研究型教學模式在《計算機動畫》教學中的應用探索

王美麗，王澤鵬，楊 龍

(西北農林科技大學 信息工程學院，陜西 楊凌 712000)

一、引言

大學“雙一流”建設的目標是培養高水平創新型人才，目前高校教師以教學科研型教師為主，如何培養學生的創新能力、處理好科研與教學的關系是高等教育面臨的問題，研究表明，科研促進教學對于提高教師教學水平和科研能力以及培養學生創新思維和實踐精神具有重要的作用[1]。然而目前課程教學通常是教師以教授為主、學生以識記為主，沒有結合創新實踐的模式，這是造成學生普遍缺乏創新意識的主要原因。創建“雙一流”大學、培養創新應用型人才必須將教學與科研結合起來，一方面提高教師科研能力，把創新教育作為評價教師課程教學質量的標準；另一方面將教師科研成果引入教學，充分把科研優勢轉化為教學優勢，激發學生自主學習的興趣，實現教學、科研的相輔相成[2]。近年來，我國動畫產業發展迅速，涌現出了一批諸如《秦時明月》《大圣歸來》《哪吒》等優秀影視動畫作品，但是對動畫領域的投資力度相對較小以及對人才培養投入的不足嚴重制約了我國動畫產業的發展。為了推動國內三維動畫技術的發展，計算機動畫專業教學的改革就變得刻不容緩[3-4]。作者探索研究型教學模式在計算機動畫課程中的實踐應用。

二、目前課程教學存在問題分析

(一)課程設置不系統，授課內容分散

《計算機動畫》課程主要授課內容包括計算機動畫基本原理、基本概念、OpenGL動畫編程、圖形基礎、關鍵幀插值、粒子系統、角色動畫及物理動畫等，涉及的內容從學科基本理論知識到科研活動應用再到動畫產品制作，內容比較分散，且每一方面都有大量的知識需要學習，因此需要針對課程內容進行模塊化設計，讓同學們在每一個模塊都能形成系統性的知識框架，增加教學深度。此外教學內容與實際市場的需求相脫節[4]，考慮當前社會對計算機動畫專業人才的需求，計算機動畫專業的教學課程設置和教學內容需要注重創新型人才的培養。然而大多數高校并非如此，并沒有按照市場的需求去設置專業課程，在教學過程中采用照本宣科的死板模式，應用創新方面不夠突出，導致學生創新思維跟不上，不能滿足社會對計算機動畫專業人才的需求。

(二)與學科前沿結合不夠，缺乏科研訓練

計算機動畫技術發展迅速，然而目前授課使用的教材往往是幾年前撰寫完成的，未能與最新的科研技術接軌，導致教材雖然對領域內基本的知識講解充分，但是對最前沿的成果與最新發展方向講解不足，進而造成人才輸出落后，學生雖然掌握了基本的理論知識，卻不能迅速地應用到自己的科研方向上，阻礙了學生有意愿繼續深造的發展。

(三)考核方式不全面

目前多數高校對計算機動畫課程的考核依照傳統課程考核方法，主要以課程實驗、期末大作業為主，沒有深入的理論性指導，無法調動學生的積極性，而且通常由任課教師獨立完成成績評定，具有較強的主觀性，不符合本課程的特征，導致這種考核方式起不到積極促進的作用[3]。

三、改革措施

(一)授課內容模塊化設計

模塊化設計首先要遵循實用性原則，其次要注重系統性和復合性。通過梳理已有課程體系及課程內容進行模塊化設計，增加教學深度。結合課程內容分為以下三個模塊：動畫基礎(基本原理及概念、圖形基礎、OpenGL編程基礎、關鍵幀插值)、三維建模(多邊形建模、曲面建模、參數化建模)及動畫制作(流體動畫、角色動畫)。

針對每一個模塊再進行小模塊梳理。以角色動畫中的人臉動畫為例，小模塊設計思路如下：三維建模-三維掃描儀獲取-變形技術-數據驅動動畫生成，其中人臉動畫制作的四個模塊之間層層遞進，每一個模塊都在前一個模塊完成的基礎上構建，具有很強的邏輯性。模塊化課程設計有助于增強課程內容間的邏輯性，幫助學生更快地建立科學的理論體系，有助于學生對科學知識的理解與記憶。

(二)科研嵌入式教學模式

在課程內容模塊化設計的基礎上，結合前沿技術和科研成果，開展科研嵌入式教學模式的探索以強化教學質量[5]，具體體現在以下幾個方面：

1. 認真設置科研課題，融入教師的科研感悟

大部分高校設置的教學課程重視基礎理論教學的研究，而一個領域的研究不是停滯不變的，尤其對于計算機領域其發展更是日新月異。因此，課程設置應結合最新科研成果和市場需求，在模塊化授課內容的基礎上認真設置科研課題[2]。以計算機動畫課程為例，可以為學生挑選出2-3個當下最新的動畫領域科研成果報告會，在課程設置中加入在線觀看技術報告會這一環節，觀看結束后師生可進行交流和討論，讓學生增強對理論教學和科研實踐二者之間融合與聯系的認知度，從而提升學生學習相關專業知識的主動性和積極性。除此之外，課程的教學可適時引入教師本人的科研課題，從中提煉出適合學生水平并具有一定挑戰性，符合課程特色的理論或實踐課題。筆者從事的是計算機圖形圖像的相關研究，在教學安排中，可從中選取相關的科研成果來設計課程項目，主要考慮一些能讓學生喜聞樂見、具備深度且適合用動畫展示出來的科研項目，從而激發學生的科研興趣。

2. 采取靈活多樣的授課方式

以大班講授、小班研討、科研團隊輔導為整體教學模式。采取學院認證教學科研團隊、學生選擇教學科研團隊的模式來進行教學[6-7]。

首先主講教師以制定的科研課題為例講授課程內容，授課過程中允許師生互動討論，將學生的學習積極性調動起來，緊接著將需要實踐的部分給學生予以演示，實驗條件允許的話應該將學生的實踐部分也加入進來，便于學生對課堂所學知識點進行初步探索。為了便于教師輔導，可以將學生分成小組，對于30人的課程容量，可設置1名授課教師以大班形式授課，3個科研團隊以小班形式進行研討。

3. 注重啟發式輔導及課題延續性的應用

教師可以通過設置問題的方式提高學生的主動性，例如在模型創建中，可以向學生提出模型是否體現了角色特征、還可以增加哪些細節、模型是否能夠在不同情景下活動自如并做出合適的姿態等問題。在編程中，可以向學生提出如何減少內存的開銷、如何提升程序運行的速率、代碼是否可以簡化等問題。在動畫制作中，可以向學生提出動畫的故事是否有改進的地方、動畫的制作速度能否提升等問題。這些問題可以讓學生在學習過程中主動思考，使學生對知識的掌握更加牢固。

4. 設計實驗題目—科研訓練—畢業設計一體化訓練模式

計算機動畫課程具有很強的實踐性，因此需要整合實驗項目，將科研思維融入實驗教學，從而有效提升教學質量[8]。在課程內容模塊化的基礎上，從平時實驗課程中精選出實驗題目，通過對實驗題目進行凝練，作為科研訓練項目，進一步對科研訓練項目進行升華，作為畢業設計題目，使得從設計從實驗題目到科研訓練再到畢業設計，逐漸探索出科研訓練和畢業實習一體化的教學模式[9]。

5. 科研訓練基礎環節-文獻閱讀與綜述

文獻閱讀是學生跨入科研門檻、提升科研能力的基礎，然而多數學生初步嘗試閱讀文獻時常常會感到困惑，例如不知道閱讀哪些論文、讀多篇論文還是精讀論文。不可否認，一定的數量會帶來質量的提升，但前提是要采用正確的方法。首先對于文獻的精選，應該首先選擇精選領域內頂級期刊、會議論文，針對計算機動畫，推薦ACM Transactions on Graphics(TOG)、 IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics(TVCG)及ACM SIGGRAPH Annual Conference(SIGGRAPH)等期刊與會議的相關論文，挑選重點文章進行精讀。

在文獻閱讀的基礎上，應引導學生積極進行文獻綜述。教師可以首先要求學生在科研實踐前根據所選課題完成一篇3000-5000字、參考文獻20篇以上的文獻綜述；在熟悉前人研究工作的基礎上，要求學生提出針對選題的可行性實驗方案。接著學生根據自己的科研訓練方案按計劃進行實戰操作，完成既定訓練目標，科研訓練任務結束。最后學生根據科研訓練內容寫出科研訓練總結報告。在第八學期開學后，教師指導學生進一步分析方案，查閱文獻資料，提出創新點，擬定畢業論文題目。在科研訓練及畢業設計基礎上，鼓勵學生撰寫學術論文，提升本科生科研水平。

6. 科研反哺教學，從課內走向課外

科學研究對于部分學生來說相對枯燥，不利于激發學生主動學習的興趣，且理論知識過于抽象，不利于學生對學科內容的深入理解，因此可以鼓勵學生參加“計算機動漫創意大賽”及各地區級的動漫設計大賽等與動畫課程相關的競賽，將科研進一步帶入到課外實踐中，將知識運用到實際的創作中，從而讓學生學以致用，激發對科研更深層次的興趣。

四、教學效果檢驗

以上改革措施之間環環相扣，且具有非常明確的科研目的，任何環節的結果都與后續項目密切關聯，因此考核上也不能依照傳統方式，應該重新制定考核方案。通過以上改革措施可以將小組項目(含匯報)、科創項目(含匯報)、參加競賽、動畫作品及發表論文等五方面納入考核范圍[10]，針對以上項目單獨進行考核，其中任何一項都可以替代期末成績，學生可以都參與，最終取最高分作為期末成績。

學生完成課程實驗時，可以等到課程的全部授課內容、所有項目結束后，依據最終的實驗結果融會貫通地以單個項目、幾個項目的形式提交，無需每個實驗都對應一份實驗報告，最后由學生親自上臺對項目進行講述匯報，期間可與授課教師進行交流探討，促使學生用準確、簡明的語句講解自己的觀點。這樣的模式不僅可以提升學生的實驗創新能力和動手能力，而且能培養學生對實驗數據的敏銳度、增強對實驗過程的歸納總結熟練度和概括實驗結果的精準度、科學規范的科研論文寫作能力和對實驗結果的分析與匯報能力，為完成其他科研項目和以后研究生階段的培養任務奠定基礎。

以上項目完成情況考查學生對授課內容的掌握程度、編程能力、自主解決問題及匯報能力等；進一步的科研訓練是小組項目的延伸，一般獲批率不到20%，對于能夠獲批科研項目的同學，直接認定為良好以上，具體成績由獲批的科研項目等級決定。

科研交流同樣是一項十分重要的科研能力，科研人員之間的交流往往能給自己的研究帶來更多的啟發，推動研究的進展，目前國際上眾多的學術會議都是為了給科研人員提供一個交流的平臺。發表科研論文是進行科研交流的前提，在小組項目、科研訓練基礎上，科研論文主要考查學生對實驗數據的分析、結果歸納、寫作能力及對相關文獻資料的掌握。對于學生的來說，寫作能力是一項十分重要的科研能力，良好的寫作能力不僅有助于之后論文的撰寫，也能讓學生在進行學位論文撰寫時更加輕松。在教學考核的內容中增加論文寫作的內容既可以達到優化考核的目的，也可以提前讓學生鍛煉自己的論文寫作能力，是一項一舉多得的舉措，此項成績認定主要參考學生發表不同級別刊物的論文來定。

五、結論

為了滿足培養高水平創新型人才的需求，我們必須要對傳統的教學模式進行改革，而實現教學與科研的相輔相成對計算機動畫課程教學改革來說是非常必要的。作者分別從授課內容選取、授課模式、實驗設計以及考核方式等方面進行實踐闡述，深度融合科研于各個教學環節中，致力于構建完善、有效的研究型教學模式，最終取得科研和教學相輔相成的模式成果，提升知識傳播效果及學生的知識水平，進一步提高學生的創新能力和科研能力。