計算機圖形學(xué)應(yīng)用課程建設(shè)研究

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［摘要］通過分析計算機圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，針對存在的問題，以能力為導(dǎo)向，進(jìn)行了計算機圖形學(xué)應(yīng)用課程建設(shè)。通過系列化教材建設(shè)、實踐教學(xué)資源和微課程建設(shè)，構(gòu)建了計算機圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。實施了“案例化”+“微課程”教學(xué)方法改革，建立了過程評價、全面評價和能力導(dǎo)向的多元化考核評價體系。教學(xué)實踐表明，豐富的教學(xué)資源順應(yīng)了新時展的要求，“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)合理的考核評價體系激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

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

計算機圖形學(xué)是計算機應(yīng)用領(lǐng)域中一個非常重要的學(xué)科。該學(xué)科主要研究如何利用計算機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)用滲透到了社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如虛擬現(xiàn)實、地理信息系統(tǒng)、科學(xué)計算可視化等，是現(xiàn)代信息技術(shù)不可或缺的重要內(nèi)容。計算機圖形學(xué)不僅是高校計算機專業(yè)的基礎(chǔ)課，也是理、工、農(nóng)、醫(yī)等專業(yè)的必修課。該課程是一個多學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科，綜合了數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和圖學(xué)理論等相關(guān)學(xué)科的知識，其原理抽象、算法復(fù)雜、具有很強的理論性、綜合性和實踐性[1]。作為山西省應(yīng)用型本科試點院校，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)對人才的實際需求出發(fā)，與企業(yè)合作修訂人才培養(yǎng)方案，修訂教學(xué)大綱，以計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生為試點，增強“以能力為導(dǎo)向”的計算機圖形學(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、積極思考、主動創(chuàng)新”的教學(xué)新理念，進(jìn)一步提高了學(xué)生運用基本理論知識分析和解決問題的能力，培養(yǎng)的學(xué)生得到了市場和用人單位的認(rèn)可，并與多家公司簽訂了人才訂單培養(yǎng)協(xié)議，實現(xiàn)了人才與市場的無縫對接。

一、計算機圖形學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，隨著計算機硬件配置的提高、智能手機的普及，尤其是游戲產(chǎn)業(yè)、三維數(shù)字城市的迅速發(fā)展，計算機圖形學(xué)課程已經(jīng)成為計算機專業(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，實踐應(yīng)用性很強的課程，對教師和學(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)高校在計算機圖形學(xué)課程教學(xué)中存在以下問題。

（一）實踐教學(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)完理論后仍然不會編程實現(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)生的互動性，限制了學(xué)生的主觀能動性，制約了對學(xué)生在知識、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)需求不對接目前，國內(nèi)計算機圖形學(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，其重點放在對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)生在掌握計算機圖形學(xué)理論知識的基礎(chǔ)上，學(xué)會應(yīng)用典型的圖形學(xué)API。在這些計算機圖形學(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、按照市場需求基于底層算法開發(fā)的計算機圖形學(xué)的教材相對較少。市場對本科生計算機圖形學(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)需求不對接。

二、以能力為導(dǎo)向，構(gòu)建計算機圖形學(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)注重夯實理論、突出實踐、強化應(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)，又有很強動手能力的應(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)建突出工程實踐能力的教學(xué)體系。針對該課程教學(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。

（一）系列化教材建設(shè)課題組從企業(yè)對人才的實際需求出發(fā)，在注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)了解計算機圖形學(xué)理論知識的同時，又強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生正確使用圖形學(xué)知識進(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)向確定必備的知識點和理論算法，摒棄不必要的偏向數(shù)學(xué)的公式推導(dǎo)，開發(fā)了與理論相對應(yīng)的實現(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踐相對應(yīng)的立體化教材，即《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)教程（VisualC++版）》《計算機圖形學(xué)實踐教程（VisualC++版）》和《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)教程（Visu⁃alC++版）習(xí)題解答與編程實踐》《計算機圖形學(xué)課程設(shè)計教程（VisualC++版）》等國家級“十二五”規(guī)劃系列教材。教材內(nèi)容從編程角度講授計算機圖形學(xué)原理和算法，強調(diào)真實感光照模型的實現(xiàn)，在不使用任何圖形庫的前提下，使用MFC的繪制像素點函數(shù)，按照計算機圖形學(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感圖形。

（二）實踐教學(xué)案例建設(shè)實踐教學(xué)資源選用VisualC++的MFC作為開發(fā)工具，以生成真實感光照模型作為教學(xué)主線，開發(fā)了滿足課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、課程設(shè)計以及工程化訓(xùn)練需要的“驗證性、綜合性、創(chuàng)新性和工程化”4個層次的教學(xué)資源[8]。在驗證性資源方面，主要對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容每一個原理開發(fā)了60個源程序案例，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、簡單光照模型、Phong光照模型、Gouraud光照模型、紋理映射等18個源程序案例。該層次資源應(yīng)用于實驗教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(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)、動態(tài)光源演示系統(tǒng)、3DS接口演示系統(tǒng)、遞歸動態(tài)球體演示系統(tǒng)和圓環(huán)動態(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，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)入到場景內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動。該層次的資源主要應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生創(chuàng)新項目；該資源應(yīng)用于游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實，以滿足企業(yè)工程項目開發(fā)的需求。4個層次的資源構(gòu)成了圖形學(xué)實踐教學(xué)資源庫，資源從單個知識點的學(xué)習(xí)、到多個知識點的綜合應(yīng)用以及圖形系統(tǒng)的開發(fā)和基于真實建筑物的場景的繪制，全方位地強化了學(xué)生的動手能力。該資源庫既覆蓋了計算機圖形學(xué)教學(xué)全部知識點及教學(xué)全過程，又體現(xiàn)了工程應(yīng)用特色。同時，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、實際動手能力和應(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點和難點，再針對某一知識點進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，結(jié)合案例資源制作演示文稿PPT、微教案、微反思、測試題及教師點評等。其次，采用“錄屏”方式錄制短小精悍的微視頻?！拔⒄n程”具體建設(shè)項目為：1.直線的Bresenham算法；2.圓的中點算法；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)重點從傳授知識轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)在教學(xué)過程中，采用“公式原理-算法實現(xiàn)-實踐拓展”的教學(xué)法取代傳統(tǒng)的知識講授教學(xué)方法，將編程實踐貫穿于整個授課過程中，讓枯燥的理論在實踐中得到檢驗。教師在講解原理和算法時，引導(dǎo)學(xué)生分析和歸納，設(shè)計編程思路，實現(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)講授的實例演示與補充，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，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[10]。案例化課堂教學(xué)是面對面教學(xué)，它的優(yōu)點是可以和學(xué)生互動教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，有利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)；缺點是教學(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，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏靈活選擇，但缺乏課堂互動是微課的缺點。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)的主動性，能為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

（三）教學(xué)考核評價由于該課程是實踐型很強的課程，因此課程考核評價采用以編程操作為主的上機考核。通過建立注重過程評價、突出能力導(dǎo)向的多元化考核評價體系，提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，從而實現(xiàn)對學(xué)生能力導(dǎo)向的全面客觀評價?？己嗽u價分為課堂過程性考核+實驗考核+期末大型作業(yè)上機編程考核。課堂過程考核分值占總分的50％，實驗占總分的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。實驗考核方法是根據(jù)完成實驗項目的情況進(jìn)行評定成績，包括程序代碼是否符合編寫規(guī)范、運行程序是否實現(xiàn)了預(yù)期效果。期末大型作業(yè)通過上機編程進(jìn)行評價成績，包括程序運行效果評價、設(shè)計報告評價，設(shè)計報告內(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)，加強計算機圖形學(xué)應(yīng)用型課程建設(shè)是高等教育發(fā)展的必然趨勢。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)院計算機工程系