以能力为导向的计算机图形学教学模式

以能力为导向的计算机图形学教学模式摘要：传统的教学模式偏重知识传授，强调学生对知识的掌握程度，这在一定程度上使学生具备扎实的专业基础知识，但不利于培养学生的自主学习能力。

本文结合笔者多年对计算机图形学教学和课程改革的研究，提出以能力为导向的教学模式，以培养学生的实践动手能力、综合应用能力和创新能力为目标，通过教学内容的优化，教学过程的合理设计以及实验教学的改革，使学生的思维和动手能力明显增强，教学效果显著提高。

关键词：计算机图形学；教学模式；能力导向；教学改革1研究背景计算机图形学是计算机科学领域中一个重要而又年轻的学科，它是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的。

该学科主要研究利用计算机显示、生成和处理图形的基本原理、方法和技术，涉及数学、物理、计算机、心理学等多个学科的交叉融合，相关问题的讨论往往涉及比较复杂的算法和比较抽象的理论[1]。

因此，该课程具有较强的综合性、理论性和实践性。

笔者将“以能力为导向”的教学理念融入计算机图形学教学实践过程中，研究如何恰当地组织教学内容，有效调整教学模式，高效运用教学手段，合理分配实验环节，使学生从“要我学”的被动接受知识型学习模式转变到“我要学”的主动学习型模式。

在基本理论和基本技能培养的基础上，更进一步加强实践动手能力和创新能力的培养，达到知识传授和能力培养的有效结合。

实践证明，通过一系列改革，我校在提高教学质量，培养学生能力方面都取得了较好成果。

2教学现状由于计算机图形学具有广泛的应用领域，且该课程名称本身具有吸引力，很多学生在刚刚接触这门课时有极大的兴趣，特别是影视动画和游戏爱好者，都抱着极大的期望，幻想能通过该课程的学习制作精美动画，开发精彩的游戏。

然而，在后续的学习过程中，学生的积极性和主动性逐渐消失，学习的信心所剩无几，最终导致整个学习过程变为被动接受。

究其原因，主要有以下几点。

1) 学科本身难度较大。

计算机图形学是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科，涉及多个学科的相关知识，学科交叉繁杂，且新的应用领域又不断拓展，使该学科内容丰富、算法众多、理论性和实践性较强。

而当前的教科书大多以基础原理和理论讲解为主，详细展示了多种算法的推导、优化和发展过程，对这些内容的理解需要学生有很好的工科基础，特别是数学基础，也需要教师在讲课过程中有清晰的思路和清楚的表达。

即便是这样，也往往造成课堂教学枯燥无味，而学生也经常被这些算法所困扰，产生畏惧心理。

2) 教学观念落后。

传统的教学观念强调知识传授，看重学生对知识点的掌握、重难点的理解。

因此，教师备课时往往根据知识点来安排课堂内容，对大纲中要求的章节重要知识点作较详细的讲解。

这样很容易形成满堂灌的课堂局面，学生也自然而然地习惯了老师讲到哪儿就听到哪儿，听到哪儿就学到哪儿，学习主动性和积极性基本丧失。

如果学生课下不看书复习，即使每节课的知识点掌握了，也很难完整理解整个知识结构，很难融会贯通所学知识，对知识的理解只能停留在“只见树木，不见森林”的层面。

教学观念的落后也会导致较落后的实验教学，大部分实验停留在算法验证性实验上，不能激发学生的兴趣和主动思考问题、解决问题的科学探索激情。

3) 考核方式单一。

“以知识为导向”的传统教学观念也导致了考核方式具有单一性，主要以理论考试为主，试题形式主要是填空、选择、判断、名词解释、简答、计算等，试题内容要求尽可能多地涵盖大纲中的知识点。

这常常导致学生把大量的精力和时间放在对基本概念和基础知识的理解和记忆上，考试成绩高的学生，有可能动手能力差。

因此，这种考核方式无法真正考核学生对知识的掌握及应用能力，也不利于学生创新意识的培养。

有些教师也将实验成绩按比例添加到总成绩中，但对实验过程没有好的管理方法，也很难对学生进行客观评价。

4) 现状分析。

通过以上分析，我们可以得知，计算机图形学若仍采用传统的课堂上讲授理论，课下让学生做实验的教学方式，很难达到预期的教学效果，不利于学生各方面能力的培养，有悖于新时期的人才培养目标。

因此，探讨新的教学思路和教学方法，就成了广大教师需要研究的重点内容。

3教学观念改革在信息技术飞速发展的今天，培养单纯技能型人才已不适应社会需求，市场经济的发展需要大批具有一定创造性的专业人才。

因此，教师要在教学过程中转变思想认识，更新教学观念，改变传统教学方式，注重学生合理的智能结构培养，使学生在学习知识的同时提高运用知识、更新知识、扩展知识的能力[2]。

1) 教学重点从传授知识转向能力培养。

就计算机图形学课程而言，学生能力的培养主要体现在逻辑思维能力、实际动手能力和应用创新能力等方面。

逻辑思维能力主要体现在形数转换的能力方面，即对具体对象的几何信息进行分析、抽象和归类，建立对象的数学模型，最后再转化成一定的数据结构形式。

实际动手能力是指编程能力和实际操作能力，能熟练编写程序，处理复杂的图形问题和结构问题，能够进行简单系统的设计开发。

应用创新能力指创造性能力，是在掌握理论的基础上有所创新，体现为在解决实际问题上有独到见解[3]。

此外，教师还可应用灵活的教学手段培养学生的工程应用能力、团队协作能力、信息检索和组织能力、表达能力、专业外语应用能力等。

2) 课堂教学模式由传授方式转向引导方式。

在课堂教学过程中，为了给学生提供积极思维和主动思维的时间、空间和条件，教师要在“导”字上下功夫，使课堂的教学过程演变成学习知识、启发思维的引导过程，形成探究性学习风气，使学生逐渐接受和喜欢“积累知识—积极思考—主动创新”的新型学习模式[3]。

4教学内容和方法改革基于能力培养的教学观念，在教学过程中，我们设计了一个小型“虚拟鱼建模”项目实例，该项目的设计与实现可以分解成多个步骤，而每一个步骤都对应相应的教学内容。

因此，可将该项目作为一根主线贯穿在所有的教学内容中。

4.1理论教学1) 内容组织。

我们以“虚拟鱼”为主线，使其贯穿于整个教学内容。

要让计算机“逼真”地模拟虚拟鱼的水底世界，模拟过程可用图形流水线给出，如图1所示[4]。

教师依次讲解流水线上的每一步涉及的相关理论知识，并将相关技术处理的动态效果实时展示出来，让学生清楚地了解每堂课所讲的理论知识在整个课程中的作用、地位，以及以该理论为基础的程序或软件所能完成的功能、任务。

这样，在整个学习过程中，学生有较高的学习兴趣和热情，同时会有清晰的学习思路和学习目标，不会感到混乱无序。

因此，采用实例教学和图形流水线顺序组织课程内容，符合学生理解问题的逻辑顺序，有利于学生理解课程的知识结构，便于他们掌握各知识点间的关系，可以解决“只见树木，不见森林”的问题，使学生始终保持思路清晰，提高学习效果。

在讲解每个理论知识点时，教师也可结合它们在图形编程(如OpenGL)和图形制作软件(如3D max等) 中的应用来讲解。

如讲授光照处理时，教师可以先给学生演示3D max 里面制作光源的过程，重点让学生观察不同参数选择产生的不同光照效果。

同时教师可以提出疑问，如“各个参数起到什么作用”、“表示什么含义”等，让学生思考。

然后，教师演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同样的问题。

带着这些问题，教师引导学生回到光照模型的理论学习阶段，学生的学习目标就更加明确了，学习效率和兴趣也自然提高了，也就解决了学生诸如“学这个有什么用”、“为什么要那样计算”、“参数到底表示什么”等疑问。

因此，在理论课堂上加入实际应用环节，让学生看到理论和实际的融合点，会起到事半功倍的作用，也让学生感到学有所用。

笔者常常在CG的第一课时就给学生布置自学3D max的要求，因为应用软件的学习能促进他们更深入地理解理论知识。

而后续的大部分课堂几乎包括了应用部分和理论部分的讲解，如图2所示。

虽然应用部分的讲解只占10～15分钟左右的课堂时间，但起到了非常大的作用。

2) 教学过程设计。

教学内容的学习分为5个环节，如图3所示。

上完绪论课后，教师便给学生演示虚拟鱼系统，使学生对用程序编写出来的栩栩如生、悠然自得、游来游去的小鱼产生极大的兴趣。

教师接下来对该系统进行简要介绍，分解步骤，从而打开学生学习CG的大门，而每一个步骤的引入将引导学生充分学习相关的理论知识。

因此，在每一次理论课前，教师都要布置相关步骤的学习任务，如小鱼的曲面构造、纹理映射等；学生通过自学、查阅资料，对问题进行分析探讨；上课时，教师先让学生自由发言，说出自己的想法和思考，再由教师讲解相关内容；随后，学生将自学和听课中发现的问题与教师进行进一步交流探讨；最后，教师提出下一步骤的任务。

如此循环，不仅能使学生对每堂课所学的知识有深入的理解和认识，明白该节课内容在整个课程中的地位，还能使学生学习的知识具有系统性、连贯性和完整性。

通过具体应用实例的剖析和教师的“导”，学生对每一部分内容的学习都经过了一番努力思考，这样的知识一定会记忆深刻。

因此，这种教师“导”，学生“学”的教学过程，既丰富了学生的思维过程，又给予他们主动学习、理论结合实际的基点，便于激发学生学习和思考的积极性和主动性，自然也能培养学生主动学习、独立思考问题和解决问题等各方面的能力。

4.2实验教学作为实践教学的最重要组成部分，实验教学在培养实践能力和创新精神人才中有着十分重要的作用。

传统的实验教学内容大多为算法的验证性实验或图形库的应用实验，这些实验在一定程度上锻炼了学生的编程能力和基础应用能力，但对学生综合应用理论知识能力、创新性思维能力和解决实际问题能力的培养非常欠缺。

本教学改革以培养学生解决实际问题能力和创新能力为主导思想，结合我校的学科专业特色和需求，综合多门课程知识，大力开展综合性设计性实验，培养学生的动手实践能力、创新意识，提高学生的综合素质。

1) 实验内容安排。

我们将实验分为基础性、综合性、设计性和创新性四个层次，分别培养学生的基本技能、综合设计和创新等各方面的能力，如图4所示。

其中，基础验证性实验由学生在开放实验室自行完成，教师负责检查；综合、设计性实验由教师提供多组选题，学生自由选择，按项目管理方式对学生进行分组管理，要求学生团结协作，合理分工，共同完成各个模块，实现实验所要求的预期功能；创新性实验为学有余力的学生提供一个创新平台，将结合我校特色专业和多门学科知识点进行综合性、创新性实验，如虚拟植物建模、虚拟动物仿真等。

2) 实验考核方式。

为加强对实验的过程管理，我们采用实际工程运作中的项目经理负责制度。

在综合实验过程中，我们将学生分成项目小组，小组成员扮演不同的角色，在项目经理的组织下共同完成项目的设计与实现。

在项目设计和实施、验收过程中，由项目组选派或教师随机抽选一名学生进行汇报答辩，其成绩作为小组成绩。

在学生的最终成绩评定时，以项目小组为单位，学生的成绩由个人、整个团队成员、项目经理和教师多方面决定，得分内容由实验设计、实验过程、实验成果、实验报告等几部分的得分组成。