边形填充算法，二维变换与裁剪，三维变换与投影，自由曲线与曲面，建模和消隐，真实感图形显示等[2]。本文通过搜集使用C、C++、Matlab等语言编写的计算机图形学的相关程序资源，同时根据东北电力大学理学院学生的特点以及学生的培养目标和要求对相关资源进行整理和二次开发，得到用于课堂教学、实验教学、课程设计的《计算机图形学》课程的多层次案例教学资源库，具体包括应用于案例化教学和课后练习的验证性案例资源库，应用于课程实验的综合性案例资源库，应用于课程设计的设计性案例资源库，指导学生综合应用所学的图形学知识开发图形处理系统，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性和主动性。

2.1 验证性案例资源库

针对《计算机图形学》课程每一章教学内容中基本的图形学算法设计了验证性案例资源库，包括图形动画、显示器原理展示、虚拟系统漫游、直线中点的Bresenham算法、圆中点的Bresenham算法、多边形有效边表填充算法、多边形边缘填充算法、区域四邻接点填充算法、二维基本几何变换算法、Cohen-sutherland直线裁剪算法、中点分割直线裁剪算法、梁-Barsky裁剪算法、三维基本几何变换算法、正交投影与斜投影转换、HSV颜色模型算法、RGB颜色模型算法、简单透明模型算法、简单阴影算法等，用于课堂教学的案例演示和课后的算法验证，其主要功能是吸引学生学习的兴趣，并在学习过程中加深对算法的理解。

2.2 综合性案例资源库

为了使学生进一步理解三维真实感图形的生成算法，通过对基本图形生成方法进行组合，得到一些综合性案例资源库，包括立方体线框模型正交投影、立方体线框模型透视投影、颜色渐变立方体、立方体光照模型、圆柱体纹理映射、任意斜率直线段裁剪、三维球体的几何变换、图像的二维几何变换、金刚石图案的绘制、交互式绘制多边形等，用于《计算机图形学》的课内实验教学，能够让学生掌握图形学中一些比较重要的算法，做到举一反三。

2.3 设计性案例资源库

为了使学生深入研究计算机图形学的生成原理，将学生的计算机操作能力、分析能力、工程设计能力与应用实践结合起来，针对一些具体的应用问题得到了设计性的案例，包括太阳月亮地球运行轨迹模拟、时钟运动模拟、弹跳的彩球动画、圆柱体线框模型放大镜显示、椭球面光源与材质交互作用、北斗七星的闪烁的模拟、机器人行走模拟等，用于《计算机图形学》的课程设计指导，提高学生的计算机使用技能和解决实际问题的能力。endprint

3 基于多层次案例库引导的教学方法

本文使用的基于多层次案例库引导的教学方法是在前面建立的《计算机图形学》的多层次案例库的基础上，在课程教学中采用案例进行演示，然后对算法原理进行讲解，再对图形学算法进行实现，最后通过课后实践拓展进行训练提高学生的实践动手能力。在实际的案例设计和教学方法的使用过程中，通常在下面的步骤中进行迭代循环：

①基于案例讲解理论和算法，即根据教学目的、教学内容的要求，选择具有可行性、典型性、浓缩性的案例进行讲解，并对案例进行分析、讨论和扩展；

②督促学生根据案例进行具体实践和操作，并鼓励学生对设计的案例进行改进和创新，启发学生大胆尝试，学以致用；

③了解学生对于案例的使用情况，并及时修改、调整和完善案例以及相应的教学方法。

经过两年的教学改革与实践，可以看出该方法能够帮助学生更好地理解和掌握《计算机图形学》课程的基本理论和算法，提高教学质量和教学效率，主要体现在以下几个方面：

①激发了学生学习《计算机图形学》课程的兴趣。一些图形学的演示程序能够吸引学生眼球，让他们体会到数学的实际用处，同时通过提供一些基本算法的实现代码给学生，降低了学生实现算法的难度。

②锻炼了学生的实践动手能力。多层次案例库引导的教学方法强调的是理论与实践相结合，学生在学习过程中必须理解算法的思想，并通过编程语言将算法进行实现，不仅可以锻炼学生的程序编写能力，而且也锻炼了学生综合分析和解决实际问题的能力。

③增强了学生学习的信心。学生在通过计算机编写程序过程中，通常会遇到很多的困难，如算法编写，程序调试等，最明顯的是只要出现一个小的错误会导致程序不能运行。多层次案例库提供给学生参考代码，可以帮助学生少走弯路，并有效地完成大型系统的开发，增强了学生学习的信心。

4 结论

本文介绍的多层次案例为引导的《计算机图形学》的教学模式首先通过验证性案例讲解理论、算法和技巧，然后通过综合性案例进行强化和扩展，最后通过设计性案例进行实践和创新，从而使学生真正理解“所学”，并能实际指导“所用”。通过在实际的《计算机图形学》的教学过程可以看出，该方法能更好地培养学生的实践创新能力，同时为其他相关课程提供示范作用，对提高教学质量和教学效率有着重要意义。

【参考文献】

【1】胡建平，李鹏松. Matlab在计算机图形学中的应用 [J]. 东北电力大学学报，2013， 33 （6）：71-74.

【2】倪明田， 吴良之. 计算机图形学[M]. 北京： 北京大学出版社， 2009.

【3】王艳春，张金政，李绍静.计算机图形学课程教学思考[J]. 计算机教育，2011（14）：63-66.

【4】孔令德.计算机图形学实践教学资源库的设计与建设[J]. 计算机教育，2013（13）：87-90.endprint