以能力為導向的計算機圖形學應用課程建設

[摘要]通過分析計算機圖形學教學現狀，針對存在的問題，以能力為導向，進行了計算機圖形學應用課程建設.通過系列化教材建設、實踐教學資源和微課程建設，構建了計算機圖形學的教學內容實施了“案例化”+“微課程”教學方法改革，建立了過程評價、全面評價和能力導向的多元化考核評價體系。教學實踐表明，豐富的教學資源順應了新時代發展的要求，“案例化”+“微課程”的線上線下教學模式提高了教學效果，科學合理的考核評價體系激發了學生的學習積極性。

[關鍵詞]計算機圖形學;課程建設;案例化教學;微課程

[中圖分類號]G642.3 [文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020）02-0115-03

計算機圖形學是計算機應用領域中一個非常重要的學科。該學科主要研究如何利用計算機表示圖形以及生成和處理圖形的基本原理、方法和技術。它的應用滲透到了社會生活和生產的各個領域，如虛擬現實、地理信息系統、科學計算可視化等，是現代信息技術不可或缺的重要內容。

計算機圖形學不僅是高校計算機專業的基礎課，也是理、工、農、醫等專業的必修課。該課程是一個多學科相互交叉、相互滲透的學科，綜合了數學、計算機科學和圖學理論等相關學科的知識，其原理抽象、算法復雜、具有很強的理論性、綜合性和實踐性[l]。作為山西省應用型本科試點院校，課程建設課題組積極探索轉型路線，赴國內多家院校探討學科前沿和先進教學方法;與多家知名企業合作探討人才培養需求。在山西省精品資源共享課的基礎上，從企業對人才的實際需求出發，與企業合作修訂人才培養方案，修訂教學大綱，以計算機科學與技術專業學生為試點，增強“以能力為導向”的計算機圖形學應用課程建設。經過恰當地組織教學內容，有效調整教學模式，采用了“案例引導、傳輸理論、算法可視化”的新授課模式，突出以學生為主體的“積累知識、積極思考、主動創新”的教學新理念，進一步提高了學生運用基本理論知識分析和解決問題的能力，培養的學生得到了市場和用人單位的認可，并與多家公司簽訂了人才訂單培養協議，實現了人才與市場的無縫對接。

一、計算機圖形學教學現狀

近年來，隨著計算機硬件配置的提高、智能手機的普及，尤其是游戲產業、三維數字城市的迅速發展，計算機圖形學課程已經成為計算機專業或數字媒體技術專業的核心課程[2】，在培養方案中占有重要的地位。由于該課程是一門原理算法復雜、抽象，實踐應用性很強的課程，對教師和學生的編程能力要求較高，因此普遍反映教學有一定難度。通過文獻研究，國內高校在計算機圖形學課程教學中存在以下問題。

（一）實踐教學資源匱乏

由于案例源程序匱乏[3]，這導致在課堂上教師主要以講解原理為主，學生存在理論學習和實踐應用脫節的現象，存在學習完理論后仍然不會編程實現的情況，這不能滿足應用型人才培養的要求。

（二）教學模式單一

傳統的教學方法以教師課堂講授為主，教師一次性地將知識灌輸給學生[4-5]。教學過程以教師為主體，教師教什么，學生就學什么;教師怎么教，學生就怎么學。這種教學方式忽視了學生的主體性及教師與學生的互動性，限制了學生的主觀能動性，制約了對學生在知識、能力和素質方面的綜合教育。

（三）教材選擇不當，培養目標與企業需求不對接

目前，國內計算機圖形學教材主要存在“面向理論和面向應用”兩種典型教學體系[6]。面向理論的教材是傳統教學體系，其重點放在對概念的解釋與原理的講解;面向應用的教材是當前主流的教學體系，它注重培養學生在掌握計算機圖形學理論知識的基礎上，學會應用典型的圖形學API。在這些計算機圖形學教材中，多數教材適合高校碩士生與博士生從事科學研究，而面向本科生、按照市場需求基于底層算法開發的計算機圖形學的教材相對較少。市場對本科生計算機圖形學技術的應用人才需求量巨大，這導致人才培養與工程應用和企業需求不對接。

二、以能力為導向，構建計算機圖形學教學內容

應用型工科院校本科人才培養在遵循本科人才培養白身的教育規律基礎上，應注重夯實理論、突出實踐、強化應用，既不能沿襲普通本科的教育模式辦成學科型或研究型的本科，也不能為了突出應用而弱化基礎理論的教學。應該是理論教學和實踐應用相結合，突出工程特色，培養既有基本的理論素養，又有很強動手能力的應用型人才。應用型工科院校應結合市場和企業的能力需求，積極探索以能力為導向的培養目標，構建突出工程實踐能力的教學體系。

針對該課程教學存在的不足之處，課題組以培養目標為核心，提出了“教材建設系列化，理論教學目標化，教學過程案例化，實踐資源數字化”的課程建設方案[7]，為學生搭建可視化課程的整體構架，打造了“精品資源共享課程+系列化教材+微視頻”立體化的教學平臺。

（一）系列化教材建設

課題組從企業對人才的實際需求出發，在注重培養學生系統了解計算機圖形學理論知識的同時，義強調培養學生正確使用圖形學知識進行軟件開發的能力。在教學內容上，主要以能力為導向確定必備的知識點和理論算法，摒棄不必要的偏向數學的公式推導，開發了與理論相對應的實現案例?；赩isual C++中的MFC框架，采用案例教學法建設了豐富的教學資源，解決了實踐教學資源匱乏的問題。先后編寫了適合應用型本科院校使用的理論和實踐相對應的立體化教材，即《計算機圖形學基礎教程（Visual C++版）》《計算機圖形學實踐教程（Visual C++版）》和《計算機圖形學基礎教程（Visu-al C++版）習題解答與編程實踐》《計算機圖形學課程設計教程（Visual C++版）》等國家級“十二五”規劃系列教材。教材內容從編程角度講授計算機圖形學原理和算法，強調真實感光照模型的實現，在不使用任何圖形庫的前提下，使用MFC的繪制像素點函數，按照計算機圖形學的基本原理開發出可與OpenCL或Direct3D顯示效果相媲美的真實感圖形。

（二）實踐教學案例建設

實踐教學資源選用Visual C++的MFC作為開發工具，以生成真實感光照模型作為教學主線，開發了滿足課堂教學、實驗教學、課程設計以及工程化訓練需要的“驗證性、綜合性、創新性和T程化”4個層次的教學資源[8]。

在驗證性資源方面，主要對應教學內容每一個原理開發了60個源程序案例，此外以JLI版“習題解答”教材的形式給出了200個習題答案，以及拓展案例，這些資源有益于學生形象化地理解圖形學原理和算法。該資源應用于案例化課堂教學和課后練習。

在綜合性資源方面，開發了金剛石圖案的繪制、任意斜率的直線段的繪制、交互式多邊形、二維、三維幾何變換、裁剪、地理劃分線框球、透視投影、簡單光照模型、Phong光照模型、Gouraud光照模型、紋理映射等18個源程序案例。該層次資源應用于實驗教學，指導學生綜合運用所學的圖形繪制原理和算法繪制較為復雜的圖形。

在創新性資源方面，開發了基本圖元光柵掃描演示系統、動態光源演示系統、3DS接口演示系統、遞歸動態球體演示系統和圓環動態紋理演示系統等源程序案例。該層次的資源應用于課程設計，旨在提高學生繪制圖形的創新性思維和編程能力。

在工程化資源方面，開發了基于3DS Max繪制的建筑物幾何模型、基于Mava繪制的人物角色等模型，用戶能夠將繪制的模型導人到場景內進行驅動。該層次的資源主要應用于畢業設計、大學生創新項目;該資源應用于游戲開發、虛擬現實，以滿足企業工程項目開發的需求。

4個層次的資源構成了圖形學實踐教學資源庫，資源從單個知識點的學習、到多個知識點的綜合應用以及圖形系統的開發和基于真實建筑物的場景的繪制，全方位地強化了學生的動手能力。該資源庫既覆蓋了計算機圖形學教學全部知識點及教學全過程，義體現了工程應用特色。同時，該資源庫使教學模式由傳統的灌輸式轉換為案例化教學法，有效地培養了學生的邏輯思維能力、實際動手能力和應用創新能力。 （三）“微課程”建設 隨著數字信息時代的到來，以“微課程”為基礎的“微教學”模式逐漸在教育領域發展起來。為提高教學效果、增加學生獲取知識的方式，課題組進行了“微課程”資源建設。首先，選取課程的重要知識點和難點，再針對某一知識點進行教學設計，結合案例資源制作演示文稿PPT、微教案、微反思、測試題及教師點評等。其次，采用“錄屏”方式錄制短小精悍的微視頻。

“微課程”具體建設項目為：1.直線的Bresenham算法;2.圓的中點算法;3.直線的反走樣算法;4.有效邊表填充算法;5.二維幾何變換算法;6.三維幾何變換算法;7.正交投影算法;8.Bezier曲線算法;9.Bezier曲面算法;10.斜投影算法;11.透視投影算法;12.背面剔除算法;13.簡單光照模型算法;14.三維紋理映射算法;15.函數紋理映射算法。

三、“案例化”+“微課程”教學方法

（一）“案例化”教學方法使教學重點從傳授知識轉向能力培養

在教學過程中，采用“公式原理一算法實現一實踐拓展”的教學法取代傳統的知識講授教學方法，將編程實踐貫穿于整個授課過程中，讓枯燥的理論在實踐中得到檢驗。教師在講解原理和算法時，引導學生分析和歸納，設計編程思路，實現所需圖形的開發÷這樣既傳授了圖形學的理論算法，義提高了學生的編程實踐能力。

（二）“微課程”教學方法使教學模式由傳授方式轉向引導方式

“微課程”作為一種教學資源在電子書包、線上線下學習和翻轉課堂教學中有著非常重要的作用，它可以作為課堂教學講授的實例演示與補充，微課還可成為翻轉課堂的教學資源?！拔⒄n程”具有“碎片化學習”和“情景化學習”的特點，有利于學生課前預習、課后復習，讓學生能根據自身掌握的情況反復學習。這種學習方法，更符合學生的認知心理特點[10]。

案例化課堂教學是面對面教學，它的優點是可以和學生互動教學，有利于激發學生學習的主動性，有利于學生實踐能力的培養;缺點是教學過程不可重復，無法兼顧學生的差別化學習進度與節奏。而微課具有學習可重復性的優點，學生可以根據自己的學習節奏靈活選擇，但缺乏課堂互動是微課的缺點。將“課堂案例化”和“微課程”線上線下教學方法相結合，這既改變了傳統教學方法的弊端，義激發了學生學習的主動性，能為培養適應社會需求的應用型人才奠定基礎。

（三）教學考核評價

由于該課程是實踐型很強的課程，因此課程考核評價采用以編程操作為主的上機考核。通過建立注重過程評價、突出能力導向的多元化考核評價體系，提高學生參與課堂教學的積極性，從而實現對學生能力導向的全面客觀評價。

考核評價分為課堂過程性考核+實驗考核+期末大型作業上機編程考核。課堂過程考核分值占總分的50%，實驗占總分的30%，期末占總分的20%。

課堂過程性考核的方法是將學生分組、定期輪流進行考核，要求學生完成課后作業后，按要求進行程序演示并回答教師的提問，最后提交全部的源代碼與相關文件的電子檔。實驗考核方法是根據完成實驗項目的情況進行評定成績，包括程序代碼是否符合編寫規范、運行程序是否實現了預期效果。期末大型作業通過上機編程進行評價成績，包括程序運行效果評價、設計報告評價，設計報告內容要求有源代碼和說明書。

四、結束語

根據應用型本科院校的培養目標，加強計算機圖形學應用型課程建設是高等教育發展的必然趨勢。在網絡技術和信息技術環境下，教學方法應該與時俱進。這要求課程要有豐富的教學資源，本課程建設了豐富的教學資源，順應了新時代發展的要求。“案例化”+“微課程”的線上線下教學模式提高了教學效果，這種新的教學模式將是未來發展的重要方向。

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[2]魏海濤，魯漢榕，楊瑞娟，等.科學地構建“計算機圖形學”的教學內容，促進計算學科的全面發展[J].計算機教育，2008（ 20）：107-112.

[3] 李海艷，駱繼明，黃運保.基于典型機械產品案例《計算機圖形學與CAD技術》課程實驗教學方法與實踐探索[J].機械制造與制造工程，2016（1）：86-88.

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[9]Shieh， D.These Lectures are gone in 60 seconds[J].Chroni-

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[10]胡鐵生.“微課”區域教育信息資源發展新趨勢[J].電化教育研究，2011（ 10）：61-65.

[責任編輯：陳明]

[收稿時間] 2019-02-25

[基金項目]校級教研項目，項目編號：2017YJ04Y。

[作者簡介]孔令德（1964-），男，山西太原人，博士，教授，研究方向：圖形圖像處理技術