廖彬 胡金龍

[摘 要] 通過分析計算機圖形學(xué)教學(xué)的特點及其存在的主要問題，將思維導(dǎo)圖引入教學(xué)中，并對圖形學(xué)課程設(shè)置、理論教學(xué)、實踐教學(xué)進(jìn)行了改革。在教學(xué)的各階段，利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建起完整的知識體系。同時，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)的考核相分離，使圖形學(xué)理論課程成為實踐課程的前期課程。通過理論課程中原理、算法的針對性講解，實現(xiàn)理論向?qū)嵺`的平穩(wěn)過渡，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

[關(guān)鍵詞] 計算機圖形學(xué)；思維導(dǎo)圖；圖形學(xué)理論教學(xué)；圖形學(xué)實踐教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2016） 07-0106-02

一 計算機圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

本科的計算機圖形學(xué)教學(xué)對數(shù)學(xué)理論有一定要求，往往體現(xiàn)為公式推導(dǎo)、演化等形式，同時也涉及算法設(shè)計及其代碼實現(xiàn)。而傳統(tǒng)計算機圖形學(xué)教學(xué)重點一般側(cè)重于考核學(xué)生對知識點的掌握，課程實踐所占比例較低。因此傳統(tǒng)的教學(xué)模式不適用于計算機圖形學(xué)課程，若仍沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式，則不僅不利于維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 計算機圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)內(nèi)容主要有：計算機圖形系統(tǒng)概述；二維圖形生成和變換技術(shù)；三維圖形生成和變換技術(shù)；真實感圖形生成技術(shù)；計算機動畫技術(shù)與實踐。該課程入門階段需要的數(shù)學(xué)知識主要涉及代數(shù)、三角學(xué)和線性代數(shù)，數(shù)學(xué)原理與圖形的結(jié)合在理論教學(xué)中占據(jù)了一定比重。

傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)教學(xué)目標(biāo)是側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對計算機圖形學(xué)理論知識的了解與掌握，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上主要強調(diào)圖形學(xué)知識、概念的系統(tǒng)性與整體性，重點是概念解釋與原理講解，體現(xiàn)為大量的公式推導(dǎo)。

未進(jìn)入圖形學(xué)教學(xué)前，學(xué)生們對該課程的理解大致分為兩類：一類認(rèn)為該課程主要講述游戲開發(fā)。另一類認(rèn)為是藝術(shù)設(shè)計。實際上，在本科階段開設(shè)的計算機圖形學(xué)課程，通常立足于計算機圖形學(xué)科的入門，教學(xué)內(nèi)容主要是理解與掌握基本的圖形繪制原理及其實現(xiàn)算法，能進(jìn)行基本圖形的程序設(shè)計。由此，學(xué)習(xí)內(nèi)容的枯燥、教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實應(yīng)用的巨大落差會導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣隨課程的深入而有所下降。

2 計算機圖形學(xué)課程實驗的設(shè)置

計算機圖形學(xué)的實驗內(nèi)容主要集中于基本圖形算法的實現(xiàn)，需要學(xué)生運用高級程序語言進(jìn)行編程，然而作為專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的此類高級程序設(shè)計課程，往往以基本知識、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)組織三方面為主要內(nèi)容，一般不涉及圖形庫編程接口（API）。這導(dǎo)致在本課程的實驗教學(xué)時，需要針對授課學(xué)生原先所學(xué)的高級程序語言，補充對應(yīng)的圖形庫編程知識，這使得實際的有效實驗學(xué)時被縮減，而且增大了學(xué)生實現(xiàn)算法的難度，以至于進(jìn)一步加劇了理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象。

二 理論教學(xué)與實踐教學(xué)的改革方法與目標(biāo)

我們在大學(xué)本科的第7個學(xué)期開設(shè)計算機圖形學(xué)課程，并將其分為理論課與實驗課兩門課程，兩門課程單獨核算成績。其中理論課為32學(xué)時，2.0學(xué)分；實驗課為16學(xué)時，0.5學(xué)分。在理論課程完成后開始實驗課程，計算機圖形學(xué)的實驗不再是傳統(tǒng)教學(xué)中對理論課知識點的簡單重復(fù)與驗證，而是對所學(xué)知識的綜合運用與深化。由此，需要合理選擇理論課教學(xué)內(nèi)容，以完成與實驗課程的銜接。同時，設(shè)計合適的實驗項目使學(xué)生掌握課程基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的動手能力，以提升計算機圖形學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

1 理論課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

計算機圖形學(xué)技術(shù)在快速的發(fā)展著，與之相適應(yīng)，圖形學(xué)課程的教學(xué)也發(fā)生著變化?，F(xiàn)階段，在計算機圖形學(xué)教學(xué)中主要有3種教學(xué)體系，大致分為：理論為主、編程為主、問題為主。其中，理論為主是傳統(tǒng)的教學(xué)體系，強調(diào)對計算機圖形學(xué)理論的理解與掌握，以公式推導(dǎo)為主要呈現(xiàn)方式，國內(nèi)外此類教材有Floey的《計算機圖形學(xué)原理及實踐——C語言描述（原書第2版）》，孫家廣的《計算機圖形學(xué)》等。編程為主的教學(xué)體系側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生初步掌握一種典型的圖形學(xué)API，以圖形學(xué)使用者的角度講授計算機圖形學(xué)所需的理論與概念，去除非必需的數(shù)學(xué)原理與公式推導(dǎo)。國內(nèi)外此類教材有Donald的《計算機圖形學(xué)（第四版）》，徐文鵬的《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)（OpenGL版）》等。問題為主教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)著重于培養(yǎng)利用計算機圖形學(xué)知識建立與用戶交流的能力，從而實現(xiàn)問題的圖形化建模并解決問題。相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容既涵蓋了圖形學(xué)中的基本概念和技術(shù)，也涉及了實現(xiàn)這些概念和技術(shù)的圖形學(xué)工具，然而重點在于介紹如何使用計算機圖形學(xué)知識來解決實際問題以及如何有效地進(jìn)行結(jié)果展示，Steve Cunningham的《計算機圖形學(xué)》是此類教學(xué)體系的典型教材。此類問題為主的教學(xué)體系近年來在美國興起。

在我們的本科教學(xué)中，考慮到學(xué)生前期課程的設(shè)置與掌握情況，采用了結(jié)合OpenGL實現(xiàn)算法的編程為主的教學(xué)體系。在實際教學(xué)中，既要保證計算機圖形學(xué)基本概念、理論的完整講述，也為后續(xù)的實踐課程做鋪墊，有針對性地介紹圖形支撐軟件，使學(xué)生在掌握圖形學(xué)基本知識的同時，能夠在一定程度上自主實踐，保持與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 以思維導(dǎo)圖優(yōu)化圖形學(xué)教學(xué)的實踐應(yīng)用

思維導(dǎo)圖（又稱心智圖），是英國教育學(xué)家東尼·博贊在20世紀(jì)60年代創(chuàng)造的，它作為模擬放射性思維的圖形工具，能激發(fā)大腦的潛力。在人獲得信息后，進(jìn)入大腦的信息以新的思想中心與其他信息建立關(guān)聯(lián)，形成向外發(fā)散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此后，每一個發(fā)散出的節(jié)點，又將作為新的中心，再次發(fā)散形成新連接。

3 實驗課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

計算機圖形學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中的實踐一般使用C++來實現(xiàn)相關(guān)算法，實現(xiàn)難度過大，導(dǎo)致學(xué)生沒有時間和興趣去完成。實踐教學(xué)的本意是對理論教學(xué)的鞏固、完善與提高，為實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的平穩(wěn)銜接，我們在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用OpenGL作為圖形算法接口，讓學(xué)生有針對性地完成若干實驗項目。

OpenGL是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維計算機圖形接口軟件，其具有的功能基本上涵蓋了圖形系統(tǒng)要求提供的所有功能，此外，OpenGL具有的跨平臺性、可擴展性、繪制專一性、網(wǎng)絡(luò)透明性等特點使其應(yīng)用廣泛，降低了對學(xué)生編程能力的要求，且由于其開源的特性，使得學(xué)生可通過參考其中的算法實現(xiàn)獲得編程能力的提高。

我們結(jié)合圖形學(xué)的實際應(yīng)用與學(xué)生的實踐能力，設(shè)置了如表1所示的實踐項目。