计算机图形学论文通用多篇

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一、计算机图形学教学的重要性

随着信息技术的发展，与计算机图形学（以下简称图形学）相关的理论与方法，越来越受到关注与重视。图形学是研究与讨论用计算机把数据转换为图形，并在显示终端上显示的学科[1]。由于图形所携带的信息比纯文本方式要丰富多彩，图形数字化的应用迅速在各领域快速发展，计算机图形学技术深入人们工作、生活的各个领域，从航空航天飞行器以及汽车外形的设计、天气预报，到电影电视广告、游戏制作、可视电话、微信等，都因为计算机图形学技术的应用而精彩。

目前国内高校的计算机以及相关专业多数开置了“计算机图形学”课程，也是计算机及相关专业的重要课程之一。该课程理论与实用并重，又是如数字图像与模式识别、3D动画编程等实用性强的课程的前置课程，因此，学生对计算机图形学课程充满好奇与期待。

二、计算机图形学课程特点、教学过程中存在的问题及教学改革

1.计算机图形学课程特点。首先，涉及内容广，是计算机图形学课程的特点之一。计算机图形学是一门涉及多学科的综合性课程，其内容包括计算机硬件、软件、空间解析几何、算法原理、编程等，因此要求学生具备多方面的知识。如较好的数学基础，特别是空间解析几何、线性代数、矩阵论等数学基础知识，计算机语言编程、数据结构等方面的知识。

其次，?课程在理论方面，涉及的原理需要一定的数学基础才能较好理解，繁多又抽象的图形生成算法增加了学习的难度。

第三，理论与实验并重的课程。用计算机语言描述并实现图形学的问题的过程。也就是其内容包括计算机语言及图形学知识。一般而言，对图形学相关的基本算法描述的理解是学生学习计算机图形学的一个难点，是一个从理论到实践的认识过程。

2.存在的问题。由于计算机图形学课程的特点，在教学过程中，学生普遍反映：都能认识到计算机图形学是一门重要的、有用的、实用的课程，对学习计算机图形学课程开始时抱着极大的兴趣学习，但是，随着课程的深入学习，图形算法越来越复杂，虽然课堂上能听懂算法的原理与流程，但是课后上机实现算法却感到困难，理论与实践不能很好结合。随着时间的推移，不能解决的问题的累加，旧的内容未理解、问题还没解决，又要忙于学习新内容，学习变成了一种压力，积极性和自信心受到打击，学习主动性逐渐下降，这样一来，教学效果不理想。总之，学生感到图形学的内容不易理解、不好学，理论与实验总是存在一定的距离。

3.教学方法的改革。为了解决面对教学过程遇到的问题，提高计算机图形学课程教学质量、收到更好的教学效果，不少计算机图形学的老师们在教学实践中，尝试用不同的教学方法进行课堂教学，收到了很好的教学效果[2]。

计算图形学的内容中，其重点与难点都会涉及到复杂算法的内容，而这些内容对学生来说，是最难理解的，用常规的教学方法，其效果相对较低，因此，计算机图形学教学过程中，不同的教学内容，应选取和采用合适的教学方法才能收到更好的教学效果，使教学方法的效率最大化，实现教学方法精准化。为了在计算机图形学的教学实现教学方法的精准应用，本文提出：在涉及复杂算法内容教学过程中，引入虚拟现实技术[3]，用三维交互技术对复杂算法的流程及运行机理进行描述，使复杂算法问题具体化、简单化，更易于理解，把理论与实验这两者这间更好地融会贯通，更好地抓住学习计算机图形学的重点与难点，把握学好计算机图形学的关键，化解学习过程中的难题。

三、计算机图形学虚拟现实技术教学改革

1.虚拟现实技术引入计算机图形学课堂教学的必要性和重要性。要实现与理论与实践相结合，首先要充分理解算法的原理、算法的核心、流程。但是，大部分计算机图形学的算法，都以数学理论为支撑，要求学生具备如空间解析几何、线性代数、矩阵理论及应用等数学基础知识，换言之，良好的数学基础，是学好计算机图学算法的有利条件。而良好的数学基础，需要通过专业训练。一般情况下，我们面对的学生其数学基础都不是很好，这也是学生对算法学习感到相对困难的原因。针对这种情况，在算法教学过程中，利用现代信息技术替代传统的粉笔和黑板，引入计算机技术进行算法的模拟演示，使算法的描述和实现的流程形象化、具体化，也就是通过虚拟现实技术，把抽象的算法转化虚拟环境进行动画演示，让学生易于接受与理解，从而激发学生主动学习的积极性，让教学效果达到最佳，为学生课后上机实现算法做好充分的准备，实现理论与实践的结合。因此，在教学过程中引入虚拟现实技术，是很有必要的。

2.虚拟现实技术引入计算机图形学课堂教学的过程。教学过程中，将抽象、无形的数学模型通用虚拟现实技术将其具体化、形象化。具体实现如下：将算法实现的过程分解，用虚拟技术的方法将算法运行中的步骤和中间结果一步一步演示，以课件的形式在课堂演示，让学生建立数学模型、算法与代码之的对应关系，达到更深刻地理解各种图形算法的原理及实现过程。

本文选择Virtools4.0+3Ds MAX作为课件的开发环境。3DsMax具有很强的建模功能，由于图形学算法实现流程中的计算单元（内存、函数等）在对应的虚拟实验场景中可用简单的几何体（正方体、园柱体、球体等）表示，在单一的场景中，3DsMax可以实现快速、高效的建模，此外，Max带有许多批量建模的工具，如使用镜像、散布、阵列等工具，可实现任意多个精确（几何体的坐标）的建模，完全满足了图形学虚拟实验场景建模的需要。Virtools是一款比较成熟具有三维交互式的最后合成软件，其良好的兼容性突显其优势，通过相应的插件直接导入经过转换输出的3DsMax构建的虚拟场景及动画（3DsMax中预设的动画），Virtools中支持多场景功能，可通过交互功能实现多场景间的切换、跳转等，使虚拟实验表现力更强、更灵活和多样，表现出虚拟实验直观、交互、多样性等优势。

?现过程：将图形学算法实现过程中涉及的内存单元、变量以及函数在虚拟场景中实体化（在虚拟场景中可用长方体或球体等表示），构成图形算法实现的虚拟的场景，在3DsMAX中建好的（单一）场景导入Virtools中，按算法的流程进行动画编排。由于Virtools支持多场景功能，可根据需要，将复杂的图形算法的实现过程分解为若干个子算法（过程），在Virtools中用不同的场景表现不同的相对独立的子算法，即依次在不同场景中编排相应的场景动画实现子算法，在各场景上设计交互界面，实现场景间的切换和跳转，最后导出生成具有交互功能的三维虚拟实验课件。

关键词：计算机图形学；计算机仿真；科学计算；程序设计基本方法；可视化

中图分类号：G642

文献标识码：B

1 “计算机图形学”的学科特性

所谓“计算机图形学”是 ……此处隐藏12667个字……扫描线填充算法等，要重点讲授，仔细分析，强调其基本原理和基本思想，并在学生理解掌握的基础上，结合具体实例的剖析，告诉学生理论和实际应用的切入点，给予学生理论结合实际的基点，激发学生兴趣，逐步培养他们的科研能力。

3) 制定教学内容时还应跟上时代步伐，介绍一些最新的学科前沿和研究进展，一方面增加理论教学的趣味性，另一方面使学生对学科前沿有一个概念性的直观理解，增加学习兴趣，拓宽他们的知识面，从而为学生从事该领域的应用开发或研究工作打下良好基础。

3.3理论教学

计算机图形学的教学应采取课堂讲授为主、上机实验为辅、以学生为主体、教师为主导的教学模式。为达到教学效果，理论教学应从以下几方面加强：

1) 加强可视化教学。

计算机图形学的很多算法理论性很强，数学模型也比较抽象，单纯采用文字叙述附以静态图片的PPT形式的教学手段，教学效果并不理想，尤其是对于一些经典或复杂的算法，效果更差。因此，应充分利用目前流行的课件制作工具，如Flash、OpenGL等，制作经典算法的仿真演示，使晦涩难懂的原理公式变成栩栩如生的画面。笔者在讲授经典算法时，将其原理用Flash做成动画插入到PPT中，使学生可以直观感受到算法的效果，提高了课堂气氛，增加了学生的学习兴趣。

2) 注重启发式教学。

平铺直叙、满堂灌的教学方法只会让学生感到枯燥、乏味，从而影响他们的学习积极性和主动性。尤其在讲授以数学知识为支撑的算法时，切忌繁琐复杂的公式推导和连篇累牍的算法分析，避免学生的烦躁情绪，而应采用启发式教学方法，通过“提出问题同学解答问题分析问题解决问题分析解决方法的优缺点”的思路，引导学生思考，层层深入、逐步展开，充分调动学生的学习积极性。例如在讲解多边形裁剪时，首先启发学生多边形是由线段组成的，是否可以将线段裁剪方法用于多边形裁剪？学生点点头，然后接着问，那么是否适用呢？学生进入了思考的状态，这时借助课件给出采用线段裁剪算法对多边形进行裁剪得到的裁剪结果，并给出一个否定的答案，继续提问为什么会不适用？引导学生进一步思考，然后进行分析，给出不适用的原因，在线段裁剪算法中，是把一条线段的两个端点孤立地加以考虑，而多边形是由一些有序的线段组成，要求裁剪后的多边形仍保持原多边形各边的连接顺序。既然这个算法不适用，就应该寻找一种有效的裁剪算法，接着引入多边形的逐边裁剪算法。介绍完逐边裁剪算法后，继续启发学生思考，这种算法是否适用于所有的多边形？学生会给出肯定的回答，这时进一步启发，如果是凹多边形，逐边裁减算法是否适用，如果不适用，如何改进？这可能是学生没有预料到的，他们会对接下来的内容表现出浓厚的学习兴趣，进一步分析，当多边形为凹多边形，且裁剪后的多边形有两个或多个分离部分的时候，由于只有一个输出顶点表，表中最后一个顶点总是连着第一个顶点，会出现多余连线的现象，这就是下一步需要改进的地方，而边界裁剪算法则可以避免这一问题。再如，在讲解直线段的绘制时，首先让学生自己设计一个算法，这时几乎全部的学生都会给出直线段生成的普通算法，即根据直线方程，通过设置x取值范围，求出屏幕的一系列点，然后提问学生，从算法效率角度来看，普通算法存在怎样的问题，引导学生思考，最后引入直线段的绘制算法。因此，启发式教学方法可以给学生主动思维和积极思维的空间，将学生一步步带入算法设计中，有效提高教学质量。

3) 做好课前回顾。

以目前课程开设时间和学生的实际情况，要求学生课后复习课前预习似乎是强人所难。为了加强知识的连贯性，巩固所学知识，应该在课前拿出较短时间对上堂课的学习内容进行简单回顾，然后过渡到新的教学内容。

3.4实践教学

实践教学是理论教学的深化和补充，是学好计算机图形学的重要保证，也是培养学生动手能力的有力武器。因此，教学过程中要加强实践教学，将理论教学和实践教学密切结合起来。

1) 实验题目层次化。

根据大纲要求，结合学生的实际情况，将实践教学由浅到深分层次进行。我们共有8个学时的实验，按照由浅到深的原则安排了4个小实验：直线生成、图形变换、裁剪计算、曲线生成，以及1个综合性实验。对于验证型实验，即那些有代表性的算法，如直线生成、裁剪计算等，要求每个学生根据教材的子程序亲自动手实现，加强对课堂所学基本算法的理解，培养他们的成就感，并且，题目的要求也随着难易程度发生变化，如直线生成算法比较简单，要求学生实现的算法必须具有通用性，同时，为增加学生的学习兴趣，可以巧妙设计实验内容，如在实现直线生成算法时，可以让学生画线生成汉字；图形变换主要让学生实现二维图形的变换，包括平移、旋转、缩放及复合变换等内容，由于这一实验包含多个操作，要求学生增加菜单选择功能；裁剪计算要求实现线段裁剪算法，从易操作的角度出发，要求算法采用交互式的画线方法；曲线生成算法要求学生采用根据参数曲线定义的方法来实现，对于编程能力强的同学，在曲线生成的基础上，增加鼠标拖动控制点改变曲线形状的要求。对于综合型实验项目，学生可根据自身学习能力和实践能力选择独立完成或合作完成，通过综合型实践训练，不但培养了学生的动手能力和创新意识，而且还培养了他们的团队协作精神。

2) 开发环境多元化。

完善教学内容，扩展学生的知识面，实践教学采用开发环境的联合。对于验证性实验，学生可在Turbo C环境中实现，而对于综合性实验，鼓励学生基于OpenGL进行编程。让学生提前介入到使用OpenGL编写“应用软件”，不但可以满足学生的兴趣，还可以提高学生的实际动手能力。

4结语

计算机图形学是一门不断发展的交叉学科，其教学方法需要在实践中不断探索。我们教学工作者在研究高效率的教学手段和教学方法的同时，还应积极参与教学内容相关的科研工作，从而更加明确教学重点和难点，做到在教学过程中有的放矢，激发学生学习和思考的积极性和主动性。

参考文献：

[1] 何援军。 计算机图形学[M]. 2版。 北京：机械工业出版社，2009:2.

[2] 吴元斌。“计算机图形学”教学的几点体会[J]. 安康师专学报，2004(4):119-121.

[3] 鲁敏，于慧颖，郑平刚。 信息工程专业计算机图形学教学模式思考[J]. 高等教育研究学报，2006,29(3):31-33.

[4] 潘革生，何援军，赵峻颖。 计算机图形学教学理念的研究与实践[R]. 烟台：第一届中国图学大会，2007:476-479.

The Thinking of Teaching on Computer Graphics

WANG Yanchun, ZHANG Jinzheng, LI Shaojing

(Science and Information College, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

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