啟發式教學理念與方法探究

楊朝斌 劉麗峰

[摘 要] 利用啟發式教學理念與方法，以地理信息科學專業“計算機圖形學”教學為例，對課程內容的設計、課程知識的傳授及課程教學手段的融合進行了詳細闡述，提出了“關鍵詞、關鍵句、問題刺激、對比聯系和核心思想”等五種啟發式教學方法，以及“全息化、重實踐、自啟發和綜合性”四種教學手段，通過啟發聯想，充分激發學生學習的主動性，幫助學生牢固掌握課程知識和技能，培養鍛煉獨立思考和動手實踐的能力，將課程與專業、專業與實際需求緊密聯系起來。啟發式教學理念與方法的探究，對專業課程教學都有較強的啟示意義。

[關鍵詞] 啟發式教學;計算機圖形學;地理信息科學;理念與方法

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）03-0145-04? ?[收稿日期] 2020-12-23

作為中國傳統教育思想的精華，啟發式教學是“以學生為主體，教師為主導”的現代教學理念的具體體現[1]。啟發式教學關鍵在于如何啟發和啟發什么，而落腳點在于“教”與“學”。從廣義上來說，啟發式教學不僅能夠激發學生的學習興趣，充分調動學生學習思考的積極性和主動性，也能夠對教師教學活動的各個步驟進行啟發，從而使“教”和“學”兩個方面同時受益[2，3]。地理信息科學（GIS，Geographic Information Science）是一門研究如何收集、管理、處理、分析、輸出和應用地理信息的科學，涉及地圖學、地理科學、測繪科學、計算機科學和信息管理學等眾多學科，其重要的核心功能之一是利用計算機技術對“點、線、面、體”等圖形形式呈現的地理信息數據進行空間分析。“計算機圖形學”是一門研究如何利用計算機生成、處理和顯示圖形的學科[4]。因此，計算機圖形學對于GIS專業的支撐和發展，對于GIS學生編程開發能力的培養都具有重要意義。目前，“計算機圖形學”作為一門專業基礎課程已在國內絕大多數高校的GIS本科專業開設。

任何一門專業課程的改革，任何一種教學方法的改進，最主要的目標只有一個，就是幫助學生快速牢固地掌握所學知識技能并能夠將其靈活應用于專業領域。本文結合豐富的教學實踐經驗，總結概括目前GIS專業“計算機圖形學”教學過程中存在的問題，并探討如何利用啟發式教學思維和方法有效解決這些問題，從而促進“計算機圖形學”教學質量的提升。本文所述啟發式教學理念與方法結構框架如下圖所示。

一、GIS專業“計算機圖形學”教學問題

傳統“計算機圖形學”課程難度較大。“計算機圖形學”綜合性強，融合了計算機科學、數學和物理學等學科知識，以大量圖形算法為主的核心內容需要較高的數學功底作為支撐，此外上機實踐操作又需要較強的邏輯思維和動手能力，因此從客觀上來說課程難度較大，不易掌握。

學生畏難情緒較為普遍。GIS專業圖形學課程一般開設于大三年級，大部分學生對編程開發環境不夠熟悉，對于含有編程開發的課程具有畏難情緒。如果無法激發學習的主動性，學生會被復雜圖形算法等內容逐漸消耗，甚至出現“抵觸”“放棄”等嚴重不良情緒，使得學習的目的僅限于獲得必要學分，違背課程開設的初衷。

課程內容與GIS專業聯系性不夠緊密。絕大多數《計算機圖形學》教材針對計算機專業編訂，教師很難選擇一本難易適中且適合GIS專業使用的教材，學生也很難從教學內容中發現與本專業的緊密聯系[5]。計算機專業教師雖然具備系統的知識儲備和相對豐富的編程經驗，但大都缺乏對GIS專業的深入了解。

教學觀念和手段的落后。觀念上，GIS專業圖形學任課教師可能存在麻痹思想，輕視課程的重要性，并沒有深挖專業需求與課程內容之間的內在關聯性。手段上，“填鴨式”“滿堂灌”的授課方式往往導致課程晦澀難懂、枯燥無味。此外，還存在實踐教學缺乏、實驗工具陳舊和考核方式單一等問題。

二、啟發式理念用于課程內容設計

為了解決“計算機圖形學”課程難度較大及課程內容與GIS專業聯系不夠緊密的問題，本文提出課程內容的設計應該遵循“精選”“聯系性強”和“平衡”三個基本原則。“精選”是指GIS專業“計算機圖形學”課時往往偏少，而課程內容卻包含大量理論知識和實踐需求，課程安排需要做到有舍有得，精選內容。“聯系性強”是指要充分考慮課程內容符合GIS專業的特色和需求，在精選的前提下，授課重點傾向于與專業關聯性較大的知識點。“平衡”是指不能為了盲目加強與GIS專業聯系而忽略“計算機圖形學”本身重要的理論、方法和技術，也不能一味追求圖形學“高、精、尖、新”的內容而放棄與GIS專業的聯系。為此，教學內容（具體章節可做適當拆分和融合）可做如下安排。

1.計算機圖形學的基本問題。具體包括計算機圖形學概念與研究內容、發展歷史與趨勢、應用領域，以及圖形軟硬件系統等。計算機圖形學和GIS專業的共同點之一是利用計算機處理圖形，計算機圖形學的發展歷程為GIS提供基礎，而GIS反過來能夠拓展計算機圖形學的應用領域[6]。在圖形軟硬件系統中，有目的的介紹GIS掃描儀、繪圖儀等硬件系統，能夠將課程內容與專業緊密結合，一開始便抓住學生的心，使其建立起濃厚的學習興趣。

2.二維基本圖形生成算法。圖形算法是傳統計算機圖形學基礎且重要的核心內容，具體內容包括直線、圓弧生成算法、區域填充算法和字符生成等內容。學生開始接觸算法并需要上機實驗生成圖形，啟發式理念對教授該部分內容的指導便是“夯實基礎”，用教育部部長陳寶生先生的話來講就是“基礎不牢，地動山搖”。

3.圖形變換與處理。該部分內容主要包括圖形基本的平移、縮放等幾何變化，投影視圖變換、裁剪算法等內容，而GIS對于空間數據處理操作中也常涉及“平移、投影變換、裁剪”等專業名詞。啟發式理念可以讓學生對比分析相同名詞在不同情境下的差異點，一個名詞，兩種知識，從而達到一石二鳥的效果。

4.復雜圖形生成。曲線曲面的生成包含眾多復雜算法，算法的有效改進對于圖形學本身的發展具有極大的促進作用，但卻不是GIS專業的重點。啟發式理念在此部分教學內容中體現為重點講授貝塞爾曲線和B樣條曲線，培養學生的編程思維，做到課程和專業的有效平衡。

5.圖形顯示。圖形顯示主要包括消隱算法、真實感圖形繪制所涉及的顏色模型、光照模型等內容。啟發式理念可將此部分內容聯系GIS中虛擬三維現實技術進行授課，從而使課程結合專業應用實際，讓學生從實例中感受到課程和專業的實用性。

三、啟發式教學方法用于課程知識授課

筆者結合多年的實際授課經驗及學生反饋信息，經過精心思考和反復斟酌，將啟發式教學方法劃分為“關鍵詞、關鍵句、問題刺激、對比聯想及核心思想”五個子類型啟發式教學法，并通過具體知識點案例進行闡述。

1.關鍵詞啟發式教學法。顧名思義，教師通過幾個關鍵詞（一般不超過5個，最好2～3個）對某個知識點進行總結概括并對關鍵詞的含義進行詳細闡述。例如，在計算機圖形學的概念教學中，選取“生成、處理和顯示”三個關鍵詞。“生成”可以解釋為如何利用計算機生成一個三角形。如果圖形的位置或大小等并不令人滿意，需要對圖形進行相關“處理”，比如裁剪掉一個角;處理結束后，在最終的“顯示”環節，需要對三角形的顏色、光照等進行真實感圖形繪制。經過此番啟發式闡述，相信學生對計算機圖形學的概念及整個課程的內容都能有一個明確而具體的認識。

2.關鍵句啟發式教學法。類比于關鍵詞，關鍵句是教師總結一句內涵豐富且幽默風趣的話對知識點進行概括闡述。例如，在中點畫線算法的授課過程中，筆者總結出“MM，你想靠近誰？”這樣一句話，表面看似幽默且不相關，實則較好地反映了核心內容。對關鍵句的內涵進行如下闡述：“MM”并不是指“美眉”，而是指“Middle”，也就是中點的意思;“你想靠近誰”實則是一個端點選擇問題。幽默風趣的話語能夠吸引學生的注意力，不至于使學生走神或感覺課程無趣，而啟發式教學的落腳點仍舊在于對關鍵句的合理闡釋。

3.問題刺激啟發式教學法。問題刺激啟發式教學方法更側重于培養學生思考問題、深究問題的主觀能動性[7]。此方法的關鍵點在于如何提出一個有效的問題。例如，在基本圖形生成算法的初次授課中，GIS專業大三學生已經進行過數字矢量化操作，通過鼠標點擊任意兩點便可生成一條直線。因此，可以提出這樣一個問題：透過ArcGIS軟件表面，計算機內部是如何生成這樣一條直線的呢？這樣結合專業的問題更容易激發學生的學習興趣。

4.對比聯想啟發式教學法。GIS專業和計算機圖形學共享一些相同或者相近的專業名詞，比如“投影”“縮放”“裁剪”“插值”等。在講授顏色模型的時候，電磁波波長決定顏色的色調差異，教師可以利用“波長”進行對比聯想GIS專業“遙感”課程的波譜物理基礎。筆者發現，每當在授課過程中適當穿插GIS專業的知識用于課程教學，通過眼神交流發現學生專注度會明顯提升，通過考核發現學生對于相關知識點的掌握也相對牢固。

5.核心思想啟發式教學法。“計算機圖形學”中有許多核心思想，比如DDA算法中的“增量”思想可以解釋為：很多問題并不一定非得從頭開始，在前一步的基礎上通過“增量”就可以得到結果;區域子分割算法所體現的“分而治之”的思想，可以解釋為復雜問題無法直接解決的時候可以將其劃分為小問題，如此循環，直至小問題能夠容易解答。“授人以魚不如授人以漁”，核心思想啟發式教學法是一種思想的高度凝練，不僅有效升華了課程的知識點，而且對于專業學習乃至學生的終身發展都能起到明顯的作用。

四、啟發式思想與教學手段融合

隨著互聯網等現代技術的快速發展，教學理念和手段不斷更新迭代，“線上+線下”的混合式教學理念和任務驅動式教學理念等有效促進了教學效率[8]，為了充分調動學生的學習主動性并進一步豐富傳統的教學模式，筆者受技術和理念的啟發，在教學手段上推薦以下幾種方式。

1.“全息化”的教學手段。“全息化”是指全部所有的信息，應用于教學則具體指綜合運用黑板板書及圖形、音頻、視頻等多媒體手段，結合教師聲情并茂地講解，充分調動學生的聽覺、視覺及思考能力和動手能力，在課堂有限的時長內發揮最大的作用。“全息化”的教學模式，手段豐富，可以把抽象、教條、晦澀難懂、不易想象的知識點，以圖形圖像、動畫音頻等“看得見、聽得著”的方式具體化地表現出來，便于學生理解記憶。

2.“重實踐”的教學手段。對于含有編程內容的“計算機圖形學”來說，實踐教學尤為重要，因為從理解圖形算法到看懂偽碼，再到上機調試成功之間可能困難重重[9]。“夯實編程基礎”，首先選取難度適宜、功能強大的開發工具（例如OpenGL），在最開始的上機實驗中便嚴格要求學生必須牢固掌握編程開發環境[ 10 ]。“設計實驗項目”，依據課程內容和時間安排課時，精心設計三個實驗大項目，包括圖形生成、處理和顯示三部分，每個項目包含實驗目的、內容、代碼、報告等形成規范準則的內容。“提倡因材施教”，學生編程能力差異較大，對有興趣有能力的學生可適當設置開放性、發揮性的實驗，例如實現地球繞太陽旋轉的動畫，繪制逼真汽車模型，等等。

3.“自啟發”的教學手段。教與學不能完全割斷，形成教與學之間良好的反饋機制十分必要。“自啟發”的教學手段，讓學生定期對教師教學和學生所學進行反思總結，知道好的方面是什么，缺點在哪里。通過師生的有效互動來共同提升教與學的質量。通過自我反思總結，有的學生會有極大的收獲感和滿足感，有的學生會有疑惑。正是通過學生“自啟發”的反饋，教師不斷改進，才能逐步解決問題，提高教學質量。

4.“綜合性”的教學考核。如何客觀、準確地進行考核尤為重要。單純的期末考試已經不適用于專業和課程的發展，多層次與過程性相結合的“綜合性”考核方式應運而生。可將考核成績分為三大部分：平時成績（10%）、實驗成績（30%）和期終考試（60%）。平時成績細分為考勤、課堂表現、作業情況等內容;實驗成績細分為基本原理、算法實現、結果分析和拓展性實驗等內容。實踐表明，“綜合性”的教學考核取得了較好的反饋機制，學生在整個學習過程中都保持著積極的態度。

五、結語

“不憤不啟，不悱不發。舉一隅不以三隅反，則不復也。”啟發式教學理念與方法是一種富含中國傳統教育思想的重要教學方式，歷經發展，不斷注入新鮮血液。啟發式教學的理念和方法具備一定的靈活性，可以與其他教育理念和科學技術的發展相互融合，但其最主要的鮮明特征仍是充分調動學生學習的積極性和主動性，通過啟發的方式，舉一反三，建立課程與專業、專業與實踐之間的密切聯系，將知識和技能牢固掌握的同時，能夠發現問題、思考問題和解決問題。

“計算機圖形學”是一門理論性與實踐性并重的課程，與GIS專業聯系密切，本文借助啟發式教學理念與方法對課程內容的設計、課程知識的傳授及課程教學手段的融合進行了詳細闡述，試圖解決目前存在不足的地方，尤其五種啟發式教學子類型方法和四種教學手段的提出，無論對于本課程還是其他專業課程都有較強的借鑒意義。時代的發展催促專業與課程的與時俱進，學生素質與水平也快速提高，啟發式教學理念與方法也會不停迭代，對于教學改革和提升，教師需要而且愿意花費更多的時間和精力才能提高教學質量，促進學生發展。

參考文獻

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[10]杜利峰，李竹林.基于OpenGL的計算機圖形學教學改革探索[J].電子設計工程，2012，20（13）：6-8.