桂 穎，陸 玲，王 蕾

（東華理工大學，江西撫州 344000）

計算機圖形學主要研究計算機表示、處理和繪制圖形的原理及算法，其課程特點是以算法為核心，學生在掌握了基本圖形生成算法原理后，通過編寫算法實現(xiàn)程序來加深對圖形學基本內(nèi)容的理解［1］。

近幾年來本人一直從事該課程的理論和實踐教學，在教學過程中發(fā)現(xiàn)，該課程教學必須要處理以下兩大問題。

（1）教師如何更加方便、直觀地向學生講授計算機圖形學書本中各種復雜、難懂的經(jīng)典算法的原理與實現(xiàn)，并使學生更好地理解，是教學中亟待解決的重要問題之一。

（2）學生即使理解了算法，但是對于如何編程實現(xiàn)算法，往往還是束手無策，如何理論聯(lián)系實際，更好地培養(yǎng)學生的編程實現(xiàn)能力，是教學中亟待解決的重要問題之二。

歸納起來，這兩個問題即為:“學”和“練”。

1 課程教學改革現(xiàn)狀分析

近幾年，在基于教學輔助平臺建設的計算機圖形學的教學改革中，大多采用的是建立教學演示系統(tǒng)或構建課程網(wǎng)站的方式。前者主要方便于教師教學，后者注重于學生自主學習及測試，但它們大多都存在以下問題。

（1）演示系統(tǒng)沒有根據(jù)課程的講授內(nèi)容、教學重點與難點等去設計演示界面和具體功能，從而不能更好地將算法所涉及的重要知識點按照教學的正常過程展現(xiàn)出來［2-3］。

（2）演示系統(tǒng)沒有更好地結合教師的教學設計和教學實施過程，進行演示效果的設計［4］。

（3）自主學習網(wǎng)站的特點是僅列出課程的教學內(nèi)容、相關教學資源、試題或習題庫［1］［5］等。學生在利用網(wǎng)站上的測試系統(tǒng)（模塊）進行測試時，最多只知道自己最后做的結果是否對錯，并不知道中間過程的對錯。而計算機圖形學的特點是大部分都是綜合性的算法，掌握算法步驟是非常重要的，因此，僅進行簡單的測試是不夠的，學生并沒有真正地掌握每個算法的步驟。

2 課程教學改革的研究與實踐

針對上述問題，本文提出一種新的教學改革措施:設計一個計算機圖形學算法演示與訓練平臺，該平臺是《計算機圖形學》課程的面向教師課堂教學以及學生自主訓練的教學輔助平臺，主要包括計算機圖形學算法的動態(tài)演示子平臺和算法自主訓練子平臺兩大部分。

2．1 結合實際教學過程，將算法原理可視化，建

立了基于教學設計的動態(tài)演示子平臺

動態(tài)演示子平臺的作用是將書本上那些晦澀、復雜的算法清晰明了地演示出來，實現(xiàn)了計算機圖形學算法的可視化，將算法執(zhí)行過程動態(tài)地演示出來，使學生在學習算法的時候直接“看到”算法的執(zhí)行過程或結構，更好地理解計算機圖形學中各種經(jīng)典算法的原理。

然而，動態(tài)演示子平臺并不是單純地將計算機圖形學的算法實現(xiàn)過程動態(tài)可視化，作為教學的輔助平臺，它必須結合課堂實際教學過程，將算法所涉及的重要知識點按照教學的正常過程展現(xiàn)出來。

本算法動態(tài)演示子平臺具體研究與實現(xiàn)內(nèi)容如下。

（1）依照課程教學任務，設計子平臺功能結構。根據(jù)計算機圖形學課程的教學任務，設計了動態(tài)演示子平臺總體功能，其演示內(nèi)容包括三大部分。

課程基礎知識演示:涵蓋了教學大綱中要求學生掌握的絕大部分算法，包括計算機圖形學中的教學重點和難點內(nèi)容的演示。

教師科研成果演示:引入教師的科研課題和成果，如水果、花朵、蔬菜等造型的生成演示。

學生創(chuàng)新項目演示:將歷年學生進行的優(yōu)秀創(chuàng)新研究內(nèi)容進行演示，增強學生的學習興趣，激發(fā)他們的科研動力。

（2）根據(jù)課程教學內(nèi)容，設計演示界面與具體功能。根據(jù)課程的講授內(nèi)容、教學重點與難點，設計了演示界面與具體功能。以Bezier曲線的生成為例，課程的講授內(nèi)容主要包括:曲線的性質、曲線的遞推算法、曲線的拼接、曲線的升階與降階，針對這些課授內(nèi)容，子平臺都設計了相關界面與具體演示效果。

（3）按照不同教學方法，設計各種演示效果。在課堂教學中，針對不同的知識點，教師會采用不同的教學方法。以曲線的生成為例，有兩種基本算法:Bezier曲線算法和B樣條曲線算法。在課堂上講解的時侯，學生往往不能理解這兩種算法之間的差異。為了使學生對不同算法之間的區(qū)別有更直觀的了解，課堂講解時會采用對比講解方式，對此，系統(tǒng)設計了算法對比演示功能，效果如圖1所示。

圖1 算法對比演示功能示意圖

通過對比演示，學生很明顯能看出在同樣的控制多邊形情況下，Bezier曲線算法和B樣條曲線算法生成的曲線（紅色曲線）的差異所在。

2．2 引入算法訓練思想，將算法過程流程化，建立了具有流程特色的算法訓練子平臺

計算機圖形學的特點是大部分都是綜合性的算法，并且到了后期，算法難度加大，步驟增多，程序設計不易實現(xiàn)。必須建立訓練子平臺，使學生掌握每個算法的步驟。

算法訓練子平臺將復雜的算法進行拆分，讓學生分步驟進行重點訓練，對學生的訓練具有算法流程的特色。更有效地培養(yǎng)了學生的編程實踐能力。

本算法訓練子平臺具體研究與實現(xiàn)內(nèi)容如下。

（1）深化教學理念:教學理念是教學的核心，要深化“計算機圖形學”的教學理念，注重人才培養(yǎng)模式的改革，以學生各方面的能力培養(yǎng)為中心，構建實用有效的學習訓練平臺［6］。

（2）構建訓練體系:根據(jù)計算機圖形學的教學大綱，將理論與應用緊密相結合，注意學生的基本技能與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，構建“計算機圖形學”課程的訓練體系［7］。

（3）設計訓練項目:平臺的訓練項目既要注重基礎，又要體現(xiàn)創(chuàng)新，還要結合實際應用［8］。本算法訓練子平臺設計了三類訓練項目。

基礎訓練項目:主要是計算機圖形學中的教學重點內(nèi)容，且算法步驟固定的算法。

實際應用項目:是結合具體的應用，相當于具體的實例，訓練學生解決實際應用問題的能力。

創(chuàng)新訓練項目:是訓練學生的創(chuàng)新能力，系統(tǒng)提出問題，由學生自主解決問題，并提出新思路與新方法。

（4）分解訓練步驟:將復雜的算法進行拆分，按步驟設計訓練題，學生分步驟進行重點訓練。

（5）重點代碼編寫:通過重點代碼的設計與編寫，鍛煉他們編程實現(xiàn)算法的能力。

（6）反饋訓練結果:對于每一個算法，針對學生訓練過程中存在的問題進行歸納總結，形成學生的訓練結果，在結果中得出學生存在的問題及其相應的知識點。

3 創(chuàng)新之處

3．1 結合實際教學過程，將算法原理可視化

教學輔助軟件的首要目的是傳遞教學信息，提高教學效率，不僅要有助于教師的教學，還要有利于學生的學習。

本平臺并不是單純地將計算機圖形學的算法實現(xiàn)過程動態(tài)可視化，作為教學的輔助平臺，它結合課堂實際教學過程，將算法所涉及的重要知識點按照教學的正常過程展現(xiàn)出來。在設計的過程中，不僅涵蓋重要演示功能，如以網(wǎng)格點模擬像素點、靜態(tài)演示與動態(tài)演示結合、演示的暫停與繼續(xù)、動態(tài)間隔時間的設定，而且還創(chuàng)新性地設計了一些特色功能，如相同圖形（如曲線）不同算法對比演示。在以往的教學過程中，學生對于同一圖形的不同算法實現(xiàn)的理解多半停留在理論上，通過在同一界面對這兩種算法進行對比演示，學生就能非常容易地理解其不同和優(yōu)劣之處。

3．2 引入算法訓練思想，將算法過程流程化

計算機圖形學的特點是大部分都是綜合性的算法，并且到了后期，算法難度加大，步驟增多，程序設計不易實現(xiàn)。算法訓練子平臺將復雜的算法進行拆分，讓學生分步驟進行重點訓練，對學生的訓練具有算法流程的特色。更有效地培養(yǎng)了學生的編程實踐能力。

3．3 遵從學生認知規(guī)律，注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

培養(yǎng)具有實踐能力和富有創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神的人才是高校教育的核心和目標。對此，筆者以科研滲入教學作為切入點，結合科研和學科優(yōu)勢，引入教師的科研課題和成果，如水果造型的生成演示，增強學生的科研興趣，引導部分學有余力的學生進行科研訓練，將科研成果轉化為他們的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)他們實踐和創(chuàng)新能力［8］。

3．4 重視平臺的交互性，提高教學軟件的可操作性

交互性是教學軟件的一大特點和優(yōu)勢，本平臺在設計的過程中不僅實現(xiàn)了算法演示過程步驟的靜態(tài)提示，更為重要的是，對于較為復雜的算法演示過程，設計了動態(tài)步驟提示，也就是說，系統(tǒng)會自動提示并規(guī)范下一步的操作，用戶操作非常方便。此外，系統(tǒng)還可以自動判斷和規(guī)范用戶的輸入數(shù)據(jù)的合法性。

4 總結

本文探討了《計算機圖形學》課程教學改革的思路，由此構建了理論與實踐并行的算法演示與訓練平臺，重點強調(diào)了計算機圖形學算法的“學”和“練”，使學生不僅更加深入地理解了計算機圖形學中各種經(jīng)典算法的原理與實現(xiàn)過程，同時，他們的動手實踐能力也得到較大的提高。

目前，該算法演示與訓練平臺作為本人參與編著的《計算機圖形學》教材的配套軟件，被許多高等院校應用在《計算機圖形學》課程的理論和實踐教學中，反應良好。

［1］曾嶸，李世霖，肖滿生．關于計算機圖形學教學模式的探討［J］．牡丹江大學學報，2012，21（1）:177-182

［2］蘇小紅，李東，唐好選．面向能力培養(yǎng)的“計算機圖形學”課程教學方法［J］．計算機教育，2010（3）:47-51．

［3］羅圣敏．計算機圖形學算法可視化教學研究與實現(xiàn)［J］．廣東技術師范學院學報:自然科學版，2011（1）:84-86．

［4］江玉珍．計算機圖形學算法可視化教學演示系統(tǒng)的構建［J］．現(xiàn)代計算機:專業(yè)版，2011（28）:44-46．

［5］王海濤，趙永科，饒運濤．關于實現(xiàn)創(chuàng)新“3+1”班良性發(fā)展的幾點思考［J］．東華理工大學學報:社會科學版，2012，31（2）:191-193．

［6］劉瑞明．基于教學演示系統(tǒng)的計算機圖形學教學實踐［J］．科技信息，2009（35）:57-58．

［7］王振武．《計算機圖形學》教學方法探究［J］．電化教育研究，2010，31（5）:170．

［8］于濤，饒火瑜，李發(fā)亮．理工專業(yè)大學生自主學習情況調(diào)查與分析［J］．東華理工大學學報:社會科學版，2011（3）:280-282．