外国留学生计算机图形学的教学研究

白晓东 唐贵进 赵来定

摘要：本文以计算机图形学课程的教学实践为例介绍了该门课程的特点及主要授课内容，总结了该门课程的主要教学内容和在教学实践中的难点问题，并进一步阐述了当前在留学生教学中可能遇到的问题以及采取的解决措施。

关键词：留学生教学;计算机图形学;教学实践;课堂教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）22-0193-02

一、引言

随着中国科技和教育的不断发展，越来越多的外国留学生选择到中国留学。对我国而言留学生的教育培养有着重要意义：（1）能够提高中国与他国的国际关系，促进国际互信，进一步提升国际影响力;（2）可以让国外留学生了解中国文化，进一步传播弘扬中国传统文化;（3）外国留学生的生源地信息及数量能够从侧面衡量中国科技文化的国际水平和地位[1]。目前，中国对于外国留学生教育也极为重视。国内高校纷纷欢迎和接纳来自各个国家的本科、硕士及博士留学生，并拟定详细的培养方案[2]。计算机图形学课程是计算机及信息工程类专业的重要课程之一，尤其是随着增强现实及虚拟现实等新兴技术及应用产品的发展，近年来人才市场对该专业人才的需求量较大[3]。

二、计算机图形学课程特点及开课必要性

计算机图形学是计算机应用、信息工程及软件工程专业重要的理论课程[4]。它采用计算机来生成或处理数字化的视觉内容，将信息以图形图像方式更直观地展现给用户，应用包括军事中的战场环境仿真、研究中的科学计算可视化、制造业中的计算机辅助设计、教育教学中的計算机辅助教学、娱乐传媒中的动画制作等[5，6]。通过本课程的学习可以使学生掌握计算机图形学中的基本原理、主要方法和图形系统组成，学会怎样用计算机生成、处理、存储和显示图形，主要方法包括直线、圆和多边形的扫描转换算法，区域填充、裁剪和消隐算法，图形变换技术，等等[7]。

三、教学内容及教学方法

该课程的本科教学内容以基本方法和基本理论为主，通过课堂提问和课后作业情况来及时了解学生对知识的掌握程度。本门课程教学内容主要安排为五个章节[8]。第一章用于讲解绪论部分，介绍计算机图形学的概念、发展历史、研究内容及典型应用领域等，使学生能够对该门课程的起源发展以及学习内容有整体的认识，并培养起浓厚的学习兴趣。第二章介绍了颜色的形成原理以及不同的颜色描述系统，即颜色空间。该章主要介绍了常用于计算机图形显示的RGB颜色空间，常用于图形图像编辑处理的HSV、XYZ、CIE L*a*b*颜色空间，打印设备常用的CMY及CMYK颜色空间。结合实际使用场景及相关产品来给学生讲解以上颜色空间的通道含义及色域范围。第三章主要介绍了一些基本图形生成理论及算法，包括直接、圆以及多边形的扫描转换算法;多边形裁剪算法;反走样算法。从这部分开始进入该门课程的重点内容，学习的难度开始增大。在对直线和圆的扫描算法讲授中，可从基本扫描算法、Digital Differential Analyzer（DDA）算法、Midpoint算法以及Bresenham算法，由易到难层层递进的逐渐讲解。最后，再分别比较不同算法的特点及异同。在多边形裁剪算法授课中，主要结合实际例子讲解经典的Sutherland-Hodgeman算法，即逐边裁剪法，其他算法则留给学生课下选学。在反走样的学习中，主要讲授非加权区域采样的离散算法和基于高斯函数的加权区域采样的离散算法两种算法。第四章主要学习了曲线以及曲面，介绍了Bézier曲线及Bézier曲面部分的学习内容，根据学生的理解能力后续适当增加B-spline曲线部分的教学。在Bézier曲线的学习中，先讲解该Bézier曲线数学公式及相关的Bernstein多项式的数学性质，进而数学推导出Bézier曲线的各种数学性质。在Bézier曲线的生成算法中我们主要介绍了易于理解的Sub-Dividing算法及De Casteljau算法。第五章主要讲授了坐标系和基本图形变换，学习内容包括齐次坐标与非齐次坐标的关系;物体在二维内的平移变换、旋转变换、尺度变换、剪切变换、对称变换;物体在二维内的平移变换、旋转变换、尺度变换、剪切变换、对称变换。依次介绍上述图形变换中涉及的变换矩阵以及各类变换矩阵中元素的来源及含义。

外国留学生由于来源于不同的国家，前期知识储备差异较大。部分留学生在数学基础及编程能力方面相对薄弱。课程应主要以基础知识和基本理论教学为主，选取基本图形生成、曲线曲面、图形变换三个方面为主要教学内容，将难度较大的纹理生成及光线跟踪技术等部分作为课外选读内容。此外，在课堂授课中应更多采用示例教学，在基本图形生成、曲线曲面的学习中穿插一部分演示动画，让留学生更直观的理解直线、圆及曲线曲面的生成过程。为了判断留学生是否能跟上教学节奏，通过提问和小组讨论等方式来增加与学生的课堂互动，课后合理安排课外作业以加强对所学知识的理解和巩固。

四、关于计算机图形学教学的有关思考和建议

根据留学生计算机图形学课程的实际教学经验，主要有以下几方面需要注意。

1.合理安排教学内容及授课进度。主要以基础知识和基本理论教学为主，建议将难度较大的纹理生成及光线跟踪技术等部分作为课外选读内容。授课教师应更多地与学生进行互动，并借助课外交流来了解和评估学生的学习情况。能够针对学生因材施教，合理安排授课进度，适当地补充章节学习所需的基础内容来照顾绝大多数学生。

2.要求教师不断提升外语交流能力，克服授课时的语言交流障碍。教学中语言交流障碍主要体现在两个方面：一是用英语教学对授课教师提出了更高的要求。英语授课需要教师具有较好的外语交流能力，最好教师能够有一定的海外交流经历。二是留学生主要来自于英语非母语的国家，英语交流能力本身也存在着差异。因此，只要不断提高授课教师的英语授课能力才能够更好的保证课程的教学质量。

3.要求教师与学生能够更多的进行交流和互动，及时了解学生的学习情况。在与学生的互动方面，可以采用课堂及课后互动：在课上互动中，可以采用单独问答及小组讨论方式进行。在课下互动中，可以采用创建微信群或QQ群的方式与学生一起来进行互动。

4.外国留学生具有不同的文化背景，存在着不同的文化差异。建议教师最好能提前了解他们的国别以及基本的文化禁忌，从而能够与学生在课上及课后建立良好的互动关系。

五、结语

本文首先对本科留学生计算机图形学课程的教学内容及方法进行了梳理，并对授课中遇到的实际问题进行了探讨。笔者通过对该门课程的教学实践，对教学中所需要注意的方面进行了整理分析并尝试给出合理的教学建议，以期能够提高课堂的教学质量，保证留学生更好地掌握专业知识，提高专业技能。

参考文献：

[1]杨鹏.在来华留学生中进行中国文化教育所面临的问题和对策研究[J].科教导刊，2017，（9）：7-8.

[2]陈宇芬.来华留学教育面临的问题及对策研究[J].世界教育信息，2018，31（11）：46-50.

[3]孙成丽.计算机可视化界面的發展历史和趋势[J].信息记录材料，2018，19（8）：37-39.

[4]Paquette，Eric.Computer Graphics education in different curricula：analysis and proposal for courses[J].Computers & Graphics，2005，29（2）：245-255.

[5] Santos M P D.Computer graphics in the scope of informatics engineering education[J].Computers & Graphics，2001，25（5）：909-915.

[6]王蓓，张根耀，李智.计算机图形学的发展与应用[J].延安大学学报（自然科学版），2013，32（3）：17-19.

[7]夏力前.数字媒体技术专业计算机图形学教学内容研究[J].中国教育技术装备，2017，（4）：91-92.

[8]Wolfe R.Education：a syllabus survey：examining the state of current practice in introductory computer graphics courses[J].ACM Siggraph Computer Graphics，1999，33（1）：32-33.