基于計算思維的“計算機圖形學”教學改革路徑

關鍵詞：計算思維;計算機圖形學;計算機教學改革

中圖法分類號：TP314 文獻標識碼：A

在以往的“計算機圖形”教學中，主要進行的是理論、編程語言、數(shù)學算法等方面的教學，側重于理論知識的講解。而“計算機圖形學”的理論知識較為抽象，涉及眾多的交叉學科，并且技術性強，需要學生進行大量的實踐操作，才可完成理論知識的理解與學習。由于“計算機圖形學”教學過于枯燥、教學方法較為單一，打擊了學生的學習積極性與信心，限制了學生計算思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。所以，需要教師進行教學改革———運用計算思維概念，進行教學內(nèi)容的深化設計，以完善教學流水線，取得理想的教學改革效果。

1計算思維在“計算機圖形學”教學改革中應用的理論基礎

1.1求解問題

“計算機圖形學”涉及大量的數(shù)學算法，計算機通過處理這些算法生成各種圖形，這是求解問題的過程。比如，使用計算機圖形軟件生成直線，或者進行圖形區(qū)域的顏色填充等，這些都是常見的計算機圖形處理功能。教師在教學中，講解圖形生成的原理，以及計算機數(shù)學算法解決問題的思路，將求解問題概念傳授給學生，培養(yǎng)學生運用求解問題的思維去解決“計算機圖形學”學習中面臨的各種問題，以完成計算思維的培養(yǎng)。

1.2設計系統(tǒng)

1.2.1硬件系統(tǒng)

“計算機圖形學”屬于計算機科學的范疇，由于需要借助計算機繪制圖形，所以其包含計算機軟硬件系統(tǒng)。計算機硬件系統(tǒng)也就是計算機本身，包括CPU、顯示器、顯卡、內(nèi)存、硬盤等，用于圖形的輸入與輸出。由于計算機圖形的計算量較大，比如虛擬場景算法的處理涉及大量的數(shù)學算法，才可完成一個完整場景的繪制。并且，計算機硬件系統(tǒng)需要配置功能強大的獨立顯卡以及充分考慮人體工學、人們的使用習慣、視覺特點等。

1.2.2軟件系統(tǒng)

計算機軟件系統(tǒng)指用于建模、渲染、動畫、人機交互的專業(yè)軟件，比如建模使用的商業(yè)化軟件有Autodesk 3D Max與Maya等;渲染使用的商業(yè)化軟件有Maya、Blender、Pov?Ray等;動畫使用的是編程或動畫制作軟件;人機交互目前使用的是人機交互系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)具有處理、生成、顯示圖形的功能，運用了大量的計算機編程語言，實現(xiàn)了計算機與人之間的交互。計算機接收人的操作指令后，將處理結果通過顯示器顯示出來，構建出人們想要的圖形。人與計算機軟硬件的交互生成圖形是一個復雜的過程，其涉及大量的數(shù)學算法、程序的運行，需要將計算機科學眾多知識整合到一起。所以，在“計算機圖形學”的教學中，教師需結合計算機軟硬件系統(tǒng)與“計算機圖形學”兩個方面，細化分解知識體系，將較為籠統(tǒng)的問題進行劃分并描述，將教學過程系統(tǒng)性地串聯(lián)在一起。借助計算機軟硬件系統(tǒng)的分析與圖形的生成原理，將計算思維潛移默化地傳遞給學生。

1.3理解人類行為

計算思維是基于人類思維活動并通過計算機實現(xiàn)的一種思維。而“計算機圖形學”中的計算思維，則是對畫家繪畫思維與過程的模擬，并經(jīng)過對思維與過程的分解，在計算機硬件與軟件系統(tǒng)中構建計算機繪制圖形的全過程。也就是說，人操作計算機圖形軟件的過程，其實是模擬繪畫思維與繪畫的過程。唯一的差別是，畫家運用繪畫思維使用畫筆、顏料在畫布上作畫，作品直接呈現(xiàn)在畫布上，而“計算機圖形學”則是運用繪畫思維與計算思維，借助計算機軟硬件系統(tǒng)繪制作品，并通過顯示器呈現(xiàn)作品。

“計算機圖形學”模仿與理解畫家的繪畫步驟如下：第一，畫家選景與定視角對應計算機圖形的三維空間觀察;第二，畫家對物體位置與角度的調整對應計算機視圖變換、大小的調整、剪裁等;第三，畫家畫出事物的輪廓對應網(wǎng)格建模;第四，畫家通過繪畫思維使用畫筆與顏料上色，而計算機使用顏色與光照模型上色;第五，畫家進行繪制的細節(jié)處理，計算機則使用真實感圖形進行繪制。因此，“計算機圖形學”將畫家的繪畫思維，轉換為計算機繪畫思維，也就是理解了人類的行為。教師在進行“計算機圖形學”的教學中，要注重對計算機理解人類與模仿人類的行為進行講解，以增強學生的計算思維，使其可以將人類思維與計算機思維相結合，在計算機中將頭腦中的圖形展示出來。

2基于計算思維的“計算機圖形學”教學內(nèi)容設計

2.1設計要點

在計算思維的指導下，教師需結合實際教學情況，對以往的教學方法進行創(chuàng)新、改進，注重提升的學生計算思維能力。在“計算機圖形學”的課堂中，教師應注重理論與實踐并行，加快教學改革的進度，培養(yǎng)學生的實踐操作能力與思維能力：一是明確教學的重點和難點，合理控制理論知識的教學時長;二是精挑細選核心教學內(nèi)容，提高教學的效率;三是“計算機圖形學”的發(fā)展速度較快，教學內(nèi)容需與時俱進，融入當下最前沿的計算機圖形技術與知識，以增強教學改革的實效。

2.2構建教學流水線

基于“計算機圖形學”教材，以計算思維為導向，圍繞理論、技術開展教學內(nèi)容的設計，構建“計算機圖形學”教學的流程。從繪制圖形開始至顯示圖形結束，進行全過程分層次、分階段的理論講解與技術實踐，在課堂教學中潛移默化地培養(yǎng)學生的計算思維，具體流程為：頂點→頂點處理→剪裁、圖片組裝→光柵化→片元處理→像素。

2.2.1頂點

在頂點教學中，首先進行的是“計算機圖形學”基本知識的講解?？蛇M行OpenGL的功能與操作方法的講解，使學生初步了解OpenGL，并可進行簡單圖形的繪制。在后續(xù)的教學中，進行OpenGL知識與功能操作的進一步講解，逐漸增加OpenGL教學的深度，給予學生一定的接受時間。還要注意的是，促進OpenGL程序包與圖形學理論的融合，讓學生利用OpenGL去求解理論上的問題，逐步熟悉“計算機圖形學”求解問題的方法與技巧，實現(xiàn)理論與工具之間的相互轉化。

2.2.2頂點處理

教師可指導學生使用OpenGL中的Vertex Shader（頂點著色器）輸入數(shù)據(jù)，比如使用Attributes設置頂點的坐標，或者是利用Uniforms設置當前光源的位置等，以獲取想要的圖像。目前，Vertex Shader已經(jīng)實現(xiàn)了通用可編程，根據(jù)使用者繪制圖形的實際需要進行頂點數(shù)據(jù)的處理，通過使用著色器語言編寫程序，借助矩陣改變頂點的坐標位置，形成紋理坐標，以及使用光照計算頂點的顏色等。在運行程序生成圖形的過程中，頂點變換一次形成一個矩陣，在經(jīng)過數(shù)次變換后，矩陣級聯(lián)后形成復合矩陣。

2.2.3裁剪與光柵化處理

第一，在進行裁剪操作之前，組裝頂點生成圖元，然后裁剪掉圖元的外部，留下圖元內(nèi)部;第二，光柵化處理———將裁剪后的圖元進行處理獲取片元。在“基本圖形生成算法”章節(jié)中，介紹了光柵圖形生成算法，比如繪制直線的算法以及圖形填充的算法等，由于學習難度較小，可以安排學生進行課后學習和練習。教材中只選取了代碼的關鍵部分，至于其他部分可要求學生通過課后學習進行補充，以做好剪裁與光柵化的整個操作，編寫出一套完整的代碼。

2.2.4片元處理

Open GL中的Fragment Shader（片段著色器）主要用于像素計算并輸出最終的顏色。圖元在經(jīng)過光柵化處理后，可以使用片段著色器進行片元著色，使每個片元的顏色都由著色器的程序而設定。此外，真實感光照模型也可用于片元著色。現(xiàn)階段，OpenGL構建了通用、統(tǒng)一的計算機圖形渲染架構，可并行流水線。也就是所有的圖形處理操作可并行、各個處理同步執(zhí)行，與人類的思維較為相似。學生從設定頂點坐標開始至片元著色結束，完成一整套的計算機圖形處理操作，從而完成對“計算機圖形學”計算思維的整體構建。

2.2.5構建計算思維流水線

通過以上教學，學生借助OpenGL進行“計算機圖形學”各個章節(jié)的學習，從頂點開始將計算機圖形的計算思維在教學中逐步滲透，使用OpenGL對抽象的理論知識進行驗證。運用頂點處理，繪制出基本圖形，經(jīng)過剪裁獲取圖元，然后使用光柵化處理，生成最基本的片元，最后進行片元處理———使用Fragment Shader對片元進行著色。學生通過教師的課堂講解與自身的課堂練習，系統(tǒng)性、整體性的學習“計算機圖形學”，從基本圖形的繪制到圖形的生成，再到圖形的著色，這些教學內(nèi)容中都包含計算思維。學生在學習與動手繪制的同時，訓練與培養(yǎng)計算思維，記憶求解的過程由淺入深、層層遞進，持續(xù)提升計算思維能力。

2.3課堂教學方法設計

“計算機圖形學”的實踐性較強，在教學上可以使用“所見即所得”的教學方法。以顏色變化為例，教師使用多媒體教學設備展示一張場景圖片，提出繪制該場景所使用的技術和理論知識，一邊演示一邊講解，并鼓勵學生進行討論。在完成理論講解后，讓學生動手操作，在計算機圖形軟件上將理論轉化為實踐，使抽象化的理論具象化，使學生不再局限于理論的淺顯理解，而是通過實踐完成理論的應用與理解，以形成良好的計算思維。具體而言，一是可專門開發(fā)“計算機圖形學”教學演示軟件，進行理論的實際指導;二是可采用研究性教學理論，讓學生在學習的過程中，以科學研究的角度去探索、分析、解決問題;三是積極應用互動教學模式，活躍課堂氛圍，突顯學生的主體地位，滿足計算思維求解問題教學的需要;四是鼓勵學生自主學習，自主設計、開發(fā)三維模型，并進行多元化考核———以“考試成績+平時實踐成績+平時課堂表現(xiàn)”的模式，對學生進行綜合性、客觀性的評價，形成激勵作用。

3“計算機圖形學”教學改革的注意事項

3.1注意教學的延伸

為了較好地培養(yǎng)學生的計算思維，在教學內(nèi)容設計階段應注意知識的延伸。一是要精簡理論教學，“計算機圖形學”知識更新速度較快，部分陳舊的知識已經(jīng)過時，在教學中應及時剔除，并補充當下最前沿的圖形學理論與技術，保證教學的先進性，開拓學生的學習視野;二是在進行基礎理論與概念講解的同時，根據(jù)現(xiàn)階段計算機硬件的發(fā)展程度，將可編程的頂點著色器、片段著色器等納入至圖形學教學中。或者在教學實踐活動中，增加Web GL方面的內(nèi)容，使學生應用計算機圖形技術創(chuàng)建可在瀏覽器中展示的3D場景，拓展教學的廣度與深度。

3.2注意教學案例的運用

采用案例開展計算機圖形教學，將教學與案例相結合，在課堂中來回切換，完成教學的同時，學生就可完成一個圖形作品。這讓學生在完成課堂學習的同時，還可進行開發(fā)、創(chuàng)新思維的訓練，提升學生探尋問題與解決問題的能力，以加快計算思維的提升速度。

3.3組織開展實踐課

“計算機圖形學”上下章節(jié)的知識有一定的關聯(lián)性，系統(tǒng)性較強。教師在教學活動的設計中，需要注意上下章節(jié)的串聯(lián)。比如，在完成顏色模型與光照模型、視覺模糊模型變化與剪裁、三維空間觀察、網(wǎng)格與多層次模型、真實感圖形繪制等課程后，將課程中的實踐鍛煉內(nèi)容進行串聯(lián)，要求學生利用所學知識繪制一個場景，或者是搭建一個3D模型。教師可事先制作一個教學案例，將上述章節(jié)的知識進行串聯(lián)講解，梳理好繪制流程后，組織學生設計作品，研究作品的整個架構，然后進行編程與實際操作。完成創(chuàng)作后，教師組織學生開展教學評價，指出學生學習中的不足，并對作品的不足之處進行現(xiàn)場調整，以幫助學生進一步完善作品。

3.4組織開展前沿講座課

組織開展圖“計算機圖形學”前沿講座課程———對現(xiàn)階段的主流技術、主流圖形軟件以及行業(yè)發(fā)展狀況等開展講座，激發(fā)學生學習“計算機圖形學”的興趣，并使學生了解更多的前沿知識，了解行業(yè)發(fā)展對人才的需求狀況，以此激發(fā)學生的學習熱情與科學探索精神?！坝嬎銠C圖形學”的學習難度大，理論知識過于抽象，還涉及大量的算法、編程語言等。因此，為了幫助學生理解與消化知識，在教學中要根據(jù)實際情況，選擇使用多種教學手段，并注重實踐訓練，加強培養(yǎng)學生的計算思維，以提高“計算機圖形學”的教學質量。

4結束語

“計算機圖形學”是中等職業(yè)學校計算機平面設計專業(yè)的課程之一，其教學難度大、涉及學科多、理論知識豐富，學生學習與理解的難度較大，部分學生對其失去學習興趣。因此，需要中等職業(yè)學校在計算思維的指導下，進行該項課程的教學改革，將復雜難懂的問題簡單化。此外，還應精簡“計算機圖形學”中陳舊的理論知識，增加課程實踐練習的時間，整合多種教學方法，以此提高“計算機圖形學”教學改革的實效，全面提升該課程的教學質量。

作者簡介：

王霖（1982—），碩士研究生，高級講師，研究方向：計算機平面、數(shù)字媒體、圖形圖像。