“計算機圖形學”課程“3階”混合教學模式建設

劉嘉敏，魏 東，常燕

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

引言

“計算機圖形學”是研究如何利用計算機表示、生成、處理、顯示對物理世界的感知和交互的學科，其技術廣泛應用于游戲、虛擬現實、科學計算可視化、工業制造等應用領域中，尤其是在大數據、5G、云計算高速發展的大背景下，是非常重要的計算機應用技術。“計算機圖形學”是多學科相互交叉、相互滲透的學科，該課程不僅是計算機科學與技術的專業課，也是其他專業的應用基礎課。課程具有理論性強、實踐手段和平臺多、應用面廣和前沿性強等特點。學生在課程學習中不僅能學到圖形學的理論，而且能在計算思維能力、工程能力和創新能力方面得到很好的鍛煉。然而，課程本身的特性給學生的學習、教師的講授帶來較大的挑戰。在許多高校的教學中，主要采用國內外經典教程，從理論上講述20世紀經典圖形學技術和原理，強調的是以數學為基礎的圖形算法，考核停留于學生對理論知識掌握的程度。課程存在重理論、輕能力、教學模式單一、學習乏味等現象，致使理論知識未成體系，造成學生一知半解、面對實際應用問題無從下手編程實現，因而學習的熱情不高，這些問題使得教師必須改變現狀，積極研究計算機圖形學課程的改革方法。

近兩年，隨著現代信息技術在我國教育領域的廣泛運用，利用信息技術手段的新型數字化教學模式孕育而生。許多高校將傳統課堂教學與線上數字化學習模式的二者優勢相結合，從教學理念、教學模式、教學方法進行新型混合教學模式研究和改革，以促進學生的自主學習，進而幫助提高教學效果。針對課程現狀和問題及數字化的新型教學模式，迫使教師對課程的教學理念、培養目標和教學方法進行反思和探討。如何將以學生為中心、以能力為導向、以價值為引領的教學理念落實到教學內容和教學過程中，做到“學有目標、思有方法、習有資源、疑能解答、拓有引領”？為此，在以學生為主體、“三位一體”（即“知識、能力、素質”）的教學理念指導下，經過幾年探索與實踐，提出了“3階”目標的線上線下混合教學模式，在此基礎上構建了“1主線3維度”的教學內容，并實施了混合模式下的教學方法、教學內容和考核機制的改革舉措。

一、以“三位一體”為導向的“3階”線上線下混合教學模式

（一）“三位一體”的課程目標

結合本校人才培養的辦學定位，具有創新的研究應用型人才，遵循以學生為主體，以知識、能力、素質目標為導向的教學理念，制定本課程“三位一體”的課程目標——以光柵圖形學、三維建模與真實感技術的基本理論為知識目標，以培養計算思維能力、工程實踐能力，能夠解決復雜的工程問題，通過能力培養促進創新能力為能力目標，以嚴謹認真、求真務實的科學態度，具有愛國主義情懷、使命擔當的責任感為素質目標，從而為學生未來從事學科研究、從事應用領域中圖形系統開發，奠定良好的基礎。

（二）混合模式的學習平臺

借力互聯網和信息技術，構建混合式SPOC學習平臺。在此平臺引入其他院校在線優質資源，融入自主建設數字化“計算機圖形學”課程中，構成線上學堂。同時優化設計線下實體課堂，利用超星平臺使線上與線下學堂同步，實施數字化管理和效果監測。

（三）“以目標為導向”線上線下混合教學模式

依據Bloom認知模型，按低、中、高“3階”層次，依次設計課前導學、課中研學、課后練學與拓展的培養目標和教學內容，構建線上線下混合教學模式，如圖1所示。

圖1 “3階”目標的線上線下混合教學模式

在其模式中，低階教學目標通過課前線上自學、課中線下課堂歸納總結、課后線上練學獲得；中階教學目標通過課中線下研學、課后線下練學和拓展獲得；高階教學目標通過課中研學、課后線上線下練學和拓展獲得。

二、混合教學模式下的課程建設

（一）“1主線3維度”的理論與實踐教學內容

依托理論教學和實踐教學，融入前沿科技和思政元素，達到基礎扎實、能力和素質提升的目標。

1.打造“1條”理論主線。以經典理論知識為主體，打破教材的順序，依據圖形繪制管線，將從三維圖形建模到二維圖像顯示所涉及的零散、不易銜接理論知識重構，從應用、幾何到光柵三個階段的知識框架，在宏觀上形成系統化的知識脈絡。這使得學生了解主要知識要解決的問題、知識體系的邏輯結構，幫助學生建立知識脈絡，以便學生能系統地理解、應用和拓展知識，以及漸進式地提升能力。

2.搭建“3維度”實踐主線，構建、組織實踐教學內容。（1）實踐體驗：從案例、學生作品演示和科技成果展示等方面讓學生感受圖形學的魅力，激發學習的興趣。（2）實踐內容：以點構面，涵蓋知識框架中全部知識點，其內容既有演繹經典理論的算法設計和編程實現，又有融入前沿技術的綜合設計內容。（3）實踐平臺：因人而異地構建基于計算機端、手機端、瀏覽器端的圖形學實踐環境，發揮學生的長處，彌補學生的不足，做到因材施教的教學內容設計。

（二）“面向能力素質”混合模式的教學方法

1.著重計算思維能力的探究式教學法。線下課堂采用提出應用問題—解決問題的思路—驗證求解思路—實現求解方法的“4步”教學法，以裁剪、消隱、光照等經典理論為推動，將培養學生計算思維能力通過學者如何思維、如何產生求解的思路、驗證和實現方法的過程來演繹。通過啟發、引導、小組討論、線上測試等教學手段，使學生達到知識內化、思維引導、能力培養的中高階目標。

2.著重工程實踐能力培養的體驗式教學法。結合社會需求，搭建基于OpenGL圖形庫的多種程序語言實踐平臺，如C++、Python、Java等，學生依據個人能力選擇實踐環境。在實踐教學中，采用應用問題—求解思路—算法設計—實踐拓展的“4步”教學法，使教學重點從傳授知識轉向工程能力的培養。線下在解析問題時，引導學生進行分析求解問題的要點，設計編程思路，讓枯燥和抽象的理論在實踐中具體化并得到檢驗。線上提供案例源碼、前沿技術的視頻、學術文獻，學生可隨時下載、模仿案例自學且實踐，而且依據自身能力進行能力與素質的拓展。這樣學生不僅在平臺上演繹理論知識的實現過程，又提高工程實踐能力和解決工程問題能力，而且能與行業前沿、未來職業接軌。

3.著重思維和能力拓展的研討式教學法。采用場景研學—問題討論—真實體驗—實戰設計的“4步”教學法。（1）展示與評鑒。線下課堂中對作業點評、作品展示、案例講解，使學生在實際應用場景中學習知識、提升能力。（2）專題研討。在線上設置專題討論題，引導學生思考，拓展其思維，激發創新意識。（3）融入虛擬現實等科研成果。教學中展示研發虛擬現實、三維仿真等產品及新技術，學生能身臨其境體驗圖形學的應用，開闊了視野，促進了創新能力的提升。（4）綜合設計。設置主題突出的交互三維場景的設計任務，從查閱文獻到成果展示。這些方式保持了課程的前沿性和創新性，達到課程的高階目標。

4.注重科學素質培養的思想政治教育無聲融入式教學法。通過我國CAD事業的先行者劉慎權教授、經典裁剪算法發明者梁友棟教授、圖靈獎獲得者艾德文·卡特姆教授等計算機圖形學領域中，著名學者的人文傳記、行業領軍公司的前沿科技，以故事、視頻、資訊等形式，將工匠精神、科學素養、家國情懷等思政元素潤物無聲地融入教學內容，使學生嚴謹求真的科學態度、探索未知和勇攀高峰的使命感、愛國報國的情感與思想自然升溫，達到課程思政育人的效果。

（三）“知識能力并舉”的多元化考核模式

1.注重過程考核，制定多元化、分層次的考核內容和定量的考核評定標準，其考核內容及比例分配如下。期末試卷（65%）：以成果為導向，設計出具有一定開放性且多種形式的命題。例如，給定生成三維場景的程序代碼，學生通過讀代碼回答若干有關理論知識、能力和思維拓展的問題，從而考查學生的理論知識掌握程度、能力和思維拓展的程度。平時過程考核（35%），包括以下幾個方面：（1）學習參與度與反饋。通過線上自學視頻、線上討論參與度、問卷等內容，考核了解和應用知識和思維能力的目標。（2）線上測試。通過線上測試考核知識掌握的目標。（3）上機實驗。通過實驗報告和實驗結果展示考核思維和能力的目標。（4）綜合設計。通過成果展示、海報等形式考核思維和能力的目標。

2.考評流程制定的人性化。考核內容和評定標準順應混合式教學模式，依據學習過程中學情的變化，進行相應的調整。

3.過程考評指標細化。針對過程考核中平時測試、設計實驗、綜合設計等每項考核環節，制定評分細則，按規則評分。

（四）混合教學模式的成效

計算機圖形學課程的混合教學模式從2020年開始在我校計算機科學與技術專業實施，經不斷總結和改進教學方法，教學效果得到充分認可，受到學生的好評。通過對考核評價的全程化和數據化，全面客觀地反映學生的學習效果。對比2020—2021年計算機圖形學課程的學生成績，優秀率和及格率有較大的提高，如圖2所示。而且，對2020學年和2021學年學生成績課程目標達成度進行數字化分析，在知識和能力方面都較好達成課程目標。

圖2 兩學年課程成績對比

結語

在以學生為主體、“三位一體”的教學理念指導下，實施的混合模式課程建設改變傳統單一的教學方法，著重學生自主學習能力、實踐能力、創新能力培養，使得學生能從疑問中觀察—求解中思考—情境中感受—實戰中升華4個階段，將“知識、能力、素質”遞進地達到目標；同時，注重專業情懷和科學素質培養，教師從問題探究、算法的改進、代碼規范等方面言傳身教，激發學生探索知識的興趣和創新意識，端正了學生嚴謹的學習態度。