以應用能力為導向的計算機圖形學教學改革實踐探究

許光宇

關鍵詞：計算機圖形學；應用能力；微課程；教學考核評價

1 前言

《計算機圖形學》是計算機應用領域一門極其重要的學科。該學科主要研究如何使用計算機表示、顯示圖形，以及生成、處理圖形的基本原理、算法和技術。計算機圖形學是現代信息技術重要內容，其應用已滲透到生產、社會生活、工作學習的各個方面，如計算機輔助設計與制造、影視動畫、人機交互等[1]。

《計算機圖形學》不僅是高等學校計算機專業的核心課程，也是理、工、農、醫等專業的選修課或必修課。該課程涉及數學、圖學和計算機科學等相關學科的理論和知識，其原理抽象、概念晦澀、算法數據結構復雜，是一門理論性、實踐性都較強的綜合學科[2]。為了培養學生的工程實踐和創新能力，以滿足當今社會對應用型和技術技能型人才的需求，必須深入推進教學改革，突破原有教學模式的束縛，優化人才培養方案，建立完善的實踐教學體系。

本文以校級教育教學改革和教育部產學合作協同育人項目為依托，以知識傳授與應用能力培養的課程教學目標為主線，進行了計算機圖形學的教學改革與實踐探究。為此，與企業合作對人才培養方案、課程教學大綱進行修訂，在數字媒體技術專業進行試點，開展“以應用能力為導向”的計算機圖形學課程教學改革的探索與研究。通過優化教學內容，調整教學模式，實施“勤于學習、善于思考、勇于創新”的教學新理念，采用“案例引導，原理講解、算法演示”的新穎授課模式，進一步提高學生運用理解知識分析問題、解決問題的能力，且能夠勝任市場、行業發展的需求。

2 計算機圖形學教學現狀

近年來，隨著計算機性能及其外圍設備的不斷提高，尤其是3D打印、游戲產業、數字虛擬世界的快速發展與興起，計算機圖形學被作為核心課程納入計算機相關專業的培養方案中，且有著重要的地位和作用。由于計算機圖形學是一門原理抽象、算法復雜，具有很強實踐性的課程，這要求教師和學生有較高的編程水平，因此普遍反映教學和學習有一定的難度[3]。

通過問卷調查和座談的方式對該課程授課情況和學生學習情況進行調研，學生認為最需要改進的五個方面為：課程內容與學科發展脫節；教學模式單一，無法調動學習興趣；課堂參與度不夠；實習和實踐環節不夠；課程的教學考核評價不合理。學生所反饋的意見恰恰是計算機圖形學課程在教學中存在的問題。

2.1 教材選擇欠妥，培養目標不能滿足市場需求

如今，國內學者編寫的計算機圖形學教材有兩種教學體系：“面向理論與算法的傳統教學體系和面向基礎與應用的現代教學體系”[4]。面向理論與算法的教材普遍理論性較強，重點是概念解釋、原理講解和算法推導，這要求學生有較高的數學基礎。面向基礎與應用的教材注重基本概念和基礎理論知識，學會運用圖形學API（如OpenGL、DirectX） 進行軟件開發的一些實用技術。雖然計算機圖形學教材眾多，但多數教材的面向對象是學術研究型學生，為他們從事科學研究打下基礎；但面向本科生，根據企業和市場需求基于圖形底層算法開發的教材較少。計算機圖形學技術的應用前景廣闊，市場上人才需求量極大，傳統的計算機圖形學培養目標存在人才培養和市場需求脫節的問題。

2.2 教學模式單一，難以調動學習積極性

傳統的“教師為主體，學生為客體”的教學方式忽視了學生的存在，學生很容易產生疲勞、厭煩，養成過度依賴老師的被動學習習慣。更重要的是，教和學是教學活動的兩個方面，二者是相輔相成、緊密結合、融為一體的。二者割裂限制了教師和學生、學生間的互動交流，將影響他們學習的主動性和積極性，也難以激發學生的自主性、能動性和創造性。

2.3 實踐教學資源缺乏，難以滿足應用型人才的培養

實踐教學不僅需要豐富實踐經驗的教師，還要有充足的案例資源用于課堂教學和學生練習，但這些資源嚴重缺乏，特別是案例資源，導致教學過程只能以講解理論、算法為主。有限的實驗教學也是在教師設定的范圍內進行操作，這使得理論學習和實踐學習、應用嚴重脫節，甚至課程結束后仍然有不會編程實現簡單算法的情況。因此，實踐教學資源的缺乏制約了學生的實踐能力和創新精神的培養，也不能滿足應用型人才培養的要求。

2.4 教學考核方式不合理，教學效果難以保證

高校的課程教學考核方式明顯滯后于教學內容和教學方法的改革，課程考核的功能和作用得不到充分發揮，影響教學效果的提高。存在的問題主要有：1） 以課程結束后考試為主的考核方式，導致學生以死記硬背、臨時抱佛腳的學習方式應付考試?？纪暝囌n程內容基本都忘記了，更談不上在實踐中運用所學知識。2） 考核方式重理論，輕實踐。對于作業、考試、甚至實驗，教師都制定了“標準答案”，這種考核方式扼殺了學生的主動性和創造性。3） 考核方式流于形式，成效甚微。以開卷考試、小論文等的考核方式存在走過場的弊端，學生不認真學習也能輕松過關，考核沒有區分度，缺乏效果，嚴重影響學生學習的熱情和積極性。

3 以應用能力為導向的教學改革與實踐

新工科背景下的工科院校人才培養，應采用理論教學和實踐應用并重的教學模式，突出工程背景與特色，培養理論素養扎實、動手能力強的應用型人才。如何實現上述目標，這需要我們專業教師創新教學內容、改革教學方法，積極探索以應用能力為導向的培養目標。

3.1 教學內容建設

結合教學實際和課程教學中存在的不足，課題組選用孔令德團隊編寫的國家級“十二五”規劃系列計算機圖形學教材[5]。該系列教材既注重理論知識的學習，又強調運用圖形學知識開發軟件的能力。教學內容主要以應用能力為導向設置必備的概念、原理、知識點和算法，并開發了與理論相對應的案例。在教學過程中，為了讓學生順利完成實踐教學的各項內容，需要補充大量知識，如MFC基礎、OpenGL基礎、環境搭建、函數介紹等。

該系列教材的亮點是有豐富的實踐教學資源，可滿足課堂與實驗教學、課程設計與工程化訓練，并可作為“驗證性、綜合性、創新性和工程化”的教學資源[5]。如根據教學內容開發了60個案例的源程序，可用于案例化課堂教學和課后學習；在綜合性資源方面，開發了直線段、任意斜率直線段的掃描轉換，交互式二維與三維幾何變換、多邊形裁剪、透視變換、真實感圖形繪制等源程序案例，這些資源可指導學生綜合運用所學的原理和算法繪制較為復雜的圖形。該教學資源涵蓋了課程教學整個過程及所有知識點，體現了工程應用特色。通過使用該教學資源，教學模式由傳統的教師講授為主向案例化教學轉變，顯著地提高了學生的邏輯思維能力，鍛煉了學生的動手能力、解決問題能力和應用創新能力。經過幾年的教學實踐，該系列教材得到課題組教師與學生的認可，也取得了較好的教學效果。

隨著信息技術與學科教學的融合，以“微課程”為基礎的“微教學”模式在教育領域得到蓬勃發展[6]。為給學生提供更多獲取知識的途徑，提升教學效果，需建立“微課程”資源庫。為此，課題組將教學內容中重要知識點、難點制作成短小的微視頻，如有效邊表填充算法、三維幾何變換算法、Bézier曲線曲面算法等，并就某些知識點開展教學設計，結合案例資源制作微教案、PPT、測試題等環節。

3.2 教學方法改革

3.2.1 靈活運用案例教學

豐富的實踐教學資源可應用于案例化課堂教學，能夠引起學生興趣，便于學生理解和掌握相關原理與算法，提高學生課程學習的主動性和積極性。例如在講解簡單光照明模型時，首先通過案例模擬不同光照條件下物體表面亮度的變化，激發學生的求知欲，然后詳細介紹相關內容和原理。

3.2.2 實驗教學以設計性、綜合性為主

驗證性和演示性實驗有利于學生理解圖形學基本原理和算法，但在培養學生解決問題能力、邏輯思維能力等方面作用有限。因此，在實驗教學環節以設計性、綜合性實驗為主，進而引入工程化資源，如幾何模型、人物角色等，培養學生的應用創新能力。設計性實驗教師只需擬定實驗目的（如任意斜率的直線段繪制），讓學生運用所學圖形繪制原理和算法自主完成實驗的過程。該環節注重學生的主觀能動性，引導學生由被動接受向主動探索轉變，有助于學生分析問題、解決問題能力的提升。綜合性實驗強調學生綜合運用所學知識繪制較為復雜的圖形，綜合性實驗應用于課程設計（如基本圖元生成演示系統），旨在提高學生的編程能力和創新性思維。

3.2.3 基于“微課程”的線上線下教學

“微課程”作為一種新型教學資源，在線上線下教學與學習中發揮著重要的作用。它既可用于課堂教學進行實例演示或教學內容的補充，還可作為教學資源進行翻轉課堂教學[7]。課題組制作的“微課程”資源通過網絡平臺分享給學生，學生可根據自身掌握的情況有針對性地反復觀看、自主學習。這種“微教學”模式在提高了學生的學習效率同時也避免了教師的重復講解，實現了傳授方式向引導方式的轉變。

3.2.4 教學考核評價

由于《計算機圖形學》是實踐性很強的課程，那種重理論、輕實踐的考核方式很難全面、客觀地評價學生對該課程的掌握情況和應用能力，因此教學考核評價主要采用上機編程實踐的方式進行考核[8]?？己嗽u價體系從知識、能力等多個方面對學生進行全面、客觀的評價。通過構建和實施多元化的考核評價體系可提高學生參與課堂教學的積極性、激發學生學習的主動性、培養學生的綜合能力。教學考核評價體系由課堂考核、實驗考核和期末上機編程考核組成，具體評價標準如圖1所示。

其中，課堂考核占總分的30%，包括課堂考勤、課堂表現、課后作業，分別占20%、20%、60%。為了保證課后作業完成的質量，采用分組輪流的方式對課后作業進行解答，對于編程題要求演示，并提交作業的電子檔與源代碼，這個過程鼓勵學生交流互動。實驗考核占總分的30%，從代碼編寫是否規范（30%） ，實驗報告撰寫是否規范（30%） ，程序能否達到預期效果（40%）三個方面進行考核。期末上機編程占總分的40%，布置綜合作業讓學生上機完成，重點考核學生綜合應用知識能力和團隊合作能力，評價指標為規定任務完成情況（20%） ，上機編程運行效果（40%） 和設計報告內容與分析（40%） 。

4 結束語

在信息技術高速發展的背景下，加強《計算機圖形學》課程的教學內容建設和教學方法改革勢在必行。本文課程教學改革以教學內容建設為基礎。在教學方法改革上，運用案例教學激發學生學習興趣和主動性；設置設計型、綜合型實驗任務培養學生應用能力與創新性思維；采用基于“微課程”的線上線下混合教學模式提高教學效果；建立多元化教學考核評價體系培養學生實踐和創新能力，提高學生的綜合素質。經過課題組不斷的探索與實踐，以應用能力培養為導向的《計算機圖形學》課程教學改革取得了一定的成效，實現了知識傳授與應用能力培養的課程教學目標。