摘要：傳統(tǒng)的教學(xué)模式偏重知識(shí)傳授，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，這在一定程度上使學(xué)生具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，但不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。本文結(jié)合筆者多年對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)和課程改革的研究，提出以能力為導(dǎo)向的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，教學(xué)過程的合理設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，使學(xué)生的思維和動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)，教學(xué)效果顯著提高。
　　關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)模式；能力導(dǎo)向；教學(xué)改革
　　
　　1研究背景
　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要而又年輕的學(xué)科，它是隨著計(jì)算機(jī)硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生發(fā)展起來的。該學(xué)科主要研究利用計(jì)算機(jī)顯示、生成和處理圖形的基本原理、方法和技術(shù)，涉及數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、心理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，相關(guān)問題的討論往往涉及比較復(fù)雜的算法和比較抽象的理論[1]。因此，該課程具有較強(qiáng)的綜合性、理論性和實(shí)踐性。
　　筆者將“以能力為導(dǎo)向”的教學(xué)理念融入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實(shí)踐過程中，研究如何恰當(dāng)?shù)亟M織教學(xué)內(nèi)容，有效調(diào)整教學(xué)模式，高效運(yùn)用教學(xué)手段，合理分配實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生從“要我學(xué)”的被動(dòng)接受知識(shí)型學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變到“我要學(xué)”的主動(dòng)學(xué)習(xí)型模式。在基本理論和基本技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，達(dá)到知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的有效結(jié)合。實(shí)踐證明，通過一系列改革，我校在提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生能力方面都取得了較好成果。
　　2教學(xué)現(xiàn)狀
　　由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，且該課程名稱本身具有吸引力，很多學(xué)生在剛剛接觸這門課時(shí)有極大的興趣，特別是影視動(dòng)畫和游戲愛好者，都抱著極大的期望，幻想能通過該課程的學(xué)習(xí)制作精美動(dòng)畫，開發(fā)精彩的游戲。然而，在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性逐漸消失，學(xué)習(xí)的信心所剩無幾，最終導(dǎo)致整個(gè)學(xué)習(xí)過程變?yōu)楸粍?dòng)接受。究其原因，主要有以下幾點(diǎn)。
　　1) 學(xué)科本身難度較大。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門新興學(xué)科，涉及多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，學(xué)科交叉繁雜，且新的應(yīng)用領(lǐng)域又不斷拓展，使該學(xué)科內(nèi)容豐富、算法眾多、理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)。而當(dāng)前的教科書大多以基礎(chǔ)原理和理論講解為主，詳細(xì)展示了多種算法的推導(dǎo)、優(yōu)化和發(fā)展過程，對(duì)這些內(nèi)容的理解需要學(xué)生有很好的工科基礎(chǔ)，特別是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也需要教師在講課過程中有清晰的思路和清楚的表達(dá)。即便是這樣，也往往造成課堂教學(xué)枯燥無味，而學(xué)生也經(jīng)常被這些算法所困擾，產(chǎn)生畏懼心理。
　　2) 教學(xué)觀念落后。傳統(tǒng)的教學(xué)觀念強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授，看重學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握、重難點(diǎn)的理解。因此，教師備課時(shí)往往根據(jù)知識(shí)點(diǎn)來安排課堂內(nèi)容，對(duì)大綱中要求的章節(jié)重要知識(shí)點(diǎn)作較詳細(xì)的講解。這樣很容易形成滿堂灌的課堂局面，學(xué)生也自然而然地習(xí)慣了老師講到哪兒就聽到哪兒，聽到哪兒就學(xué)到哪兒，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性基本喪失。如果學(xué)生課下不看書復(fù)習(xí)，即使每節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)掌握了，也很難完整理解整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，很難融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，對(duì)知識(shí)的理
　　解只能停留在“只見樹木，不見森林”的層面。教學(xué)觀念的落后也會(huì)導(dǎo)致較落后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大部分實(shí)驗(yàn)停留在算法驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上，不能激發(fā)學(xué)生的興趣和主動(dòng)思考問題、解決問題的科學(xué)探索激情。
　　3) 考核方式單一?！耙灾R(shí)為導(dǎo)向”的傳統(tǒng)教學(xué)觀念也導(dǎo)致了考核方式具有單一性，主要以理論考試為主，試題形式主要是填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡(jiǎn)答、計(jì)算等，試題內(nèi)容要求盡可能多地涵蓋大綱中的知識(shí)點(diǎn)。這常常導(dǎo)致學(xué)生把大量的精力和時(shí)間放在對(duì)基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)的理解和記憶上，考試成績(jī)高的學(xué)生，有可能動(dòng)手能力差。因此，這種考核方式無法真正考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握及應(yīng)用能力，也不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。有些教師也將實(shí)驗(yàn)成績(jī)按比例添加到總成績(jī)中，但對(duì)實(shí)驗(yàn)過程沒有好的管理方法，也很難對(duì)學(xué)生進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。
　　4) 現(xiàn)狀分析。通過以上分析，我們可以得知，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)若仍采用傳統(tǒng)的課堂上講授理論，課下讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，不利于學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)，有悖于新時(shí)期的人才培養(yǎng)目標(biāo)。因此，探討新的教學(xué)思路和教學(xué)方法，就成了廣大教師需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
　　3教學(xué)觀念改革
　　在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，培養(yǎng)單純技能型人才已不適應(yīng)社會(huì)需求，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要大批具有一定創(chuàng)造性的專業(yè)人才。因此，教師要在教學(xué)過程中轉(zhuǎn)變思想認(rèn)識(shí)，更新教學(xué)觀念，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，注重學(xué)生合理的智能結(jié)構(gòu)培養(yǎng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高運(yùn)用知識(shí)、更新知識(shí)、擴(kuò)展知識(shí)的能力[2]。
　　1) 教學(xué)重點(diǎn)從傳授知識(shí)轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)。就計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程而言，學(xué)生能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在邏輯思維能力、實(shí)際動(dòng)手能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力等方面。邏輯思維能力主要體現(xiàn)在形數(shù)轉(zhuǎn)換的能力方面，即對(duì)具體對(duì)象的幾何信息進(jìn)行分析、抽象和歸類，建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，最后再轉(zhuǎn)化成一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。實(shí)際動(dòng)手能力是指編程能力和實(shí)際操作能力，能熟練編寫程序，處理復(fù)雜的圖形問題和結(jié)構(gòu)問題，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。應(yīng)用創(chuàng)新能力指創(chuàng)造性能力，是在掌握理論的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，體現(xiàn)為在解決實(shí)際問題上有獨(dú)到見解[3]。此外，教師還可應(yīng)用靈活的教學(xué)手段培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、信息檢索和組織能力、表達(dá)能力、專業(yè)外語應(yīng)用能力等。
　　2) 課堂教學(xué)模式由傳授方式轉(zhuǎn)向引導(dǎo)方式。在課堂教學(xué)過程中，為了給學(xué)生提供積極思維和主動(dòng)思維的時(shí)間、空間和條件，教師要在“導(dǎo)”字上下功夫，使課堂的教學(xué)過程演變成學(xué)習(xí)知識(shí)、啟發(fā)思維的引導(dǎo)過程，形成探究性學(xué)習(xí)風(fēng)氣，使學(xué)生逐漸接受和喜歡“積累知識(shí)—積極思考—主動(dòng)創(chuàng)新”的新型學(xué)習(xí)模式[3]。
　　4教學(xué)內(nèi)容和方法改革
　　基于能力培養(yǎng)的教學(xué)觀念，在教學(xué)過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)小型“虛擬魚建?！表?xiàng)目實(shí)例，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可以分解成多個(gè)步驟，而每一個(gè)步驟都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。因此，可將該項(xiàng)目作為一根主線貫穿在所有的教學(xué)內(nèi)容中。
　　4.1理論教學(xué)
　　1) 內(nèi)容組織。
　　我們以“虛擬魚”為主線，使其貫穿于整個(gè)教學(xué)內(nèi)容。要讓計(jì)算機(jī)“逼真”地模擬虛擬魚的水底世界，模擬過程可用圖形流水線給出，如圖1所示[4]。教師依次講解流水線上的每一步涉及的相關(guān)理論知識(shí)，并將相關(guān)技術(shù)處理的動(dòng)態(tài)效果實(shí)時(shí)展示出來，讓學(xué)生清楚地了解每堂課所講的理論知識(shí)在整個(gè)課程中的作用、地位，以及以該理論為基礎(chǔ)的程序或軟件所能完成的功能、任務(wù)。這樣，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生有較高的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時(shí)會(huì)有清晰的學(xué)習(xí)思路和學(xué)習(xí)目標(biāo)，不會(huì)感到混亂無序。
　　因此，采用實(shí)例教學(xué)和圖形流水線順序組織課程內(nèi)容，符合學(xué)生理解問題的邏輯順序，有利于學(xué)生理解課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，便于他們掌握各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系，可以解決“只見樹木，不見森林”的問題，使學(xué)生始終保持思路清晰，提高學(xué)習(xí)效果。
　　在講解每個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師也可結(jié)合它們?cè)趫D形編程(如OpenGL)和圖形制作軟件(如3D max等) 中的應(yīng)用來講解。如講授光照處理時(shí)，教師可以先給學(xué)生演示3D max 里面制作光源的過程，重點(diǎn)讓學(xué)生觀察不同參數(shù)選擇產(chǎn)生的不同光照效果。同時(shí)教師可以提出疑問，如“各個(gè)參數(shù)起到什么作用”、“表示什么含義”等，讓學(xué)生思考。然后，教師演示OpenGL中的光照程序和效果，再提出同樣的問題。帶著這些問題，教師引導(dǎo)學(xué)生回到光照模型的理論學(xué)習(xí)階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)就更加明確了，學(xué)習(xí)效率和興趣也自然提高了，也就解決了學(xué)生諸如“學(xué)這個(gè)有什么用”、 “為什么要那樣計(jì)算”、“參數(shù)到底表示什么”等疑問。因此，在理論課堂上加入實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，讓學(xué)生看到理論和實(shí)際的融合點(diǎn)，會(huì)起到事半功倍的作用，也讓學(xué)生感到學(xué)有所用。筆者常常在CG的第一課時(shí)就給學(xué)生布置自學(xué)3D max的要求，因?yàn)閼?yīng)用軟件的學(xué)習(xí)能促進(jìn)他們更深入地理解理論知識(shí)。而后續(xù)的大部分課堂幾乎包括了應(yīng)用部分和理論部分的講解，如圖2所示。雖然應(yīng)用部分的講解只占10～15分鐘左右的課堂時(shí)間，但起到了非常大的作用。
　　
　　2) 教學(xué)過程設(shè)計(jì)。
　　教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)分為5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖3所示。上完緒論課后，教師便給學(xué)生演示虛擬魚系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)用程序編寫出來的栩栩如生、悠然自得、游來游去的小魚產(chǎn)生極大的興趣。教師接下來對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分解步驟，從而打開學(xué)生學(xué)習(xí)CG的大門，而每一個(gè)步驟的引入將引導(dǎo)學(xué)生充分學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)。因此，在每一次理論課前，教師都要布置相關(guān)步驟的學(xué)習(xí)任務(wù)，如小魚的曲面構(gòu)造、紋理映射等；學(xué)生通過自學(xué)、查閱資料，對(duì)問題進(jìn)行分析探討；上課時(shí)，教師先讓學(xué)生自由發(fā)言，說出自己的想法和思考，再由教師講解相關(guān)內(nèi)容；隨后，學(xué)生將自學(xué)和聽課中發(fā)現(xiàn)的問題與教師進(jìn)行進(jìn)一步交流探討；最后，教師提出下一步驟的任務(wù)。如此循環(huán)，不僅能使學(xué)生對(duì)每堂課所學(xué)的知識(shí)有深入的理解和認(rèn)識(shí)，明白該節(jié)課內(nèi)容在整個(gè)課程中的地位，還能使學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)具有系統(tǒng)性、連貫性和完整性。通過具體應(yīng)用實(shí)例的剖析和教師的“導(dǎo)”，學(xué)生對(duì)每一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)都經(jīng)過了一番努力思考，這樣的知識(shí)一定會(huì)記憶深刻。因此，這種教師“導(dǎo)”，學(xué)生“學(xué)”的教學(xué)過程，既豐富了學(xué)生的思維過程，又給予他們主動(dòng)學(xué)習(xí)、理論結(jié)合實(shí)際的基點(diǎn)，便于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性和主動(dòng)性，自然也能培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考問題和解決問題等各方面的能力。
　　4.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)
　　作為實(shí)踐教學(xué)的最重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神人才中有著十分重要的作用。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多為算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或圖形庫(kù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)在一定程度上鍛煉了學(xué)生的編程能力和基礎(chǔ)應(yīng)用能力，但對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)能力、創(chuàng)新性思維能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)非常欠缺。本教學(xué)改革以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)新能力為主導(dǎo)思想，結(jié)合我校的學(xué)科專業(yè)特色和需求，綜合多門課程知識(shí)，大力開展綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。
　　1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排。我們將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性四個(gè)層次，分別培養(yǎng)學(xué)生的基本技能、綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新等各方面的能力，如圖4所示。其中，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生在開放實(shí)驗(yàn)室自行完成，教師負(fù)責(zé)檢查；綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)由教師提供多組選題，學(xué)生自由選擇，按項(xiàng)目管理方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組管理，要求學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作，合理分工，共同完成各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所要求的預(yù)期功能；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為學(xué)有余力的學(xué)生提供一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)，將結(jié)合我校特色專業(yè)和多門學(xué)科知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，如虛擬植物建模、虛擬動(dòng)物仿真等。
　　2) 實(shí)驗(yàn)考核方式。為加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程管理，我們采用實(shí)際工程運(yùn)作中的項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)制度。在綜合實(shí)驗(yàn)過程中，我們將學(xué)生分成項(xiàng)目小組，小組成員扮演不同的角色，在項(xiàng)目經(jīng)理的組織下共同完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施、驗(yàn)收過程中，由項(xiàng)目組選派或教師隨機(jī)抽選一名學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)答辯，其成績(jī)作為小組成績(jī)。在學(xué)生的最終成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，以項(xiàng)目小組為單位，學(xué)生的成績(jī)由個(gè)人、整個(gè)團(tuán)隊(duì)成員、項(xiàng)目經(jīng)理和教師多方面決定，得分內(nèi)容由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)成果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾部分的得分組成。這種管理方式在訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的同時(shí)，也加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和組織協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)。
　　5結(jié)語
　　計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的不斷發(fā)展，要求計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的內(nèi)容要不斷更新，教學(xué)手段、教學(xué)模式也要不斷改進(jìn)。“以能力為導(dǎo)向”的教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，能培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，將“注入式教學(xué)”變?yōu)椤皢l(fā)式教學(xué)”，為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的科技人才奠定了基礎(chǔ)。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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