以应用能力为导向的计算机图形学教学改革实践探究

许光宇

关键词：计算机图形学；应用能力；微课程；教学考核评价

1 前言

《计算机图形学》是计算机应用领域一门极其重要的学科。该学科主要研究如何使用计算机表示、显示图形，以及生成、处理图形的基本原理、算法和技术。计算机图形学是现代信息技术重要内容，其应用已渗透到生产、社会生活、工作学习的各个方面，如计算机辅助设计与制造、影视动画、人机交互等[1]。

《计算机图形学》不仅是高等学校计算机专业的核心课程，也是理、工、农、医等专业的选修课或必修课。该课程涉及数学、图学和计算机科学等相关学科的理论和知识，其原理抽象、概念晦涩、算法数据结构复杂，是一门理论性、实践性都较强的综合学科[2]。为了培养学生的工程实践和创新能力，以满足当今社会对应用型和技术技能型人才的需求，必须深入推进教学改革，突破原有教学模式的束缚，优化人才培养方案，建立完善的实践教学体系。

本文以校级教育教学改革和教育部产学合作协同育人项目为依托，以知识传授与应用能力培养的课程教学目标为主线，进行了计算机图形学的教学改革与实践探究。为此，与企业合作对人才培养方案、课程教学大纲进行修订，在数字媒体技术专业进行试点，开展“以应用能力为导向”的计算机图形学课程教学改革的探索与研究。通过优化教学内容，调整教学模式，实施“勤于学习、善于思考、勇于创新”的教学新理念，采用“案例引导，原理讲解、算法演示”的新颖授课模式，进一步提高学生运用理解知识分析问题、解决问题的能力，且能够胜任市场、行业发展的需求。

2 计算机图形学教学现状

近年来，随着计算机性能及其外围设备的不断提高，尤其是3D打印、游戏产业、数字虚拟世界的快速发展与兴起，计算机图形学被作为核心课程纳入计算机相关专业的培养方案中，且有着重要的地位和作用。由于计算机图形学是一门原理抽象、算法复杂，具有很强实践性的课程，这要求教师和学生有较高的编程水平，因此普遍反映教学和学习有一定的难度[3]。

通过问卷调查和座谈的方式对该课程授课情况和学生学习情况进行调研，学生认为最需要改进的五个方面为：课程内容与学科发展脱节；教学模式单一，无法调动学习兴趣；课堂参与度不够；实习和实践环节不够；课程的教学考核评价不合理。学生所反馈的意见恰恰是计算机图形学课程在教学中存在的问题。

2.1 教材选择欠妥，培养目标不能满足市场需求

如今，国内学者编写的计算机图形学教材有两种教学体系：“面向理论与算法的传统教学体系和面向基础与应用的现代教学体系”[4]。面向理论与算法的教材普遍理论性较强，重点是概念解释、原理讲解和算法推导，这要求学生有较高的数学基础。面向基础与应用的教材注重基本概念和基础理论知识，学会运用图形学API（如OpenGL、DirectX） 进行软件开发的一些实用技术。虽然计算机图形学教材众多，但多数教材的面向对象是学术研究型学生，为他们从事科学研究打下基础；但面向本科生，根据企业和市场需求基于图形底层算法开发的教材较少。计算机图形学技术的应用前景广阔，市场上人才需求量极大，传统的计算机图形学培养目标存在人才培养和市场需求脱节的问题。

2.2 教学模式单一，难以调动学习积极性

传统的“教师为主体，学生为客体”的教学方式忽视了学生的存在，学生很容易产生疲劳、厌烦，养成过度依赖老师的被动学习习惯。更重要的是，教和学是教学活动的两个方面，二者是相辅相成、紧密结合、融为一体的。二者割裂限制了教师和学生、学生间的互动交流，将影响他们学习的主动性和积极性，也难以激发学生的自主性、能动性和创造性。

2.3 实践教学资源缺乏，难以满足应用型人才的培养

实践教学不仅需要丰富实践经验的教师，还要有充足的案例资源用于课堂教学和学生练习，但这些资源严重缺乏，特别是案例资源，导致教学过程只能以讲解理论、算法为主。有限的实验教学也是在教师设定的范围内进行操作，这使得理论学习和实践学习、应用严重脱节，甚至课程结束后仍然有不会编程实现简单算法的情况。因此，实践教学资源的缺乏制约了学生的实践能力和创新精神的培养，也不能满足应用型人才培养的要求。

2.4 教学考核方式不合理，教学效果难以保证

高校的课程教学考核方式明显滞后于教学内容和教学方法的改革，课程考核的功能和作用得不到充分发挥，影响教学效果的提高。存在的问题主要有：1） 以课程结束后考试为主的考核方式，导致学生以死记硬背、临时抱佛脚的学习方式应付考试。考完试课程内容基本都忘记了，更谈不上在实践中运用所学知识。2） 考核方式重理论，轻实践。对于作业、考试、甚至实验，教师都制定了“标准答案”，这种考核方式扼杀了学生的主动性和创造性。3） 考核方式流于形式，成效甚微。以开卷考试、小论文等的考核方式存在走过场的弊端，学生不认真学习也能轻松过关，考核没有区分度，缺乏效果，严重影响学生学习的热情和積极性。

3 以应用能力为导向的教学改革与实践

新工科背景下的工科院校人才培养，应采用理论教学和实践应用并重的教学模式，突出工程背景与特色，培养理论素养扎实、动手能力强的应用型人才。如何实现上述目标，这需要我们专业教师创新教学内容、改革教学方法，积极探索以应用能力为导向的培养目标。

3.1 教学内容建设

结合教学实际和课程教学中存在的不足，课题组选用孔令德团队编写的国家级“十二五”规划系列计算机图形学教材[5]。该系列教材既注重理论知识的学习，又强调运用图形学知识开发软件的能力。教学内容主要以应用能力为导向设置必备的概念、原理、知识点和算法，并开发了与理论相对应的案例。在教学过程中，为了让学生顺利完成实践教学的各项内容，需要补充大量知识，如MFC基础、OpenGL基础、环境搭建、函数介绍等。

该系列教材的亮点是有丰富的实践教学资源，可满足课堂与实验教学、课程设计与工程化训练，并可作为“验证性、综合性、创新性和工程化”的教学资源[5]。如根据教学内容开发了60个案例的源程序，可用于案例化课堂教学和课后学习；在综合性资源方面，开发了直线段、任意斜率直线段的扫描转换，交互式二维与三维几何变换、多边形裁剪、透视变换、真实感图形绘制等源程序案例，这些资源可指导学生综合运用所学的原理和算法绘制较为复杂的图形。该教学资源涵盖了课程教学整个过程及所有知识点，体现了工程应用特色。通过使用该教学资源，教学模式由传统的教师讲授为主向案例化教学转变，显著地提高了学生的逻辑思维能力，锻炼了学生的动手能力、解决问题能力和应用创新能力。经过几年的教学实践，该系列教材得到课题组教师与学生的认可，也取得了较好的教学效果。

随着信息技术与学科教学的融合，以“微课程”为基础的“微教学”模式在教育领域得到蓬勃发展[6]。为给学生提供更多获取知识的途径，提升教学效果，需建立“微课程”资源库。为此，课题组将教学内容中重要知识点、难点制作成短小的微视频，如有效边表填充算法、三维几何变换算法、Bézier曲线曲面算法等，并就某些知识点开展教学设计，结合案例资源制作微教案、PPT、测试题等环节。

3.2 教学方法改革

3.2.1 灵活运用案例教学

丰富的实践教学资源可应用于案例化课堂教学，能够引起学生兴趣，便于学生理解和掌握相关原理与算法，提高学生课程学习的主动性和积极性。例如在讲解简单光照明模型时，首先通过案例模拟不同光照条件下物体表面亮度的变化，激发学生的求知欲，然后详细介绍相关内容和原理。

3.2.2 实验教学以设计性、综合性为主

验证性和演示性实验有利于学生理解图形学基本原理和算法，但在培养学生解决问题能力、逻辑思维能力等方面作用有限。因此，在实验教学环节以设计性、综合性实验为主，进而引入工程化资源，如几何模型、人物角色等，培养学生的应用创新能力。设计性实验教师只需拟定实验目的（如任意斜率的直线段绘制），让学生运用所学图形绘制原理和算法自主完成实验的过程。该环节注重学生的主观能动性，引导学生由被动接受向主动探索转变，有助于学生分析问题、解决问题能力的提升。综合性实验强调学生综合运用所学知识绘制较为复杂的图形，综合性实验应用于课程设计（如基本图元生成演示系统），旨在提高学生的编程能力和创新性思维。

3.2.3 基于“微课程”的线上线下教学

“微课程”作为一种新型教学资源，在线上线下教学与学习中发挥着重要的作用。它既可用于课堂教学进行实例演示或教学内容的补充，还可作为教学资源进行翻转课堂教学[7]。课题组制作的“微课程”资源通过网络平台分享给学生，学生可根据自身掌握的情况有针对性地反复观看、自主学习。这种“微教学”模式在提高了学生的学习效率同时也避免了教师的重复讲解，实现了传授方式向引导方式的转变。

3.2.4 教学考核评价

由于《计算机图形学》是实践性很强的课程，那种重理论、轻实践的考核方式很难全面、客观地评价学生对该课程的掌握情况和应用能力，因此教学考核评价主要采用上机编程实践的方式进行考核[8]。考核评价体系从知识、能力等多个方面对学生进行全面、客观的评价。通过构建和实施多元化的考核评价体系可提高学生参与课堂教学的积极性、激发学生学习的主动性、培养学生的综合能力。教学考核评价体系由课堂考核、实验考核和期末上机编程考核组成，具体评价标准如图1所示。

其中，课堂考核占总分的30%，包括课堂考勤、课堂表现、课后作业，分别占20%、20%、60%。为了保证课后作业完成的质量，采用分组轮流的方式对课后作业进行解答，对于编程题要求演示，并提交作业的电子档与源代码，这个过程鼓励學生交流互动。实验考核占总分的30%，从代码编写是否规范（30%） ，实验报告撰写是否规范（30%） ，程序能否达到预期效果（40%）三个方面进行考核。期末上机编程占总分的40%，布置综合作业让学生上机完成，重点考核学生综合应用知识能力和团队合作能力，评价指标为规定任务完成情况（20%） ，上机编程运行效果（40%） 和设计报告内容与分析（40%） 。

4 结束语

在信息技术高速发展的背景下，加强《计算机图形学》课程的教学内容建设和教学方法改革势在必行。本文课程教学改革以教学内容建设为基础。在教学方法改革上，运用案例教学激发学生学习兴趣和主动性；设置设计型、综合型实验任务培养学生应用能力与创新性思维；采用基于“微课程”的线上线下混合教学模式提高教学效果；建立多元化教学考核评价体系培养学生实践和创新能力，提高学生的综合素质。经过课题组不断的探索与实践，以应用能力培养为导向的《计算机图形学》课程教学改革取得了一定的成效，实现了知识传授与应用能力培养的课程教学目标。