以應(yīng)用能力為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)改革實(shí)踐探究

許光宇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；應(yīng)用能力；微課程；教學(xué)考核評(píng)價(jià)

1 前言

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域一門(mén)極其重要的學(xué)科。該學(xué)科主要研究如何使用計(jì)算機(jī)表示、顯示圖形，以及生成、處理圖形的基本原理、算法和技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)重要內(nèi)容，其應(yīng)用已滲透到生產(chǎn)、社會(huì)生活、工作學(xué)習(xí)的各個(gè)方面，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、影視動(dòng)畫(huà)、人機(jī)交互等[1]。

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》不僅是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心課程，也是理、工、農(nóng)、醫(yī)等專(zhuān)業(yè)的選修課或必修課。該課程涉及數(shù)學(xué)、圖學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論和知識(shí)，其原理抽象、概念晦澀、算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一門(mén)理論性、實(shí)踐性都較強(qiáng)的綜合學(xué)科[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，以滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)對(duì)應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才的需求，必須深入推進(jìn)教學(xué)改革，突破原有教學(xué)模式的束縛，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，建立完善的實(shí)踐教學(xué)體系。

本文以校級(jí)教育教學(xué)改革和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目為依托，以知識(shí)傳授與應(yīng)用能力培養(yǎng)的課程教學(xué)目標(biāo)為主線，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)改革與實(shí)踐探究。為此，與企業(yè)合作對(duì)人才培養(yǎng)方案、課程教學(xué)大綱進(jìn)行修訂，在數(shù)字媒體技術(shù)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，開(kāi)展“以應(yīng)用能力為導(dǎo)向”的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革的探索與研究。通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)模式，實(shí)施“勤于學(xué)習(xí)、善于思考、勇于創(chuàng)新”的教學(xué)新理念，采用“案例引導(dǎo)，原理講解、算法演示”的新穎授課模式，進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用理解知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，且能夠勝任市場(chǎng)、行業(yè)發(fā)展的需求。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能及其外圍設(shè)備的不斷提高，尤其是3D打印、游戲產(chǎn)業(yè)、數(shù)字虛擬世界的快速發(fā)展與興起，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被作為核心課程納入計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案中，且有著重要的地位和作用。由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)原理抽象、算法復(fù)雜，具有很強(qiáng)實(shí)踐性的課程，這要求教師和學(xué)生有較高的編程水平，因此普遍反映教學(xué)和學(xué)習(xí)有一定的難度[3]。

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和座談的方式對(duì)該課程授課情況和學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)研，學(xué)生認(rèn)為最需要改進(jìn)的五個(gè)方面為：課程內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展脫節(jié)；教學(xué)模式單一，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣；課堂參與度不夠；實(shí)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠；課程的教學(xué)考核評(píng)價(jià)不合理。學(xué)生所反饋的意見(jiàn)恰恰是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程在教學(xué)中存在的問(wèn)題。

2.1 教材選擇欠妥，培養(yǎng)目標(biāo)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

如今，國(guó)內(nèi)學(xué)者編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材有兩種教學(xué)體系：“面向理論與算法的傳統(tǒng)教學(xué)體系和面向基礎(chǔ)與應(yīng)用的現(xiàn)代教學(xué)體系”[4]。面向理論與算法的教材普遍理論性較強(qiáng)，重點(diǎn)是概念解釋、原理講解和算法推導(dǎo)，這要求學(xué)生有較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。面向基礎(chǔ)與應(yīng)用的教材注重基本概念和基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用圖形學(xué)API（如OpenGL、DirectX） 進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的一些實(shí)用技術(shù)。雖然計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材眾多，但多數(shù)教材的面向?qū)ο笫菍W(xué)術(shù)研究型學(xué)生，為他們從事科學(xué)研究打下基礎(chǔ)；但面向本科生，根據(jù)企業(yè)和市場(chǎng)需求基于圖形底層算法開(kāi)發(fā)的教材較少。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)上人才需求量極大，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)存在人才培養(yǎng)和市場(chǎng)需求脫節(jié)的問(wèn)題。

2.2 教學(xué)模式單一，難以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

傳統(tǒng)的“教師為主體，學(xué)生為客體”的教學(xué)方式忽視了學(xué)生的存在，學(xué)生很容易產(chǎn)生疲勞、厭煩，養(yǎng)成過(guò)度依賴(lài)?yán)蠋煹谋粍?dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣。更重要的是，教和學(xué)是教學(xué)活動(dòng)的兩個(gè)方面，二者是相輔相成、緊密結(jié)合、融為一體的。二者割裂限制了教師和學(xué)生、學(xué)生間的互動(dòng)交流，將影響他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，也難以激發(fā)學(xué)生的自主性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2.3 實(shí)踐教學(xué)資源缺乏，難以滿(mǎn)足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)

實(shí)踐教學(xué)不僅需要豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師，還要有充足的案例資源用于課堂教學(xué)和學(xué)生練習(xí)，但這些資源嚴(yán)重缺乏，特別是案例資源，導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程只能以講解理論、算法為主。有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是在教師設(shè)定的范圍內(nèi)進(jìn)行操作，這使得理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)、應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，甚至課程結(jié)束后仍然有不會(huì)編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單算法的情況。因此，實(shí)踐教學(xué)資源的缺乏制約了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，也不能滿(mǎn)足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

2.4 教學(xué)考核方式不合理，教學(xué)效果難以保證

高校的課程教學(xué)考核方式明顯滯后于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，課程考核的功能和作用得不到充分發(fā)揮，影響教學(xué)效果的提高。存在的問(wèn)題主要有：1） 以課程結(jié)束后考試為主的考核方式，導(dǎo)致學(xué)生以死記硬背、臨時(shí)抱佛腳的學(xué)習(xí)方式應(yīng)付考試。考完試課程內(nèi)容基本都忘記了，更談不上在實(shí)踐中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)。2） 考核方式重理論，輕實(shí)踐。對(duì)于作業(yè)、考試、甚至實(shí)驗(yàn)，教師都制定了“標(biāo)準(zhǔn)答案”，這種考核方式扼殺了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。3） 考核方式流于形式，成效甚微。以開(kāi)卷考試、小論文等的考核方式存在走過(guò)場(chǎng)的弊端，學(xué)生不認(rèn)真學(xué)習(xí)也能輕松過(guò)關(guān)，考核沒(méi)有區(qū)分度，缺乏效果，嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性。

3 以應(yīng)用能力為導(dǎo)向的教學(xué)改革與實(shí)踐

新工科背景下的工科院校人才培養(yǎng)，應(yīng)采用理論教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用并重的教學(xué)模式，突出工程背景與特色，培養(yǎng)理論素養(yǎng)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才。如何實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這需要我們專(zhuān)業(yè)教師創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，積極探索以應(yīng)用能力為導(dǎo)向的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.1 教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

結(jié)合教學(xué)實(shí)際和課程教學(xué)中存在的不足，課題組選用孔令德團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)的國(guó)家級(jí)“十二五”規(guī)劃系列計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材[5]。該系列教材既注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，又強(qiáng)調(diào)運(yùn)用圖形學(xué)知識(shí)開(kāi)發(fā)軟件的能力。教學(xué)內(nèi)容主要以應(yīng)用能力為導(dǎo)向設(shè)置必備的概念、原理、知識(shí)點(diǎn)和算法，并開(kāi)發(fā)了與理論相對(duì)應(yīng)的案例。在教學(xué)過(guò)程中，為了讓學(xué)生順利完成實(shí)踐教學(xué)的各項(xiàng)內(nèi)容，需要補(bǔ)充大量知識(shí)，如MFC基礎(chǔ)、OpenGL基礎(chǔ)、環(huán)境搭建、函數(shù)介紹等。

該系列教材的亮點(diǎn)是有豐富的實(shí)踐教學(xué)資源，可滿(mǎn)足課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)與工程化訓(xùn)練，并可作為“驗(yàn)證性、綜合性、創(chuàng)新性和工程化”的教學(xué)資源[5]。如根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)了60個(gè)案例的源程序，可用于案例化課堂教學(xué)和課后學(xué)習(xí)；在綜合性資源方面，開(kāi)發(fā)了直線段、任意斜率直線段的掃描轉(zhuǎn)換，交互式二維與三維幾何變換、多邊形裁剪、透視變換、真實(shí)感圖形繪制等源程序案例，這些資源可指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的原理和算法繪制較為復(fù)雜的圖形。該教學(xué)資源涵蓋了課程教學(xué)整個(gè)過(guò)程及所有知識(shí)點(diǎn)，體現(xiàn)了工程應(yīng)用特色。通過(guò)使用該教學(xué)資源，教學(xué)模式由傳統(tǒng)的教師講授為主向案例化教學(xué)轉(zhuǎn)變，顯著地提高了學(xué)生的邏輯思維能力，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力、解決問(wèn)題能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，該系列教材得到課題組教師與學(xué)生的認(rèn)可，也取得了較好的教學(xué)效果。

隨著信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的融合，以“微課程”為基礎(chǔ)的“微教學(xué)”模式在教育領(lǐng)域得到蓬勃發(fā)展[6]。為給學(xué)生提供更多獲取知識(shí)的途徑，提升教學(xué)效果，需建立“微課程”資源庫(kù)。為此，課題組將教學(xué)內(nèi)容中重要知識(shí)點(diǎn)、難點(diǎn)制作成短小的微視頻，如有效邊表填充算法、三維幾何變換算法、Bézier曲線曲面算法等，并就某些知識(shí)點(diǎn)開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合案例資源制作微教案、PPT、測(cè)試題等環(huán)節(jié)。

3.2 教學(xué)方法改革

3.2.1 靈活運(yùn)用案例教學(xué)

豐富的實(shí)踐教學(xué)資源可應(yīng)用于案例化課堂教學(xué)，能夠引起學(xué)生興趣，便于學(xué)生理解和掌握相關(guān)原理與算法，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。例如在講解簡(jiǎn)單光照明模型時(shí)，首先通過(guò)案例模擬不同光照條件下物體表面亮度的變化，激發(fā)學(xué)生的求知欲，然后詳細(xì)介紹相關(guān)內(nèi)容和原理。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)以設(shè)計(jì)性、綜合性為主

驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解圖形學(xué)基本原理和算法，但在培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力、邏輯思維能力等方面作用有限。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)為主，進(jìn)而引入工程化資源，如幾何模型、人物角色等，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教師只需擬定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄈ缛我庑甭实闹本€段繪制），讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)圖形繪制原理和算法自主完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。該環(huán)節(jié)注重學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)接受向主動(dòng)探索轉(zhuǎn)變，有助于學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的提升。綜合性實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)繪制較為復(fù)雜的圖形，綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)（如基本圖元生成演示系統(tǒng)），旨在提高學(xué)生的編程能力和創(chuàng)新性思維。

3.2.3 基于“微課程”的線上線下教學(xué)

“微課程”作為一種新型教學(xué)資源，在線上線下教學(xué)與學(xué)習(xí)中發(fā)揮著重要的作用。它既可用于課堂教學(xué)進(jìn)行實(shí)例演示或教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，還可作為教學(xué)資源進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)[7]。課題組制作的“微課程”資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分享給學(xué)生，學(xué)生可根據(jù)自身掌握的情況有針對(duì)性地反復(fù)觀看、自主學(xué)習(xí)。這種“微教學(xué)”模式在提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率同時(shí)也避免了教師的重復(fù)講解，實(shí)現(xiàn)了傳授方式向引導(dǎo)方式的轉(zhuǎn)變。

3.2.4 教學(xué)考核評(píng)價(jià)

由于《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，那種重理論、輕實(shí)踐的考核方式很難全面、客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)該課程的掌握情況和應(yīng)用能力，因此教學(xué)考核評(píng)價(jià)主要采用上機(jī)編程實(shí)踐的方式進(jìn)行考核[8]。考核評(píng)價(jià)體系從知識(shí)、能力等多個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面、客觀的評(píng)價(jià)。通過(guò)構(gòu)建和實(shí)施多元化的考核評(píng)價(jià)體系可提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。教學(xué)考核評(píng)價(jià)體系由課堂考核、實(shí)驗(yàn)考核和期末上機(jī)編程考核組成，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

其中，課堂考核占總分的30%，包括課堂考勤、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)，分別占20%、20%、60%。為了保證課后作業(yè)完成的質(zhì)量，采用分組輪流的方式對(duì)課后作業(yè)進(jìn)行解答，對(duì)于編程題要求演示，并提交作業(yè)的電子檔與源代碼，這個(gè)過(guò)程鼓勵(lì)學(xué)生交流互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)考核占總分的30%，從代碼編寫(xiě)是否規(guī)范（30%） ，實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)是否規(guī)范（30%） ，程序能否達(dá)到預(yù)期效果（40%）三個(gè)方面進(jìn)行考核。期末上機(jī)編程占總分的40%，布置綜合作業(yè)讓學(xué)生上機(jī)完成，重點(diǎn)考核學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，評(píng)價(jià)指標(biāo)為規(guī)定任務(wù)完成情況（20%） ，上機(jī)編程運(yùn)行效果（40%） 和設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容與分析（40%） 。

4 結(jié)束語(yǔ)

在信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，加強(qiáng)《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)方法改革勢(shì)在必行。本文課程教學(xué)改革以教學(xué)內(nèi)容建設(shè)為基礎(chǔ)。在教學(xué)方法改革上，運(yùn)用案例教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性；設(shè)置設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力與創(chuàng)新性思維；采用基于“微課程”的線上線下混合教學(xué)模式提高教學(xué)效果；建立多元化教學(xué)考核評(píng)價(jià)體系培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。經(jīng)過(guò)課題組不斷的探索與實(shí)踐，以應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》課程教學(xué)改革取得了一定的成效，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)傳授與應(yīng)用能力培養(yǎng)的課程教學(xué)目標(biāo)。