金課導向下GIS專業“計算機圖形學”教學實踐探究

林偉華，劉福江，鄭貴洲，楊 乃

(中國地質大學(武漢) 地理與信息工程學院，湖北 武漢 430074)

近年來隨著我國高等教育不斷發展，高等教育質量的問題引起教育工作者的廣泛關注。特別是2018年6月教育部召開了新時代中國高等學校本科教育工作會議，提出建設“一流本科教育”的要求。本科教育的主體是專業教育，專業教育的核心是課程。隨后，教育部印發《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》(教高函〔2018〕8號)的文件，提出“各高校要全面梳理各門課程的教學內容，淘汰‘水課’、打造‘金課’，切實提高課程教學質量”的要求[1]。

教育部自1998年將地理信息科學(Geographic Information Science，GIS)專業列入《普通高等學校本科專業目錄》中以來，我國已有超過170所高校開設GIS專業[2]，并且各高校在本科階段已將“計算機圖形學”作為GIS專業的必修基礎課廣泛開設。目前，國內一些學者和一線教師對GIS專業“計算機圖形學”的教學提出眾多好的建議和方法，取得教學效果[3-10]，以及針對金課建設的探索[11]。但是，在金課建設標準和要求下，針對GIS專業的“計算機圖形學”課程如何進行相關教學實踐還未有相關研究和探討。文中主要結合本校GIS專業教學實際，基于金課的標準和要求，從教學理念、教學內容、教學方法、考核評價等方面對GIS專業“計算機圖形學”課程建設進行探索和實踐，為進一步提升GIS專業“計算機圖形學”教學質量和GIS專業人才培養質量提供參考。

1 金課導向下教學思路

根據金課的“兩性一度”標準，即“高階性”“創新性”和“挑戰度”[1]，其中，“高階性”就是知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。“創新性”是課程內容具有前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。“挑戰度”是課程要有一定的難度[1]。

結合我校GIS專業的培養目標和“計算機圖形學”在GIS專業中的角色定位，GIS專業“計算機圖形學”課程的“高階性”是將GIS與“計算機圖形學”專業知識、能力、素質的有機融合，培養學生解決GIS工程與技術等有關圖形處理方面復雜問題的綜合能力和高級思維。“創新性”是指課程內容能反映GIS圖形處理與可視化技術的前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，充分利用現代各種線上線下教學優勢，學習結果具有探究性和個性化。“挑戰度”同樣是指課程對學生要有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。

GIS專業“計算機圖形學”的教學需緊密與GIS專業內容和特征相結合，以金課的“兩性一度”為標準，以培養學生解決復雜問題的綜合能力與思維為目標，以重塑教學大綱、教學內容、教學方式、考核評價為抓手，以問題為導向的混合立體教學模式為核心，全面探索和實踐GIS專業“計算機圖形學”的課程教學，培養GIS專業高質量創新人才，如圖1所示。

以問題為導向的混合立體教學模式具體體現在：一是強調學生解決問題能力的培養，以解決GIS中有關圖形處理與可視化問題為整個理論教學和實踐教學的主線，轉變以往強調以知識為導向的培養和以教材知識點為主線的教學方式。二是強調學生自主學習能力的培養，充分利用線上、線下授課和實踐等多種方式，完成主動學習、課程講授、師生互動等形式的教學，轉變以往教師教什么學生學什么的被動教學方式。三是強調教學全過程多維度考核評價，轉變以往較少顧及學習過程的以最終筆試、實踐成果與報告為主的單一考核評價方式。

圖1 金課導向下的教學思路

2 課程教學模式

2.1 課程教學內容

基于金課導向下的GIS專業“計算機圖形學”教學“兩性一度”的要求，從解決GIS有關圖形處理和可視化問題的角度梳理和重塑教學內容，如表1所示。課程選取的教學內容依據和特點主要考慮以下幾個方面。

表1 問題導向的課程內容

一是針對傳統面向計算機類專業的“計算機圖形學”教學內容缺少與GIS專業技術中有關空間數據處理、分析、可視化的算法相結合及其缺少與GIS可視化最新技術相結合的問題，要把傳統面向計算機類專業的“計算機圖形學”課程根據GIS專業技術要求從內容上、側重點上進行刪減和補充，并將二維、三維GIS可視化最新技術和硬件發展相結合，最大限度地體現教學內容的創新性。

在結合GIS與傳統計算機類專業的“計算機圖形學”的教學內容上，重點刪除GIS中不會涉及的一些教學內容，選取在GIS中會涉及到的二維和三維圖形處理與可視化算法，并補充一些計算幾何和GIS常用算法。如刪除計算機動畫等內容；加入點、線、弧段、圓、多邊形之間關系判斷，多邊形疊加分析區域計算、線緩沖區計算、多邊形面積計算、三角網生成、地圖符號生成等常用GIS算法的教學內容。在將二維、三維GIS可視化最新技術和硬件發展結合方面，主要結合空間統計分析可視化、大場景空中/地上/地表/地下三維一體可視化、VR/AR技術等相關技術等。

二是針對傳統面向計算機類專業的“計算機圖形學”教學過程忽視學生利用“計算機圖形學”知識解決GIS應用、開發、研究等問題的能力培養問題，首先將每一章節從解決其應用性問題、技術性問題、研究性問題等三個層次為主線設計相關教學內容，然后綜合解決問題，即利用“計算機圖形學”知識解決GIS數據處理與可視化中的工程與技術問題，其問題的難度和解決問題的工作量依次增加，充分綜合運用已學的基礎知識，循序漸進地鍛煉學生解決問題的能力，實現課程教學的高階性。

三是針對傳統面向計算機類專業的“計算機圖形學”教學過程著重講授圖形處理和顯示的基本經典算法，而忽視GIS可視化中最新研究成果和前沿技術問題，每個章節的教學內容不僅需要掌握傳統經典的相關算法，還需要講授與本章節相關最新的GIS技術與方法，引導學生通過自己動手查閱文獻，讓學生掌握最新研究成果或相關改進的算法，在難度上較以往有一定的挑戰度。

2.2 課程教學方式

為了實現GIS專業“計算機圖形學”金課培養的目標，課程教學方式是核心。與傳統主要依靠教師講授,學生被動吸收知識不同，要充分利用課前、課中和課后多個環節，調動學生主動學習的習慣和能力，并針對不同的教學環節利用線上和線下教學優勢施以不同教學方法，這也是體現金課對教學方式的“創新性”要求，如表2所示。其中，課中主要指傳統授課課時部分，課后主要指課外學時和上機學時部分，課前主要指課外學時部分。

表2 不同環節的課程教學方法

在課前可利用QQ群、騰訊課堂和超星學習通等工具打造線上金課,在線上提供給學生進行自主學習的要求、任務和材料，采用個體化和實踐的教學方法，讓學生在課前充分利用自主時間完成教學內容自學，并完成作業和實踐，讓學生通過自己的努力解決相應教學內容的應用性問題和技術性問題，并在規定時間內提交作業和提交未解決或疑惑的問題，問題經教師匯總、整理和分類后，通過線上推送給所有學生或分小組學生，讓學生通過思考、動手實踐、查閱資料等方式準備解答問題的內容，為課中翻轉課堂的順利開展提供基礎。其中，學習材料有課程大綱、課程日歷、課程問題與作業、課程PPT、課程微視頻、網絡課程資源鏈接等。

課中教學主要采用教師中心和相互作用的教學方法打造線下金課。課中教學的教師中心方法主要是以每章節教學內容相關的應用性問題和技術性問題為主線，采用啟發式、案例教學法等，針對教學內容的重點、難點知識，通過教師講授方式進行教學，該方式占用課中教學1/2—2/3左右學時。課中的相互作用方法主要是針對課前提交作業和未解決或疑惑的問題設計翻轉課堂，由學生唱主角，教師在一旁引導，通過全班討論、小組討論等方式完成問題的預解答，最后由教師進行點評、總結，該方式占用課中教學1/2～1/3左右學時。另外，課中的實踐課程學時主要是完成實踐教學。

課后教學主要采用個體化的教學方法、實踐的教學方法、相互作用的教學方法打造線上與線下金課。一方面課后針對課前和課中遺留的問題進行學生個體線上和線下答疑；另一方面針對研究性問題和綜合實踐的學習任務，通過小組討論、查閱資料等完成相關問題的解答。

2.3 課程實踐教學

構建全周期學習的多層次實踐教學是打造GIS專業“計算機圖形學”金課的重要一環。從實踐教學過程看，相較以往主要在課后完成驗證性實驗教學方式，實踐教學的核心是通過學生自主學習在課前完成驗證性實驗，學生在課中通過自己動手完成具有探索和研究性的提高性實驗，學生在課后組成團隊合作完成有一定難度的、需要解決GIS工程技術可視化方面的綜合性實驗，這些實踐課程在設計時要考慮到具有一定的“挑戰度”“高階性”“創新性”要求。

課程實踐教學是充分利用不同的教學時間，將專業知識、能力、素質等培養要求與不同層次實踐教學任務有機融合，讓學生通過上機學會動手解決GIS有關圖形處理方面應用、工程技術以及綜合性復雜問題的能力，如表3所示。驗證性實驗、提高性實驗和綜合性實驗均是要通過學生自主學習，并通過上機應用和編程的方式進行教學。其中，驗證性實驗主要解決教學內容中應用性和技術性問題，提高性實驗主要解決教學內容中研究性問題，綜合性實驗主要解決金課要求的綜合性問題。

全周期學習的多層次實踐教學與傳統的實踐教學比較突出的特點體現在以下幾個方面。

一是傳統的課程實踐教學一般要求在上機實習學時內完成課程內容相關算法驗證的任務，與傳統的課程實踐教學的方式不同，該課程實踐需要在課堂課程前、課中的實踐課程學時內和課后完成不同的上機實習任務，實習時間從課程開始的前一兩周一直持續到課程結束后的三四周左右。

二是在每章節課堂學習前除了需自主在線學習和完成傳統習題作業外，還需熟悉和掌握本章節相關技術在GIS平臺或應用系統中體現的功能，并且對該章節所涉及的基本算法需要自己編程驗證實現。在課中的實踐課程學時內主要完成對已有算法的改進上機實習，其難度相對于傳統完成課程內容相關算法驗證任務有所增加，也需要學生在課程學時外花時間查閱一定的文獻。

表3 不同環節的課程實踐教學方式

三是實踐課程是將技術應用和編程開發相結合。技術應用主要體現在掌握課前需完成相關技術在GIS平臺或GIS應用系統中體現的功能，課后利用已有三維建模與可視化工具對特定區域構建三維系統。編程開發主要體現在課中對現有算法的改進，課后編程實現二維或三維GIS平臺編輯與可視化原型系統。

四是實踐課程將自主獨立上機實習和分小組團隊完成相結合，既鍛煉個人獨立思考和動手能力，又在解決大型GIS工程與技術綜合問題方面培養團隊合作精神。其中，在課前和課中實踐中以獨立上機為主，課后的綜合性實踐以分小組團隊合作為主，課后的綜合性實踐根據在項目實施中對項目管理、協調溝通、質量監控、方案編寫、技術研發等角色協同完成的需要，組建由3～4人構成的小組為宜，并按角色分工，每個學生可承擔幾個不同角色任務。

2.4 課程考核方式

合理的課程考核方式是打造GIS專業“計算機圖形學”金課的重要保障。考核主要是針對學生完成的具有一定“高階性”“創新性”和“挑戰度”的課前驗證性實驗成果、課中提高性實驗成果和課后綜合性實驗成果進行評價，如表4所示。在評價課前驗證性實驗成果、提高性實驗成果和綜合性實驗成果中，其解決GIS工程技術中復雜問題量越多評判的成績越高，其應用和探究完成的成果越新穎或具有創新點越多評判的成績越高，其完成的難度越高評判的成績越高。

與傳統以課程結束后通過期末考試和上機實踐成績為主要考核方式不同，本課題考核貫穿課前、課中和課后全過程，并且將個人考核和分小組考核相結合，既強調個人學習努力也考慮小組團隊合作精神考核，考核方式具有一定“創新性”。另外，將自主學習、講授、討論學習情況考核相結合，理論知識學習與上機實踐學習相結合，從提交或完成的程序、作業、表達、試卷、應用系統與平臺等成果，突出知識、能力、素養和創新等方面的多維度考察，如驗證性實驗成果、作業完成情況、期末考試等重點考察學生的基礎知識，提高性實驗成果、考勤和課堂成績等重點考察學生的動手實踐、表達能力，綜合性實驗成果從應用和開發兩方面重點考察學生的團隊合作素養和創新能力等。

3 結束語

在中國地質大學(武漢)GIS專業的近兩年的兩屆3個班的GIS專業“計算機圖形學”教學實踐中，通過文中以問題為導向的混合立體教學模式進行教學實踐，GIS專業“計算機圖形學”課程的教學效果和質量有了很大的提高，極大地提升了學生對該課程和GIS專業的學習能動性和探索精神，達到了一定的金課建設要求。對學生來講，該課程較以往只需掌握圖形處理與顯示的基本算法上難度有所提高，有一定的“挑戰度”；學生在解決GIS工程與技術有關圖形處理方面復雜問題的綜合能力上較以往有較大提升，體現了GIS專業“計算機圖形學”課程一定的“高階性”；學生掌握一定GIS可視化最新技術，并且學生的自主學習與探究能力得到較大提高，體現一定的“創新性”。

高校各專業在金課導向下的各課程教學也是不斷探索和完善的過程，需要眾多學者和教師根據金課的要求從教學思路、教學內容、教學方式、考核評價等多方面進行深入研究、探討和實踐，不斷地完善相關課程的教學內容和教學方法，提升教學效果和質量，最終達到金課標準。文中針對GIS專業“計算機圖形學”提供在金課導向下進行教學實踐的相關思路和方法，為全面探索和實踐金課導向下GIS專業其它相關課程教學，培養GIS專業高質量創新人才提供借鑒。