計算機圖形學基礎教程結課論文(2)
計算機圖形學基礎教程結課論文
計算機圖形學基礎教程結課論文篇二
《基于計算思維的計算機圖形學教學改革》
摘要：“計算機圖形學”是計算機專業(yè)的一門重要核心課程。文章從教學內容與教學方法兩方面探討在“計算機圖形學”課程中貫徹計算思維能力培養(yǎng)的改革思路與措施。
關鍵詞：計算思維;計算機圖形學;教學內容;教學方法
1.背景
計算思維是美國周以真教授在2006年正式提出的教育理念。周教授認為計算思維不僅屬于計算機科學家，而且還應和閱讀、寫作、算術：Reading，wRiting，and aRithmetic——3R)一樣，成為每個人必須具備的基本技能。
計算思維的概念一經提出，就激發(fā)了美國學術界的強烈反響。2007年，美國卡內基·梅隆大學和微軟宣布建立微軟一卡內基·梅隆計算思維中心。2008年，美國國家科學基金會啟動了“計算使能的科學發(fā)現(xiàn)與技術創(chuàng)新”研究計劃。該計劃旨在通過計算思維領域的創(chuàng)新和進步來促進自然科學和工程技術領域產生革命性的成果。
在中國，計算思維被認為是振興大學計算教育的途徑，是促使科學與工程領域產生革命性創(chuàng)新成果的重要因素。針對校級公共必修課之一的計算機導論課，文獻[3]論述了該課程與計算思維的關系;針對計算機專業(yè)的基礎課程，國內教育工作者就如何在離散數(shù)學、程序設計、算法設計與分析等課程教學過程中培養(yǎng)學生的計算思維能力上進行探索，取得了一定成果。而針對計算機專業(yè)的高年級課程，文獻[7]、[8]分別探討了如何在編譯原理課程和人工智能課程中強化學生的計算思維能力。
計算機圖形學是計算機及相關專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)選修課，兼顧理論和實踐，具有很強的綜合性和交叉性。然而，該課程由于學科內容多、理論難度大、實踐性強，且作為專業(yè)選修課學時有限，導致了課程內容不易被掌握、學生學習積極性不高等問題。因此，我們將培養(yǎng)學生的計算思維能力融入該課程，并針對課程的學科特點和學生特點，對課程的教學改革進行了思考和探索。
2.計算機圖形學中的計算思維
計算機圖形學作為高等院校計算機核心課程之一，應當啟發(fā)學生使用計算思維方式解決各種計算機圖形學相關的實際問題。計算思維涉及運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為。下面，我們從這三方面來探討計算機圖形學所體現(xiàn)的計算思維。
1)求解問題。
計算機圖形學中的各種經典算法均為問題求解的過程。例如，直線生成、圓弧生成、多邊形填充和區(qū)域填充等光柵圖形學中的具體問題，均需要通過計算機進行實現(xiàn)。講解這些實際問題的解決思路，可以培養(yǎng)學生利用計算機科學的基本概念進行問題求解的計算思維能力。
2)設計系統(tǒng)。
計算機圖形系統(tǒng)包含了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計。
圖形硬件系統(tǒng)用來生成、處理和顯示圖形，通常由中央處理器和圖形輸入/輸出設備構成。在圖形硬件系統(tǒng)的設計中，考慮到圖形系統(tǒng)計算的工作量非常大，尤其是虛擬場景和實時動畫等的顯示，所以系統(tǒng)增加了固化的圖形處理芯片，即顯卡。圖形輸入/輸出設備也是基于人類的使用習慣和對顏色的感知習慣所設計。
圖形軟件系統(tǒng)分為圖形生成、圖形處理、圖形顯示及人機交互幾個部分。如何通過代碼將不同內容集成起來，構造出復雜的人機交互圖形系統(tǒng)，需要通過逐步分解、細化的方式，將規(guī)模較大、比較籠統(tǒng)的問題，轉換成比較詳細的描述，并有機地串聯(lián)起來用代碼實現(xiàn)。
通過設計開發(fā)軟硬件系統(tǒng)，培養(yǎng)學生利用計算機科學的基本概念進行系統(tǒng)設計的計算思維能力。
3)理解人類行為。
計算機圖形學就是在研究、分解和模擬畫家繪畫過程的科學。計算機圖形學通過研究分析，展現(xiàn)畫家繪畫的思維方式，并讓人們明白思維是可實現(xiàn)的。畫家繪畫的基本步驟和計算機圖形學的基礎技術對應關系如表1所示。
以畫家繪制建筑風景畫為例，畫家首先要選取景物和觀察的視角，這和圖形學中的投影、射影變換、視見體的規(guī)范化、三維規(guī)范體裁剪等技術相對應;選好場景和視角后，畫家會在腦海中對各個建筑物的位置和角度進行微調，以展現(xiàn)最美觀的畫面，這和圖形學中物體的幾何變換(平移變換、放大和縮小變換、旋轉變換等)技術相對應;完成構思后，畫家會先用細筆勾勒出各個建筑物的輪廓，這和圖形學用網格建模技術相對應;然后進行上色，即圖形學中的顏色模型和光照模型相關技術;最后，畫家繪制霧氣效果、建筑物表面細節(jié)等，這與圖形學研究的真實感圖形繪制技術相對應。
計算機圖形學可培養(yǎng)學生運用計算機科學的基本概念進行人類行為理解方面的計算思維能力，因為計算機圖形學是完全由人通過計算機構造出來的虛擬繪畫世界，課程所研究的技術均是基于對人類社會繪畫的理解、模擬或擴展。反過來，計算機圖形學也可以指導人類社會的繪畫并使之更有章法。
3.面向計算思維的教學內容探索
在培養(yǎng)學生計算思維能力這個新目標的指引下，我們對傳統(tǒng)的計算機圖形學教學內容進行了適當調整：強調對計算思維能力的培養(yǎng)，在理解基本原理和基本概念的同時，也重視應用，培養(yǎng)學生動手解決實際問題的能力。首先，我們根據(jù)學生的實際學習需求，精選部分核心教學內容，壓縮或屏蔽部分理論知識，使學生更專注于必要知識的學習，從而提高教學效率和教學質量。其次，教學內容的制訂應跟上時代的步伐，重點介紹學科最新的前沿技術，提高學生的學習興趣，拓寬他們的知識面。在以上一系列方針的指導下，我們調整后的教學內容主要包括9部分，各部分的學時分配如表2所示。
我們對課程內容的主要變動和調整總結如下，培養(yǎng)學生們運用計算機圖形學的理論提出問題、分析問題和解決問題。
1)在第1章概述部分引入了OpenGL繪圖程序包的介紹和使用說明，并以實驗的方式要求學生掌握基于OpenGL的簡單圖形設計方法;在后面章節(jié)的課程中也融入OpenGL的使用和功能介紹，將圖形學理論與OpenGL繪圖程序包相結合。這樣，有利于學生在學習問題求解的方法(即算法)的同時，掌握問題求解的手段(即OpenGL)，將抽象的算法和形象的工具實現(xiàn)技術融會貫通。
2)將第2章的基本圖形生成算法設為學生自學部分。內容涵蓋了基本的光柵圖形生成算法，詳細說明了計算機在顯示器上繪制直線和圓弧的算法、多邊形的填充與其他相關的圖形基本元素的生成算法。這部分難度適中，很適合學生課后學習，教材提供部分源代碼，學生通過自學將代碼補齊，完成實驗。
3)將第3-7章的內容用一個實驗串起來講，這個實驗要求學生們完成一個三維實體或場景的建模與交互。我們先展示實驗作品，然后通過分析作品的實現(xiàn)過程，引申出相關各個章節(jié)的理論部分，并一一擴展開來。最后，學生通過自行設計場景、分析實驗架構、動手編程等過程來親身體驗。
4)增加討論課和第9章的技術前沿講座，激發(fā)學生的探索精神，培養(yǎng)他們批判性和創(chuàng)造性的計算思維能力。
4.面向計算思維的教學方法
4.1“所見即所得”的課堂教學方式
計算機圖形學是一門思維性很強的課程，涵蓋的知識點廣而抽象，因此，我們改進了傳統(tǒng)的按知識點分拆講解為主的教學方式，采用了“形象→抽象→形象”的“所見即所得”的教學方式。例如，在講解顏色、光照、視圖模型變換等知識點之前，我們先“形象”地展現(xiàn)一個三維場景，并對此展開分析，將三維場景繪制相關的知識點“抽象”出來，并逐章展開講解，并讓學生參與討論;最后，通過實驗的方式讓學生自行設計并編程實現(xiàn)一個“形象”的三維場景。這種“所見即所得”的教學方式將計算機圖形學抽象的思維過程形象地表達出來，并通過布置實驗，很好地調動了學生思考和探究的積極性，從而達到培養(yǎng)學生計算思維能力的目標。
4.2采用注重培養(yǎng)計算思維能力的實驗內容
本課程設置18學時的課內實驗，包括4個實驗項目，具體安排如表3所示。
本課程的實踐性較強，因此課程考核摒棄了筆試方式，采用實驗考核和項目考核相結合的方式。實驗考核主要考查學生平時對相關知識的掌握程度，主要由第1、2和第4個實驗組成。項目考核基于第3個實驗，要求學生分組(每組不超過2人)完成一個比較復雜的三維模型或場景的建模項目，利用OpenGL、C++和FLTK，設計并制作三維真實感場景，要求提交設計制作文檔、源代碼、可執(zhí)行文件、PPT演示文稿等材料。
5.改革效果
通過課程的學習，多數(shù)學生均能掌握現(xiàn)代計算機圖形學的基本原理和交互式圖形系統(tǒng)的實現(xiàn)技術，具備了使用計算機圖形軟件、分析和設計圖形系統(tǒng)的基本能力，了解了計算機圖形學的研究方向和發(fā)展前景。
通過與學生座談，我們發(fā)現(xiàn)學生對課程的學習內容有了充分的認識，特別是在設計三維模型時，能夠理解繪畫步驟，掌握圖形學建模流程，并且有意識地運用計算思維思考問題和解決問題。
6.結語
實踐證明以上教學改革取得了良好的教學效果，然而學生計算思維能力的培養(yǎng)并非一朝一夕之功，也不是通過一兩門課程的教學就能完成的。今后，我們將以計算思維的視角看待所教授的各門專業(yè)課程，在教學內容的選取與組織、實驗內容的設計、教學方法的提煉上進行改革。
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