面向一流課程目標的圖形學課程思政設計

馬 天，張杰慧，符立梅，王羅惠

（西安科技大學計算機科學與技術學院，陜西西安 710054）

0 引言

為貫徹落實中共十九大精神和習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的講話精神，教育部于2019 年啟動一流本科課程“雙萬計劃”，在實施意見中明確指出建設目標：“落實立德樹人根本任務……深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，建設新時代要求的一流本科課程。”隨后，教育部在2021 年啟動了課程思政示范課程、團隊和研究中心的建設工作，通過示范引領和資源共享的方式，促進課程思政高質量建設。文獻［3］提出課程思政建設與教學改革的“四步工作法”，包括教學理念突出專業特點、教學方法講究授課風格、教學資源打造課程品牌及教學管理固化教學成果；文獻［4］通過綜合分析課程思政的內涵，指出重點在專業課程中實現顯性與隱性教育的融通，從知識、能力和情感3 個方面設定課程目標。

對于計算機類專業課，文獻［5］分析專業課在規模、感染力、靈活性等方面的優勢，根據計算機類專業的特點，挖掘人文、倫理、敬業、時政等五類思政元素；文獻［6］設計7個與愛國主義教育、法制教育等思政主題相融合的Python程序課程教學案例；文獻［7］從軟件需求分析過程中，凝煉出社會主義核心價值觀、職業素養等思政元素，提升學生參與度及其對熱點問題的認知；文獻［8］進行計算機圖形學課程中隱性思政教育探索，嘗試在各部分教學內容中融入社會主義核心價值觀，并通過在線微視頻等方式進行拓展教育；文獻［9］以OBE 理念為指導，精心組織操作系統課程教學內容，并融入國產系統技術自信的思政元素；文獻［10］指出目前專業課程思政缺乏系統性設計問題，設計計算機類專業課程思政建設的一種層次目標體系結構，給出溯源溯理和自然引領的兩種教學方法，以及一種“學、思、踐、悟”的教學策略。

計算機圖形學作為計算機科學與技術、軟件工程等專業核心課程，側重技能培養，理論與實踐應用并重。通過本課程的理論教學和實驗，使學生了解計算機圖形信息處理的基本理論和方法，掌握基本圖形屏幕顯示的程序設計方法，培養學生的獨立思考能力，結合理論和實踐環節，培養和提高學生分析問題和解決問題的能力，為進一步學習虛擬現實與可視化相關內容打下堅實的理論和實踐基礎。綜上所述，課程思政是一流課程建設核心目標之一，是大學生思想政治教育的有效補充，專業課程則是課程思政最主要和最理想的陣地。但是，現有研究普遍缺少基于課程目標的系統性課程思政設計。因此，本文根據一流本科課程建設和課程育人要求，分析制定課程目標，構建與思政元素有機結合的課程體系，并通過具體的教學設計闡述課程思政的教學過程，最后進行實踐效果分析。

1 課程目標制定

根據一流本科課程建設目標，參照計算機專業工程教育認證要求，結合學校“勵志圖存，自強不息”的胡楊精神，基于學校“立足西部，面向全國”培養應用型高級專門人才的辦學定位，突出培養心系社會并有時代擔當的技術性人才的目標任務，主要從知識、能力和素養等方面制定以下課程目標：

課程目標1：能夠依據計算機圖形學課程中的理論，分析圖形表示和生成算法；掌握二維圖形和三維圖形的幾何變換，立體圖像的投影變換、消隱處理和窗視變換，并建立各類變換的數學模型。

課程目標2：能夠運用計算機圖形學相關編程技巧進行各類算法的編程實現，在基本算法基礎上進行擴展，并運用調試工具進行結果分析、解釋。

課程目標3：能夠針對計算機科學領域的復雜工程問題，成立研究型學習小組，合作開發，選擇、使用技術與工具，團隊協作完成課程選題、設計、完善和匯報。

課程目標4：能夠主動與其他學科背景的成員合作，具備技術攻堅的使命擔當，培養求真務實、實踐創新、精益求精的職業素養。

課程目標關系如圖1 所示，4 個目標相互關聯、層次遞進，形成了系統性的培養目標要求。其中，“目標1”為課程基本知識理論內容的要求，“目標2”和“目標3”為圖形編程、系統分析和小組協作、表達等能力的要求，“目標4”對職業素養和思政育人提出了整體目標要求。

Fig.1 Progressive relationship of course objectives圖1 課程目標的遞進關系

2 課程體系構建

專業課的課程思政不同于思政課程，不是簡單直接地信仰價值傳授，思政元素也不是獨立于教學內容的大道理，需要教師不斷提高自身思想政治理論水平，堅持“鹽溶于湯”的課程思政理念，做到情景契合、內容融合，對章節內容進行分析、挖掘和升華，形成有機融入課程教學內容的“育人新體系”，使學生產生共情認同，進而達到專業知識和思政素養同步培養的目標。

根據層次遞進的4 個課程目標要求，立足學院專業特點和課程特質，充分挖掘課程各章節內容中的思政點，通過各種優秀中華文化、精神觀念拓寬學生的知識面，滲透到專業知識的教學過程中，構建如表1 所示蘊含思政素養的課程體系。第1、2 和10 章，重點培養學生文化自信、科技強國的擔當精神；第3-9 章，重點培養學生求真務實、精益求精的科學精神，以及博觀約取、分而治之的辯證思維。最終，達到培養專業知識扎實并有時代擔當的應用型高級專門人才的目標。

Table 1 Curriculum system with ideological and political objectives表1 蘊含思政目標的課程體系

續表

3 教學設計示例

課程教學采用線上線下混合式教學，在智慧樹平臺自建高級計算機圖形學原理與實踐慕課。本節以“第2 章二維圖形繪制”為例，詳細介紹該章課程內容與思政元素有機融合的教學設計。線下課程開始前，提前給學生布置線上慕課學習任務，包括直線掃描轉換算法、圓掃描轉換算法和面填充算法等基礎理論內容，線下課程則直接通過算法的綜合應用展開教學。

首先，在章節內容引入上，通過“講好中國故事，繪制中國元素”的方式，讓學生深刻感受中華先賢的智慧，進而增強國家認同和文化自信。中華文明五千年，創造了很多傳統文化符號和工藝品，比如剛柔相濟、虛懷若谷的太極精神。通過展示太極八卦圖的形狀，引出二維圖形繪制的基本知識點：線繪制和面填充。

然后，通過分析太極八卦圖的組成，引導學生“透過現象看本質”，培養學生“辯證統一、分而治之”的辯證唯物主義的思想。如圖2 所示，太極八卦魚圖案是由五個不同大小的圓和一個半圓組成，分別為：最大的黑框空心圓，大圓右半邊的黑心半圓，虛線所示的魚頭處一黑、一白兩個圓，魚眼處一黑、一白兩個小圓。因此，整個太極八卦圖案的繪制就分解成了基本的圓繪制和面填充問題，只需按照黑心半圓、魚頭黑白圓、魚眼黑白小圓、大空心圓的層次順序依次繪制即可。

Fig.2 Components of the Taiji Bagua fish pattern圖2 太極八卦魚圖案組成

最后，通過翻轉課堂方式，考查學生自學慕課基本理論情況。重點分組討論幾種直線掃描轉換算法的演變，培養學生的工匠精神和科學精神。先指出直線是組成線框圖形的基本圖元，一些復雜的圖案也是由多條直線組成，單個直線繪制效率的影響會被數倍放大。因此，直線的繪制一定要速度快，算法設計時要盡量使用整數加減法，避免乘除、開方等復雜運算。數值微分（DDA）算法，雖然簡單直接，但是必須用浮點數運算完成；中點Bresenham 算法則通過判斷中點誤差項，只需要通過整數加減法就能實現，在處理效率上更高。以此引導學生在后續圖形算法設計時，一定要求真務實、精益求精。

當前大學生處在一個高度信息化、網絡化的時代，他們更喜歡通過手機短視頻接收信息。因此，通過自建的線上慕課拓展案例，進一步作課程思政延伸。在介紹慕課的第1 章“圖形學在動畫和電影特效領域的應用”時，通過展示大圣歸來、哪吒、流浪地球等優秀國產影片片段，引出中國動畫電影的崛起、電影特效渲染技術快速進步、一批新興電影特效公司產生，以增強學生科技強國的使命感。第10 章，通過虛幻引擎5 的演示視頻介紹最新的虛擬微多邊形幾何技術，引出其技術理論基礎來自北京大學顧險峰教授于20 世紀90 年代發表的論文，并推薦大家閱讀其編撰的《計算共形幾何》一書，指出中國在計算幾何領域取得了很大進步，從追趕者逐漸變為領先者，以此增強學生的開拓創新精神。

4 實踐效果分析

層次遞進的課程目標和蘊含思政元素的課程體系已融入2020 版課程大綱中，并在相關專業的課程教學中進行了兩個學期的實踐。課程教學采用多平臺聯動、線上線下混合式的模式，“雨課堂”后臺統計的課堂數據如表2 所示，“智慧樹”慕課后臺統計的學生線上學習數據如表3所示。

Table 2 Classroom data statistics from‘Rain Classroom’表2 “雨課堂”課堂數據統計

Table 3 Online learning data statistics from‘Treenity’表3 “智慧樹”線上學習數據統計

由表2 和表3 可以看出，從2019-20-2 學期開始實施2020 版課程大綱后，課程思政對課堂教學起到了積極作用，學生在線下課堂的參與熱情和線上學習的認真度都有明顯提升。從學生發表的討論觀點可以看出，學生更加關注我國傳統文化，并體現了求真務實、精益求精的科學精神和科技強國的使命感。

5 結語

課程思政是實現專業課程與思政課程同向同行、協同共建，形成全員育人、全過程育人和全方位育人格局的有力支撐，也是一流課程建設的核心目標。本文分析制定課程目標，構建與思政元素有機結合的課程體系，并通過具體的教學設計說明課程思政的教學過程。實踐效果表明，本文工作對課堂教學起到了積極作用。通過不斷的實踐完善，最終將形成可復制、可推廣的課程思政建設方案，以期為計算機類課程思政的教學改革提供有益參考。