計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用課程建設(shè)研究

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［摘要］通過分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)存在的問題，以能力為導(dǎo)向，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用課程建設(shè)。通過系列化教材建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)資源和微課程建設(shè)，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)施了“案例化”+“微課程”教學(xué)方法改革，建立了過程評(píng)價(jià)、全面評(píng)價(jià)和能力導(dǎo)向的多元化考核評(píng)價(jià)體系。教學(xué)實(shí)踐表明，豐富的教學(xué)資源順應(yīng)了新時(shí)展的要求，“案例化”+“微課程”的線上線下教學(xué)模式提高了教學(xué)效果，科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)體系激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；課程建設(shè)；案例化教學(xué)；微課程

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的學(xué)科。該學(xué)科主要研究如何利用計(jì)算機(jī)表示圖形以及生成和處理圖形的基本原理、方法和技術(shù)。它的應(yīng)用滲透到了社會(huì)生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算可視化等，是現(xiàn)代信息技術(shù)不可或缺的重要內(nèi)容。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不僅是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課，也是理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)的必修課。該課程是一個(gè)多學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科，綜合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和圖學(xué)理論等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，其原理抽象、算法復(fù)雜、具有很強(qiáng)的理論性、綜合性和實(shí)踐性[1]。作為山西省應(yīng)用型本科試點(diǎn)院校，課程建設(shè)課題組積極探索轉(zhuǎn)型路線，赴國內(nèi)多家院校探討學(xué)科前沿和先進(jìn)教學(xué)方法；與多家知名企業(yè)合作探討人才培養(yǎng)需求。在山西省精品資源共享課的基礎(chǔ)上，從企業(yè)對(duì)人才的實(shí)際需求出發(fā)，與企業(yè)合作修訂人才培養(yǎng)方案，修訂教學(xué)大綱，以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生為試點(diǎn)，增強(qiáng)“以能力為導(dǎo)向”的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用課程建設(shè)。經(jīng)過恰當(dāng)?shù)亟M織教學(xué)內(nèi)容，有效調(diào)整教學(xué)模式，采用了“案例引導(dǎo)、傳輸理論、算法可視化”的新授課模式，突出以學(xué)生為主體的“積累知識(shí)、積極思考、主動(dòng)創(chuàng)新”的教學(xué)新理念，進(jìn)一步提高了學(xué)生運(yùn)用基本理論知識(shí)分析和解決問題的能力，培養(yǎng)的學(xué)生得到了市場(chǎng)和用人單位的認(rèn)可，并與多家公司簽訂了人才訂單培養(yǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了人才與市場(chǎng)的無縫對(duì)接。

一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件配置的提高、智能手機(jī)的普及，尤其是游戲產(chǎn)業(yè)、三維數(shù)字城市的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)專業(yè)或數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的核心課程[2]，在培養(yǎng)方案中占有重要的地位。由于該課程是一門原理算法復(fù)雜、抽象，實(shí)踐應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，對(duì)教師和學(xué)生的編程能力要求較高，因此普遍反映教學(xué)有一定難度。通過文獻(xiàn)研究，國內(nèi)高校在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中存在以下問題。

（一）實(shí)踐教學(xué)資源匱乏由于案例源程序匱乏[3]，這導(dǎo)致在課堂上教師主要以講解原理為主，學(xué)生存在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)象，存在學(xué)習(xí)完理論后仍然不會(huì)編程實(shí)現(xiàn)的情況，這不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

（二）教學(xué)模式單一傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師課堂講授為主，教師一次性地將知識(shí)灌輸給學(xué)生[4-5]。教學(xué)過程以教師為主體，教師教什么，學(xué)生就學(xué)什么；教師怎么教，學(xué)生就怎么學(xué)。這種教學(xué)方式忽視了學(xué)生的主體性及教師與學(xué)生的互動(dòng)性，限制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，制約了對(duì)學(xué)生在知識(shí)、能力和素質(zhì)方面的綜合教育。

（三）教材選擇不當(dāng)教材選擇不當(dāng)，培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)需求不對(duì)接目前，國內(nèi)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材主要存在“面向理論和面向應(yīng)用”兩種典型教學(xué)體系[6]。面向理論的教材是傳統(tǒng)教學(xué)體系，其重點(diǎn)放在對(duì)概念的解釋與原理的講解；面向應(yīng)用的教材是當(dāng)前主流的教學(xué)體系，它注重培養(yǎng)學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)應(yīng)用典型的圖形學(xué)API。在這些計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材中，多數(shù)教材適合高校碩士生與博士生從事科學(xué)研究，而面向本科生、按照市場(chǎng)需求基于底層算法開發(fā)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材相對(duì)較少。市場(chǎng)對(duì)本科生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的應(yīng)用人才需求量巨大，這導(dǎo)致人才培養(yǎng)與工程應(yīng)用和企業(yè)需求不對(duì)接。

二、以能力為導(dǎo)向，構(gòu)建計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用型工科院校本科人才培養(yǎng)在遵循本科人才培養(yǎng)自身的教育規(guī)律基礎(chǔ)上，應(yīng)注重夯實(shí)理論、突出實(shí)踐、強(qiáng)化應(yīng)用，既不能沿襲普通本科的教育模式辦成學(xué)科型或研究型的本科，也不能為了突出應(yīng)用而弱化基礎(chǔ)理論的教學(xué)。應(yīng)該是理論教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，突出工程特色，培養(yǎng)既有基本的理論素養(yǎng)，又有很強(qiáng)動(dòng)手能力的應(yīng)用型人才。應(yīng)用型工科院校應(yīng)結(jié)合市場(chǎng)和企業(yè)的能力需求，積極探索以能力為導(dǎo)向的培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建突出工程實(shí)踐能力的教學(xué)體系。針對(duì)該課程教學(xué)存在的不足之處，課題組以培養(yǎng)目標(biāo)為核心，提出了“教材建設(shè)系列化，理論教學(xué)目標(biāo)化，教學(xué)過程案例化，實(shí)踐資源數(shù)字化”的課程建設(shè)方案[7]，為學(xué)生搭建可視化課程的整體構(gòu)架，打造了“精品資源共享課程+系列化教材+微視頻”立體化的教學(xué)平臺(tái)。

（一）系列化教材建設(shè)課題組從企業(yè)對(duì)人才的實(shí)際需求出發(fā)，在注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，又強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生正確使用圖形學(xué)知識(shí)進(jìn)行軟件開發(fā)的能力。在教學(xué)內(nèi)容上，主要以能力為導(dǎo)向確定必備的知識(shí)點(diǎn)和理論算法，摒棄不必要的偏向數(shù)學(xué)的公式推導(dǎo)，開發(fā)了與理論相對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)案例?；赩isualC++中的MFC框架，采用案例教學(xué)法建設(shè)了豐富的教學(xué)資源，解決了實(shí)踐教學(xué)資源匱乏的問題。先后編寫了適合應(yīng)用型本科院校使用的理論和實(shí)踐相對(duì)應(yīng)的立體化教材，即《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程（VisualC++版）》《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)踐教程（VisualC++版）》和《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程（Visu⁃alC++版）習(xí)題解答與編程實(shí)踐》《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程設(shè)計(jì)教程（VisualC++版）》等國家級(jí)“十二五”規(guī)劃系列教材。教材內(nèi)容從編程角度講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理和算法，強(qiáng)調(diào)真實(shí)感光照模型的實(shí)現(xiàn)，在不使用任何圖形庫的前提下，使用MFC的繪制像素點(diǎn)函數(shù)，按照計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理開發(fā)出可與OpenGL或Direct3D顯示效果相媲美的真實(shí)感圖形。

（二）實(shí)踐教學(xué)案例建設(shè)實(shí)踐教學(xué)資源選用VisualC++的MFC作為開發(fā)工具，以生成真實(shí)感光照模型作為教學(xué)主線，開發(fā)了滿足課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)以及工程化訓(xùn)練需要的“驗(yàn)證性、綜合性、創(chuàng)新性和工程化”4個(gè)層次的教學(xué)資源[8]。在驗(yàn)證性資源方面，主要對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容每一個(gè)原理開發(fā)了60個(gè)源程序案例，此外以出版“習(xí)題解答”教材的形式給出了200個(gè)習(xí)題答案，以及拓展案例，這些資源有益于學(xué)生形象化地理解圖形學(xué)原理和算法。該資源應(yīng)用于案例化課堂教學(xué)和課后練習(xí)。在綜合性資源方面，開發(fā)了金剛石圖案的繪制、任意斜率的直線段的繪制、交互式多邊形、二維、三維幾何變換、裁剪、地理劃分線框球、透視投影、簡(jiǎn)單光照模型、Phong光照模型、Gouraud光照模型、紋理映射等18個(gè)源程序案例。該層次資源應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的圖形繪制原理和算法繪制較為復(fù)雜的圖形。在創(chuàng)新性資源方面，開發(fā)了基本圖元光柵掃描演示系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)光源演示系統(tǒng)、3DS接口演示系統(tǒng)、遞歸動(dòng)態(tài)球體演示系統(tǒng)和圓環(huán)動(dòng)態(tài)紋理演示系統(tǒng)等源程序案例。該層次的資源應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)，旨在提高學(xué)生繪制圖形的創(chuàng)新性思維和編程能力。在工程化資源方面，開發(fā)了基于3DSMax繪制的建筑物幾何模型、基于Maya繪制的人物角色等模型，用戶能夠?qū)⒗L制的模型導(dǎo)入到場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該層次的資源主要應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目；該資源應(yīng)用于游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)，以滿足企業(yè)工程項(xiàng)目開發(fā)的需求。4個(gè)層次的資源構(gòu)成了圖形學(xué)實(shí)踐教學(xué)資源庫，資源從單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)、到多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用以及圖形系統(tǒng)的開發(fā)和基于真實(shí)建筑物的場(chǎng)景的繪制，全方位地強(qiáng)化了學(xué)生的動(dòng)手能力。該資源庫既覆蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)全部知識(shí)點(diǎn)及教學(xué)全過程，又體現(xiàn)了工程應(yīng)用特色。同時(shí)，該資源庫使教學(xué)模式由傳統(tǒng)的灌輸式轉(zhuǎn)換為案例化教學(xué)法，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力、實(shí)際動(dòng)手能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力。

（三）““微課程”建設(shè)隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來，以“微課程”為基礎(chǔ)的“微教學(xué)”模式逐漸在教育領(lǐng)域發(fā)展起來。為提高教學(xué)效果、增加學(xué)生獲取知識(shí)的方式，課題組進(jìn)行了“微課程”資源建設(shè)。首先，選取課程的重要知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)，再針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合案例資源制作演示文稿PPT、微教案、微反思、測(cè)試題及教師點(diǎn)評(píng)等。其次，采用“錄屏”方式錄制短小精悍的微視頻。“微課程”具體建設(shè)項(xiàng)目為：1.直線的Bresenham算法；2.圓的中點(diǎn)算法；3.直線的反走樣算法；4.有效邊表填充算法；5.二維幾何變換算法；6.三維幾何變換算法；7.正交投影算法；8.Bezier曲線算法；9.Bezier曲面算法；10.斜投影算法；11.透視投影算法；12.背面剔除算法；13.簡(jiǎn)單光照模型算法；14.三維紋理映射算法；15.函數(shù)紋理映射算法。

三、“案例化”+“微課程”教學(xué)方法

（一）““案例化”教學(xué)方法使教學(xué)重點(diǎn)從傳授知識(shí)轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)在教學(xué)過程中，采用“公式原理-算法實(shí)現(xiàn)-實(shí)踐拓展”的教學(xué)法取代傳統(tǒng)的知識(shí)講授教學(xué)方法，將編程實(shí)踐貫穿于整個(gè)授課過程中，讓枯燥的理論在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)。教師在講解原理和算法時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析和歸納，設(shè)計(jì)編程思路，實(shí)現(xiàn)所需圖形的開發(fā)。這樣既傳授了圖形學(xué)的理論算法，又提高了學(xué)生的編程實(shí)踐能力。

（二）““微課程”教學(xué)方法使教學(xué)模式由傳授方式轉(zhuǎn)向引導(dǎo)方式“微課程”作為一種教學(xué)資源在電子書包、線上線下學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中有著非常重要的作用，它可以作為課堂教學(xué)講授的實(shí)例演示與補(bǔ)充，微課還可成為翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)資源?！拔⒄n程”具有“碎片化學(xué)習(xí)”和“情景化學(xué)習(xí)”的特點(diǎn)，有利于學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，讓學(xué)生能根據(jù)自身掌握的情況反復(fù)學(xué)習(xí)。這種學(xué)習(xí)方法，更符合學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)[10]。案例化課堂教學(xué)是面對(duì)面教學(xué)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以和學(xué)生互動(dòng)教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，有利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)；缺點(diǎn)是教學(xué)過程不可重復(fù)，無法兼顧學(xué)生的差別化學(xué)習(xí)進(jìn)度與節(jié)奏。而微課具有學(xué)習(xí)可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏靈活選擇，但缺乏課堂互動(dòng)是微課的缺點(diǎn)。將“課堂案例化”和“微課程”線上線下教學(xué)方法相結(jié)合，這既改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端，又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，能為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

（三）教學(xué)考核評(píng)價(jià)由于該課程是實(shí)踐型很強(qiáng)的課程，因此課程考核評(píng)價(jià)采用以編程操作為主的上機(jī)考核。通過建立注重過程評(píng)價(jià)、突出能力導(dǎo)向的多元化考核評(píng)價(jià)體系，提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力導(dǎo)向的全面客觀評(píng)價(jià)?？己嗽u(píng)價(jià)分為課堂過程性考核+實(shí)驗(yàn)考核+期末大型作業(yè)上機(jī)編程考核。課堂過程考核分值占總分的50％，實(shí)驗(yàn)占總分的30%，期末占總分的20％。課堂過程性考核的方法是將學(xué)生分組、定期輪流進(jìn)行考核，要求學(xué)生完成課后作業(yè)后，按要求進(jìn)行程序演示并回答教師的提問，最后提交全部的源代碼與相關(guān)文件的電子檔。實(shí)驗(yàn)考核方法是根據(jù)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的情況進(jìn)行評(píng)定成績，包括程序代碼是否符合編寫規(guī)范、運(yùn)行程序是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。期末大型作業(yè)通過上機(jī)編程進(jìn)行評(píng)價(jià)成績，包括程序運(yùn)行效果評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容要求有源代碼和說明書。

四、結(jié)束語

根據(jù)應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)目標(biāo)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用型課程建設(shè)是高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)環(huán)境下，教學(xué)方法應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)。這要求課程要有豐富的教學(xué)資源，本課程建設(shè)了豐富的教學(xué)資源，順應(yīng)了新時(shí)展的要求。“案例化”+“微課程”的線上線下教學(xué)模式提高了教學(xué)效果，這種新的教學(xué)模式將是未來發(fā)展的重要方向。

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作者：孔令德 單位：太原工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系