Интерактивная система обучения методам и алгоритмам компьютерной графики

В последнее время актуальными стали системы обучения, основанные на интерактивном взаимодействии обучаемого с электронными педагогическими средствами. При достаточно большом количестве обучающих систем по различным дисциплинам, в них, как правило, отсутствуют механизмы взаимодействия с пользователем, позволяющие воздействовать на саму среду обучения, либо они ограничены тестирующими знания модулями.

Интерактивная связь с обучающей системой подразумевает изменение условий задачи, выполнение собственных построений, проверку гипотез и пр. Для демонстрации работы алгоритмов и методов очень важны промежуточные результаты и полученные числовые данные, а не только математические выкладки в виде формул.

В течение многих лет для реализации интерактивных возможностей не было единого инструмента программирования, который бы одинаково подошел как для локального, так и для сетевого применения (в дисплейном классе, в Интернет, для дистанционного образования). Но с появлением мощных графических библиотек на роль такой универсальной системы претендует язык программирования Java. Начиная с версии 1.2 в 2001 году эта среда получила полноценную быстродействующую библиотеку компьютерной графики Graphics2D, не уступающую по возможностям Microsoft GDI+ (построение растровых примитивов, кривых, поддержка графических изображений популярных с фильтрацией, геометрические преобразования, интерфейсные элементы и др.). Один раз скомпилированная программа на языке Java выполняется в любом браузере (Microsoft Internet Explorer, Mozilla, FireFox, Opera) при наличии виртуальной машины Java (которую можно загрузить и установить бесплатно, во  многих операционных системах она устанавливается по умолчанию).

Программы на языке Java обладают небольшим размером (за счет интерпретации исполняемого кода) и могут переноситься между различными платформами (Windows, Linux, Mac OS и др.). До недавнего времени основными проблемами графической системы Java были низкое быстродействие и большое потребление ресурсов. Но последние эксперименты на компьютерах с 256Мб оперативной памяти и процессорами Celeron выявили, что программы на Graphics2D всего лишь незначительно отстают от библиотеки GDI+, а в некоторых случаях обгоняют ее.

Поэтому в текущем учебном году перед студентами 5го курса, которые уже изучали методы и алгоритмы компьютерной графики в рамках одноименной дисциплины, были поставлены задачи их реализации в среде программирования Java. Было выполнено 45 работ по методам Брезенхема, алгоритмам закраски, удаления невидимых линий и поверхностей (алгоритмы художника, Варнока), построения полутоновых изображений (методы Гуро, Фонга), аффинных преобразований (поворот, перенос, масштабирование), построения кривых (сплайнов, Безье), фракталов и др. Все программы включены в учебнометодический комплекс, разрабатываемый автором в течение нескольких лет и размещены в сети Интернет (разумеется, с сохранением авторства студентов). Что немаловажно, система создана на базе открытого программного обеспечения, не требует лицензионных отчислений и распространяется бесплатно.

Все методы и алгоритмы позволяют интерактивно взаимодействовать с обучаемым. Например, можно изменять параметры, вводить координаты, регулировать задержку при демонстрации, получать промежуточные результаты и анализировать их. Кроме того, каждая программа содержит полное описание используемых методов. В процессе демонстрации текущая строка в записи алгоритма подсвечивается, что позволяет детально изучить все особенности метода.

Созданная система обучения методам компьютерной графики будет активно применяться в процессе обучения студентов 3го курса по дисциплине «Компьютерная графика». С помощью нее можно будет самостоятельно изучить и попробовать на различных моделях математические алгоритмы для дальнейшего выполнения лабораторных работ и практических заданий. Интерактивная система обладает визуальными возможностями, которые невозможно адекватно воспроизвести традиционными обучающими материалами (как в печатной, так и аудиальной форме). Использование системы в сети Интернет поможет реализовать методы дистанционного, самостоятельного и опережающего обучения для достижения высокой степени усвоения предлагаемого учебного материала и воспроизведения его в дальнейшей профессиональной деятельности обучаемых.