層次化任務驅(qū)動教學法在“計算機圖形學”實踐教學中的應用

廖 寧

(中南林業(yè)科技大學涉外學院，湖南長沙410004)

隨著信息技術的進步與發(fā)展，圖形界面系統(tǒng)的廣泛應用，計算機圖形學已經(jīng)成為現(xiàn)代科技人員必須掌握的工具課程。通過該課程的學習，使學生系統(tǒng)地掌握計算機圖形生成與處理技術的基礎知識、基本原理和方法，具備與圖形有關軟件的基本研發(fā)能力。

一 課程教學內(nèi)容現(xiàn)狀分析

計算機圖形學綜合了數(shù)學、物理、計算機科學等學科的知識。目前的教材章節(jié)安排都是從圖形繪制的硬件設備介紹、基本圖形的生產(chǎn)算法逐步過渡到真實感圖形學繪制算法，這是一種從自下而上描述方法，對學生來說，知識面廣，內(nèi)容跨度大，知識結構不夠清晰，學生很難建立計算機圖形學這門課程的知識結構。此外，大部分理論教材對算法的描述并沒有相應的程序代碼，對于筆者從教的獨立學院的學生而言，他們的基礎知識本就比較薄弱，無法直接從書本找到實踐方法，學習起來就有畏難情緒，學完后就將其束之高閣，無法達到學以致用的教學目的。加之學科的發(fā)展日新月異，應用領域不斷拓展，因而對學生的要求較高［1］。

在計算機圖形教學研究中，總的來說有兩種模式，一種是傳統(tǒng)的先理論后實踐教學模式，這種方法雖然學生比較容易接受，但是在理論學習時對算法和概念等抽象知識缺乏感性認識，因而只能“死記硬背”，學習過程“似懂非懂”，學習效果“差強人意”;進入實踐應用學習階段時，對學過的算法及原理遺忘甚多，沒有了理論指導，實踐就無從下手。理論教學和實踐教學的銜接不當，使得學生的專業(yè)興趣得不到充分激發(fā)，學習積極性難以調(diào)動，嚴重影響教學質(zhì)量，難以達到預期效果。因此有些教師主張從實用角度來講授計算機圖形學技術［2-3］，這種模式相對而言理論基礎涉及較少，在一定程度上能夠降低學習難度，提高學生學習興趣，然而對于計算機圖形學這門學科而言，此法浮于表面，學生難以深入了解學科內(nèi)涵。

另外，為了吸引學生的注意力，一些教育工作者認為，應在課堂上增加圖形生成演示以及算法驗證的過程，從而加深學生對各種算法的理解。這種方法在一定程度上確實收到了良好的效果，然而從教授這門課程的親身感受和體會出發(fā)，筆者認為過多依賴多媒體課程的教學方式，使得學生的注意力集中在課件的演示效果、算法的運行結果上，而圖形生成的原理、算法設計的技巧等關鍵問題得不到重視。加之師生在課堂上的交流減少，會產(chǎn)生諸如“師不知弟子所學，弟子不知師所授”等不良后果。

二 實驗教學中存在的問題

作為一門綜合性強的課程，計算機圖形學涉及的內(nèi)容和應用很廣，學科交叉繁雜，大部分的學校該課程的實驗學時只占總課時的1/4，并且實驗沒有單獨的學分，只是圖形學課程的一個實踐環(huán)節(jié)，因此，老師不能充分投入到實驗課的教學中，實驗設計和管理包括成績評定都顯粗糙。而學生對這種實驗課程的安排，也不重視。

在實驗環(huán)節(jié)中，教師設計好實驗任務，將實驗題目、實驗內(nèi)容和實驗重點布置給學生，然后讓學生上機實現(xiàn)。學生獨立完成實驗，教師在實驗室指導學生，有問題進行解答。但這種教學方式單調(diào)，在班級人數(shù)較多的情況下，一次實驗課僅能夠?qū)ι贁?shù)學生進行指導，大多數(shù)學生的問題只能留待課后解答，而一般情況下，教師每次實驗課程都要進行考核，學生為了應付考核，在問題沒有解決的情況下，不可避免地選擇了抄襲。

實驗課的主要內(nèi)容也是驗證圖形生成算法，比較各種算法的優(yōu)劣。對于筆者所在的獨立學院的學生，基礎知識不牢固，動手能力參差不齊，如果采用統(tǒng)一的難度和標準，無疑限制了他們主動創(chuàng)新能力的發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識。

三 新教學模式的探索

任務驅(qū)動教學法是指在教學過程中，以學生為中心，以任務為驅(qū)動的教學方式［4］。其任務可以是描繪一幅圖形、編寫一段程序等等。任務驅(qū)動教學法的特點是:教師以任務為中心，圍繞解決實際問題組織教學，不求理論的系統(tǒng)性，只求內(nèi)容的實用性。將書本知識和實際應用結合起來打破理論與實踐二元分離的局面，實現(xiàn)理論與實踐的有機結合。讓學生在完成任務的過程中學習新知識和新技能，培養(yǎng)學生獨立探索與合作精神。提高學生學習的主動參與意識，激發(fā)學生的學習興趣。發(fā)展學生的綜合能力［5］。

1.層次化任務教學，激發(fā)學習興趣

層次化任務驅(qū)動教學模式，通過分層教學與任務驅(qū)動教學相結合，對不同知識結構和能力層次的學生采用不同的教學方法，真正做到因人而異、因材施教，提高學生整體學習的興趣和學習效率，培養(yǎng)學生獨立學習的能力，從而優(yōu)化學習過程和學習效果，培養(yǎng)出具有高度創(chuàng)新能力的新型人才。該模式采用以學生為教學主體、教師為教學主導的“雙主”模式，從學生的實際情況出發(fā)，基礎內(nèi)容側(cè)重于深度，應用內(nèi)容側(cè)重于廣度。根據(jù)計算機圖形繪制過程，由淺入深、循序漸進地安排課堂教學內(nèi)容，充分調(diào)動教師和學生的主動性、積極性，使學生在學習的過程中系統(tǒng)地獲得計算機圖形學的基本知識，必要的基礎理論和常用的圖形生成方法，為以后學習相關課程和從事相關研究與開發(fā)工作奠定堅實的理論基礎。

采用這種新的教學思想后，我們把實驗教學體系分為基礎實驗、綜合實驗和設計實驗三個層次，以此為中心目標來進行實驗教學。實驗教學體系如圖1。

根據(jù)實驗教學體系的劃分，我們將圖形學的實驗內(nèi)容和任務目標進行了層次化(見表1)，列舉了部分實驗任務的層次化目標。對于一些實驗難度大，知識涵蓋廣的任務，在有限的實驗時間內(nèi)無法完成的，我們采用開設課程設計等方式進行。

表1 任務目標層次化

2.理論聯(lián)系實踐，雙管齊下

為了提高學生理論聯(lián)系實際、動手編程的能力、實踐動手能力，引導學生由淺入深地掌握計算機圖形學基本理論和算法。我們除了從實驗內(nèi)容安排上進行分層實驗教學，在理論教學手段上，采用多媒體教學與傳統(tǒng)的教學方式相結合，充分發(fā)揮圖形圖示、動畫演示的作用。強調(diào)對比學習方法，對解決同一問題的不同方法進行比較，如通過采用圖示方法給定相同位置的幾組控制點，比較Bezier、B樣條、NURBS曲線曲面各自的特點，從而介紹曲線曲面的基本概念和幾何性質(zhì)。在講解圖形學的應用時，結合現(xiàn)實生活中的例子采用案例教學法，用多幅圖片、視頻生動地講解，讓學生身臨其境，充分調(diào)動了學生的學習積極性［6-7］。

3.利用課余時間，實現(xiàn)立體教學

課堂上講授和練習的時間有限，還應充分利用課外時間開展興趣小組和程序設計比賽等活動，鞏固提升所學知識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。筆者所在學院的計算機圖形學課程在2013年之前未單獨開設課程設計環(huán)節(jié)，僅安排了12節(jié)實驗課時，且不單獨計算學分，因此學生在短短的實驗課程里完成不了難度比較大的算法設計。自2013年開設課程設計后，我們則鼓勵學生組成設計小組，小組成員互相協(xié)作，共同完成難度比較大的課程設計項目，既提高了基礎比較好、動手能力強的學生的創(chuàng)新意識和知識層次，也幫助了基礎薄弱、動手能力差的學生對知識的理解以及培養(yǎng)他們的團隊精神與協(xié)作意識。為了進一步調(diào)動學生挑戰(zhàn)困難的勇氣，我們還舉行了程序設計比賽，以實現(xiàn)效果、軟件運行性能、程序可讀性等方面作為指標進行比較，以賽促學，通過競技選拔，促進整個班級良好學風的形成。

4.嚴格考評制度，加強過程管理

考評的目的在于鼓勵和督促學生自主學習，提高學習的積極性和主動性。對教學過程化管理與考核是保證教學質(zhì)量的重要手段，因此，應及時發(fā)現(xiàn)課堂、作業(yè)、實驗等環(huán)節(jié)中存在的問題，采取行之有效的管理辦法?？己藭r可以打破單純試卷的考評，充分重視學生掌握基礎知識、應用能力、綜合運用及創(chuàng)新能力等各方面的情況，選取多種方式全方位、立體化考核。

四 結語

自2010年9月起，我們將前面所提到的教學方法，逐步應用到實際教學過程中，取得了不錯的效果，學生參與實驗項目的積極性和創(chuàng)造性有了明顯的提高，不再感到無所事事，無從下手。有多名學生在課程學習結束后，選擇了圖形學方向的課題進行畢業(yè)設計，通過剖析成熟的圖形系統(tǒng)，分析開源的代碼，幫助學生理解系統(tǒng)設計的構造及具體功能的實現(xiàn);通過查閱文獻資料，撰寫論文，以提高學生跟蹤學科前沿、文獻檢索與綜述的能力。

教學有法但教無定法，要真正做到因材施教、全面培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)是一件很復雜的工程，需要教師努力提高自身學識，在教學過程中不斷摸索和總結。

［1］嚴圣華.計算機圖形學教學研究與實踐［J］.計算機教育，2010(10).

［2］唐 棣，郭 禾.計算機圖形學算法可視化教學研究與實踐［J］.電化教育研究，2009(1).

［3］周芳芳，趙穎.高校計算機圖形學教學改革探索［J］.科技信息(學術研究)，2008(15).

［4］蔣文沛.任務驅(qū)動項目導向教學模式的應用［J］.高教論壇，2011(10).

［5］馮 林，鄭薇薇.任務驅(qū)動與項目驅(qū)動相結合的創(chuàng)新教育研究［J］.黑龍江教育，2010(4).

［6］竇易文，周鳴爭.計算機圖形學多需求模型的教學改革初探［J］.科教文匯，2010(10).

［7］姚 莉.計算機圖形學教學改革與實踐［J］.實驗科學與技術，2010(2).