關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;計(jì)算機(jī)圖形學(xué);計(jì)算機(jī)教學(xué)改革

中圖法分類號(hào)：TP314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在以往的“計(jì)算機(jī)圖形”教學(xué)中，主要進(jìn)行的是理論、編程語言、數(shù)學(xué)算法等方面的教學(xué)，側(cè)重于理論知識(shí)的講解。而“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的理論知識(shí)較為抽象，涉及眾多的交叉學(xué)科，并且技術(shù)性強(qiáng)，需要學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)踐操作，才可完成理論知識(shí)的理解與學(xué)習(xí)。由于“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)過于枯燥、教學(xué)方法較為單一，打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與信心，限制了學(xué)生計(jì)算思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。所以，需要教師進(jìn)行教學(xué)改革———運(yùn)用計(jì)算思維概念，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的深化設(shè)計(jì)，以完善教學(xué)流水線，取得理想的教學(xué)改革效果。

1計(jì)算思維在“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)改革中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

1.1求解問題

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”涉及大量的數(shù)學(xué)算法，計(jì)算機(jī)通過處理這些算法生成各種圖形，這是求解問題的過程。比如，使用計(jì)算機(jī)圖形軟件生成直線，或者進(jìn)行圖形區(qū)域的顏色填充等，這些都是常見的計(jì)算機(jī)圖形處理功能。教師在教學(xué)中，講解圖形生成的原理，以及計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)算法解決問題的思路，將求解問題概念傳授給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用求解問題的思維去解決“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”學(xué)習(xí)中面臨的各種問題，以完成計(jì)算思維的培養(yǎng)。

1.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.2.1硬件系統(tǒng)

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的范疇，由于需要借助計(jì)算機(jī)繪制圖形，所以其包含計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)也就是計(jì)算機(jī)本身，包括CPU、顯示器、顯卡、內(nèi)存、硬盤等，用于圖形的輸入與輸出。由于計(jì)算機(jī)圖形的計(jì)算量較大，比如虛擬場景算法的處理涉及大量的數(shù)學(xué)算法，才可完成一個(gè)完整場景的繪制。并且，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)需要配置功能強(qiáng)大的獨(dú)立顯卡以及充分考慮人體工學(xué)、人們的使用習(xí)慣、視覺特點(diǎn)等。

1.2.2軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)指用于建模、渲染、動(dòng)畫、人機(jī)交互的專業(yè)軟件，比如建模使用的商業(yè)化軟件有Autodesk 3D Max與Maya等;渲染使用的商業(yè)化軟件有Maya、Blender、Pov?Ray等;動(dòng)畫使用的是編程或動(dòng)畫制作軟件;人機(jī)交互目前使用的是人機(jī)交互系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)具有處理、生成、顯示圖形的功能，運(yùn)用了大量的計(jì)算機(jī)編程語言，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與人之間的交互。計(jì)算機(jī)接收人的操作指令后，將處理結(jié)果通過顯示器顯示出來，構(gòu)建出人們想要的圖形。人與計(jì)算機(jī)軟硬件的交互生成圖形是一個(gè)復(fù)雜的過程，其涉及大量的數(shù)學(xué)算法、程序的運(yùn)行，需要將計(jì)算機(jī)科學(xué)眾多知識(shí)整合到一起。所以，在“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)中，教師需結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)與“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”兩個(gè)方面，細(xì)化分解知識(shí)體系，將較為籠統(tǒng)的問題進(jìn)行劃分并描述，將教學(xué)過程系統(tǒng)性地串聯(lián)在一起。借助計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的分析與圖形的生成原理，將計(jì)算思維潛移默化地傳遞給學(xué)生。

1.3理解人類行為

計(jì)算思維是基于人類思維活動(dòng)并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的一種思維。而“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”中的計(jì)算思維，則是對(duì)畫家繪畫思維與過程的模擬，并經(jīng)過對(duì)思維與過程的分解，在計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)中構(gòu)建計(jì)算機(jī)繪制圖形的全過程。也就是說，人操作計(jì)算機(jī)圖形軟件的過程，其實(shí)是模擬繪畫思維與繪畫的過程。唯一的差別是，畫家運(yùn)用繪畫思維使用畫筆、顏料在畫布上作畫，作品直接呈現(xiàn)在畫布上，而“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”則是運(yùn)用繪畫思維與計(jì)算思維，借助計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)繪制作品，并通過顯示器呈現(xiàn)作品。

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”模仿與理解畫家的繪畫步驟如下：第一，畫家選景與定視角對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)圖形的三維空間觀察;第二，畫家對(duì)物體位置與角度的調(diào)整對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)視圖變換、大小的調(diào)整、剪裁等;第三，畫家畫出事物的輪廓對(duì)應(yīng)網(wǎng)格建模;第四，畫家通過繪畫思維使用畫筆與顏料上色，而計(jì)算機(jī)使用顏色與光照模型上色;第五，畫家進(jìn)行繪制的細(xì)節(jié)處理，計(jì)算機(jī)則使用真實(shí)感圖形進(jìn)行繪制。因此，“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”將畫家的繪畫思維，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)繪畫思維，也就是理解了人類的行為。教師在進(jìn)行“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)中，要注重對(duì)計(jì)算機(jī)理解人類與模仿人類的行為進(jìn)行講解，以增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維，使其可以將人類思維與計(jì)算機(jī)思維相結(jié)合，在計(jì)算機(jī)中將頭腦中的圖形展示出來。

2基于計(jì)算思維的“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在計(jì)算思維的指導(dǎo)下，教師需結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況，對(duì)以往的教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新、改進(jìn)，注重提升的學(xué)生計(jì)算思維能力。在“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的課堂中，教師應(yīng)注重理論與實(shí)踐并行，加快教學(xué)改革的進(jìn)度，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力與思維能力：一是明確教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，合理控制理論知識(shí)的教學(xué)時(shí)長;二是精挑細(xì)選核心教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)的效率;三是“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的發(fā)展速度較快，教學(xué)內(nèi)容需與時(shí)俱進(jìn)，融入當(dāng)下最前沿的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與知識(shí)，以增強(qiáng)教學(xué)改革的實(shí)效。

2.2構(gòu)建教學(xué)流水線

基于“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教材，以計(jì)算思維為導(dǎo)向，圍繞理論、技術(shù)開展教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，構(gòu)建“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)的流程。從繪制圖形開始至顯示圖形結(jié)束，進(jìn)行全過程分層次、分階段的理論講解與技術(shù)實(shí)踐，在課堂教學(xué)中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，具體流程為：頂點(diǎn)→頂點(diǎn)處理→剪裁、圖片組裝→光柵化→片元處理→像素。

2.2.1頂點(diǎn)

在頂點(diǎn)教學(xué)中，首先進(jìn)行的是“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”基本知識(shí)的講解?？蛇M(jìn)行OpenGL的功能與操作方法的講解，使學(xué)生初步了解OpenGL，并可進(jìn)行簡單圖形的繪制。在后續(xù)的教學(xué)中，進(jìn)行OpenGL知識(shí)與功能操作的進(jìn)一步講解，逐漸增加OpenGL教學(xué)的深度，給予學(xué)生一定的接受時(shí)間。還要注意的是，促進(jìn)OpenGL程序包與圖形學(xué)理論的融合，讓學(xué)生利用OpenGL去求解理論上的問題，逐步熟悉“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”求解問題的方法與技巧，實(shí)現(xiàn)理論與工具之間的相互轉(zhuǎn)化。

2.2.2頂點(diǎn)處理

教師可指導(dǎo)學(xué)生使用OpenGL中的Vertex Shader（頂點(diǎn)著色器）輸入數(shù)據(jù)，比如使用Attributes設(shè)置頂點(diǎn)的坐標(biāo)，或者是利用Uniforms設(shè)置當(dāng)前光源的位置等，以獲取想要的圖像。目前，Vertex Shader已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用可編程，根據(jù)使用者繪制圖形的實(shí)際需要進(jìn)行頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，通過使用著色器語言編寫程序，借助矩陣改變頂點(diǎn)的坐標(biāo)位置，形成紋理坐標(biāo)，以及使用光照計(jì)算頂點(diǎn)的顏色等。在運(yùn)行程序生成圖形的過程中，頂點(diǎn)變換一次形成一個(gè)矩陣，在經(jīng)過數(shù)次變換后，矩陣級(jí)聯(lián)后形成復(fù)合矩陣。

2.2.3裁剪與光柵化處理

第一，在進(jìn)行裁剪操作之前，組裝頂點(diǎn)生成圖元，然后裁剪掉圖元的外部，留下圖元內(nèi)部;第二，光柵化處理———將裁剪后的圖元進(jìn)行處理獲取片元。在“基本圖形生成算法”章節(jié)中，介紹了光柵圖形生成算法，比如繪制直線的算法以及圖形填充的算法等，由于學(xué)習(xí)難度較小，可以安排學(xué)生進(jìn)行課后學(xué)習(xí)和練習(xí)。教材中只選取了代碼的關(guān)鍵部分，至于其他部分可要求學(xué)生通過課后學(xué)習(xí)進(jìn)行補(bǔ)充，以做好剪裁與光柵化的整個(gè)操作，編寫出一套完整的代碼。

2.2.4片元處理

Open GL中的Fragment Shader（片段著色器）主要用于像素計(jì)算并輸出最終的顏色。圖元在經(jīng)過光柵化處理后，可以使用片段著色器進(jìn)行片元著色，使每個(gè)片元的顏色都由著色器的程序而設(shè)定。此外，真實(shí)感光照模型也可用于片元著色?，F(xiàn)階段，OpenGL構(gòu)建了通用、統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)圖形渲染架構(gòu)，可并行流水線。也就是所有的圖形處理操作可并行、各個(gè)處理同步執(zhí)行，與人類的思維較為相似。學(xué)生從設(shè)定頂點(diǎn)坐標(biāo)開始至片元著色結(jié)束，完成一整套的計(jì)算機(jī)圖形處理操作，從而完成對(duì)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”計(jì)算思維的整體構(gòu)建。

2.2.5構(gòu)建計(jì)算思維流水線

通過以上教學(xué)，學(xué)生借助OpenGL進(jìn)行“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”各個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)，從頂點(diǎn)開始將計(jì)算機(jī)圖形的計(jì)算思維在教學(xué)中逐步滲透，使用OpenGL對(duì)抽象的理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)用頂點(diǎn)處理，繪制出基本圖形，經(jīng)過剪裁獲取圖元，然后使用光柵化處理，生成最基本的片元，最后進(jìn)行片元處理———使用Fragment Shader對(duì)片元進(jìn)行著色。學(xué)生通過教師的課堂講解與自身的課堂練習(xí)，系統(tǒng)性、整體性的學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”，從基本圖形的繪制到圖形的生成，再到圖形的著色，這些教學(xué)內(nèi)容中都包含計(jì)算思維。學(xué)生在學(xué)習(xí)與動(dòng)手繪制的同時(shí)，訓(xùn)練與培養(yǎng)計(jì)算思維，記憶求解的過程由淺入深、層層遞進(jìn)，持續(xù)提升計(jì)算思維能力。

2.3課堂教學(xué)方法設(shè)計(jì)

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的實(shí)踐性較強(qiáng)，在教學(xué)上可以使用“所見即所得”的教學(xué)方法。以顏色變化為例，教師使用多媒體教學(xué)設(shè)備展示一張場景圖片，提出繪制該場景所使用的技術(shù)和理論知識(shí)，一邊演示一邊講解，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論。在完成理論講解后，讓學(xué)生動(dòng)手操作，在計(jì)算機(jī)圖形軟件上將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，使抽象化的理論具象化，使學(xué)生不再局限于理論的淺顯理解，而是通過實(shí)踐完成理論的應(yīng)用與理解，以形成良好的計(jì)算思維。具體而言，一是可專門開發(fā)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)演示軟件，進(jìn)行理論的實(shí)際指導(dǎo);二是可采用研究性教學(xué)理論，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，以科學(xué)研究的角度去探索、分析、解決問題;三是積極應(yīng)用互動(dòng)教學(xué)模式，活躍課堂氛圍，突顯學(xué)生的主體地位，滿足計(jì)算思維求解問題教學(xué)的需要;四是鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主設(shè)計(jì)、開發(fā)三維模型，并進(jìn)行多元化考核———以“考試成績+平時(shí)實(shí)踐成績+平時(shí)課堂表現(xiàn)”的模式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性、客觀性的評(píng)價(jià)，形成激勵(lì)作用。

3“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)改革的注意事項(xiàng)

3.1注意教學(xué)的延伸

為了較好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意知識(shí)的延伸。一是要精簡理論教學(xué)，“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”知識(shí)更新速度較快，部分陳舊的知識(shí)已經(jīng)過時(shí)，在教學(xué)中應(yīng)及時(shí)剔除，并補(bǔ)充當(dāng)下最前沿的圖形學(xué)理論與技術(shù)，保證教學(xué)的先進(jìn)性，開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)視野;二是在進(jìn)行基礎(chǔ)理論與概念講解的同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展程度，將可編程的頂點(diǎn)著色器、片段著色器等納入至圖形學(xué)教學(xué)中?；蛘咴诮虒W(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，增加Web GL方面的內(nèi)容，使學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)創(chuàng)建可在瀏覽器中展示的3D場景，拓展教學(xué)的廣度與深度。

3.2注意教學(xué)案例的運(yùn)用

采用案例開展計(jì)算機(jī)圖形教學(xué)，將教學(xué)與案例相結(jié)合，在課堂中來回切換，完成教學(xué)的同時(shí)，學(xué)生就可完成一個(gè)圖形作品。這讓學(xué)生在完成課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)，還可進(jìn)行開發(fā)、創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，提升學(xué)生探尋問題與解決問題的能力，以加快計(jì)算思維的提升速度。

3.3組織開展實(shí)踐課

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”上下章節(jié)的知識(shí)有一定的關(guān)聯(lián)性，系統(tǒng)性較強(qiáng)。教師在教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)中，需要注意上下章節(jié)的串聯(lián)。比如，在完成顏色模型與光照模型、視覺模糊模型變化與剪裁、三維空間觀察、網(wǎng)格與多層次模型、真實(shí)感圖形繪制等課程后，將課程中的實(shí)踐鍛煉內(nèi)容進(jìn)行串聯(lián)，要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)繪制一個(gè)場景，或者是搭建一個(gè)3D模型。教師可事先制作一個(gè)教學(xué)案例，將上述章節(jié)的知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)講解，梳理好繪制流程后，組織學(xué)生設(shè)計(jì)作品，研究作品的整個(gè)架構(gòu)，然后進(jìn)行編程與實(shí)際操作。完成創(chuàng)作后，教師組織學(xué)生開展教學(xué)評(píng)價(jià)，指出學(xué)生學(xué)習(xí)中的不足，并對(duì)作品的不足之處進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整，以幫助學(xué)生進(jìn)一步完善作品。

3.4組織開展前沿講座課

組織開展圖“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”前沿講座課程———對(duì)現(xiàn)階段的主流技術(shù)、主流圖形軟件以及行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r等開展講座，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的興趣，并使學(xué)生了解更多的前沿知識(shí)，了解行業(yè)發(fā)展對(duì)人才的需求狀況，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與科學(xué)探索精神。“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的學(xué)習(xí)難度大，理論知識(shí)過于抽象，還涉及大量的算法、編程語言等。因此，為了幫助學(xué)生理解與消化知識(shí)，在教學(xué)中要根據(jù)實(shí)際情況，選擇使用多種教學(xué)手段，并注重實(shí)踐訓(xùn)練，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，以提高“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的教學(xué)質(zhì)量。

4結(jié)束語

“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”是中等職業(yè)學(xué)校計(jì)算機(jī)平面設(shè)計(jì)專業(yè)的課程之一，其教學(xué)難度大、涉及學(xué)科多、理論知識(shí)豐富，學(xué)生學(xué)習(xí)與理解的難度較大，部分學(xué)生對(duì)其失去學(xué)習(xí)興趣。因此，需要中等職業(yè)學(xué)校在計(jì)算思維的指導(dǎo)下，進(jìn)行該項(xiàng)課程的教學(xué)改革，將復(fù)雜難懂的問題簡單化。此外，還應(yīng)精簡“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”中陳舊的理論知識(shí)，增加課程實(shí)踐練習(xí)的時(shí)間，整合多種教學(xué)方法，以此提高“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”教學(xué)改革的實(shí)效，全面提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。

作者簡介：

王霖（1982—），碩士研究生，高級(jí)講師，研究方向：計(jì)算機(jī)平面、數(shù)字媒體、圖形圖像。