計算機圖形學課程范文

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＼[3＼]楊開城，李文光，胡學農.現代教學設計的理論體系初探＼[J＼].中國電化教育，2002（2）.

＼[4＼]張貴芹.以“學習活動”為中心的《課程理論》課的教學設計＼[EB/OL＼]..

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關鍵詞：虛擬現實；計算機圖形學；VRML；三維建模

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0209-04

1 概述

虛擬現實（Virtual Reality）也稱虛擬現實環境，是指用計算機技術生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。簡單的說，虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，提供了先進的人機交流技術。目前虛擬現實技術已被廣泛應用視景仿真現實、軍事駕駛模擬、3D游戲開發、虛擬設計與規劃、仿真培訓、遠程操作控制等領域之中[1]。

虛擬現實技術同時也是一項綜合性計算機圖形交互技術。計算機圖形學中的一些方法，如三維造型與變換、光照模型、科學計算可視化等為虛擬現實技術提供了理論和技術基礎。計算機圖形學的發展帶動了虛擬現實技術的進步，同時虛擬現實技術在各領域中的廣泛應用也使圖形學的各個研究方向得到充分發展[2]。在高校計算機專業的計算機圖形學課件的教學中，虛擬現實不算是一個重要的、必修的知識點，但如能在掌握三維造型方法的基礎上輔以虛擬現實的運用，那么將能有效地提升實踐操作的實際應用意義，激發學生研究探索興趣，令圖形學課程的相關知識綜合運用起來，達到學以致用，相得益彰。

2 虛擬實現技術簡介

虛擬現實有四個主要特征：多感性；沉浸感；交互性；自主性。理想的、最高境界的VR技術是：虛擬場景具備與真實環境一樣的真實感、能調動一切人所具有的感知功能、操作者完全感受與自然環境一樣的自由度和人-物交互感應。但實現中由于技術的限制，達到高度逼真的虛擬現實比較困難。目前，從技術難度和體驗程度來劃分，虛擬現實技術主要分成以下三類：

1） 桌面虛擬現實（Desktop VR）：利用個人計算機和工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，通過各種輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互。

2） 沉浸式虛擬現實（Immersive VR）：利用頭盔式顯示器、位置跟蹤器、數據手套等多種交互設備，為參與者提供一個新的、虛擬的感覺空間，并產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。

3） 分布式虛擬現實（Distributed VR）：將不同用戶通過計算機網絡連接在一起，共享同一個虛擬空間并協同工作達到一個更高的參與協作境界[3]。

其中，桌面虛擬現實是最基礎的VR方式，雖然現實體驗真實感不足，但該方式成本低最易容實現，且其應用也最為廣泛。在計算機圖形學教學實踐中，根據學習程度的不同，可以引導學生通過以下三種方式實踐桌面虛擬現實的實驗：（1） 基于VRML的VR實現；（2） 基于三維建模技術的VR實現；（3） 基于Web3D技術的VR實現。

3 計算機圖形學的虛擬現實實驗探索

3.1 基于VRML的VR實現

VRML（Vritual Reality modeling Language，虛擬實現建模語言）于1997年作為國標標準正式，它揭開VR技術在互聯網上的應用序幕，也推動了后來Web3D技術的發展更新。

VRML提供對三維基本對象如長方體、球體、圓錐、圓柱等的描述，同時定義了三維應用中常用的語言描述，如層次變換、光源、視點、材質和紋理映射等，并且有簡單的行為特征描述功能。一個VRML文件一般由文件頭、腳本和路由組成，其基本語法結構如下：

#VRML V2.0 utf8 #文件頭，放在第一行，是VRML文件的標志

節點名{

域 域值

… …

}Script{ #腳本節點

… …

}

ROUTE … … #路由，把入事件與出事件相關聯

以一個簡單的程序實例說明VRML的編程模式。該程序建立了三個3D對象：長方體、球體和圓錐并賦予了不同的方位、顏色等屬性。

#VRML V2.0 utf8

DEF box Transform{ #定義一個變換節點box

translation -5 0 0 #設置空間坐標位置

children [ #定義節點的子節點

Shape { #定義形狀

geometry Box{size 2.0 3.0 1.0} #長方體定義

appearance Appearance{ #定義外觀

material Material{ #定義材質

diffuseColor 1 0 0 #設置漫射色顏色

} } } ] }

DEF sphere Transform{

translation 0 0 0

children [

Shape {

geometry Sphere{} #定義一個球體

appearance Appearance{

material Material{ diffuseColor 0 1 0 }

} } ] }

DEF cone Transform{

translation 5 0 0

children [

Shape {

geometry Cone{ } #定義一個圓錐體

appearance Appearance{

material Material{ diffuseColor 0 0 1 }

} } ] }

VRML程序保存成.wrl文件格式。另外，要使瀏覽器提供VRML的瀏覽功能，還必須安裝VRML插件，常用的插件有Contact、Cosmoplayer、Cortona等，圖1是上述程序在安裝了BS Contact VRML插件的IE瀏覽器中的顯示效果。在瀏覽器中用戶可通過系統提供的工具實現對三維對象的交互式顯示操作。

基于VRML的虛擬實現技術可展示虛擬場景中各部件的位置及相互之間的關系，其文件短小，適用于網絡應用。但其不足之處是三維圖象質量一般，難以實現復雜場景展示及交互，與外界的通信能力也比較差。

3.2 基于三維建模技術的VR實現

在掌握一定三維建模方法的基礎上，也可借助三維建模軟件的功能進行VR實現。三維建模軟件能夠提供虛擬現實中所需要的各種三維模型，較常用的軟件有3DSmax、Maya及Creator等，這些軟件把復雜的建模過程變得非常簡單和易于理解。以下以3DSmax實現擺球仿真為例介紹VR實現方法：（1）在軟件平臺中建立了仿真擺球模型，并實現擺球的運動動畫，如圖2如示。（2）使用3DSmax“導出”功能將該模型導出為VRML97（*.WRL）格式文件。（3）使用安裝了VRML插件的瀏覽器打開該wrl文件實現擺球的虛擬運動展示及交互。圖3為擺球在IE瀏覽器中的VR顯示效果，用戶可用工且以任意方位和角度觀察擺球的運動。

該方法可在實現較復雜模型、動態模型的基礎上現實VR。其最終顯示方式仍是VRML描述模式，由于受插件的限制，瀏覽器達不到理想的實時展示和實時交互效果。

3.3 基于Web3D技術的VR實現

目前更主流的虛擬現實技術是憑借Unity3D、Wirefusion、Cult 3D、Virtools、C3d、Truntool等一類引擎下實現的Web3d技術。這些軟件使用專用的文件格式和瀏覽器插件，在實現實時渲染、圖像質量、造型技術、交互性以及數據的壓縮與優化上均優于VRML。此外，這些軟件也可與3DSmax等三維建模軟件配合使用。

以Unity3D為例，它是一款VR應用程序開發引擎，具有跨平臺、強大的地形編輯功能、高效高質渲染效果、支持用戶定制交互要求等特點，非常適合開發高逼真虛擬和交互展示的需求。基于Unity3D的虛擬現實是用Unity3D引擎開發的一個能夠實現動態加載和展現3D模型的Web Player應用。通過安裝Unity3D插件就可以實現在瀏覽器上運行Web Player來加載產品模型展示[4]。

在虛擬展示系統中，用戶對場景中具體的產品的選取及操作是交互性最充分的體現，即當用戶在虛擬場景中用鼠標點擊或指向某一產品時，系統應做出相應設定的響應[5]。Unity3D 的GUI接口提供了各種控件（如按鈕、窗口等）以支持編輯用戶交互界面；通過重寫鼠標事件可以檢測用戶的各種輸入信息并作出相應的響應；通過變換組件又可以完成產品的平移、旋轉、比例變換等各種操作。圖4及圖5是運用Unity3D和3Dsmax開發的“運動與健康虛擬現實展廳”。作品通過VR技術實現主題為“運動與健康”的漫游展廳，并以Web3D網頁形式提供了一個實時交互的參觀平臺，使用戶可以身臨其境地感受展廳內的景觀。

就目前而言，大多數的Web3D技術主要用于三維顯示技術的網絡應用開發，這也決定了Web3D技術主要特點就是對3D模型的網上三維交互演示。

4 結束語

虛擬現實技術與圖形學技術緊密關聯，圖形學三維造型等技術是虛擬現實的一個堅實臺階，VR技術又是圖形學的拓展延伸，具有廣泛的應用前景。該文嘗試在高校計算機圖形學教學中引入桌面虛擬現實的實驗，并由淺入深地提出三種VR實現方法，旨以使計算機圖形學的實驗開展更具實用及研究意義。

參考文獻：

[1] 陸楓，何云峰. 計算機圖形學基礎[M].2版.北京：電子工業出版社，2008：11-12.

[2] 石玉玲.虛擬現實技術與圖形學[J]. 職大學報，2008（2）：90-91

[3] 張義寬.計算機圖形學[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2004：26-27.

篇3

摘要：隨著游戲產業的快速發展，國內外越來越多的高校開始開設游戲開發專業或游戲開發方向，在該專業的課程設置中，“計算機圖形學”是一門重要的專業基礎課，如何在講授“計算機圖形學”課程的同時，考慮游戲專業人才的培養目標，結合游戲設計的實例來進行實踐，使得學生能將圖形學理論和游戲設計實踐很好地結合起來，是一個值得深入探討的問題。本文從“計算機圖形學”課程的特點分析開始，結合當前教學過程中存在的問題，給出了面向游戲開發專業方向的“計算機圖形學”課程建設思路。

關鍵詞：計算機圖形學；游戲開發；課程建設

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

“計算機圖形學”是計算機領域一門重要的學科，也是計算機學科方向的核心課程之一，作為一門不斷發展的學科，“計算機圖形學”的教學應該跟上學科的快速發展以及社會對本學科的人才需求。當前，伴隨著計算機科學與媒體技術的相互融合，形成了數字媒體技術這一新的學科，越來越多的國內外高校開始開設數字媒體技術專業，而相當多的高校將“游戲開發”作為數字媒體技術專業的一個主要方向進行發展。游戲設計以高質量的3D技術來展現游戲畫面，從角色建模、燈光、渲染、紋理等，無不是基于計算機圖形學的算法和理論，因此，“計算機圖形學”也成為數字媒體技術專業重要的一門專業基礎課。

如何在講授“計算機圖形學”課程的同時，考慮游戲專業人才的培養目標，結合游戲設計的實例來進行實踐，使得學生不至于因為算法和理論的枯燥而產生厭學情緒，同時又能將圖形學理論和游戲設計實踐很好地結合起來，是一個值得深入探討的問題。

本文分析了“計算機圖形學”課程的特點及其在游戲開發專業培養課程體系中的地位以及圖形學授課過程中存在的問題，給出了面向游戲設計專業的“計算機圖形學”課程教學改革的思路。

2 “計算機圖形學”課程的特點及其在游戲開發專業培養課程體系中的地位

游戲開發專業的教育目標是幫助學生了解游戲從策劃、設計、開發、測試、運營過程的整個環節，使學生獲得扎實的理論基礎，同時使學生具備較強的實踐能力，掌握最先進的主流游戲開發技術。

“計算機圖形學”是游戲設計專業的一門重要專業基礎課，當前的主流圖形API是對圖形學的基本原理和算法的實現，因此，對圖形學算法和原理的掌握，能夠幫助學生更快更好地理解和掌握主流的圖形API，而這些主流的圖形API也是當前游戲開發過程中必不可少的工具。

由此也可看出，“計算機圖形學”課程應該理論與實踐并重，既要講解清楚圖形學的基本理論和算法，又能給學生充分的實踐機會和時間，為學生后續學習游戲開發技術打下堅實的基礎。

處理好圖形學授課過程中的理論講授和實踐的關系，對于這門課程的學習效果至關重要。

當前的圖形學的教學現狀與游戲專業的教學目標相比，存在如下一些問題。

3 “計算機圖形學”授課過程中存在的問題

(1) 傳統的計算機圖形學的內容可以分為二維、三維兩部分，其中二維部分即光柵圖形學部分，包括：基本圖形(直線、圓弧、橢圓等)的生成算法、二維裁剪算法、填充算法、曲線曲面、圖形反走樣等內容。三維圖形學算法則圍繞三維物體的建模、運動、三維場景的建立組織，包括：物體建模(物體在計算機內的表示模型、幾何造型)、三維圖形的顯示(三維圖形的幾何變換、三維圖形的投影變換、三維裁剪)、真實感圖形學(消隱算法、光照模型、光線跟蹤技術、陰影、紋理、輻射度算法等)，有些圖形學教材還增加了計算機動畫技術、交互技術、圖形處理高級技術等內容。

分析上述內容，其中與游戲設計關系最為密切的部分是：基本的圖形學數學算法，包括向量部分的內容、圖形變換、視圖變換、圖形渲染、材質、紋理貼圖、模型動畫等三維圖形學的內容；而二維圖形學的內容在游戲開發中使用的相對較少。

而在傳統的圖形學教材中，二維圖形學的內容占據相當大的比例，學生在學習這一部分內容的時候，普遍感到算法較為枯燥，而無法和實際應用聯系起來，易產生厭學的情緒。

(2) 對于當前主流圖形庫的學習安排

為了更好的開發出具有豐富3D效果的游戲，必須學會使用3D技術，而當前主流的3D圖形API為OpenGL和DirectX，早期的很多游戲的底層引擎是基于OpenGL開發的，如“3D游戲之父”Carmack的經典游戲“DOOM”、“Quake”，在當前的游戲行業中，微軟開發的DirectX多媒體引擎大有后來居上之勢，當前基于Windows操作系統的游戲絕大多數都是基于DirectX開發。雖然如此，在其他操作系統的游戲開發和工作站上的圖形應用程序開發，OpenGL仍然是不二的選擇。

因此掌握好這兩種圖形庫，是游戲專業的學生必須掌握的技能；在兩種圖形庫的偏重上，DirectX所占的分量應該更重一些，而當前的圖形學理論和實踐教材基本上都是基于OpenGL，缺少合適的基于DirectX的計算機圖形學實驗指導教材。

(3) 對于圖形學課程理論和實踐的安排

一般圖形學課程的安排是先講授圖形學理論，之后進行圖形學課程設計，目的是在課程設計環節讓學生應用所學的理論知識，鍛煉實踐能力。但也存在一些弊病：理論講授和實踐環節割裂，學生在學習圖形學算法和理論時對枯燥的內容感到較難，缺少實踐，而在實踐環節，由于時間有限，很難真正掌握開發工具并作出具有一定深度的作品。

基于上述問題，結合游戲開發專業的特點，我們認為必須從以下幾方面入手做工作，確保“計算機圖形學”課程的教學效果，加快課程建設。

4面向游戲開發專業方向的計算機圖形學課程建設思路

(1) 針對游戲專業的特色，在內容選擇上，應有所取舍，有所補充，不拘泥于某本計算機圖形學教材的具體內容作為授課內容，而是根據培養目標和專業特色，靈活安排。

首先，重點講授三維圖形學的內容；另外，將一些游戲開發過程中較為關鍵的圖形學相關算法和內容補充到圖形學的授課內容中，例如以下兩種算法：

場景管理及相關算法：場景管理是3D游戲引擎最核心的部分，對于一個3D場景來說，有很多的物體，最簡單的組織方法就是把它們用一個List連接起來，然后在繪制每一幀的時候一次送入渲染器進行處理，這樣的方法即使處理一個簡單的場景都會顯得非常慢。因此，如何合理有效地管理3D場景中物體之間的相關、從屬、互相影響的關系，如何組織這些關系，并將它們與3D引擎的其他部分的功能聯系起來，就是場景管理需要完成的工作。牽涉到空間排序，有多種算法來實現，基本的方法為：N叉樹算法，包括：二叉樹算法、四叉樹算法和八叉樹算法。

現有的各種圖形學教材，有些根本沒有提到上述算法，有些在圖形消隱的章節講授其中的某種算法。而上述算法是游戲引擎的核心算法，對游戲專業學生這一部分的內容應補充進授課內容。

三維模型動畫及動力學的基礎知識：在游戲開發過程中，有了模型之后，需要為三維模型添加相應的動作，實現游戲效果。對于當前的三維圖形庫，比如Direct3D，也支持豐富的三維模型動畫，包括：關節動畫、單一網格模型動畫、骨骼動畫和Morp。這一部分內容對于游戲開發人員來說也是必須掌握的一部分，但在現有的《計算機圖形學》教材中，絕大多數沒有涉及這部分內容，但也有一些《計算機圖形學》課本增加了三維模型動畫及動力學的內容，如美國加州州立大學斯坦尼斯洛斯分校Steve Cunningham所著的《計算機圖形學》一書中，就將動力學和動畫作為專門的一章內容進行介紹。

(2) 理清圖形學各部分內容和具體的游戲應用之間的關系，采用多種方式，有針對性地講述。

游戲專業方向的“計算機圖形學”課程在講授的時候，不能完全沿用傳統的“計算機圖形學”的授課方式，而應該找出相關內容和具體的游戲開發實踐之間的關系，教師在講述相關理論和算法的時候，應將游戲開發過程中如何應用該算法或理論以及如何實現該算法和理論進行講解，將相對枯燥的理論和實際聯系起來，讓學生能學以致用。

下表對圖形學的內容和游戲開發實踐中的應用作了粗略的總結。

教師在具體講授時可以在此基礎上進行豐富，使得授課內容生動起來。并在課程結束的時候，按照構造游戲的流程，從角色建模講起，用游戲設計這一根主線找出各部分內容之間的聯系，使得學生對課程的內容和游戲開發之間的關系有一個全貌性的認識。

(3) 在理論環節和實踐環節的安排上，采用理論課+實驗課+課程設計的方式，在平時圖形學理論講授的過程中，穿插實驗課，在最后安排課程設計，加大實踐環節所占比重。

(4) 建設與開發面向游戲方向的圖形學案例庫

欲使課堂講授的內容生動起來，必須有實際的案例支撐，因此建設面向游戲方向的圖形學案例庫，使得學生能夠快速理解和掌握相關理論和技術，對于提高圖形學課程的授課質量至關重要。

(5) 教材建設方面

編制面向游戲開發專業的計算機圖形學教材以及編制面向游戲開發專業的圖形學課程設計指導書是非常緊迫和必須的任務。

5總結

本文結合圖形學教學的實際以及游戲開發專業方向的培養目標，對于面向游戲設計專業的“計算機圖形學”課程教學改革進行了一些探討，希望能對游戲開發專業的教學和課程建設有所促進。

參考文獻：

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[2] 博采眾家智慧,培育復合型、創新型人才――山東大學軟件學院孟祥旭院長談數字媒體技術專業人才培養[J]. 計算機教育,2008,(15).

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[6] 潘榮江. 揚長補短的 “2+X” 數字媒體技術專業培養模式[J]. 計算機教育,2008,(15).

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[8] [美]Steve Cunningham著. 石教英,潘志庚譯. 計算機圖形學[M],北京:機械工業出版社,2008.

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關鍵詞：《計算機圖形學》；教學方法；教學實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）30-0191-03

一、引言

《計算機圖形學》是數字媒體技術專業的一門理論基礎課，主要研究如何利用計算機來表示、生成、處理和顯示圖形的原理、方法和技術。目前，大多數高校計算機以及數字媒體等相關專業都會開設《計算機圖形學》課程。由于圖形學技術在計算機游戲、數字娛樂、平面設計、網頁設計等行業中的廣泛應用，學生在選擇這門課程時都抱有很大的興趣和期待。然而，《計算機圖形學》要求學生具有較好的數學基礎和較強的編程能力，所以隨著課程的深入，學生普遍感到學習比較吃力，達不到應有的教學效果。

本文在分析《計算機圖形學》的學科特點以及當前教學中存在問題的基礎上，從合理選擇教學內容、靈活運用多種教學方法和手段、注重實踐教學、重視過程考核等方面對《計算機圖形學》的教學思路進行了一些探討。

二、學科分析及教學現狀

1.《計算機圖形學》的學科特點。《計算機圖形學》是建立在圖論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，該學科涵蓋了計算機科學、數學、物理學等其他學科的相關知識，學科交叉繁雜，研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形軟件標準、圖形交互技術、基本圖形生成算法、建模、渲染、計算C動畫等。總體來說，《計算機圖形學》是一門以應用為背景，以數學為基礎，以算法為核心的強理論，重實踐的課程。同時，該課程又以C語言、數據結構等為先導課程，因此，要將這樣一門課的內容較好的傳授給數字媒體專業的學生，不是一件容易的事情，需要積極探討新的教學思路和教學方法。

2.教學中存在的主要問題。《計算機圖形學》內容豐富，理論性和實踐性都比較強，造成該課程講授起來比較枯燥；同時，由于數字媒體專業的學生數學基礎和編程基礎都不是太好，學生普遍感到對于圖形學的內容難以接受，學習的積極性和主動性都受到了影響，學習效果較差。在教學實踐中，筆者發現目前的圖形學教學普遍存在以下問題。

（1）理論性強，難度大，導致學生興趣減弱。《計算機圖形學》主要研究如何在二維的屏幕上顯示三維的圖形，其中涉及到三維形狀的建模，渲染以及動畫等。圖形渲染流水線的背后，要求學生具有較強的數學功底，特別是向量和矩陣的一些基礎知識，要熟練掌握。學生要能用向量的思想去解決圖形學中的一些基本問題。對于數學基礎較弱的數字媒體專業的學生，這種要求往往令他們產生畏懼心理，極大的影響了他們的學習興趣和信心。

（2）教學內容多，知識點分散。《計算機圖形學》學科交叉繁雜，內容豐富，不僅涉及圖形硬件、軟件和大量的實際算法，而且還與微電子學、計算幾何、圖論學等專業學科密切相關，并在發展過程中逐步與數字圖像處理、數字幾何處理、模式識別、人工智能、虛擬現實等相結合，這就要求授課教師要具有比較全面的知識結構，對于內容的講解有所側重，合理取舍，透徹了解各學科之間的關系。目前國內大部分圖形學教材都是從底層的圖形硬件設備開始講起，然后是基本圖形元素的生成算法，最后逐步過渡到光照模型和紋理映射等高層的真實感圖形渲染方法，這容易導致學生只掌握了分散的知識點，很難將各個知識點串連起來。另外，現在的圖形學教材一般都只局限于經典的圖形學算法原理，而對于學科前沿的研究動態少有涉及，這樣不利于開闊學生的視野，激發他們自主學習的興趣和意識。

（3）實驗課時少，學生缺乏實踐訓練。《計算機圖形學》是一門實踐性很強的學科，要求學生具有較強的編程能力和動手操作能力。上機實踐是鍛煉學生編程能力的主要手段，也是學好這門課的必要手段。沒有實驗課的訓練，學生很難真正理解圖形學中的算法原理。但是，由于總課時的壓縮，實驗課時很少，僅提供6次實驗機會，而且實驗基本上都是驗證性試驗，學生很難在實驗中獲得將來工作時需要掌握的編程知識，另外大部分學生本身的編程能力不強，上機興趣也不高，最終導致學生無法獲得充足的實踐鍛煉機會。

（4）考核形式單一，無法調動學生的學習主動性。目前《計算機圖形學》的考核形式主要還是通過卷面筆試的形式來進行。卷面筆試考核通常考察的是學生對知識點的記憶和理解能力，適用于基礎課教學，強調的是“記”和“背”。但是對于以實踐和應用為主的專業課程而言，它強調的是“做”和“用”，因此，要求學生死記硬背相關理論和算法，無疑是一種資源浪費，學生不能學以致用就等于白學。這種考核方法也無法調動學生平時的學習積極性，他們大都寄希望于最后幾周的突擊復習，考試完之后很快就忘記了，達不到課程教學的培養目標。

三、教學思路探討

1.結合應用上好第一節課。第一節課非常重要，因為上好第一節課就能夠激發學生的學習興趣，讓學生能夠自愿、自主的學習。在《計算機圖形學》的第一節課上，教師應該系統的給學生介紹圖形學的應用以及研究前沿，并讓學生了解圖形學內容的整體框架。

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【關鍵詞】計算機圖形學;教學理念;實踐教學

一、計算機圖形學課程特點

計算機圖形學是研究如何利用計算機算法來生成、處理和顯示圖形的一門學科[1]。目前，計算機圖形學已經成為計算機學科中發展最活躍、應用最廣泛的分支之一，成為許多計算機從業人員的必備素質之一，也是本校信息與計算科學專業開設多年的一門專業選修課程。

計算機圖形學綜合性比較強，涉及內容和應用領域比較廣泛，該課程主要講授計算機圖形中最基本、最廣泛應用的理論和方法，包括基本圖形的掃描轉換、多邊形填充、二維變換和裁剪、三維變換和投影、自由曲線和曲面等計算機圖形學基本理論和算法等;另一方面，學好計算機圖形學對高等數學、線性代數、解析幾何等基礎數學有較高的要求，其先修課程還包括數據結構、計算機語言（如C++程序設計）等。計算機圖形學對于學生的理論基礎要求較高，課程內容較多、理論性強，各種算法的羅列容易使學生感到乏味，不明白學習的意義，失去學習的興趣;另一方面，計算機圖形學具有很強的實踐性，需要學生將所學的理論應用到實踐中，并在實踐的過程中發現問題、分析問題、解決問題，合理安排上機學時和內容對培養學生的實踐創新能力非常重要，但在傳統的教學理念和教學模式的影響下，教師仍然在教學過程中起主導作用，學生的自主學習意識和能力還需要加強[2-4]。如何根據信息與計算科學專業特點，提高計算機圖形學教學質量，這些問題需要在教學實踐中不斷思考和探索。

二、教學中存在的問題

1.學生對課程認識不足，不夠重視

根據信息與計算科學專業學生培養方案，計算機圖形學作為專業選修課在大三上學期開設，部分同學對專業課期望較高，在開課之初認為學完以后就能夠具備利用計算機做出逼真效果的圖片動畫等能力，而在實際學習中卻要從基礎的算法學起，與理想中的情況相差甚遠，對學習的目的和方向不明確，逐漸感到失望并失去興趣。也有一部分同學因為個人選擇的考研或就業方向與圖形學關系不大，因而對課程不夠重視，學習積極性自然受到影響，學習過程只是被動接受以完成學分。

2.學生能力參差不齊，課程設置不夠優化

計算機圖形學知識點多，同時對數學基礎、數據結構和程序設計等課程均有一定的要求，雖然培養方案中為信息與計算科學專業一二年級學生均開設了相關的基礎課程，但由于學生基礎參差不齊，有的同學數學基礎不夠扎實，一看到理論推導便產生畏難情緒失去信心;有時一些學過的知識點因為時間較長已經忘記，任課老師不得不對之前的內容進行補充而影響正常的教學進度;在上機實踐中，部分同學的編程能力較差，課堂時間無法完成算法的實現，從而使上機課時沒有實現其價值。

3.對實踐、創新能力培養的不足

由于受到傳統教學模式的影響，教學中仍然以教師教學為主，往往是教師教什么，學生學什么，學生學習缺乏自主性，這也是其他本科課程和人才培養中普遍存在的問題，學生學完以后不知道為什么而學習，對培養學生的創新能力是不利的。計算機圖形學作為一門理論性和實踐性都很強的課程，如果在教學過程中如果按照傳統教材對于基礎理論和算法的闡述過多，往往會使學生感到枯燥乏味，缺乏實踐環節難以激發學生的學習熱情，也容易讓一部分同學因為畏難或感到枯燥而難以堅持下去。但如果過多偏重于算法的編程實現，又容易模糊本課程的主旨，使之成為程序設計課程的延伸，也難以達到良好的教學效果。

三、教學思路和方法探討

1.上好緒論課，提高學生學習興趣，明確學習目標

第一節課對于整個學期的教學至關重要，首先要讓學生認識到計算機圖形學究竟是什么，為了提高學生興趣，通常可以利用多媒體展示一些前沿成果，如siggraph會議最新的視頻展示、動畫游戲特效等，讓大家更直觀的感受到圖形學的魅力，同時引導學生自己發現生活中圖形學的廣泛應用，充分認識到圖形學學習的重要性。接下來要將課程的教學內容和安排做一個整體的介紹，讓學生了解在課堂內能夠學到哪些知識，演示一些課程中要求學生自己能夠完成的實踐案例，幫助學生明確學習目標，能夠腳踏實地從基礎的算法學起，以免開始期望過高而逐漸感到厭煩。

2.調整教學理念，提高學生參與的主動性

教學的目的是為了培養學生的學習能力、實踐能力、創新能力，因此在教學中教師要注意加強學生在教學過程中的主體意識，比起知識的傳授，學生能力的全面發展更加重要。在算法講授之前先提出問題讓同學們自己思考，鼓勵學生在互相討論的過程中自己分析問題、解決問題，再通過與經典算法的比較，分析算法的優缺點，避免單調的講授。基礎較差的學生可以在討論的過程中向同學請教，比起教師在課堂上補充要更加有效。對于基礎較好的學生，可以引導其查閱最新的文獻，了解學科前沿和研究進展，嘗試對算法進一步改進等一系列科技創新活動，逐步培養科研能力。

3.根據專業特點合理設置授課內容，優化實踐環節

信息與計算科學專業對學生的數學基礎要求比較高，在教學中應強化針對具體問題建立數學模型并解決的能力，教學中應該以重點理解像素級繪制算法，掌握基本概念和算法的思想，理解算法能解決的問題和能達到的效果。對于Bresenham算法、掃描線填充算法、幾何變換和裁剪等基本算法原理要重點講授，課堂上可以通過案例演示使問題更加具體形象，并通過上機實現三、四個算法來加強理解。對于曲線生成可以重點介紹Bezier曲線和B樣條曲線等，并對比其應用特點，曲面生成由于理解起來難度相對較大，可根據學生的具體情況介紹原理并演示具體的生成效果。動態消隱、真實感圖形等涉及概念和算法較多，不要求學生去掌握和實現算法的具體細節，只要求掌握基本概念和經典的算法原理。上機實踐的除了直線生成算法等容易實現的簡單題目外，還可以增加一個綜合性較強的課程設計題目提供給學生鍛煉動手能力。

4.通過全面考核引導學生主動學習

在課程考核中要重視對學習過程控制，將平時的課堂討論、上機實踐成果演示等情況計入平時成績，主要目的在于提高學生平時學習的積極性，起到一個督促的作用。計算機圖形學是不斷發展的交叉學科，也是信息與計算科學專業一門重要的專業課程，既要強調扎實的理論基礎，也要具備一定的動手實踐能力，需要在教學中不斷探索更有效的教學手段和方法，以適應學科的發展和人才培養的需求。

參考文獻

[1]孔令德.計算機圖形學基礎教程（VC++版）[M].北京：清華大學出版社，2008，5.

[2]魯敏，于慧穎，鄭平剛.信息工程專業計算機圖形學教學模式思考[J].高等教育研究學報，2006（3）：31-33.

篇6

關鍵詞：計算機圖形學；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)13-3225-02

Probing the Teaching Reform of Computer Graphics

YANG Qing1, LI Xiao-hua2

(1. Department of Basic Courses, Xi'an Aerotechnical College, Xi'an 710077, China; 2. School of Science, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China)

Abstract: In this paper, it analyzes the characteristics of computer graphics based on the content of this subject, pointing out some problems in the course of teaching. Several innovative teaching thought and methods are put forward and applied in practice.

Key words: computer graphics; teaching reform; teaching practice

計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門具有多學科交叉性和前沿性的新興學科。它綜合了數學、物理學、計算機科學等相關學科的各種知識，而且隨著學科發展日新月異，新的應用領域會不斷拓展，這使得計算機圖形學這門課程具有學科內容豐富、理論性強、算法眾多、實踐性強等幾個方面的特點[1-3]。

計算機圖形學這門課程具有實踐性強的特點，這就要求學生必須具有較強的動手操作能力和編程能力；如果理論與實踐的互動性不夠，就容易造成學生實踐動手能力薄弱的現象。從而，可以看出在計算機圖形學中采用傳統的課堂上講授理論，課后讓學生去做實驗的教學方式很難達到預期的教學效果，急切需要探討新的教學思路和教學方法[4-5]。

1 計算機圖形學教學內容

計算機圖形學是一門邊緣性學科。它的核心技術是如何建立所處理對象的數學模型并生成該對象的圖形, 其主要研究內容可概括為以下幾個方面：

1) 人機交互與用戶接口技術。例如用戶接口的常用形式，如子程序庫、專用語言和交互命令等；新型交互設備如定位設備、選擇設備等的研發；各種交互技術如選擇技術、定位技術、構造技術、命令技術、響應技術等的研究；各種交互方式如菜單驅動方式、數據表格驅動方式事件驅動方式等的研究；以及用戶模型、命令語言、反饋方法、窗口系統、設計環境等完整用戶接口技術的研究。

2) 圖形生成技術。例如基本圖形生成算法，如線段的掃描轉換、圓弧和橢圓的掃描轉換、字符、區域的各種填充算法、線寬線型的處理技術；隱藏線，隱藏面消除算法；明暗模型、紋理映射、陰影、光照明模型、灰度與色彩等各種真實感圖形生成技術。

3) 圖形變換技術。例如圖形的幾何變換技術，如圖形的平移、旋轉、縮放等各種幾何變換操作的方法及其實現技術；形體的投影變換技術，如圖形的平行投影和透視投影的實現技術；圖形的裁剪技術等。

4) 幾何造型技術。例如不同類型幾何模型的構造方法及性質分析，常用的造型方法及技術研究；曲線曲面的參數表示與處理等等。

5) 動畫技術。研究實現高速動畫的各種方法，開發工具，動畫語言等。

從上面的內容可以看出, 要將這樣一門課的內容較好的傳授給學生，不是一件容易的事情。

2 課程改革

大學是現代社會的創造力中心, 是知識的傳授和生產之地，但是傳統的教學系統是由教師、學生和教材這三個要素組成。在這個系統中，教師通過講授、板書，把教學內容傳遞給學生或灌輸給學生。教師是整個教學過程的主宰，學生則處于被動接受知識的地位。顯然，僅僅依靠教師來激發學生的學習興趣，依靠教師把當前所學新知識、新概念與學生關于當前所學知識的原有認知結構聯系起來，無疑難度非常大。特別是計算機圖形學是一個注重實踐掌握的新型學科，這種灌輸式的教學方法極大地阻礙了課程教學目標的實現。

本校針對現有教學中的不足，在總結多所學校在該門課程教學經驗基礎上，制定了計算機圖形學的教改目標和教改方案，具體認識和做法如下。

1) 板書與多媒體相結合

利用多媒體信息豐富的特點，采用多媒體講授圖形學課程部分內容是一種很好的教學方式，加大案例教學的比重，豐富課堂內容，提高學生認知能力，使學生直觀的理解算法。多媒體教學信息量大，效率高，趣味性強，具有傳統教學無法比擬的優勢，可以使教學達到最優化。但在使用多媒體授課的同時，必須配合板書，圖形學課程中涉及到大量的數學推導過程，例如圖形的幾何變換，這些推導過程對于學生來說，應用板書理解的效果會更好。

2) 加強實踐能力的培養

計算機圖形學課程具有很強的實踐性，上機實驗是其重要環節。基本目標是將學生的計算機操作能力、分析能力、設計能力與應用實踐結合起來，引導學生由淺入深地掌握圖形學基本理論和算法。除此之外，強調以學科發展帶動教學改革，倡導教學與科研相結合，將科研成果和新技術、新方法不斷融入實驗教學體系中，保持實驗教學方法的新穎性。通過設置一系列綜合性實驗項目來模擬科研全過程，實現實驗教學與科研訓練的有機結合。根據本校學生實際情況，將上機實驗分為驗證性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗具體簡單，以加強學生基本內容的掌握；綜合性實驗充滿了趣味性，又具有挑戰性，可以提高學生的學習興趣。同時，上機實驗要注意加強實驗過程的管理，實驗前認真準備，實驗過程中認真完成，實驗課后認真總結。根據實驗過程及實驗報告評定每次實驗成績。

3) 利用網絡上的共享資源擴充學生的知識視野

現代教學理念應激發學生自主學習的積極性。隨著現代網絡技術的發展，學生可以非常便捷的通過互聯網來獲取豐富的共享資源，因此，教師可以提供給學生一些與本課程相關的自主學習的參考文獻，提供一些可以深入學習的課題以及學習網站等等，指導學生合理的利用網絡資源來獲取自己所需要的知識。例如圖形學的發展現狀與趨勢等了解性知識，它們的特點是更新快、信息量大，如果教師在傳授這些知識時還是采用傳統的講授型教學方法，由于時間的限制，會使學生不能系統的了解這些知識，而且感到枯燥乏味。因此，對于這一部分內容需要學生做進一步的信息查找，讓學生去網上查找資料以補充課堂中的內容，相信這樣會起到事半功倍的效果。師生之間經常進行交流，搭建一個交流的平臺、形成信息反饋渠道，教師及時了解學生在學習過程中反映出來的重點、難點問題，有針對性地進行指導和講解。

4) 綜合考評

在課程考核中建立有利于學生個性發展的綜合素質評價體系，改變過去以理論考試成績作為衡量教學效果的單一評價體系，采用綜合考評的方式。考評過程中，應該考慮學生掌握基礎知識、綜合應用能力和創新能力等各方面的情況，考評可以分為卷面成績、完成大作業成績和上機開發實踐成績，這三個方面按比例進行打分。對綜合應用所學知識完成大作業較好的學生，例如對綜合應用數據結構、編程語言以及圖形學算法理論這些知識來編程實現某些重要算法，這些題目完成較好，并且在上機實踐中能夠充分利用先進的圖形系統和工具獨立自主地進行開發、設計的學生要加分。綜合考評的目的不僅是要求學生熟練掌握計算機圖形學的基本概念、基本知識、基本算法，更重要的是要培養學生能夠綜合應用所學知識來分析、解決實際問題的能力；是一種知識、能力和素質的綜合考評，教學目的是要不斷提高教學質量，以適應我國市場經濟的需要，要努力培養多層次、復合型的高質量人才。

3 總結

計算機圖形學是一門快速發展的前沿性學科, 它的教學還需要在今后的實踐中不斷進行探索和發展。在我校2008級學生中，實施計算機圖形學教學改革。以培養學生能力為目的，激發了學生的學習熱情，培養了學生自己動手解決實際問題的能力，改革后的教學能取得令人滿意的教學效果。該文僅從自己對計算機圖形學的教學體會中，提出了一些教學思路和方法，同時對其他課程也有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 馬自萍,馬金林,“計算機圖形學”的教學實踐與改革的探討[J].計算機教育,2008(9):57-58.

[2] 張金區,“計算機圖形學”的教學實踐與改革探討[J].電腦知識與技術:學術交流,2007(3):874-875.

[3] 曾巧明,何紅波.計算機圖形學的教學改革和創新探討[J].長沙鐵道學院學報:社科版,2003(3):111-113.

篇7

摘要：本文介紹了筆者針對“計算機圖形學”課程教學中存在的問題所進行的“14+4”教學改革的實踐。

關鍵詞：計算機圖形學；教學研究；計算機圖形生成系統；OpenGL

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

“計算機圖形學”課程傳統教學模式的重點是基本理論和算法的講解，學生在學習本課程過程中只是了解了基本圖形的生成，而對于三維圖形的生成和幾何變換、曲面的生成、消隱算法、光照模型的模擬等理論不知如何去實現，針對這一現象，筆者提出以下幾點改革，供大家共同探討。

1計算機圖形生成系統

結合本課程教學內容，我們開發了計算機圖形生成系統，該系統除了實現課本中講解的基本算法外，還可實現三維圖形的生成與幾何變換、曲面的生成、消隱算法、光照模型的模擬等。使學生在學了本課程以后，不僅能實現簡單圖形的生成，還可以實現復雜的圖形。

此系統可實現教材中的基本算法，如DDA和Bresenham的直線生成算法、圓的Bresenham和中點生成算法、橢圓的生成、任一多邊形的生成、種子填充算法、掃描線填充算法、直線的Cohen_surtherland裁剪算法、曲線曲面的生成等。

對于比較抽象的算法，采取先講理論，再講程序，使學生能理解這些理論用計算機言怎樣去實現，從而加深理解。

另外本系統對各個部分進行了歸類講解：

(1) 系統可生成基本三維圖形，如球體、橢球體、圓柱、圓錐、任意多面體等，在講解相關理論后，再演示和詳細講解程序，可以使學生比較容易理解。例如可以把球體、橢球體、圓柱、圓錐歸為一類講解。先講解一個球體的生成程序，程序用球體的參數表達式去實現，其中用到了投影變換、三維形體的幾何變換、屏幕坐標系的變換、簡單的反向面消隱算法，學生理解后，再把錐體、橢球體的參數表達式告訴學生，讓學生試圖生成錐體、橢球體或與球體相近的其他形體。對于多面體的生成，利用邊界模型和表面模型分別表示一個四面體，把理論與程序中的數據結構相結合，比較具體，學生易于接受，這樣學生就可以對任意多面體怎樣利用實體構造方法去實現了。

(2) 對于三維形體的幾何變換上，可以用兩種方法來實現：物體不變，視點位置變換；視點位置不變，物體發生幾何變換。在教學過程中，應用一種三維形體，如任一四棱錐來用兩種方法實現這種變換效果，并講解兩種算法的實現程序，給學生布置一道相似的作業，讓學生嘗試實現。

(3) 在消隱算法的講解和實現上，因為在三維圖形的生成程序中已經讓學生了解了簡單的反向面消隱法，所以在這部分內容把Z-buffer算法和掃描線算法的理論講解結合實現程序講解，學生比較容易理解。

(4) 自由曲面的生成，利用Bézier曲面的DeCasteljau生成算法生成雙三次曲面，利用B樣條曲面的Deboor算法，生成雙三次B樣條曲面，并生成NURBS曲面，對之進行幾何變換。

(5) 簡單模擬光的反射、環境光的漫射效果，以及對二維、三維圖形的紋理映射技術。

(6) 對于幾何造型方面，造型方法結合程序講解，效果較好。比如分形造型、邊界模型、表面模型等，結合理論，講一個實現程序，學生不僅可以更容易理解，還可以過到觸類旁通的教學效果。

2基于OpenGL的課件

目前本課程的實驗只是使用某種高級語言環境(如Turbo C ++)作為上機實習的平臺，而當前比較流行OpenGL、Direct等開發工具，學生并不能夠在Turbo C ++試驗中獲得未來就業環境下真實需要掌握的編程知識。OpenGL的這些能力為實現逼真的三維渲染效果、建立交互的三維景觀提供了優秀的軟件工具。OpenGL集成在Windows的內核中，VB、VC ++均可直接調用，初學的學生也能利用OpenGL的圖形處理能力設計出高質量的三維圖形以及三維交互軟件。所以，筆者在本課程的課件中，每一部分的章節后面，都要講解在OpenGL中怎樣實現，如畫線、幾何變換、消隱、紋理映射、曲線和曲面的生成等，展示相應的程序并講解程序。這樣可以拓寬學生的知識面，提高學生的就業機會。例如(1)圖形生成算法，OpenGL提供了定義點的函數，利用這個函數可以方便地向學生演示基本圖形生成算法的基本原理。(2)幾何變換。調用OpenGL的三個變換函數glTranslate3( )、glRotate3( )和glScale3( )，實質上相當于產生了一個近似的平移、旋轉和比例矩陣。(3)投影變換。OpenGL中只提供了兩種投影方式，一種是平行投影，另一種是透視投影。OpenGL平行投影函數共有兩個：一個是void glOrtho(GLdou2ble

left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdou2ble near,GLdouble far)，另一個函數是void gluOrtho2D (GL2double left, GLdouble right, GLdouble

bottom, GLdouble top)。OpenGL透視投影函數也有兩個：一個是void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far)，另一個函數是void gluPerspective(GLdouble fovy, GLdou2ble aspect, GLdouble zNear, GLdoube zFar)，利用這些函數就可以容易地實現透視投影的效果。(4)曲線曲面的生成。計算機圖形學中，所有的光滑曲線都采用線段逼近來模擬，而許多有用的曲線在數學上只用少數幾個參數(如控制點等)來描述。OpenGL提供生成Bezier、B樣條、NURBS曲線和曲面的函數。OpenGL曲線坐標計算采用的是void glEvalCoord1{fd} [v] (TYPE u)，如果是二維曲面的話，上述的函數名改變為對應的二維版本就可以了。(5)真實感圖形生成。真實感圖形繪制是計算機圖形學的一個重要組成部分，在OpenGL中設置光源顏色和對象本身顏色的函數為glLightfv()、glMaterialfv()，調用這些函數舉一些案例，使學生不僅能學到基本的圖形理論，還能自行開發基于OpenGL的幾何變換、投影、曲線曲面生成、光照明模型的建立、紋理映射技術等圖形，大大提高了學生的動手能力，使學生消除計算機三維圖形編程的神秘感，激發了學習的興趣。

3“14+4“的課程改革方案

由于本課程是一門實踐性比較強的課程，同時也為了使學生具有圖形開發的創造能力，本課程在教學過程中更適合“14+4”教學模式，即在教學計劃中，14周用于理論教學，4周用于做課程設計。學生可以運用自己所學圖形學知識設計一些大的繪圖程序，例如二維圖形幾何變換系統、三維圖形幾何變換系統、實體的幾何造型、二維或三維紋理映射技術的實現、面消隱算法的實現、分形圖形技術、應用OPENGL生成一三維形體或實現圖形學中相關算法、數字圖像處理技術等。學生在課程設計過程中加深了對圖形學這門課的理論知識，鍛煉了算法實現技巧、提高了編程能力，教學效果良好，甚至有些學生也能開發出效果較好的圖形系統。

4后續建設的設想：

針對當前計算機圖形學的發展以及市場上流行的許多圖形圖像處理軟件，如Flash、3Dmax、Maya、Authorware、Dreamweaver等，可以在幾何造型或光照模型、紋理映射等理論的講解上結合這些軟件的實現過程來講解，一方面可以滿足學生渴望掌握這些軟件的心理，另一方面可以使本課程的講解更加形象、生動和易于理解，也拓寬了本課程的應用范圍。

參考文獻

[1] 孫家廣. 計算機圖形學[M]. 北京:清華大學出版社,1998.

[2] 吳濤. 計算機圖形學教學改革探討[J]. 福建電腦,2007,(5):199-201.

篇8

一、 高職高專計算機圖形學教學現狀

1. 課時安排不足

計算機圖形學在很多工科類高職高專院校都作為一門專業選修課，一般安排在第三學期進行，在修完高等數學，C語言等先修課程以后開展。由于高職高專院校本身在學時方面較本科院校更為緊湊的原因，使得該門課程在高職高專院校開展更顯不足，一般控制在32學時左右。作為計算機類課程，上機時不可缺少的，其中還要安排40%左右的上機學時。這樣一來使得理論學時只有20學時左右。所以學時不足的問題還是比較嚴重的。

2. 沒有專用教材

由于目前沒有一本計算機圖形學高職高專專用教材，所以各學校多采用本科系列教材，只是在章節內容上進行壓縮，以適應專科層次的課時教學要求。目前國內大部分教材的章節目錄的設置基本一致, 都是從計算機圖形繪制最基本的硬件設備開始，由引入光柵化的概念開始，逐步轉化到各種數學算法。在有理論上的數學算法，通過計算機程序（OpenGL）在計算機上實現繪圖。壓縮后的課程，由于每個知識點都不能充分展開，使得學生對掌握計算機圖形學這門課程的知識結構不夠清晰, 容易使學生在學完了這門課程之后, 只掌握了分散的知識點, 卻不能將各個知識點串連起來, 造成知識分散不連貫的情況。

3. 知識點深度不夠

由于課時安排的問題，以及教材內容被機械的壓縮，使得每個知識點只能是點到為止很難進行橫向縱向的展開。具體體現在對各種幾何要素算法的講解過程中，只能對其理論數學模型進行講解，而在解決具體實際問題方面就不能深入展開。

二、 高職高專計算機圖形學教學改革思路

1.課時安排的調整

由于專科層次的教學在總學時方面的限制，使得在該門選修課學時的擴充方面難以實現，所以只能通過對有限學時的統籌安排來使每個學時都有其充實的內容，這樣也是一種變相增加課時。具體體現為根據學生的接受程度，教學內容首先注重基礎，強調對基本概念的理解，對于一些復雜的基本算法，則要引導學生通過實際例子，對其基本原理基本思想加以理解。只要算法的基本思路掌握了，算法的實現就容易理解。對相關算法也就可以可舉一反三、觸類旁通了。另外教學內容還應根據具體專業內容，結合專業中具體的問題來適當的擴充內容，使學生了解該學科在專業中的具體應用，也同時增加課堂教學的趣味性。以筆者所在學校專業為例，可將計算機圖形學與醫學影像學，醫學圖形信息學相結合，使得學生學習起來目的更加明確，提高教學質量。

2.增加輔助教材或課件

由于目前計算機圖形學高職高專教材的匱乏，在教學過程中，很多教師只能使用本科教材的刪節版，即某些章節或某些內容略去不講。這樣機械的刪減內容很容易增加學生對課本的理解難度。因此教師在刪減教材內容時，第一應注意其內容的連貫性，第二應考慮在略去某些章節內容的基礎上能夠選取一些更加貼近實際專業的輔助材料或講義。或者制作一些新穎實用的課件來彌補由于刪減內容而引起的課程松散、不連貫的問題。

3.教學方法的選擇

為了彌補時間緊，內容多的情況，就要求教師在講課時多注意教學方法的選擇。應強調啟發式教學，在講解必須掌握的基礎數學算法之前，應多做引導，提出課前思考題。這些思考題可以引導學生通過預習和自學，在上課之前先對教學內容教學目標有了以清晰的思路。通過這樣預習，一方面可使學生上課目的明確，另一方面也可縮短教師引導性講解的時間。從而減輕課堂內容負擔，使課堂教學目標清晰，任務簡化。如在講授圓弧的繪制算法之前，應引導學生在課后先復習直線段的繪制數學模型，然后根據直線段的繪制算法思考直線短線段運算因子的構成，是否可將其轉換為圓弧線段的運算數學方法？如果可以轉化，在轉換的過程中主要存在的問題何在？應如何解決？學生帶著這些問題開始聽課，在講課的過程中一一得到解答，這樣使得教學前后內容銜接自然，學生容易接受。同時在掌握了這種連貫的推理過程以后，當學生遇到解決同種問題時，就可以迎刃而解。另外，對解決同一問題的不同算法時可進行比較，強調對比性學習。如圓弧的生成過程中中點畫圓法，Bresenham法等算法之間的區別與聯系，他們在描點過程中具體算法的區別，以及其優缺點。通過這樣的比對學習使得學生在學習過程中不再孤立學習一種算法，而是學習了在面對同類問題的情況如何考慮采取不同的方法，不同的解決思路。

4.教學手段的應用

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關鍵詞：計算機圖形學；教學模式；能力導向；教學改革

1研究背景

計算機圖形學是計算機科學領域中一個重要而又年輕的學科，它是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設備的發展而逐漸產生發展起來的。該學科主要研究利用計算機顯示、生成和處理圖形的基本原理、方法和技術，涉及數學、物理、計算機、心理學等多個學科的交叉融合，相關問題的討論往往涉及比較復雜的算法和比較抽象的理論[1]。因此，該課程具有較強的綜合性、理論性和實踐性。

筆者將“以能力為導向”的教學理念融入計算機圖形學教學實踐過程中，研究如何恰當地組織教學內容，有效調整教學模式，高效運用教學手段，合理分配實驗環節，使學生從“要我學”的被動接受知識型學習模式轉變到“我要學”的主動學習型模式。在基本理論和基本技能培養的基礎上，更進一步加強實踐動手能力和創新能力的培養，達到知識傳授和能力培養的有效結合。實踐證明，通過一系列改革，我校在提高教學質量，培養學生能力方面都取得了較好成果。

2教學現狀

由于計算機圖形學具有廣泛的應用領域，且該課程名稱本身具有吸引力，很多學生在剛剛接觸這門課時有極大的興趣，特別是影視動畫和游戲愛好者，都抱著極大的期望，幻想能通過該課程的學習制作精美動畫，開發精彩的游戲。然而，在后續的學習過程中，學生的積極性和主動性逐漸消失，學習的信心所剩無幾，最終導致整個學習過程變為被動接受。究其原因，主要有以下幾點。

1) 學科本身難度較大。計算機圖形學是建立在傳統的圖學理論、現代數學和計算機科學基礎上的一門新興學科，涉及多個學科的相關知識，學科交叉繁雜，且新的應用領域又不斷拓展，使該學科內容豐富、算法眾多、理論性和實踐性較強。而當前的教科書大多以基礎原理和理論講解為主，詳細展示了多種算法的推導、優化和發展過程，對這些內容的理解需要學生有很好的工科基礎，特別是數學基礎，也需要教師在講課過程中有清晰的思路和清楚的表達。即便是這樣，也往往造成課堂教學枯燥無味，而學生也經常被這些算法所困擾，產生畏懼心理。

2) 教學觀念落后。傳統的教學觀念強調知識傳授，看重學生對知識點的掌握、重難點的理解。因此，教師備課時往往根據知識點來安排課堂內容，對大綱中要求的章節重要知識點作較詳細的講解。這樣很容易形成滿堂灌的課堂局面，學生也自然而然地習慣了老師講到哪兒就聽到哪兒，聽到哪兒就學到哪兒，學習主動性和積極性基本喪失。如果學生課下不看書復習，即使每節課的知識點掌握了，也很難完整理解整個知識結構，很難融會貫通所學知識，對知識的理

解只能停留在“只見樹木，不見森林”的層面。教學觀念的落后也會導致較落后的實驗教學，大部分實驗停留在算法驗證性實驗上，不能激發學生的興趣和主動思考問題、解決問題的科學探索激情。

3) 考核方式單一。“以知識為導向”的傳統教學觀念也導致了考核方式具有單一性，主要以理論考試為主，試題形式主要是填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡答、計算等，試題內容要求盡可能多地涵蓋大綱中的知識點。這常常導致學生把大量的精力和時間放在對基本概念和基礎知識的理解和記憶上，考試成績高的學生，有可能動手能力差。因此，這種考核方式無法真正考核學生對知識的掌握及應用能力，也不利于學生創新意識的培養。有些教師也將實驗成績按比例添加到總成績中，但對實驗過程沒有好的管理方法，也很難對學生進行客觀評價。

4) 現狀分析。通過以上分析，我們可以得知，計算機圖形學若仍采用傳統的課堂上講授理論，課下讓學生做實驗的教學方式，很難達到預期的教學效果，不利于學生各方面能力的培養，有悖于新時期的人才培養目標。因此，探討新的教學思路和教學方法，就成了廣大教師需要研究的重點內容。

3教學觀念改革

在信息技術飛速發展的今天，培養單純技能型人才已不適應社會需求，市場經濟的發展需要大批具有一定創造性的專業人才。因此，教師要在教學過程中轉變思想認識，更新教學觀念，改變傳統教學方式，注重學生合理的智能結構培養，使學生在學習知識的同時提高運用知識、更新知識、擴展知識的能力[2]。

1) 教學重點從傳授知識轉向能力培養。就計算機圖形學課程而言，學生能力的培養主要體現在邏輯思維能力、實際動手能力和應用創新能力等方面。邏輯思維能力主要體現在形數轉換的能力方面，即對具體對象的幾何信息進行分析、抽象和歸類，建立對象的數學模型，最后再轉化成一定的數據結構形式。實際動手能力是指編程能力和實際操作能力，能熟練編寫程序，處理復雜的圖形問題和結構問題，能夠進行簡單系統的設計開發。應用創新能力指創造性能力，是在掌握理論的基礎上有所創新，體現為在解決實際問題上有獨到見解[3]。此外，教師還可應用靈活的教學手段培養學生的工程應用能力、團隊協作能力、信息檢索和組織能力、表達能力、專業外語應用能力等。

2) 課堂教學模式由傳授方式轉向引導方式。在課堂教學過程中，為了給學生提供積極思維和主動思維的時間、空間和條件，教師要在“導”字上下功夫，使課堂的教學過程演變成學習知識、啟發思維的引導過程，形成探究性學習風氣，使學生逐漸接受和喜歡“積累知識―積極思考―主動創新”的新型學習模式[3]。

4教學內容和方法改革

基于能力培養的教學觀念，在教學過程中，我們設計了一個小型“虛擬魚建模”項目實例，該項目的設計與實現可以分解成多個步驟，而每一個步驟都對應相應的教學內容。因此，可將該項目作為一根主線貫穿在所有的教學內容中。

4.1理論教學

1) 內容組織。

我們以“虛擬魚”為主線，使其貫穿于整個教學內容。要讓計算機“逼真”地模擬虛擬魚的水底世界，模擬過程可用圖形流水線給出，如圖1所示[4]。教師依次講解流水線上的每一步涉及的相關理論知識，并將相關技術處理的動態效果實時展示出來，讓學生清楚地了解每堂課所講的理論知識在整個課程中的作用、地位，以及以該理論為基礎的程序或軟件所能完成的功能、任務。這樣，在整個學習過程中，學生有較高的學習興趣和熱情，同時會有清晰的學習思路和學習目標，不會感到混亂無序。

因此，采用實例教學和圖形流水線順序組織課程內容，符合學生理解問題的邏輯順序，有利于學生理解課程的知識結構，便于他們掌握各知識點間的關系，可以解決“只見樹木，不見森林”的問題，使學生始終保持思路清晰，提高學習效果。

在講解每個理論知識點時，教師也可結合它們在圖形編程(如OpenGL)和圖形制作軟件(如3D max等) 中的應用來講解。如講授光照處理時，教師可以先給學生演示3D max 里面制作光源的過程，重點讓學生觀察不同參數選擇產生的不同光照效果。同時教師可以提出疑問，如“各個參數起到什么作用”、“表示什么含義”等，讓學生思考。然后，教師演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同樣的問題。帶著這些問題，教師引導學生回到光照模型的理論學習階段，學生的學習目標就更加明確了，學習效率和興趣也自然提高了，也就解決了學生諸如“學這個有什么用”、 “為什么要那樣計算”、“參數到底表示什么”等疑問。因此，在理論課堂上加入實際應用環節，讓學生看到理論和實際的融合點，會起到事半功倍的作用，也讓學生感到學有所用。筆者常常在CG的第一課時就給學生布置自學3D max的要求，因為應用軟件的學習能促進他們更深入地理解理論知識。而后續的大部分課堂幾乎包括了應用部分和理論部分的講解，如圖2所示。雖然應用部分的講解只占10～15分鐘左右的課堂時間，但起到了非常大的作用。

2) 教學過程設計。

教學內容的學習分為5個環節，如圖3所示。上完緒論課后，教師便給學生演示虛擬魚系統，使學生對用程序編寫出來的栩栩如生、悠然自得、游來游去的小魚產生極大的興趣。教師接下來對該系統進行簡要介紹，分解步驟，從而打開學生學習CG的大門，而每一個步驟的引入將引導學生充分學習相關的理論知識。因此，在每一次理論課前，教師都要布置相關步驟的學習任務，如小魚的曲面構造、紋理映射等；學生通過自學、查閱資料，對問題進行分析探討；上課時，教師先讓學生自由發言，說出自己的想法和思考，再由教師講解相關內容；隨后，學生將自學和聽課中發現的問題與教師進行進一步交流探討；最后，教師提出下一步驟的任務。如此循環，不僅能使學生對每堂課所學的知識有深入的理解和認識，明白該節課內容在整個課程中的地位，還能使學生學習的知識具有系統性、連貫性和完整性。通過具體應用實例的剖析和教師的“導”，學生對每一部分內容的學習都經過了一番努力思考，這樣的知識一定會記憶深刻。因此，這種教師“導”，學生“學”的教學過程，既豐富了學生的思維過程，又給予他們主動學習、理論結合實際的基點，便于激發學生學習和思考的積極性和主動性，自然也能培養學生主動學習、獨立思考問題和解決問題等各方面的能力。

4.2實驗教學

作為實踐教學的最重要組成部分，實驗教學在培養實踐能力和創新精神人才中有著十分重要的作用。傳統的實驗教學內容大多為算法的驗證性實驗或圖形庫的應用實驗，這些實驗在一定程度上鍛煉了學生的編程能力和基礎應用能力，但對學生綜合應用理論知識能力、創新性思維能力和解決實際問題能力的培養非常欠缺。本教學改革以培養學生解決實際問題能力和創新能力為主導思想，結合我校的學科專業特色和需求，綜合多門課程知識，大力開展綜合性設計性實驗，培養學生的動手實踐能力、創新意識，提高學生的綜合素質。

1) 實驗內容安排。我們將實驗分為基礎性、綜合性、設計性和創新性四個層次，分別培養學生的基本技能、綜合設計和創新等各方面的能力，如圖4所示。其中，基礎驗證性實驗由學生在開放實驗室自行完成，教師負責檢查；綜合、設計性實驗由教師提供多組選題，學生自由選擇，按項目管理方式對學生進行分組管理，要求學生團結協作，合理分工，共同完成各個模塊，實現實驗所要求的預期功能；創新性實驗為學有余力的學生提供一個創新平臺，將結合我校特色專業和多門學科知識點進行綜合性、創新性實驗，如虛擬植物建模、虛擬動物仿真等。

2) 實驗考核方式。為加強對實驗的過程管理，我們采用實際工程運作中的項目經理負責制度。在綜合實驗過程中，我們將學生分成項目小組，小組成員扮演不同的角色，在項目經理的組織下共同完成項目的設計與實現。在項目設計和實施、驗收過程中，由項目組選派或教師隨機抽選一名學生進行匯報答辯，其成績作為小組成績。在學生的最終成績評定時，以項目小組為單位，學生的成績由個人、整個團隊成員、項目經理和教師多方面決定，得分內容由實驗設計、實驗過程、實驗成果、實驗報告等幾部分的得分組成。這種管理方式在訓練學生實踐動手能力的同時，也加強了對學生團隊協作和組織協調能力的培養。

5結語

計算機圖形技術的不斷發展，要求計算機圖形學課程的內容要不斷更新，教學手段、教學模式也要不斷改進。“以能力為導向”的教學模式，改變了傳統教學方法的弊端，能激發學生的創新思維和動手能力，能培養學生主動學習的能力，將“注入式教學”變為“啟發式教學”，為培養適應社會需求的科技人才奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 陸楓,何云峰. 計算機圖形學基礎[M]. 北京:電子工業出版社,2008.

[2] 舒揚,吳勇. 構建創新教學體系,全面推進素質教育[J]. 中國高教研究,2000(3):56-58.

[3] 王玉琨,王永茂.“計算機圖形學”課程改革與創新探究[J]. 高等理科教育,2008(1):134-136.

[4] 劉輝. 對“計算機圖形學”選修課教學的思考[J]. 計算機教育,2009(13):164-166.

Teaching Reform of Ability Oriented in Computer Graphic

PENG Hui, LIU Shanmei, ZHAI Ruifang

(College of Basic Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China )

篇10

關鍵詞：案例教學法；案例設計；計算機圖形學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0226-02

計算機圖形學（Computer Graphics，以下簡稱CG）是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科[1]，該課程的目的是使學生掌握計算機圖形學的基本概念、方法和算法。在教學中我們發現，不少同學因為受算法所影響，感到這門課枯燥、難于理解，從而使其對該課程的學習積極性有所下降。還有一部分同學只傾向于研究算法，而忽視了算法的編程實現，缺乏實踐動手能力。因此，我們在教學過程中引入了案例教學法，旨在通過設計具體的教學案例，引導學生參與分析、討論、表述、實踐等活動，讓學生在具體的問題情境中積極思考、主動探索，充分調動自主學習的積極性，同時注重能力的培養，提高他們的實踐能力。

案例教學主要依賴的是案例材料，編寫一套與教學內容、教學進度相適宜、與教材相配套的教學案例材料是實施案例教學的關鍵所在。沒有案例，案例教學無從談起，沒有好的案例，便沒有有效的案例教學，所以案例的設計在案例教學中至關重要。

一、CG中的案例設計原則

教學案例的設計，既要符合案例教學的特點，又要綜合考慮教學內容、教學要求及學生的特點，我們認為CG案例教學中的案例設計應該遵循以下原則。

（一）針對性

針對性原則主要體現在教學內容和教學對象兩個方面。案例的設計要充分考慮教學內容、教學難點、教學重點，案例材料的設計選取應圍繞教學內容，突出重點和難點。對于重點內容的案例，更應精心設計，以期達到更佳的教學效果。

教學對象方面是指要因材施教，案例的設計應緊密結合學生的專業特點，體現一定的專業方向性。數學院的學生數學基礎比較好，編程能力比較弱，因此案例可適當要求對算法做較深入探討，同時強調算法的編程實現，這樣能夠揚長補短、有的放矢。

（二）典型性

典型性是指案例應具有代表性。案例中的問題不是泛泛地提出，而是能反映某一類問題，具有普遍意義。通過對典型問題的分析、討論，學生能夠掌握相關理論知識，融會貫通，從而解決這一類問題。另外，案例中的問題也不必面面俱到，比如直線段掃描轉換問題，只考慮斜率大于0小于1的情況即可，不必考慮全部四種斜率，讓學生把精力和關注點放在中心問題上，等把中心問題解決了，通過對案例的擴展，再考慮其他情況。

（三）趣味性

“興趣是最好的老師”，一個有趣的案例能調動學生的積極性，使之產生學習動力。CG中的理論知識和算法往往比較單調枯燥，容易使學生產生厭煩心理，因此，在進行案例設計時，要考慮怎樣能夠引起學生的興趣，激發學生的求知欲望，從而使學生在極大的興趣下，產生積極探究的動力。學生往往對實際接觸到的、用到的東西感興趣，那么在設計案例時就要盡量切合實際，把案例跟現實應用結合起來。比如，讓學生思考常用的繪圖軟件中的“橡皮擦技術”是怎樣實現的？這比直接說畫線、畫多邊形和直線裁剪生動有趣得多，同時這種繪圖方式也與商用繪圖工具如Windows繪圖軟件、Photoshop、AutoCAD等非常類似，極具實用性。而對于多邊形填充，學生通常感到非常抽象，那就可以以游戲“俄羅斯方塊”為例，讓學生思考游戲中各種形狀、各種顏色的方塊是如何繪制和填色的。趣味性是案例的驅動劑，案例的設計應突出趣味性、應用性。

（四）多元性

CG中的問題，往往有多種算法，多個解法。多元性原則就是對于同一個問題不滿足于一種解法，而是探究不同的解法，讓學生在比較中學習，提高決策水平。學生一開始可能提不出多個解法，通過教師的引導，學生分組協作，逐步思考、探索、歸納出問題的其他已知解法，甚至有可能提出新的未知的解法。最后通過對多種解法的比較鑒別，選出最優答案。例如直線段的掃描轉換，學生最可能先想到的是DDA算法，在對該算法進行剖析后，教師通過提出問題做適當引導，使學生從另外的角度思考問題，進而自發地發現中點畫線算法和Bresenham算法，并通過對三種算法的比較，總結歸納每種算法的特點，找出最佳算法。這種多元化及最佳化答案選擇，可以開拓學生的思路，激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識，提高他們的決策水平，同時形成了良好的教學氛圍，從而不斷提高教學效果。

（五）擴展性

擴展性指的是案例問題的橫向擴展。一個案例有一個中心問題，圍繞這個中心問題，又可以進行多方面的擴展，使這個案例變得更豐滿，涵蓋更多內容。例如，學生在用中點畫線算法解決了畫線問題后，可以再對該問題進行擴展，提出“怎樣畫任意斜率的直線段”、“采取什么樣的方法可以減少計算量，提高算法的效率”等問題，引導學生更全面地思考問題，從而提高學生的應變能力和發散思維能力。擴展問題是對案例中心問題的補充，應在中心問題解決后再提出，精彩的擴展是對案例的升華，沒有擴展的案例就像直挺挺的樹干，有了擴展的案例才是枝繁葉茂的綠樹。

（六）延續性

延續性指的是案例問題的縱向延伸。案例設計要符合人類認知的規律，循序漸進，問題由簡到繁，由易到難。教學內容前后具有關聯性，案例中也要體現出來這種關聯。因此，可以設計一組案例來體現教學內容，前面的案例作為后面案例的鋪墊，由淺及深，層層深入，這樣有利于學生學結，使他們善于利用前面學過的知識解決新的問題。比如繪制具有一定寬度的直線段，需要先掌握繪制單位寬度的直線段的算法；要想對直線段進行反走樣處理，也需要掌握直線段的掃描轉換算法，這些內容存在關聯，后面的問題是前面問題的延續。再比如，中點法可以用于畫直線段，那么畫圓時可不可以用呢？畫橢圓呢？在設計案例時要考慮到這一點，利用案例的延續性，將學生一步一步引導到更深層次的問題上，提高他們探究問題的能力。

根據計算機圖形學課程的教學內容、教學要求，針對數學院學生的特點，按照以上案例設計原則，我們設計了十六個案例，涵蓋了光柵圖形學、幾何變換、曲線曲面、造型技術、圖形裁剪、圖形消隱、真實感圖形繪制、計算機動畫等主要內容，這些案例有效地支持了案例教學的進行。

二、案例的評估及改進

案例設計好以后，要在教學過程中進行實施，根據實施的效果進行評估和改進。案例的評估和改進要注意以下幾個方面：（1）案例的難易指數。根據學生解決問題的用時等情況，評估案例的難易程度，為不同的案例確定難易指數。針對學生特點，適時改動案例，調整案例的難易指數，使之與教學相適應。（2）案例的吸引力指數。該指數反映了案例對學生的吸引力大小，通過改變不同的案例敘述方法、問題提出方式等手段，評估學生對案例的興趣大小，找到學生喜歡的方式，從而提高案例的吸引力。（3）案例的教學效果。教學效果要看學生對教學內容的掌握情況，對相似問題的分析能力和解決能力，還要了解學生對案例的認可接受情況。

總之，教師設計好一個案例后，要通過案例實施、總結歸納，對案例進行評估，依此對案例進行改進，以期使案例適應教學，適應學生，發揮出更佳的效果。

以上討論了CG案例教學中案例設計的原則，并結合具體案例進行了解析。案例教學要取得好的效果，需要精心設計教學案例。同時，教學案例并不是一成不變的，教學內容要跟上時代的發展和要求，教師必須不斷地進行案例更新，使案例適應時展，滿足新形勢下的教學要求。如果案例不作更新，多年不變，那么，學生也只能處理幾年前的事情和得到幾年前的知識。因此，案例更新是保持課堂活力的血液，案例的設計也要與時俱進，這樣才能達到更好的教學效果。