GIS專業(yè)計算機圖形學層次化教學實踐

林偉華　劉福江　龔君芳　鄭貴洲

(中國地質(zhì)大學(武漢)　信息工程學院，湖北　武漢　430074)

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GIS專業(yè)計算機圖形學層次化教學實踐

林偉華劉福江龔君芳鄭貴洲

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074)

摘要文章結(jié)合我國目前對GIS專業(yè)多層次人才培養(yǎng)的需求，針對當前GIS專業(yè)計算機圖形學教學中存在的與GIS專業(yè)特點相脫離、與GIS專業(yè)其他課程不協(xié)調(diào)和還停留在“平面線式”的教學方式上等問題，探索了適合GIS專業(yè)多層次人才培養(yǎng)的計算機圖形學教學實踐體系，該體系包括課程內(nèi)容安排、課堂教學模式、課程實踐模式以及課程考核方式等，為GIS專業(yè)在計算機圖形學教學中如何落實面向多層次人才培養(yǎng)的要求提供了參考。

關(guān)鍵詞GIS專業(yè)；多層次人才；計算機圖形學；教學實踐

一、引言

隨著GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))相關(guān)學科技術(shù)的快速發(fā)展及GIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，我國各行業(yè)和部門對GIS專業(yè)人才的需求也日益迫切，并形成了具有時代特色的應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型等GIS人才需求類型。為滿足市場對各類GIS人才的迫切需求，自1998年教育部將GIS專業(yè)列入《普通高等學校本科專業(yè)目錄》中以來，我國已有超過170所高校開設(shè)GIS專業(yè)[1]，并且各高校在本科階段已將計算機圖形學作為GIS專業(yè)的必修基礎(chǔ)課廣泛開設(shè)。但在GIS專業(yè)的計算機圖形學教學過程中，主要存在以下幾個問題：

第一，計算機圖形學與GIS專業(yè)特點相脫離。目前由于各高校依托的學科背景、師資團隊和培養(yǎng)目標不同，各高校GIS專業(yè)一般沒有開設(shè)GIS基礎(chǔ)算法、計算幾何等相關(guān)課程，并且主要采用面向計算機類專業(yè)學生的教學內(nèi)容和實踐方式進行教學，較少與GIS中相關(guān)算法與應(yīng)用相結(jié)合。學生在學習較多的計算機圖形學理論時，對該技術(shù)理論在GIS中有何作用和如何運用往往產(chǎn)生諸多困惑，甚至有不少學生因此失去對該課程的學習興趣。

第二，計算機圖形學與GIS其他課程不協(xié)調(diào)。各高校GIS專業(yè)除了計算機圖形學之外一般還開設(shè)了計算機高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫、GIS原理與方法、GIS軟件工程等相關(guān)課程，并且這些課程均有相關(guān)實踐教學，但各課程實踐往往比較獨立，內(nèi)容之間缺乏有機聯(lián)系，課程實踐成果不能有機利用，甚至部分實踐內(nèi)容重復，極大地影響了GIS專業(yè)教學效果。

第三，計算機圖形學教學方式還是停留在“平面線式”上。各高校GIS專業(yè)的計算機圖形學的教學內(nèi)容和教學要求均按照統(tǒng)一標準要求教學，缺乏一定的靈活性，難以滿足我國對多層次GIS人才培養(yǎng)的需要。一方面，一些學生比較適合面向應(yīng)用型培養(yǎng)，因該課程對編程能力要求過高而談“編程”色變，逐漸喪失對GIS專業(yè)學習的動力；另一方面，該課程因講授的課程內(nèi)容比較單一，實踐內(nèi)容主要是驗證性的，一些比較適合面向技術(shù)型和研究型培養(yǎng)的學生往往又感覺“吃不飽”，不利于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

近幾年，國內(nèi)許多學者結(jié)合自己學校的實際情況，針對GIS專業(yè)計算機圖形的教學以及GIS專業(yè)人才培養(yǎng)提出了不少有價值的改革措施[2-5]，但均未針對GIS專業(yè)在面向多層次人才培養(yǎng)要求下，如何進行諸如計算機圖形學具體一門課程的教學實踐改革進行闡述。本文主要結(jié)合中國地質(zhì)大學(武漢)GIS專業(yè)教學實際，在GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的實踐教學體系[6]和階梯式GIS軟件工程實踐教學體系[7]等教學成果基礎(chǔ)上，提出一些相關(guān)改革措施，為GIS專業(yè)在計算機圖形學教學中如何落實面向多層次人才培養(yǎng)的要求提供參考。

二、課堂教學改革

(一)課程內(nèi)容安排

考慮到GIS專業(yè)的特點，一方面，要把傳統(tǒng)面向計算機類專業(yè)的計算機圖形學的課程內(nèi)容進行刪減，如主要選取在GIS中會涉及的圖形處理算法和某種圖形繪制的少量常用的經(jīng)典算法作為課堂教學內(nèi)容；另一方面，加入一些計算幾何和GIS常用算法，并補充相應(yīng)算法在GIS中應(yīng)用實例，具體課程內(nèi)容安排如表1所示。

在課程內(nèi)容的安排中，我們主要是加入了點、線、弧段、圓、多邊形之間關(guān)系判斷，多邊形交、多邊形差、線緩沖區(qū)計算、多邊形面積計算、三角網(wǎng)生成等涉及計算幾何等常用GIS算法的教學內(nèi)容，并補充GIS中有關(guān)空間實體和參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達方法等教學內(nèi)容。另外，在安排計算機圖形學的相關(guān)知識在GIS應(yīng)用中的課程內(nèi)容時，主要從學生常見的GIS平臺軟件(如MapGIS和ArcGIS)可視化功能界面中體現(xiàn)的功能和GIS平臺軟件提供的二次開發(fā)接口進行舉例闡述。

表1　主要課程內(nèi)容

(二)課堂教學構(gòu)建

在課堂教學時，根據(jù)面向多層次人次培養(yǎng)的要求，適合應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型方向的教學內(nèi)容各有側(cè)重，其課程教學模式如圖1所示。應(yīng)用型人才方向主要是要掌握諸如3DMax和OpenGL等圖形工具的應(yīng)用、圖形繪制與處理的基本算法以及這些算法在GIS平臺功能中的應(yīng)用，培養(yǎng)學生具有很強的GIS動手應(yīng)用能力。技術(shù)型人才方向主要是以培養(yǎng)具有很強GIS相關(guān)軟件開發(fā)能力為目的，需要在理解基本算法理論的基礎(chǔ)上，掌握GIS平臺圖形編輯與處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法。研究型人才主要是通過對GIS相關(guān)圖形處理算法理論的基礎(chǔ)上，了解相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿動態(tài)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

圖1　課程教學模式

根據(jù)計算機圖形的課程教學模式，該課程在課堂教學時按照“目標是什么”“如何實現(xiàn)的”“實現(xiàn)效果如何”“存在哪些不足”的思路將該課程的課堂教學分為個5個環(huán)節(jié)：應(yīng)用案例演示、基本算法理論講授、算法實現(xiàn)與演示、相關(guān)技術(shù)前沿進展講授、分組討論等，如圖2所示。

圖2　課堂教學環(huán)節(jié)與方法

應(yīng)用案例演示環(huán)節(jié)主要是演示將要講授的算法在GIS平臺中實現(xiàn)的效果，讓學生產(chǎn)生學習的興趣和本次課程所要實現(xiàn)的目標?；舅惴ɡ碚撝饕侵v授算法思想。算法實現(xiàn)與演示環(huán)節(jié)包括實現(xiàn)采用OpenGL圖形包、基于MFC的底層的算法實現(xiàn)與演示和GIS基礎(chǔ)平臺提供的函數(shù)接口的演示，應(yīng)用型方向?qū)W生主要關(guān)注采用OpenGL圖形包算法實現(xiàn)演示和GIS基礎(chǔ)平臺提供的函數(shù)接口演示，技術(shù)型方向?qū)W生主要關(guān)注基于MFC的底層的算法實現(xiàn)與演示。另外，在算法實現(xiàn)與效果演示的教學時，充分發(fā)揮多媒體教學優(yōu)勢，將算法思路、執(zhí)行代碼、執(zhí)行結(jié)果同時直觀地展現(xiàn)出來，降低各層次學生掌握相關(guān)知識的難度。在技術(shù)前沿進展的教學時，通過查閱文獻介紹目前國內(nèi)外對該算法的研究現(xiàn)狀和該算法在GIS應(yīng)用的現(xiàn)狀。分組討論主要根據(jù)在實踐教學中分成的各小組，針對課堂教學和實踐實習中存在的問題進行內(nèi)部討論、交流和成果匯報。

三、實踐教學改革

實踐教學是鞏固和應(yīng)用理論知識、增強學生感性認識、培養(yǎng)學生的動手應(yīng)用、軟件開發(fā)和創(chuàng)新思維的根本途徑。計算機圖形學的實踐教學針對不同的人才培養(yǎng)要求，其實踐目標、檢驗成果和采用的實習工具均不盡相同，如表2所示。面向應(yīng)用型方向的實踐教學主要是通過OpenGL圖形庫在驗證基本算法的基礎(chǔ)上，通過3DMax等圖形建模工具實現(xiàn)三維校園系統(tǒng)建模和可視化，掌握當前常用圖形編輯和建模工具的應(yīng)用，培養(yǎng)學生的應(yīng)用分析能力和動手應(yīng)用能力。面向技術(shù)型方向的實踐教學主要是通過在理解基本圖形處理與顯示算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計GIS二維圖形編輯和三維可視化系統(tǒng)，并用VC++編程工具開發(fā)完成該系統(tǒng)的綜合性實驗，全面培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析、設(shè)計與開發(fā)能力。面向研究型方向的實踐教學主要是通過OpenGL圖形庫在驗證基本算法的基礎(chǔ)上，選擇有關(guān)圖形處理與顯示任意技術(shù)方向(如圖形填充、圖形裁剪等)進行研究，完成針對某一方向的算法的改進、相關(guān)算法GIS應(yīng)用或相關(guān)綜述性的研究報告。

表2　實踐教學模式

在完成計算機圖形學在實踐教學時，采用以下方式方法進行開展：

第一，自愿分組完成實踐任務(wù)，培養(yǎng)團隊合作精神。根據(jù)學生興趣和自己適合培養(yǎng)的方向，選擇合適的實踐目標及成果要求；在上課之初就開始鼓勵學生重視團隊合作，采用自愿原則分成3人左右的若干實踐教學小組；各小組成員有非常明確的任務(wù)分工，并留存小組任務(wù)分工明細表作為個人考核的依據(jù)，避免以往實踐教學中有些學生“吃大鍋飯”的現(xiàn)象；在該課程教學期間各小組預(yù)約成果報告時間。

第二，充分利用教學實踐課時，提高實踐教學效率。在以往實踐教學時，學生往往把這寶貴的實踐課時浪費在查資料、如何編寫和輸入代碼上，很少有小組之間、小組與老師之間的非程序調(diào)試錯誤、技術(shù)方案等方面的交流。我們在開始該課程時就布置實踐任務(wù)，采用“任務(wù)驅(qū)動”方法讓學生主動去學習和實踐，并鼓勵和引導學生利用非教學時間把相關(guān)基礎(chǔ)性的工作做好，在上機實踐時間里主要是討論技術(shù)方案和解決編碼調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些難以克服的技術(shù)難題。

第三，重視實踐成果開放性和復用性，培養(yǎng)和提升軟件系統(tǒng)思維。(1)本課程內(nèi)部的實踐成果盡量要開放和復用，這主要是指后面實習的內(nèi)容能直接利用前面實習的內(nèi)容，如繪制完成簡單圖形繪制算法的基礎(chǔ)上，后面的圖形填充、圖形裁剪以及圖形的變換等實習時可充分利用前面簡單圖形繪制的算法接口。(2)課程之間的實踐成果要開放和復用，我們在GIS專業(yè)的課程設(shè)置中還有其他各類不同層次的實踐[6-7]，如在計算機圖形學之前開設(shè)有計算機高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫原理等課程，在其之后開設(shè)有空間數(shù)據(jù)庫、GIS軟件工程等課程，利用教師在完成大型GIS平臺和應(yīng)用開發(fā)中的經(jīng)驗，引導學生一方面要充分利用前期數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程實踐的開發(fā)成果，另一方面本次綜合實驗成果完全可作為空間數(shù)據(jù)庫課程實踐的顯示子系統(tǒng)，做好各實習課程的銜接，避免各課程實習內(nèi)容的重復。

四、課程考核方式

計算機圖形學最終的課程考核主要是突出考查不同培養(yǎng)方向上的實踐目標為主，主要由“期末筆試+平時小組匯報+小組成果檢查”三部分構(gòu)成(如表3所示)，占比分別為30%、15%和55%，改變以往期末筆試成績占70%以上的慣例。通過近幾年的課程教學改革，我們發(fā)現(xiàn)課程實踐完成比較好的學生，往往期末筆試成績也很不錯。期末筆試的試卷采用開卷形式，題目以考核圖形處理的基本算法理論為主。平時小組匯報主要是根據(jù)預(yù)約的匯報時間，對自己成果進行匯報答辯。小組成果檢查根據(jù)各小組要求安排在本學期結(jié)束前，采用“多做和精做加分”原則進行鼓勵，通過近幾年的實踐教學，我們發(fā)現(xiàn)在實踐教學時出現(xiàn)各小組成員都爭先恐后地要求多做實習內(nèi)容的現(xiàn)象，實踐效果很好。

表3　課程考核方式

五、結(jié)束語

面向多層次GIS專業(yè)人才的培養(yǎng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要GIS專業(yè)每門課程、每個教學環(huán)節(jié)的認真研究和實踐，形成一個良好的理念、機制和方法。本文結(jié)合中國地質(zhì)大學(武漢)GIS專業(yè)實際，在該專業(yè)的計算機圖形學教學中針對應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型等多層次人才培養(yǎng)的需求進行了改革實踐，在教學內(nèi)容上充分注意與GIS中相關(guān)算法和應(yīng)用相結(jié)合，在課堂教學上通過應(yīng)用案例演示、基本算法理論、算法實現(xiàn)與效果演示、技術(shù)前沿進展、分組討論等環(huán)節(jié)以滿足不同層次人才培養(yǎng)的需要，在實踐教學上采用分層次實踐內(nèi)容、成果檢驗方式方法，打破了以往在該課程教學上“一刀切”的方式，讓適用各層次類型發(fā)展的學生都能找到自己的發(fā)展方向。通過三年的教學改革實踐，該課程的教學效果很明顯，學生能力得到了很大的提高，極大地激發(fā)了學生學習該課程和GIS專業(yè)的熱情。我們也不斷總結(jié)經(jīng)驗，繼續(xù)積極努力地探索一條符合我校GIS專業(yè)進行面向多層次人才培養(yǎng)的相關(guān)課程和教學環(huán)節(jié)改革實踐的道路。

參考文獻：

[1]湯國安，董有福，唐婉容，等.我國GIS專業(yè)高等教育現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中國大學教學，2013(6)：26-31.

[2]劉永和.面向GIS本科專業(yè)的計算機圖形學課程教學改革[J].高等理科教育，2012，101(1)：142-145.

[3]吳正升，郭健.GIS專業(yè)《計算機圖形學》課程建設(shè)與教學改革[J].測繪與空間地理信息，2011，34(2)：10-12.

[4]趙明.GIS專業(yè)《計算機圖形學》課程建設(shè)與改革初探[J].教育教學論壇，2012(S2)：83-84.

[5]陳優(yōu)良，王兆茹，鄒鳳瓊.以需求為導向的GIS專業(yè)人才培養(yǎng)模式[J].地理空間信息，2010，8(3)：141-147.

[6]鄭貴洲，王琪，晁怡，等.GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的實踐教學體系構(gòu)建[J].測繪科學，2014，39(9)：148-152.

[7]萬波，方芳，葉亞琴，等.階梯式GIS軟件工程實踐教學體系研究[J].課程教育研究，2015(1)：224-225.

(責任編輯李世萍)

收稿日期2015-09-30資助項目2015年中國地質(zhì)大學(武漢)重點教學研究項目“依托國家GIS工程中心地理科學專業(yè)立體式創(chuàng)新實踐平臺與體系構(gòu)建”.

作者簡介林偉華(1978-)男，湖北浠水人，副教授，博士，主要從事空間數(shù)據(jù)庫、地理計算所與空間分析、智慧城市與GIS應(yīng)用工程研究.

中圖分類號G642.44

文獻標識碼A

Practice of Computer Graphics Multi-level Teaching in GIS

LINWei-hua，LIUFu-jiang，GONGJun-fang，ZHENGGui-zhou

(School of Information Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan，430074，China)

Abstract：At present，there are many problems arosed in the GIS of computer graphics teaching，such as the separation from the characteristics of GIS，imcompatibility with other courses，remaining the teaching method of "plain and line" and so on.In order to solve these problems，a teaching practice system of computer graphics is explored to satisfy the requirements of multi-level talents cultivation for GIS in China，which includes the curriculum arrangement，class-teaching mode，practice-teaching mode and curriculum evaluation，etc.Therefore，a reference is provided for cultivating multi-level talents in the GIS teaching of computer graphics.

Keywords：GIS；multi-level talents；computer graphics；teaching practice