计算机图形学混合教学模式的探索与实践*

廖彬

华南农业大学数学与信息学院 广州 510642

0 引言

计算机图形学课程当前的教学内容主要包括计算机表示、生成、处理和显示图形的原理、方法与技术[1]，其原理、技术与方法已经广泛地应用于计算机辅助设计与制造、虚拟现实、科学计算可视化与仿真等领域中。随着计算机软硬件技术、云计算、5G、大数据等技术的高速发展，计算机图形学的应用面日益扩大。

计算机图形学课程涉及多学科的交叉与渗透，课程的理论性强，实践方式丰富多样，理论与技术正在快速发展中，前沿性强。学生通过该课程，在学习计算机图形学的理论与技术的同时，还能在计算思维、工程和创新能力方面得到锻炼。现阶段课程本身所涉及的理论、知识与技术正在快速发展中，由此给教师的讲授与学生的学习带来了挑战。本课程的主体教学中，主要从理论上讲述以数学为基础的图形算法，对经典的图形学原理、技术和方法进行介绍与分析。基于此类教学重点与方式进行的学习与考核，导致学生难以形成完整的知识体系，不能充分理解原理与技术，难以解决实际的工程问题。

当前，随着人工智能技术、互联网技术等网络信息技术的应用，新技术、手段与平台的使用改变了传统教学方式[2]。在应用型人才培养的要求下，传统线下教学与移动互联网相结合的混合教学模型逐渐受到重视，教学重心由传统的知识讲授向培养综合能力与素质转变。尤其针对当前本科生的学习习惯与特点，基于现阶段社会生产与服务模式的智能化、信息化要求以及与此相适应的高校人才培养要求，针对计算机图形学的理论教学与实践教学，采用线上教学与线下教学相结合的混合教学模式，进行了智能化、信息化背景下计算机图形学混合教学模式的探索与实践。

1 传统教学模式与当前本科生的学习特点

传统教学模式下通常以理论知识为考核重点，然而计算机图形学知识的掌握需要理论与实践相结合，且当前计算机图形学的理论与技术正处于快速发展中，新技术与新方法不断涌现，课程所涉及理论与技术的快速发展使传统教学模式难以与之匹配。同时，随着社会的发展，当前的大学生学习习惯、方法、兴趣等已经发生了较大变化，这些特性的存在，都对教学模式与方法提出了新的要求。

1.1 计算机图形学传统教学模式特点

常规的计算机图形学教学中，计算机图形学理论知识为主体与重点。图形学知识、概念的系统性与整体性通常以公式推导体现，解释概念和讲解原理占据课堂教学较大比重。在实践教学中主要通过实验验证所讲述的理论知识点，实践课通常视为理论课的辅助与补充。

现阶段，常规的计算机图形学内容主要包括[3]：计算机图形系统，涉及图形硬件、图形软件与图形流水线等；二维基本图形光栅化与裁剪，涉及直线段光栅化、圆弧光栅化、区域填充、字符、反走样技术与裁剪等；图形几何变换，包括二维、三维几何变换与复合变换等；三维观察，涉及观察变换与投影变换等；三维造型，涉及三维造型方法、多边形网格表示、曲线造型与曲面造型等；真实感图形技术，涉及颜色模型、消隐算法、光照明模型、着色、光线跟踪算法与纹理映射技术等。该课程需要的前期课程知识主要涉及线性代数、几何学、微积分、信号处理理论、程序设计、图像处理基础、数据结构与算法等。数学原理与编程实践的结合贯穿计算机图形学的理论学习与实践学习全程。

当前，随着计算机图形技术在社会生活、教育、娱乐、消费领域的大量使用，计算机图形学在科学研究与应用上得到快速发展。计算机图形学作为高年级专业课，要求将学生前期相关的数学知识与程序设计知识相结合，是数学理论与程序设计实践的综合理解与应用，对学生的知识理解与运用能力提出更高的要求。计算机图形学课程的教学应采用有别于数学课程、程序设计类课程的教学方法。同时，学生的学习模式与方法也需要发生相应的改变。若无视计算机图形学课程的特点，学生的学习兴趣有可能随着教学过程的进行、知识难度的增加而快速下降。

1.2 当前本科生的学习特点

随着我国互联网信息技术、个人电子设备的日益普及和蓬勃发展，形式多样、种类丰富的媒体技术进入日常生活、消费和教育[4]等领域，深刻地影响现实社会生活中的各个方面，大学生的学习习惯与学习方式发生了较大改变。

互联网、新媒体等信息数字技术在教育领域的应用比重日益增大，诸如智能手机、平板、手提电脑等便携的电子设备也为教育资源的在线传播提供了可能。大学生借助互联网，利用诸如慕课、网络公开课等课程平台以及诸如B站等网站的相关课程资源，可快速地了解计算机图形学的简单概念和初步知识。但由于此类平台的特点以及网络教学对象定位的差异，学生在此类平台上所获得的知识通常是浅显而碎片化的，相应知识点的广度与深度难以达到计算机图形学的教学要求。

2020年初至2022年底，在新冠疫情反复的形势下，该课程理论教学与实践教学部分采用了在线教学的形式。与之相适应的，在教学设计、教学组织、章节安排上都进行了重新规划与编排。通过充分发挥信息化、网络化教学的优势，在线教学已经积累与总结了丰富的教学经验。在线下教学中可利用与优化已有的线上教学资源、教学手段和方法。

与线上教学相适应的，本科学生的学习习惯[5]与方式也有了相应改变。在上课的笔记记录、知识点整理上，越来越多的学生开始借助电子设备记录笔记与归纳总结知识点。学生通过使用电子笔记，结合在线存储与分享，可及时有效、随时随地地进行知识回顾与复习。

同时，随着时代的发展与社会观念的变化，当前大学生具有更强的自主意识与自主学习意愿。现阶段的大学生，通常在选课前，对感兴趣的课程，会通过多种方式了解该课程的主体内容、应用面以及当前的发展状况等。大学生获取知识的来源多样，了解课程相关信息的途径通常包括网络上的开放课程简介、网络上的科普文章、知识博主解答、高年级学生经验分享等。学生对通过网络获取、习得的知识的倚重正在逐渐增大，但难以保证此类途径下所学知识的学习质量。

2 混合教学模式的探索与实践

近年来，在线教学与学习所需的软硬件包括网络应用、个人电脑、智能移动设备等已经普及并日趋成熟。与此相适应的，为了扩展教学空间与广度，诸如在线精品课程、MOOC课程等在线教学平台的线上教学方式也进入了日常教学中。

2.1 混合教学模式实践

在教学实践中，笔者首先分析与总结了合适的线上教学方法、教学资源、授课平台与教学优势，其后对总结与分析的线上教学特点与优点，合理地吸收并进一步优化与运用于计算机图形学教学，形成了如图1所示的混合教学模式的教学流程。

图1 混合教学模式教学流程

在教学实践中，根据教学内容与学生特点，课前首先确定学生需要掌握的知识点和相关能力，通过依托学校已有的教学平台布置课前建议学生观看的视频与相关的预习问题。根据学习内容，发布相应的课件、学习文档与引导问题等，学生可自主进行学习。通过此类的课前线上导学，以引导的方式激发学生的学习积极性，有助于培养学生的学习能力与保持学生的学习兴趣。

在面授课中，教师先通过讲授的方式讲解本次课的知识点，接着引出对应的案例进行分析与讨论。通过对相关案例的分析，对所学知识进行运用与深化。其后学生讨论与交流在预习、自主学习中遇到的问题，并在不同阶段应用课堂小测以及时了解学生对相应知识的掌握情况。学生通过这些不同形式的线下教学手段与方法，能充分理解、分析与运用所学知识，从而得到创新思维的培养。

课后通过练习与扩展作业了解学生在经过课前预习、线下面授与课后思考后，对知识的掌握情况。通过利用校内教学平台，布置课后作业以及限时完成的线上测评，可让学生及时了解自己的学习效果，同时借助于平台的测试结果与数据分析，教师能及时了解学生对各阶段知识的掌握情况。除线上反馈外，还通过计算机图形学实验课的方式，提供线下实践学习与指导，并通过计算机图形学实验课的实验讲解与针对每次实验的讲评，提供线下反馈。在完成大部分教学内容后，学生通过完成指定内容的读书笔记，进行知识的巩固与归纳总结。并通过综合归纳课本知识、观看研讨会视频、阅读研究论文、研究报告、研究成果等形式的参考文献与资料进行探索与拓展，形成课程报告，实现创新思维的提升。

2.2 混合教学模式下的课程考核方式

混合教学模式的教学流程与传统教学流程有较大不同，因此，混合教学模式下的课程考核方式也与传统考核方式大相径庭。当前计算机图形学课程由理论课与实践课组成，其中理论课为32学时，每周2学时；实践课为16学时，每周2学时。在混合教学模式中，课程的考核贯穿整个教学阶段。考核依据包括：共计3次的课堂测试，共计3次的课后限时小测，共计3次的线上课后作业，各为平均每4周一次；8个针对不同章节的实验；读书笔记；课程报告。

计算机图形学常规教材中各章节知识较为独立，同一章节中的理论知识较为统一与完整，较适于以阶段性的方式进行考查，阶段性考查的手段主要采用课堂测试、课后线上小测、线上课后作业的形式。通过实践课的每次实验，可以在学生对每一章节进行理论知识的理解、实践与分析讨论的同时进行对应章节的阶段性考查，相应布置的计算机图形学实验除对理论课知识进行验证外，还要综合运用与深化所学知识。为了能让学生在学习本课程后，能整体性、综合性地理解计算机图形学，通过使用读书笔记的考查形式，让学生能综合全面地了解、掌握以及思考计算机图形学知识。伴随着计算机软硬件技术、数学理论、网络技术的发展，计算机图形学也在快速发展中，学生通过积极地阅读研究报告、研究论文、研究成果等参考资料，观看研讨会、讨论会等视频资料，结合课程知识、读书笔记等前期学习结果，自主选择计算机图形学的相关问题进行分析与讨论，形成课程报告。在完成课程报告的过程中，实现知识的巩固、扩充、运用与综合归纳，从而实现创新思维的培养与提高。

3 结束语

本文针对计算机图形学的课程特点与当前学生特点，利用现代化的教学平台与教学手段，结合课程的线上资源与线上、线下教学手段，形成了计算机图形学混合教学模式，通过使用该模式进行教学实践，充分调动了学生的自主学习积极性与学习兴趣。通过计算机图形学课程的教学，培养学生的计算思维与创新思维，达到培养创新人才的教学目的。