計算機圖形學課程

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計算機圖形學課程范文第1篇

關鍵詞：計算機圖形學；教學效果；教學方法；學習方法

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-0118（2012）05-0129-02

一、引言

“計算機圖形學”是計算機專業教學中的一門重要的專業基礎課程，它的后續課程有：圖像處理、多媒體技術、模式識別、計算機視覺以及虛擬現實等，在計算機專業的教學過程中占有很重要地位。“計算機圖形學”課程最大特點是理論與實踐結合較強，傳統的教學模式很難滿足這個要求，嚴重影響到課程的教學質量和教學效果。因此，“計算機圖形學”課程的教學改革勢在必行。

二、分析教學中存在的問題

“計算機圖形學”主要研究與計算機圖形表示、圖形計算、圖形處理和圖形顯示的相關原理與算法，它的內容豐富，涉及了數學、物理學、計算機科學、美學、心理學及藝術學等諸多方面的知識，具有很強的理論性、實踐性和綜合性。

在幾屆的課程教學中，作者先后使用偏理論教學和偏實踐教學，都沒能取得很好的效果。目前國內高校對這門課程的講授常使用這兩種方法。偏理論的教學過于強調理論知識（相關的數學基礎知識、算法的推導、程序的實現），學生很難理解和掌握，普遍反映：“上課聽得懂，下課再問就不知道了”，學習態度從困惑變成厭倦，因為學生不知道這些知識有什么用。偏實踐教學則是從實用角度出發，理論知識涉及得少且淺顯。學生興趣提升了卻沒有抓住課程的本質，錯誤的認為計算機圖形學就是圖片處理和動畫制作。總結上述兩種教學方法存在以下幾個方面問題：

（一）知識點的混淆。由于本課程所學的內容多，學生在學習過程中沒有清晰的知識框架和整體思路。知識越學越多、越學越亂。例如，在實際教學過程中，幾種掃描轉換算法講授后，有些學生已區分不出各種算法所解決的問題。

（二）內容知其然不知其所以然。計算機圖形學涵蓋許多原理、算法、程序，這些內容都不容易理解和掌握，大部分學生不感興趣。這就與他們原本對這門課程的理解有偏差，所以感覺很盲目，沒有學習目標，最終喪失學習興趣和熱情。

（三）實踐環節得不到應有效果。學生在有限的時間內很難完成對分析能力和編程能力要求很高的實驗任務，進一步加深對該課程的排斥。

針對以上出現的問題，在有限的學時內，如何使學生系統地掌握計算機圖形學的基礎知識、重要的基礎理論和生成圖形的常用方法，值得深入的探討。

三、課程教與學的改進

教學方法包含教師的教授方法和學生的學習方法。計算機圖形學的教與學都應把握課程的整體結構和發展方向，強調理論學習與實踐應用的結合。使學生在深刻理解圖形學本質的同時，建立起這門學科的整體框架，為后續課程打基礎。

（一）教師的教授方法

教師在學習過程中起著指導和協助作用。如何在課程的基本原理和基本技能傳授給學生后，引導學生將所學的知識應用到實踐中，去發現圖形圖像及其相關領域的問題；激勵學生積極地分析和解決問題。

1、興趣培養。古人云：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，讓學生了解計算機圖形學與自己的生活、工作、學習密切相關，興趣就會油然而生。例如，從學生比較熟悉或推崇的某游戲或軟件開始，介紹支撐該產品的計算機圖形學基本知識和理論；或者展示計算機圖形學在計算機動畫、科學計算可視化、計算機藝術、多媒體應用等應用領域的最新研究成果和發展趨勢。使學生萌生求知欲望，這是非常關鍵的一步。

2、合理安排。計算機圖形學課程內容涉及圖形顯示處理流程、圖形硬件設備、圖形系統、二和三維圖形的生成和處理算法、裁剪、幾何變換、交互技術、三維消隱等方面，每一項內容又包含很多的技術、方法以及經典算法思路。教師不可能在有限的學時數內每個知識點逐個展開講解，那樣也不利于學生對知識的學習和掌握。怎樣給學生展現一個清晰的計算機圖形學課程內容脈絡和整體框架呢？結合學生的認知能力，選擇有代表性的講授，強調基本概念、基本原理、經典算法（如Sutherland-Cohen算法、Bresenham算法、Z緩沖器算法、光線跟蹤算法等），做到突出重點、點面結合。例如，圓、橢圓的掃描轉換的內容完全可在講授直線段掃描轉換算法后安排學生自學，因為它們的基本思想是相同的。這樣，可以用節省的時間傳授學生最大量的新知識，同時可以培養學生的自學能力。

3、形式多樣。俗話說“一幅畫勝過千言萬語”，傳統的黑板講解結合生動有趣的多媒體教學，用flash、OpenGL等工具把復雜枯燥的數學推導和算法描述做成動畫演示，使復雜問題簡單化，抽象問題具體化。例如，Bezier曲線，B樣條曲線，NURBS曲線曲面，數學公式抽象難懂，計算量大，學生普遍難以理解。使用OpenGL（OpenGL提供了近350個不同的調用函數，用來繪制復雜的三維景象）制作出他們的三維模型，動態演示算法執行過程，抽象的理論與具體的實物對照，從而加深理解。

4、注重實踐。培養學生技術應用能力靠上機實驗，合理安排實驗課程是關鍵。學生要在邊做邊學、邊學邊做中加深對理論知識的認識和理解。教師結合學生的動手能力，制訂切實可行的實驗設計方案。

（二）學生的學習方法

學生要熟練掌握計算機圖形學課程的知識精髓，課堂學習是遠遠不夠的。要積極主動成為學習的主體，本文提出了幾點建議供學生參考。教師也可以根據自身教學的實際情況借鑒使用。

1、扎實的數學基礎、很強的編程能力這是學好該門課程的必要條件。例如，連續、一階連續、二階連續、曲率、繞率、參數表示、矢量、法向量、矩陣、矩陣運算等，都是計算機圖形學中常用到的基礎知識。這些都需要學生課前熟練掌握。

2、充分利用網絡，開闊眼界。關注計算機圖形及其相關學科領域的發展動向；基礎算法產生背景、算法的應用領域、相關的學術報告和會議文獻等，進而擴展知識的深度和廣度。這不僅限于學好這門課程，其它課程也是適用的。

3、理順計算機圖形學課程的學習內容和整體架構，將每個知識點用知識樹的形式串聯在一起。如果一個問題有多種解決方法，可以采用對比的學習方法，將所學的原理、算法、程序進行比較，找出它們之間的區別與聯系。例如：Bezier、B樣條、NURBS曲線曲面間的比較，CSG樹、邊界表示法、八叉樹表示等實體造型技術的比較等。

4、認真做好每次上機實驗。運用學到的知識，發現問題、分析問題、解決問題，提高動手能力，這是學習的最終目的。

四、結合語

計算機圖形學是一門實用較強的綜合學科。在了解和掌握現有的和前人積累的知識同時，更重要的是知識的模仿和繼承，突出探求知識能力和創新意識的培養。經過幾年的教學探索和研究，上述的教學改革可以達到很好的教學效果。

參考文獻：

\[1\]龔紹文.大學青年教師教學入門—大學施教學初步\[M\].北京:北京理工大學出版社,2007.

\[2\]潘革生.高等學校計算機圖形學教學理念探討\[J\].廣西科學院學報,2008,24(4):380-383.

\[3\]孫家廣.計算機圖形學\[M\].3版.北京:清華大學出版社,1999.

計算機圖形學課程范文第2篇

關鍵詞計算機圖形學調查法案例教學法教學改革中圖分類號：G424文獻標識碼：A

信息與計算科學專業作為理學的一個熱門專業，其培養目標是培養具有良好的數學知識，掌握信息科學和計算科學的基本理論和方法，受到科學研究的初步訓練，能運用所學知識和熟練的計算機技能解決實際問題，能在科技、教育和經濟部門從事研究、教學和應用開發和管理工作的高級專門人才。這就需要學生具有較強的綜合素質。①②與其他專業相比，信算專業具有一定的數學基礎和計算機知識，善于發現問題，具備一定的創新意識，但是動手能力較弱，創新性不強，綜合運用所熟悉的數學知識和信息知識的能力不高。計算機圖形學（以下簡稱圖形學）作為信算專業的一門選修課，是一門理論、技術與應用相結合的技術應用性課程。該課程是2001年美國計算機學科教程和2002年中國計算機科學與技術學科教程的核心課程之一。③④⑤對于提高學生的動手能力，培養學生的綜合素質大有裨益。

1 計算機圖形學所存在的問題

信算專業的大多數學生具有學習圖形學的動機和欲望，但目前對于圖形學實驗課程所能提供的具有動手、創新的環境有限，學生無法充分發揮自己的學習潛力，同時難以提高自己的創新能力。同時學生也不善于利用現有的資源和條件，更不能創造出自己所需要的資源和條件。具體表現為：

（1）傳統的教學內容。目前的圖形學課程教學主要以課堂講解、傳授知識為主。在教學過程中學生的個性，一直沿用相同的的大綱、教材和考試方式，在這種情況下，學生的知識結構和思維方式也很容易與老師相同，缺乏創新、缺乏創見。同時，對于學生的積極性有很大影響。

（2）實驗教學模式比較單一，教學效果不夠理想。傳統的實驗教學側重于驗證性的實驗教學，從實驗的思想到實驗算法的確定，基本上都是由教師事先講解好，學生只是被動的接受和模仿，讓學生自己思考的東西較少，很多學生只是盲目敲擊代碼，并不了解為什么這么做，不利于學生創新能力和綜合素質的培養。

（3）對學生評價考核機制還不夠科學完善。目前評價學生的標準主要是考試成績，因而在一定程度上導致學生片面追求考試成績，忽視其它能力尤其是實驗動手能力和創新能力的培養。

2 教學改革的主要內容

2.1 改革課堂教學模式

課堂教學是教學的基本組成形式，學生能力的培養也必須滲透到圖形學的教學過程中。教師既要傳授知識，又要培養學生的動手能力、創新能力、實驗能力等等。同時以此為基礎，要結合學生不同的認知水平和生活體驗，創設新的教學情景導入新課，激發學生學習的欲望。在教學中，營造一個鼓勵學生發言的課堂氛圍。采用多種多樣的課堂教學形式，鼓勵學生提出自己的看法，讓學生自覺、主動地學習，以提高學生的創新能力。加強圖形學與微分幾何、數據結構、概率論與數理統計等各學科之間的交叉綜合，有利于學生綜合素質的提高；同時融合學科前沿知識，增大課堂信息量，激發學生的創新精神。

2.2 改革實驗課教學模式

針對目前《計算機圖形學》實驗中內容比較單一、編程環境比較舊的問題，使得多數學生為了驗證理論教學中學到的算法，剛實驗成功一個算法會比較有成就感，但是對后面的實驗會在某種程度上失去興趣，感覺枯燥無趣，對它不感興趣。充分利用理學院實驗室的儀器設備和師資力量，探索和完善實施新的實驗教學的方法。

2.3 改革和完善學生的考核體系

評價是教育管理中實施控制的特殊手段，是教育管理的重要環節。傳統的培養模式并不利于培養學生的動手能力，主要原因是學生考核過程中采用統一的閉卷考試方式，不能反映出學生的真實的水平和能力，尤其是創新能力和實驗能力很難在一張試卷中進行全面考察。因此我們可以采用多樣化的考試方式，以及相對比較自由的考試時間，或不采用考試形式考評學生，如通過獨立撰寫專題報告、課堂演講、撰寫相關的學術性文章、參與相關的科研項目以及相關的程序設計大賽等多種形式進行評價。

3 實施的步驟與方案

（1）通過對2007級、2008級學生進行調查，了解學生為什么選修圖形學這門課程？希望通過該課程學到什么？以及學生比較擅長的編程語言，給學生創造良好的編程環境，使得學生先利用自己熟悉的語言實現結果。

（2）通過網上查詢及實地考察，借鑒國內外著名大學的經驗，結合理學院信算專業的專業特色對教學內容進行改革，使得教學內容與時俱進，與當前的SIGGRAPH中的熱門圖形學專題相結合，開闊學生的視野。

（3）完善網絡課程以期協調好“教師教”與“學生學”的關系。采用多樣化的教學方法，從圖示內容的漸進性到圖形的欣賞性，再到圖形的交互性循序漸進，同時將多媒體教學與程序現場演示相結合。

（4）通過課堂實踐完成將傳授知識與培養能力相結合，采用“以點帶面”的方法，每個算法在班內選擇1~2個代表學生，講述自己的算法，修正其編程過程中遇到的問題，以及其他同學有可能遇到的問題，將該過程集結成錄像上傳到網上共享。

4 教學效果

通過對于2007級、2008級信算專業的學生進行教學改革，我們發現與2006級相比，學生對于實驗算法的理解更加深入，成績優秀的學生比例提高了15%，考試中對于考察算法的題目學生的得分率比較高，多數學生對于計算機圖形學的認識有了進一步的提高。

注釋

①陳國軍.工科《 計算機圖形學》 教學改革探索[J].中國石油大學勝利學院學報,2009.23(2):81-83.

②張榮華.高校“計算機圖形學”實驗教學改革探析[J].中國電力教育,2007(3):134-136.

③張瑞秋等.計算機圖形學發展現狀與教育改革[J].機械管理開發,2007(4):6-8.

計算機圖形學課程范文第3篇

關鍵詞：計算機圖形學；可視化；計算機動畫；教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）13-3088-02

1 計算機圖形學的相關理論

1.1 計算機圖形學的定義

隨著計算機在生活中的廣泛應用，將計算機技術與傳統圖形學結合起來描述產品已經并非難事。而計算機圖形學所研究的正是這方面的知識。因為在現代制造業中，用計算機圖形來模擬描述產品變得越來越廣泛，所以，現在國內外大學，都將計算機圖形學作為一門必修的應用課程。目前國內被采納的定義是：計算機圖形學是研究怎樣利用計算機表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術的一門學科。

1.2 計算機圖形學的整體框架

2 計算機圖形學的現狀分析

2.1 計算機圖形學在教學中的發展現狀

經歷了近半個世紀的發展，計算機圖形學無論在數學基礎的算法研究，還是軟件應用或是硬件發展方面都取得了巨大的進步空間。現在，計算機圖形學已經成為工程應用領域傳遞信息的主要技術和工具，而與它相關的軟硬件產業也形成了一個巨大的產業，從事研究這個產業的隊伍十分龐大。正是由于此份需求，我國高等院校的理工科專業現在基本都開設了計算機圖形學這門課程。

從前面的計算機圖形學的整體框架可以看出，此門課課程涉及的內容很廣泛，包含了，數學、物理、計算機科學等課程，是一門交叉學科，而且此門課程的學習是以數學基礎作為最基礎的學習的，所以大多數學生在學習開始的時候都感到這門課程難于理解，枯燥。另外，目前國內的計算機圖形學課程的教材基本取材于幾本經典教科書，而這幾本教科書主要講述的是上世紀七八十年代的圖形學技術，主要強調的亦是數學基礎。正是由于這些原因，目前我國計算機圖形學教學普遍存在以下問題：

第一、學生期望與教學要求之間的矛盾。在學期開學之初，學生們拿到課本的時候，往往會在計算機圖形學的課本上看到的是各種當今最新的計算機圖形學的研究成果和各種可以亂真的圖形效果，他們認為學習完后既可以繪制出像課本彩頁上一樣的效果圖，所以開始的時候總是對這門課程充滿期望。但是由于課時的限制，各個高校對此門課程的教學要求僅僅是掌握計算機圖形學的基本概念并且能夠完成一些基本圖形的繪制，即是計算機圖形學的入門課程，要想完成向課本彩頁上的那種效果圖還需要學生在學習完這門課程后畫上幾年的時間繼續學習和刻苦鉆研。學生們在學習這門課程之初的期望和學校對這門課程的教學要求之間存在巨大的落差，隨著學生對這門課程的學習時間增長會慢慢的體現出來，而學生們對這門課程的興趣也會慢慢的遞減，最后慢慢失望導致放棄學習。

第二、計算機圖形學過分強調數學基礎。通過計算機圖形學的整體框架我們可以看出，計算機圖形學的基礎是數學，這是毋庸置疑的，任何圖形要顯示出來都必須先構造出數學模型，然后才能通過計算機程序實現計算機圖形的顯示。而目前國內的計算機圖形學課程的教材基本取材于幾本經典教科書，而這幾本教科書主要講述的是上世紀七八十年代的圖形學技術，主要講述的是計算機圖形學的算法，因為這些算法的構思比較獨特而且實現的方法又精巧，所以學生比較難于理解。這種算法的邏輯思維比較適合數學基礎良好的理科學生，相對工科學生來說，他們就往往會被這些算法所困擾，對這門課程產生畏難心理。

第三、計算機圖形學內容過于豐富導致課程泛泛而談。計算機圖形學是一門交叉學科，涉及到微電子學，信息學，計算機科學，圖形學，幾何學等學科。另外由于計算機圖形學的不斷發展，它的軟硬件更新換代和大量涌出的新算法這些都是計算機圖形學教學所要傳授的內容。這樣就要求計算機圖形學的授課教師具有全面的知識結構，并且在傳授課程的時候要分清主次，合理取舍。否則的話，各個知識點都講到就會使得學生在學期后只能學到分散的知識點，而不能將這些分散的知識點連成知識面，不知道學了什么，這樣會使他們喪失繼續學習的興趣。

第四、傳統教學模式忽視應用實踐。計算機圖形學是一門實踐性強的課程。它要求學生具有較強的動手操作能力和編程能力。如果理論與實踐互動性不夠，容易造成學生實踐動手能力薄弱。

通過以上分析，可以看出在計算機圖形學中采用傳統的課堂上講授理論，課下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。

2.2 計算機圖形學在教學中所能做的改革

根據計算機圖形學教改的總體計劃和總體目標，我們進行了教學研究，實施了一些教學改革，具體有如下認識和做法：

2.2.1 重視基礎知識、突出重點技術

計算機是工科類學科，而計算機的應用專業又是其中應用實踐性最強的專業，這使得很多職業高校在進行此專業的專業教學時有忽視理論基礎，片面注重操作應用的傾向。這樣就違背了我們國家要培養兼顧理論與實踐操作的專門人才的培養目標，所以，各大高校必須要重視理論基礎知識的教學，計算機圖形學的理論基礎包括：計算機圖形設備的輸入、圖形在計算機內部的表示、圖形在計算機內部的運算，變換原理算法、以及在計算機中存儲的圖形如何經過圖形設備輸出，如何將這些點、線、面、體的幾何元素在計算機圖形設備上表現出來。這些內容確實比較枯燥，甚至遠離應用，不像FLASH、PHOTOSHOP等用戶圖形系統那樣可以直接操作，具有所見即所得的圖形效果，但是這些卻是計算機圖形應用系統的基礎。傳授這些基礎知識可以為學生日后的學習與鉆研打下基礎，幫助他們在日后的學習中加深理解。但是由于計算機圖形學的知識太過于廣泛，這就要求教師在計算機圖形學的教學中分清主次，以點帶面，濃縮教學的內容。如：在講二維圖形的生成技術時，就可以將拋物線的二維圖形生成技術作為重點，其他的稍作介紹，這樣的話即可保證計算機圖形學的理論基礎，又可突出圖形生成技術作為教學重點。

2.2.2 完善教學內容、加強實踐能力

隨著計算機圖形學的飛速發展，這門課程已有相當成熟的數學表示、變換、運算和算法，并且最重要的是它已經被集成到許多圖形系統開發平臺中。我們的計算機圖形學教學的理論基礎還停留在最原始的概念上，如各種圖形的變換，利用單一的數學方法進行矩陣運算。而這些在現有的圖形系統中都可以使用相應的函數和堆棧操作完成。也就是圖形學的教學內容還是在矩陣的元素級的運算，而現有圖形系統在矩陣級的運算。三維幾何體的變換可以借助于操作矩陣堆棧直接應用取景變換。這樣理解，我們把計算機圖形學教學分為三級：一級：如何用數學模型生成二維圖形，二級：如何用二維圖形生成三維圖像、三級：圖形軟件的教學。可以看出，在傳統的教學中我們只強調了一級教學，而對二級只是簡單帶過，三級更是由于時間的限制無法介紹。這種情況必須得到改善，我們必須通過這三個層次的教學，使學生認識到：這三部分教學內容的層次是越來越高的，而且每一層次對應著不同應用需求，如：第一層次主要對應簡單的二維圖形制作；第二層次主要對應二維或沒有規則的三維幾何體圖形制作，且可以有真實效果顯示；第三層次對應規則幾何體的真實效果顯示，但開發工作量遠遠小于第二層次，主要用于游戲軟件、虛擬社區漫游、電腦廣告制作等的開發應用。通過對教學內容的完善，加強實踐知識傳授，使學生可以將所學的知識連貫起來，知道他們所學習的究竟是什么，并掌握如何應用所學的知識。從而提高他們的學習興趣。

2.2.3 結合實際問題、提高應用水平

從培養目標看，計算機應用專業學生不是應用軟件的使用者，而是為這些使用者提供應用軟件的軟件研發人員。教學時可用一些經典案例，讓學生以角色帶入，通過這樣的教改實踐，教學內容覆蓋了一、二、三級圖形軟件，這樣不僅可以拓寬學生的知識面，也可以讓他們在學校就感受到社會工作時團隊的力量。從而提高他們的實踐應用水平。

3 結束語

由于計算機圖形學的應用廣泛，不同學科的特點各不相同，以及學生不同的專業背景，在教學上應因材施教尋求各自合適的模式。但歸根結底應把培養學生的綜合應用能力及創新能力作為最終目標，為以后學習相關課程和從事相關研究與開發工作奠定堅實的基礎。

參考文獻：

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[3] 孫家廣.計算機圖形學[M].3版.北京：清華大學出版社，2006.

[4] James D Foley.計算機圖形學原理及實踐： C語言描述[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5] David F Roger.計算機圖形學的算法基礎[M].2版北京：機械工業出版社，2002.

計算機圖形學課程范文第4篇

關鍵詞:工業信息化;計算機教育;計算機圖形學;計算機仿真;程序設計

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

2008年11月1日,在計算機科學與技術專業教學指導分委員會第三次全體會議上,教育部高等教育司理工處李茂國處長指出:“我國的工業發展正處于轉折期,這一轉折的重要特點是信息技術對傳統工業的改造,這就提出了信息化技術如何更好地滲透到其他學科的問題……高等理工科教育要為工業化的發展和產業改造提供支撐,要為這一轉折培養大批合格的人才。特別是計算機科學與技術專業,要認真研究這一轉折,不僅要研究如何緊跟學科和專業發展,不斷更新教學內容,更要深入研究如何根據工業信息化的需求,加快計算機科學與技術專業的改造,盡快實現專業結構的調整,真正解決結構失衡的問題”。由此,對計算機教育提出了新要求。

2目前國內計算機教育中存在的幾個問題

2.1計算機教學模式單一

我國計算機專業的教學模式主要傳承美國大學的教學模式,這是因為美國是當今世界上計算機工業與計算機教育最先進、最發達的國家。美國的計算機教育是基于它在計算機的基礎、核心地位,并向全世界推銷硬件、軟件產品這一思路而構造的計算機教育模式,同時用法律方式來保護自己的知識產權,這是美國計算機教育的第一個特點;第二個特點是全美計算機教育體系的完整性,這種教

育對計算機的理論與應用的各個方面都涉及,例如同樣一門計算機的主課在各個學校的授課都有不同的特點與主攻方向、并有非常多的輔助課與提高課程、參考文獻等供讀者選修,直至指導你走向學科的最前沿與其商業開發等。雖然他們各校的計算機的授課不一定很全面、很權威,但全美各個學校的所有計算機課程的集合能構成計算機教育的完整體系,這是他們計算機教育多年來自然形成的相互創新競爭機制、并最后形成均衡發展勢態鑄就的成果,是我們在進行計算機教育改革時不能忽視、目前暫時沒法做到的兩點。

由于上述按照美國人計算機專業教學模式培養人才的教學體系在國內占主導地位,這導致國內計算機教育模式單一,絕大部分高等院校培養的計算機專業的學生具有相同的知識結構。而中國社會對計算機的需求不同于美國社會,中國目前還不可能有像美國那樣的計算機硬件工業與核心軟件商業公司,也不可能像美國那樣向全球推銷自己的產品等,但國內絕大部分的計算機需求是計算機應用軟件的開發、并且各行各業的計算機應用有很大差異,而上述單一的計算機教育模式無形之中把這種多樣差異的社會需求排斥在計算機的核心教育之外。

教育部計算機教指委等部門針對這一問題,提出計算機專業按照社會的需求進行“分層分類”教育模式,并出臺了多種計算機教學方案供人們選擇。而要全面解決這一問題,教育思想的轉變是計算機教育深化改革的前提與關鍵。

2.2課程教學內容不足

常見很多C語言等教科書被冠名為計算機程序設計課程,這類課程明明是介紹算法語言的語句功能、語法與語句的基本操作使用(描述算法的具體實現過程),初學者有了這種知識后,雖能設計一些簡單的程序,但由于此時初學者沒有數據結構等知識,故他們還不能設計功能齊全的計算機應用程序。西方學者的算法語言教科書一方面是向讀者介紹語句的功能與使用,另一方面為算法語言的編譯系統課程做鋪墊。很多國內教科書試圖從算法語言的角度向初學者闡述這門課程似乎就是程序設計的原理或把這種課程冠名為計算機程序設計,已被證明是不全面的。

計算機加工計算各種數據,但計算機中被處理的數據如何在計算機內存中存儲、管理并被計算機快速檢索得到是“數據結構”課程要解決的主要問題,這個問題解決得好,能大幅度提高計算機解決計算問題的效率。一般計算機專業都是在算法語言與“數據結構”課程之后,通過具體大型編程作業或實際應用課題的訓練使初學者掌握程序設計的基本方法。若此時把缺失的軟件系統與數學模型等內容都加入到“數據結構”課程的教學中,試圖使初學者從理論上直接掌握應用程序設計的基本方法,則會遇到如下困難:(1)無足夠的課時;(2)會改變“數據結構”課程的授課性質;(3)是早期不具有多個大規模實用復雜數學模型的通用教學案例。這導致國內計算機程序設計教學停留在經驗教學模式上長期徘徊不前。

“軟件工程”課程是計算機專業培養初學者從整個軟件的生命周期出發、全面介紹軟件開發過程中要遵循的規則與采用的基本方法,培養大型軟件項目開發過程中的團隊協同能力與組織、管理方法等。但在軟件工程的課堂教學中,由于前期已講授過的計算機課程教學內容缺少好的通用教學案例作為軟件工程的實習對象,故人們多注重軟件工程內容的理論介紹,輕視軟件工程中的案例教學,輕視實際軟件開發訓練與經驗的積累,結果往往導致該課程的教學內容空洞,教學效果欠佳!

計算機專業教育注重學科的發展與專業教學,計算機基礎教育注重計算機應用的教學,兩者應形成互補之勢。計算機應用軟件的4個基本領域分別是數據計算、數據存儲與檢索、數據的聯網通信、計算機控制。但是國內計算機基礎教學只注重數據庫與計算機網絡的教學,沿用計算機專業用算法語言與數據結構課程的教學模式,并以此來代替數據計算與程序設計課程的教學,而非計算機專業的初學者又沒有計算機專業那樣充足的課程設計時間、并通過實際應用軟件編程訓練來掌握程序設計的基本方法,這導致非計算機專業的人員程序設計能力的弱化。

3解決問題的方法

新時期國家工業信息化建設對計算機教育提出的新要求,本質上是加強計算機的應用教學,使各行各業的人員通過選修計算機專業的核心課程,能很快地掌握計算機的編程原理,尤其是把數學建模的結果(它們描述了用戶解決實際應用問題的數學框架)轉換成計算機程序,而不是按照傳統的計算機專業培訓方案,通過大量的課時與實習等編程訓練掌握程序設計的基本原理與方法。這樣將使非計算機專業的人員能有充裕的時間把各自研究領域內的理論研究問題、解決這些問題的理論模型與成果等轉換成計算機能接受的數據模型與算法,并能用計算機仿真的方法繼續深入研究各種理論問題與實際應用領域的系統設計等工作,使計算機的應用在各個行業走向深入,而不是僅僅停留在用計算機進行各種行業的累積數據存儲、管理、查詢與聯網通信等工作層面上,計算機圖形學課程可以較好的承擔這個重任,理由如下。

3.1計算機圖形學是用計算機仿真的方法在計算機中實現三維圖形的顯示

計算機圖形學教育的核心內容是:①通過建立描述自然景觀(虛幻世界)的幾何數據模型(包括其運動、變形與碰撞檢測)、確定幾何模型表面上每點的顏色與亮度的諸多物理數學模型(燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質模型與紋理模型等)、顯示圖形的照相機模型與圖像的融和算法等,或仿真光線在物體之間的相互傳播以確定物體表面上每點的顏色與亮度進而在照相機中產生的顯示效果(即光線跟蹤算法、輻射度算法)或把光線傳遞的效果(即照片)映射至物體表面上所產生的顯示效果(即紋理映射算法),以達到用編程的方法把這些模型的描述數據通過仿真算法轉換成在計算機顯示器中顯示自然景觀圖像的目的。②在計算機圖形學中,光線傳播所涉及的所有物理現象均能成為計算機圖形學的研究對象,它們構成了光線傳播仿真實驗所需要的仿真系統。③人們通過比較計算機生成的三維圖形的顯示效果與實際照片的差異,可不斷提出用新的數學模型與仿真算法等對其已有的計算模型進行漸進改進,使計算機圖形學的數學仿真過程不斷的逼近現實物體模型(包括剛體、軟體、流體、氣體)的構造、運動和變形與反光效果的顯示這一真實的物理變化過程。④即人們很好的用計算機仿真的4個典型過程――系統、建模、仿真算法、評估說明了各種圖形在計算機中的生成過程。這里所謂仿真算法即把數學計算模型中模型描述數據的計算處理步驟與方法等用算法語句逐個描述,并用基本的數據結構方法動態地描述、保存待處理模型數據的代碼集合,此仿真算法即讀者學習計算機圖形學課程后的主

要實習任務與練習。計算機圖形學的上述全新定義與主要過程,很好地說明了該學科本質屬計算機仿真的一種基本形式。

計算機圖形學的教學內容很好的展示了科學計算的基本內涵。這是因為科學計算就是用計算機處理科學研究和工程技術中所遇到的數學計算問題,而計算機仿真是科學研究中常用的一種基本方法,計算機圖形學屬于計算機仿真的一種基本形式并在工程實踐中有大量的應用,計算機圖形學所涉及的各種建模都是各類數學工具與方法的具體應用,對計算機圖形進行基本的運算處理即對數學模型進行各種處理,這種處理屬典型的數學計算問題,由此首次證明了計算機圖形學為科學計算的一種典型的具體應用形式與載體。當然,更全面的科學計算工具,可以通過學習Matlab軟件來獲得。

3.2計算機圖形學課程講授的程序設計基本方法對應用軟件的開發具有重要的指導意義

所謂計算機程序設計即約定對多種類型的數據進行的各種處理方法,并用算法語言的語句正確地描述這種處理過程所形成的代碼集合,這通常被簡稱為“程序設計=數據結構+算法”。這里有幾個問題是該定義所應包含的內容:①該程序設計定義所涉及的數據與處理方法是數學模型的映射,它不是從天上掉下來的。歸根到底,數學模型是應用程序設計的基礎;②程序編碼之前,要理清這多個數學模型之間的相互關系、特別是它們是否能有效的解決用戶待解決的問題;③編程的代碼是固定的,應提交給計算機并被計算機執行;而用戶待處理的問題通常用模型數據來描述,顯然程序自動運行所涉及的數據處理流程也是程序設計必需全面考慮的基本問題,這個數據處理流程一般不被上述各數學模型所包含。即要用編程的方法處理用戶提交待解問題的模型描述數據、在計算機內存中保存并動態管理這些模型的描述數據、編程處理這些模型描述數據并保存運算處理之后的結果數據、最后輸出顯示整個問題的處理結果,這4個基本過程是一個完整自動運行的商業軟件所具有的最基本的結構,它正確地反映了程序設計所涉及的軟件系統與軟件結構的基本概念。該內容的介紹是目前多數算法語言與數據結構課程所欠缺的,缺少大型應用軟件編程訓練的初學者一般缺少這種軟件系統與軟件結構的基本概念,這是導致初學者程序設計概念不全的原因之一。

計算機圖形學的教學是這樣解決應用程序設計的基本方法并使讀者獲得計算機自動生成圖形的完整概念:①在計算機圖形學中,由于二維圖形的簡單性,它非常適用于向初學者介紹軟件系統的概念。二維圖形主要是點、直線、曲線、實面積多邊形與顏色等概念,它主要以數學上的幾何模型表現形式出現在計算機顯示屏中,文獻[2]主要用線段圖型的生成、實面積圖形的生成、圖形的基本運算(包括幾何變換與集合運算)、圖形的觀察運算(相當于三維圖形的照相機模型的功能)、圖形的數據輸入(包括編程輸入數據、交互輸入數據、文件輸入數據)、圖形的數據結構與數據處理流程等6章完整的講解二維圖形軟件系統的概念,該內容很好的說明了“軟件系統是一個能自動運行的綜合執行程序,它能從輸入、存儲、運算處理、輸出等方面全面處理用戶在某個領域中解決特定問題而提出的諸多數學模型并完成其模型描述數據的加工任務,使用戶很容易明確這種軟件的組成、功能、使用范圍與系統流程”。②三維圖形學主要是用計算機仿真的方法實現三維圖形的顯示,而計算機仿真的關鍵在仿真模型的創建上,并理清各模型之間的相互關系。顯然,三維圖形中的幾何模型(即點、線、面、體、場)的運動、變形與碰撞檢測等能很好的表示現實世界中各種物體(物質)運動等物理概念,燈光模型、顏色模型、照明模型、物體表面的材質模型、紋理模型等能很好的描述物體表面各點的反光顏色與亮度等物理過程,或用光線跟蹤算法、輻射度算法來仿真光線的傳播過程以確定物體表面上每點的顏色與亮度,照相機模型能把場景中的物體三維幾何模型描述數據投影變換成二維幾何模型數據、裁剪超出顯示范圍的幾何模型數據,并調用二維圖形的生成算法等生成對應的圖像顯示效果、或把紋理照片映射致物體表面上所形成的顯示效果;當物體的幾何模型、燈光模型、照相機模型運動之后,并在照相機模型中連續顯示對應場景中的圖像,就是人們所期待的計算機動畫效果。③編程實現時,利用二維圖形所建立的軟件系統的概念,把三維圖形模型的數學描述方法轉換成程序代碼,并把模型的描述數據輸入、存儲到計算機約定的動態數據結構等圖形文件中,再編程實現向動畫師提供操作這些模型的運動、變形等控制方法與手段(即計算機動畫中的數據運算處理方法),動畫師等用戶就能從最后的照相機模型中得到所期待的計算機動畫結果,此即國內計算機圖形學的基本教學內容。若用戶實時操作這些模型運動并具有故事情節,還要求實時生成對應的計算機動畫,同時配上聲音、操縱桿(體驗力反饋)等多媒體效果,加上聯網功能,就形成了計算機3D游戲。3D游戲是對人類社會活動實現的一種仿真,該技術的重點在于對場景模型、多媒體數據與聯網功能的實時動態管理與驅動(又稱3D引擎技術)。

由此可見,計算機圖形學的全部教學內容,很好地向讀者貫徹了計算理論中已有的“可計算性的實現前提”的三個條件:①待解問題被系統與模型形式化方法所描述;②這些描述被轉化成一個可執行的綜合算法;③算法要有合理的復雜度。即通過計算機圖形學的授課,能使初學者掌握數據計算類型的應用程序設計基本方法與計算機仿真過程的基本規律,這種教學內容對應用程序的設計具有普遍適用性與重要的指導作用。這一教育思想文獻[2]中已經得到充分有效地展現。

3.3把計算機圖形學作為計算機教育的公共核心課程,能彌補現行計算機教育中存在的多項不足

國內計算機圖形學教育經過20多年的發展,其教學內容主要以“光線在自然界與照相機中的傳播從而產生圖形的顯示效果”為主題進行計算機仿真與程序設計等相關教育,而目前美國人計算機圖形學的授課內容主要還停留在圖形標準的介紹上,他們沒有把計算機圖形學作為計算機學科的核心課程,這是因為他們把整個計算機圖形學的相關學科內容劃分過細,導致他們對計算機圖形學在計算機科學中的作用與地位認識不到位所致。例如僅停留在算法的層面上介紹二維、三維圖形的生成,而不是在數學建模這個各學科通識的層面上介紹計算機圖形學所研究的各種問題與解決這些問題的方法,且人為地把計算機圖形學的研究對象如物體幾何模型的構建與其圖形顯示分解成計算機輔助幾何設計與計算機圖形學這兩門課程,這直接導致圖形學課程教學內容缺少被處理的圖形顯示對象,加之計算機基礎課程與圖形學的教育又沒有軟件系統的概念,這樣安排雖然能滿足圖形標準等商業軟件的發展需求,但卻很難讓初學者全面掌握計算機圖形學學科系統性的概念、思想和方法與學科發展的基本規律。需要說明:①美國人這種圖形學授課內容的不足在于它易給人這種印象:好像計算機繪圖、信息數據的可視化就是計算機圖形學的全部內容。事實上,顯示各種圖形是計算機圖形學的最終目的,這種圖形顯示是程序數據輸出的外在表現;而實現這種目的的基本原理、方法與編程過程等才是計算機圖形學的內在本質,該內在本質是計算機仿真技術與應用程序設計的基本方法;圖形標準是解決計算機圖形學全部研究問題的一個子集,故圖形標準很難承擔向初學者介紹清楚計算機圖形學發展基本規律的重任;②一門講授圖形標準原理課程的教學內容不能反映出美國人在計算機圖形學上所取得的全部成果與教學水平,但這門課程講授的計算機自動生成顯示圖形的概念不完整,卻足以讓初學者對該課程的學習喪失信心。實際上,讀者只有用幾何模型等數據調用圖形標準并編程上機實習,才能獲得計算機生成圖形的概念。③由于美國人在計算機圖形學上取得的絕對領先地位,他們的這種教育思想長期以來主導國際學術界(因為這促使計算機圖形學朝通用實時圖形顯示這一專項計算工具方向快速發展并創造了巨大的商機),并深深地影響了國內外許多高校的計算機圖形學教育工作者。照此傳授該課程之后,人們覺得計算機圖形學授課內容沒有達到讓計算機自動生成圖形這一目的、這門課就講授完畢,這似乎很難理解、并得出計算機圖形學課程難教難學、不成熟的結論,甚至做出在計算機基礎教學中取消對初學者傳授計算機圖形學基本知識的決定,這實為沒有全部掌握計算機圖形學學科體系的精髓。這是目前中外計算機圖形學教育的主要差別。

計算機圖形學是計算機學科應用的一個重要發展方向,學習計算機圖形學課程之后,有利于讀者向科學計算、計算機仿真、計算機輔助設計、信息數據的可視化、動畫與游戲、虛擬現實、數字娛樂、數字設計與數字制造等計算機應用行業方向發展。事實上,根據本文對計算機圖形學的新定義,計算機圖形學就是這些計算機典型應用的專業基礎課程,這些行業都是我國工業信息化產業的典型代表,遺憾的是這些計算機應用行業目前多都沒有被包含在傳統的計算機專業教育目錄中。

顯然,國內算法語言、數據結構、軟件工程等課程的教學內容與方法非常成熟,計算機圖形學課程的教學很好地將這些課程銜接起來,由此構成應用程序設計教育的完整教學體系。

4結束語

綜上所述,是國內計算機教育體系的不健全導致國內計算機專業教學與應用發展的不平衡,這既與我們的計算機發展水平有關、也與我們計算機教育的指導思想對其應用不夠重視有關。經多年的努力,我們在國內外率先健全并理順了計算機圖形學課程知識體系與教學內容,有效地克服了國外以圖形標準作為計算機圖形學授課的主要內容、由此帶來人們對計算機圖形學體系結構如研究對象、研究方法、編程實現、工業應用等問題認識不足而產生的局限性;而向學習計算機知識的讀者普及計算機圖形學的課程教學,可以為解決以往計算機基礎教育不直接解決用戶面臨的實際應用問題這種尷尬、彌補現有計算機仿真與計算機程序設計等教育環節的缺失、使計算機應用程序設計從經驗教學培養模式走向科學理念式教學培養模式、以及為國家工業信息現代化建設等數據計算類型應用問題的解決起一個較好的示范作用。

參考文獻:

計算機圖形學課程范文第5篇

關鍵詞：計算機圖形學 教學改革 教學模式 案例材料

1. 引言

計算機圖形學是研究如何在計算機中生成、顯示和處理圖形的一門學科。計算機圖形學具有較高的實用價值，掌握它需要較深的理論基礎，國內高等院校均設置了相關的本科課程。但是，由于各學校以及學校各專業之間培養目的、學生基礎、師資配備以及課程安排等方面的差異，加之計算機圖形學本身既需要較高的數學基礎且需要很好的實際編程能力，使得學生在學習過程中普遍感到枯燥無味、無法吸收，難以達到應有的教學效果。本文分析了計算機圖形學的課程特點及教學中存在的問題，對計算機圖形學的教學改革進行了一些有益探討。

2. 課程教學中存在的問題

計算機圖形學是一門理論和實踐兼顧、綜合性很強的交叉學科，涉及內容和應用領域都很廣泛。以下筆者根據自身的教學實踐來闡述該課程教學過程中存在的一些問題。

（一）學習的積極性

對于接觸計算機較多的學生而言，對計算機圖形學的應用感受較為深刻，例如賞心悅目的動畫、逼真的游戲場面等。學生初學本課程時，一般均有較高的興趣，但隨著課程學習的持續深入，發現課程理論艱深、晦澀難學，與期望值偏差較大，會逐漸影響學習的積極性。

（二）先修課程

先修課程內容的掌握情況直接影響著學生對計算機圖形學課程的學習，先修課包括高等數學、線性代數、數據結構和程序設計課程。由于開課多安排在大學四年級，因而數學知識對學生學習該課程已經夠用。本門課程實踐性很強，程序設計課程知識對學生理解圖形學算法并進行實驗非常重要，掌握不好會使學生做實驗時處處碰壁。 數據結構則用于描述圖形內部結構，使用得當可由基本形體構建復雜圖形。

（三）授課偏重理論

圖形學課程內容龐雜，理論內涵豐富，數學公式繁多。要給學生講清楚一個算法，需要從算法來源、圖形實現建模到算法推導等方面著手。老師的很多精力放在了課程內容的講授上，學生則被動灌輸了大量知識，然而由于學時有限，學生不能全面動手進行實踐鞏固所學，因此最后對于課程的理解就只限于泛泛的概念了。計算機圖形學是一門實踐性很強的學科，上機實踐是學好這門課的必要手段。但是，由于學時的限制，使原本很重要的實踐活動變成了搭配，上機平臺采用的多是目前已不作為主流平臺的Turbo C，致使學生無法在實驗中學到將來就業時需要掌握的編程知識，大幅降低學生的上機興趣。

3. 教學改革

（一）科學使用教學模式

在計算機圖形學課程教學中， 教學內容的選擇是核心，其次是教學模式的選用。加強可視化多媒體教學，運用PPT、flash制作經典算法的仿真演示。該措施一方面可以使學生形象直觀地理解教學內容，另一方面還可以增加教學的信息量，由此對教學帶來的好處是顯而易見的。電子課件制作應盡可能生動有趣、富有創意，盡可能多的準備與教學內容有關的多媒體素材。通過 flash 動畫演示，把復雜枯燥的數學推導和算法描述成生動有趣的動畫，激發學生的學習興趣，提高學生的感性認識。傳統的“粉筆＋黑板”講課模式也有優勢，教師教授起來有聲有色，可通過肢體語言感染學生，提高教師與學生之間的互動性。對于需要嚴謹邏輯推導證明以及需要學生思考的教學內容，采用傳統教學模式的效果會更好一些。 比如，在講解經典圖形生成算法時，對數學推導過程，可以采用傳統教學模式，這樣便于學生理解，并能給學生留出足夠的思考時間。面向教學的網絡教學平臺的使用，則為師生之間的課下交流提供了便利條件。為此，根據學校的實際教學條件，可采取以多媒體教學模式為主，輔之以傳統教學模式，并注重利用課下網絡教學平臺模式。

（二）案例材料設計

為了培養學生的實踐能力，有必要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。該案例教材可以設計一個游戲場景為目標，貫穿整門課程從基本經典圖形生成算法到高級光照渲染等內容，使得學生一步步通過編程實踐，從易到難，有針對性的掌握教學內容。

（三）調整授課內容和方法

由于課程學時短，內容多，算法推導繁瑣，因此可在教學過程中對于基本經典內容重點講授，而相似性內容泛講。如針對直線 Bresenham 光柵掃描算法的教授，可選擇從算法的來源、數學建模、原理算法推導及實現等過程詳細講，而針對圓和橢圓等其它相似圖形，則只講清原理和關鍵技術點，讓學生自己推導。這樣的教學方式，不僅有助于學生掌握知識，有效的縮短學時，而且有助于培養學生獨立學習的能力。圖形學高級主題部分如真實感圖形學等均有一定的深度和廣度，每一個相關部分都可看做一個獨立的研究分支，如果全部面面俱到，重點教授，不但學時不允許，學生接受難度大，也超出了一般教學大綱范圍。對這部分內容，可選擇少量內容深入講，而對其它內容采用專題講座的形式。比如對于經典的 Phong 光照模型，由于不是很復雜，只要講授方法得當，學生不難理解。因此，可給學生講清其原理、推導及應用局限性，并把它作為學生實驗的一部分。考慮到部分學生對實驗過程所依賴的內容如點積實現可能會有難度，因此應事先為學生準備好這些實驗條件。 對于其它的高級主題，可采用講座形式，并給出最新搜集的演示圖片或視頻，幫助學生擴大知識面，以備將來應用之需。針對高級主題，采用這樣的教學方法，可以做到有點有面，適當地加大深度，確保教學任務的高效完成。學生不僅學到了必要的知識和方法，開闊了視野，體會到基本原理的應用過程和樂趣。

4. 結語

經過這些年的教學實踐和探索，從教學反饋結果看，本文所提出的方法和措施學生普遍能夠接受，明顯地提高了學生學習的積極性，使得他們發自內心地意識到抽象理論學習的重要性。同時，在學習過程中學生們也主動加強鍛煉自己的實踐能力，大幅度的提高了綜合能力水平。但是，應該看到，計算機圖形學學科發展日新月異，如何科學合理地將最新的研究成果納入到教學內容中，還需要在今后的教學和科研工作中不斷的實踐和探索。

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