“计算机图形学”课程“3阶”混合教学模式建设

2022-10-28 07:54刘嘉敏常燕
教育教学论坛 2022年37期
关键词:计算机图形学图形学混合

刘嘉敏,魏 东,常燕

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院,辽宁 沈阳 110870)

引言

“计算机图形学”是研究如何利用计算机表示、生成、处理、显示对物理世界的感知和交互的学科,其技术广泛应用于游戏、虚拟现实、科学计算可视化、工业制造等应用领域中,尤其是在大数据、5G、云计算高速发展的大背景下,是非常重要的计算机应用技术。“计算机图形学”是多学科相互交叉、相互渗透的学科,该课程不仅是计算机科学与技术的专业课,也是其他专业的应用基础课。课程具有理论性强、实践手段和平台多、应用面广和前沿性强等特点。学生在课程学习中不仅能学到图形学的理论,而且能在计算思维能力、工程能力和创新能力方面得到很好的锻炼。然而,课程本身的特性给学生的学习、教师的讲授带来较大的挑战。在许多高校的教学中,主要采用国内外经典教程,从理论上讲述20世纪经典图形学技术和原理,强调的是以数学为基础的图形算法,考核停留于学生对理论知识掌握的程度。课程存在重理论、轻能力、教学模式单一、学习乏味等现象,致使理论知识未成体系,造成学生一知半解、面对实际应用问题无从下手编程实现,因而学习的热情不高,这些问题使得教师必须改变现状,积极研究计算机图形学课程的改革方法。

近两年,随着现代信息技术在我国教育领域的广泛运用,利用信息技术手段的新型数字化教学模式孕育而生。许多高校将传统课堂教学与线上数字化学习模式的二者优势相结合,从教学理念、教学模式、教学方法进行新型混合教学模式研究和改革,以促进学生的自主学习,进而帮助提高教学效果。针对课程现状和问题及数字化的新型教学模式,迫使教师对课程的教学理念、培养目标和教学方法进行反思和探讨。如何将以学生为中心、以能力为导向、以价值为引领的教学理念落实到教学内容和教学过程中,做到“学有目标、思有方法、习有资源、疑能解答、拓有引领”?为此,在以学生为主体、“三位一体”(即“知识、能力、素质”)的教学理念指导下,经过几年探索与实践,提出了“3阶”目标的线上线下混合教学模式,在此基础上构建了“1主线3维度”的教学内容,并实施了混合模式下的教学方法、教学内容和考核机制的改革举措。

一、以“三位一体”为导向的“3阶”线上线下混合教学模式

(一)“三位一体”的课程目标

结合本校人才培养的办学定位,具有创新的研究应用型人才,遵循以学生为主体,以知识、能力、素质目标为导向的教学理念,制定本课程“三位一体”的课程目标——以光栅图形学、三维建模与真实感技术的基本理论为知识目标,以培养计算思维能力、工程实践能力,能够解决复杂的工程问题,通过能力培养促进创新能力为能力目标,以严谨认真、求真务实的科学态度,具有爱国主义情怀、使命担当的责任感为素质目标,从而为学生未来从事学科研究、从事应用领域中图形系统开发,奠定良好的基础。

(二)混合模式的学习平台

借力互联网和信息技术,构建混合式SPOC学习平台。在此平台引入其他院校在线优质资源,融入自主建设数字化“计算机图形学”课程中,构成线上学堂。同时优化设计线下实体课堂,利用超星平台使线上与线下学堂同步,实施数字化管理和效果监测。

(三)“以目标为导向”线上线下混合教学模式

依据Bloom认知模型,按低、中、高“3阶”层次,依次设计课前导学、课中研学、课后练学与拓展的培养目标和教学内容,构建线上线下混合教学模式,如图1所示。

图1 “3阶”目标的线上线下混合教学模式

在其模式中,低阶教学目标通过课前线上自学、课中线下课堂归纳总结、课后线上练学获得;中阶教学目标通过课中线下研学、课后线下练学和拓展获得;高阶教学目标通过课中研学、课后线上线下练学和拓展获得。

二、混合教学模式下的课程建设

(一)“1主线3维度”的理论与实践教学内容

依托理论教学和实践教学,融入前沿科技和思政元素,达到基础扎实、能力和素质提升的目标。

1.打造“1条”理论主线。以经典理论知识为主体,打破教材的顺序,依据图形绘制管线,将从三维图形建模到二维图像显示所涉及的零散、不易衔接理论知识重构,从应用、几何到光栅三个阶段的知识框架,在宏观上形成系统化的知识脉络。这使得学生了解主要知识要解决的问题、知识体系的逻辑结构,帮助学生建立知识脉络,以便学生能系统地理解、应用和拓展知识,以及渐进式地提升能力。

2.搭建“3维度”实践主线,构建、组织实践教学内容。(1)实践体验:从案例、学生作品演示和科技成果展示等方面让学生感受图形学的魅力,激发学习的兴趣。(2)实践内容:以点构面,涵盖知识框架中全部知识点,其内容既有演绎经典理论的算法设计和编程实现,又有融入前沿技术的综合设计内容。(3)实践平台:因人而异地构建基于计算机端、手机端、浏览器端的图形学实践环境,发挥学生的长处,弥补学生的不足,做到因材施教的教学内容设计。

(二)“面向能力素质”混合模式的教学方法

1.着重计算思维能力的探究式教学法。线下课堂采用提出应用问题—解决问题的思路—验证求解思路—实现求解方法的“4步”教学法,以裁剪、消隐、光照等经典理论为推动,将培养学生计算思维能力通过学者如何思维、如何产生求解的思路、验证和实现方法的过程来演绎。通过启发、引导、小组讨论、线上测试等教学手段,使学生达到知识内化、思维引导、能力培养的中高阶目标。

2.着重工程实践能力培养的体验式教学法。结合社会需求,搭建基于OpenGL图形库的多种程序语言实践平台,如C++、Python、Java等,学生依据个人能力选择实践环境。在实践教学中,采用应用问题—求解思路—算法设计—实践拓展的“4步”教学法,使教学重点从传授知识转向工程能力的培养。线下在解析问题时,引导学生进行分析求解问题的要点,设计编程思路,让枯燥和抽象的理论在实践中具体化并得到检验。线上提供案例源码、前沿技术的视频、学术文献,学生可随时下载、模仿案例自学且实践,而且依据自身能力进行能力与素质的拓展。这样学生不仅在平台上演绎理论知识的实现过程,又提高工程实践能力和解决工程问题能力,而且能与行业前沿、未来职业接轨。

3.着重思维和能力拓展的研讨式教学法。采用场景研学—问题讨论—真实体验—实战设计的“4步”教学法。(1)展示与评鉴。线下课堂中对作业点评、作品展示、案例讲解,使学生在实际应用场景中学习知识、提升能力。(2)专题研讨。在线上设置专题讨论题,引导学生思考,拓展其思维,激发创新意识。(3)融入虚拟现实等科研成果。教学中展示研发虚拟现实、三维仿真等产品及新技术,学生能身临其境体验图形学的应用,开阔了视野,促进了创新能力的提升。(4)综合设计。设置主题突出的交互三维场景的设计任务,从查阅文献到成果展示。这些方式保持了课程的前沿性和创新性,达到课程的高阶目标。

4.注重科学素质培养的思想政治教育无声融入式教学法。通过我国CAD事业的先行者刘慎权教授、经典裁剪算法发明者梁友栋教授、图灵奖获得者艾德文·卡特姆教授等计算机图形学领域中,著名学者的人文传记、行业领军公司的前沿科技,以故事、视频、资讯等形式,将工匠精神、科学素养、家国情怀等思政元素润物无声地融入教学内容,使学生严谨求真的科学态度、探索未知和勇攀高峰的使命感、爱国报国的情感与思想自然升温,达到课程思政育人的效果。

(三)“知识能力并举”的多元化考核模式

1.注重过程考核,制定多元化、分层次的考核内容和定量的考核评定标准,其考核内容及比例分配如下。期末试卷(65%):以成果为导向,设计出具有一定开放性且多种形式的命题。例如,给定生成三维场景的程序代码,学生通过读代码回答若干有关理论知识、能力和思维拓展的问题,从而考查学生的理论知识掌握程度、能力和思维拓展的程度。平时过程考核(35%),包括以下几个方面:(1)学习参与度与反馈。通过线上自学视频、线上讨论参与度、问卷等内容,考核了解和应用知识和思维能力的目标。(2)线上测试。通过线上测试考核知识掌握的目标。(3)上机实验。通过实验报告和实验结果展示考核思维和能力的目标。(4)综合设计。通过成果展示、海报等形式考核思维和能力的目标。

2.考评流程制定的人性化。考核内容和评定标准顺应混合式教学模式,依据学习过程中学情的变化,进行相应的调整。

3.过程考评指标细化。针对过程考核中平时测试、设计实验、综合设计等每项考核环节,制定评分细则,按规则评分。

(四)混合教学模式的成效

计算机图形学课程的混合教学模式从2020年开始在我校计算机科学与技术专业实施,经不断总结和改进教学方法,教学效果得到充分认可,受到学生的好评。通过对考核评价的全程化和数据化,全面客观地反映学生的学习效果。对比2020—2021年计算机图形学课程的学生成绩,优秀率和及格率有较大的提高,如图2所示。而且,对2020学年和2021学年学生成绩课程目标达成度进行数字化分析,在知识和能力方面都较好达成课程目标。

图2 两学年课程成绩对比

结语

在以学生为主体、“三位一体”的教学理念指导下,实施的混合模式课程建设改变传统单一的教学方法,着重学生自主学习能力、实践能力、创新能力培养,使得学生能从疑问中观察—求解中思考—情境中感受—实战中升华4个阶段,将“知识、能力、素质”递进地达到目标;同时,注重专业情怀和科学素质培养,教师从问题探究、算法的改进、代码规范等方面言传身教,激发学生探索知识的兴趣和创新意识,端正了学生严谨的学习态度。

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