計算機圖形學教學改革相關論文

　　計算機圖形學是計算機及相關專業本科生的一門重要專業選修課，兼顧理論和實踐，具有很強的綜合性和交叉性。下面是小編給大家推薦的aaa，希望大家喜歡!

　　aaa篇一

　　《基於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於電腦科學家，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·梅隆大學和微軟宣佈建立微軟一卡內基·梅隆計算思維中心。2008年，美國國家科學基金會啟動了“計算使能的科學發現與技術創新”研究計劃。該計劃旨在通過計算思維領域的創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係;針對計算機專業的基礎課程，國內教育工作者就如何在離散數學、程式設計、演算法設計與分析等課程教學過程中培養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慧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本科生的一門重要專業選修課，兼顧理論和實踐，具有很強的綜合性和交叉性。然而，該課程由於學科內容多、理論難度大、實踐性強，且作為專業選修課學時有限，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，我們將培養學生的計算思維能力融入該課程，並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。計算思維涉及運用電腦科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。下面，我們從這三方面來探討計算機圖形學所體現的計算思維。

　　1求解問題。

　　計算機圖形學中的各種經典演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。講解這些實際問題的解決思路，可以培養學生利用電腦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。

　　計算機圖形系統包含了硬體系統和軟體系統的設計。

　　圖形硬體系統用來生成、處理和顯示圖形，通常由中央處理器和圖形輸入/輸出裝置構成。在圖形硬體系統的設計中，考慮到圖形系統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，所以系統增加了固化的圖形處理晶片，即顯示卡。圖形輸入/輸出裝置也是基於人類的使用習慣和對顏色的感知習慣所設計。

　　圖形軟體系統分為圖形生成、圖形處理、圖形顯示及人機互動幾個部分。如何通過程式碼將不同內容整合起來，構造出複雜的人機互動圖形系統，需要通過逐步分解、細化的方式，將規模較大、比較籠統的問題，轉換成比較詳細的描述，並有機地串聯起來用程式碼實現。

　　通過設計開發軟硬體系統，培養學生利用電腦科學的基本概念進行系統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，展現畫家繪畫的思維方式，並讓人們明白思維是可實現的。畫家繪畫的基本步驟和計算機圖形學的基礎技術對應關係如表1所示。

　　以畫家繪製建築風景畫為例，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、視見體的規範化、三維規範體裁剪等技術相對應;選好場景和視角後，畫家會在腦海中對各個建築物的位置和角度進行微調，以展現最美觀的畫面，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;完成構思後，畫家會先用細筆勾勒出各個建築物的輪廓，這和圖形學用網格建模技術相對應;然後進行上色，即圖形學中的顏色模型和光照模型相關技術;最後，畫家繪製霧氣效果、建築物表面細節等，這與圖形學研究的真實感圖形繪製技術相對應。

　　計算機圖形學可培養學生運用電腦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於對人類社會繪畫的理解、模擬或擴充套件。反過來，計算機圖形學也可以指導人類社會的繪畫並使之更有章法。

　　3.面向計算思維的教學內容探索

　　在培養學生計算思維能力這個新目標的指引下，我們對傳統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，在理解基本原理和基本概念的同時，也重視應用，培養學生動手解決實際問題的能力。首先，我們根據學生的實際學習需求，精選部分核心教學內容，壓縮或遮蔽部分理論知識，使學生更專注於必要知識的學習，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，我們調整後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繪圖程式包的介紹和使用說明，並以實驗的方式要求學生掌握基於OpenGL的簡單圖形設計方法;在後面章節的課程中也融入OpenGL的使用和功能介紹，將圖形學理論與OpenGL繪圖程式包相結合。這樣，有利於學生在學習問題求解的方法即演算法的同時，掌握問題求解的手段即OpenGL，將抽象的演算法和形象的工具實現技術融會貫通。

　　2將第2章的基本圖形生成演算法設為學生自學部分。內容涵蓋了基本的光柵圖形生成演算法，詳細說明了計算機在顯示器上繪製直線和圓弧的演算法、多邊形的填充與其他相關的圖形基本元素的生成演算法。這部分難度適中，很適合學生課後學習，教材提供部分原始碼，學生通過自學將程式碼補齊，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互動。我們先展示實驗作品，然後通過分析作品的實現過程，引申出相關各個章節的理論部分，並一一擴充套件開來。最後，學生通過自行設計場景、分析實驗架構、動手程式設計等過程來親身體驗。

　　4增加討論課和第9章的技術前沿講座，激發學生的探索精神，培養他們批判性和創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，我們改進了傳統的按知識點分拆講解為主的教學方式，採用了“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、檢視模型變換等知識點之前，我們先“形象”地展現一個三維場景，並對此展開分析，將三維場景繪製相關的知識點“抽象”出來，並逐章展開講解，並讓學生參與討論;最後，通過實驗的方式讓學生自行設計並程式設計實現一個“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，並通過佈置實驗，很好地調動了學生思考和探究的積極性，從而達到培養學生計算思維能力的目標。

　　4.2採用注重培養計算思維能力的實驗內容

　　本課程設定18學時的課內實驗，包括4個實驗專案，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，採用實驗考核和專案考核相結合的方式。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。專案考核基於第3個實驗，要求學生分組每組不超過2人完成一個比較複雜的三維模型或場景的建模專案，利用OpenGL、C++和FLTK，設計並製作三維真實感場景，要求提交設計製作文件、原始碼、可執行檔案、PPT簡報等材料。

　　5.改革效果

　　通過課程的學習，多數學生均能掌握現代計算機圖形學的基本原理和互動式圖形系統的實現技術，具備了使用計算機圖形軟體、分析和設計圖形系統的基本能力，瞭解了計算機圖形學的研究方向和發展前景。

　　通過與學生座談，我們發現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，並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並非一朝一夕之功，也不是通過一兩門課程的教學就能完成的。今後，我們將以計算思維的視角看待所教授的各門專業課程，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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