基于“兩性一度”的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一流課程建設(shè)實(shí)踐研究

何鈺楓 李翠麗 司春景

摘要：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門實(shí)踐與理論并重的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，該課程的教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)綜合能力突出的計(jì)算機(jī)類人才至關(guān)重要。文章針對地方高校如何推進(jìn)一流課程建設(shè)，提出以“兩性一度”為標(biāo)準(zhǔn)，以培養(yǎng)高素質(zhì)計(jì)算機(jī)人才為目標(biāo)，以線上線下混合教學(xué)模式為核心的課程建設(shè)方案，為計(jì)算機(jī)相關(guān)的一流本科課程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；一流課程；教學(xué)改革；混合教學(xué)；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）31-0128-03

1 引言

隨著我國高等教育的飛速發(fā)展，教育質(zhì)量問題愈發(fā)引起社會(huì)的關(guān)注。近年來，教育部相繼提出“新工科”建設(shè)和一流本科課程“雙萬計(jì)劃”，明確了我國高等工程教育的內(nèi)涵，規(guī)劃了工科課程建設(shè)與發(fā)展的路徑，強(qiáng)調(diào)專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元，而課程是人才培養(yǎng)的核心要素。課程建設(shè)是人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，課程質(zhì)量直接影響人專業(yè)人才素養(yǎng)，鼓勵(lì)各類高校積極開展創(chuàng)新工科課程建設(shè)與教學(xué)模式探索，推動(dòng)我國本科教育質(zhì)量整體提升[1-3]。特別是教育部印發(fā)《教育部關(guān)于狠抓新時(shí)代全國高等學(xué)校 本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》（教高函〔2018〕8號），提出加快振興本科教育，構(gòu)建高水平人才培養(yǎng)體系，全面提高高校人才培養(yǎng)能力，要求“各高校全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰‘水課、打造‘金課，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、擴(kuò)展課程深度，切實(shí)提高教課程教學(xué)質(zhì)量”[4]。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科中的重要基礎(chǔ)課程，如何根據(jù)課程特點(diǎn)，結(jié)合地方高校自身特性，提升計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才，是一個(gè)急需探索研究的問題[5-7]。本文以塔里木大學(xué)為例，結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)情況，分析該課程教學(xué)中存在的問題，提出以線上線下混合式教學(xué)模式為基礎(chǔ)，以“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的“兩性一度”為標(biāo)準(zhǔn)的課程改革建設(shè)方案，以期通過課程建設(shè)提升教學(xué)質(zhì)量，為新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)和輸送更多高水平的專業(yè)人才。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)的主要問題

塔里木大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程是面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，包含理論與實(shí)驗(yàn)兩部分，自2016年以來，教研室已對本課程進(jìn)行2次教學(xué)大綱的修訂，以適應(yīng)課程的發(fā)展及教學(xué)模式的改革。然而，圖形學(xué)新技術(shù)的發(fā)展日新月異，大量圖形學(xué)算法與人工智能融合更新，圖形硬件飛速迭代，這使得現(xiàn)有的圖形學(xué)課程出現(xiàn)內(nèi)容陳舊，缺乏創(chuàng)新性的問題。同時(shí)，全球疫情肆虐，傳統(tǒng)的線下授課方式受到巨大挑戰(zhàn)。因此，為了更好地完成一流本科課程建設(shè)，本文對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)中主要存在的問題進(jìn)行了總結(jié)與分析。

2.1 教學(xué)內(nèi)容組織零亂，課程知識不成體系

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識體系龐大，涉及圖形軟硬件、基本圖形生成、圖形變換、幾何造型、圖形渲染、動(dòng)畫等方面。本科階段對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)雖然僅要求啟發(fā)性的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，但在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，需要對整個(gè)圖形學(xué)知識體系要進(jìn)行初步的建立，這就難免讓學(xué)生感覺到圖形學(xué)知識點(diǎn)繁雜，知識關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，章節(jié)間具有強(qiáng)烈的跳躍性，學(xué)生難以形成圖形化思維創(chuàng)新能力。課程知識點(diǎn)的割裂，除了體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程自身之外，也體現(xiàn)在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程知識體系上。傳統(tǒng)的教學(xué)模式容易造成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為“孤島”式課程，缺乏前后的課程承接，而計(jì)算機(jī)其他的科目往往具有一脈相承的特性，如從本科低年級到高年級依次學(xué)習(xí)的C/C++程序設(shè)計(jì)、匯編程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理到操作系統(tǒng)，逐步形成一條編程語言、軟硬件協(xié)同和應(yīng)用開發(fā)的完整過程。而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)容易陷入圖形學(xué)繁雜算法的沼澤，缺乏與其他專業(yè)課程之間融合互動(dòng)。

2.2 教學(xué)資源匱乏，實(shí)踐案例陳舊

與很多邊遠(yuǎn)地方高校類似，目前塔里木大學(xué)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中的一個(gè)突出問題就是教學(xué)資源匱乏，如機(jī)房設(shè)備老舊，甚至無法支撐部分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，常常無法滿足前沿圖形工作的演示。同時(shí)部分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前學(xué)科前沿發(fā)展脫節(jié)，培養(yǎng)的學(xué)生無法滿足工業(yè)界的實(shí)際需求，而學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)感覺案例無趣，缺乏學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)之后掌握的相對落伍的實(shí)踐技能無用武之地。因此，根據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，構(gòu)建新穎的課程案例和綜合項(xiàng)目勢在必行。

2.3 教學(xué)方法單一，學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)主要以線下面授為主，但隨著課程學(xué)時(shí)的縮減，該課程由64學(xué)時(shí)逐步調(diào)整到48學(xué)時(shí)。在本課程教學(xué)內(nèi)容偏多、課程難度較大的情況下，學(xué)時(shí)的縮減，使得授課教師往往為了追趕教學(xué)進(jìn)度而放棄許多教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，使得課堂缺少互動(dòng)，學(xué)生被動(dòng)接受教師源源不斷的知識輸入很容易產(chǎn)生疲倦。因此，如何利用信息化教學(xué)工具，開展多種教學(xué)手段結(jié)合的教學(xué)模式值得探索。

2.4 課程考核不完善，缺乏過程控制

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程考評方式主要采用期中期末考試，輔以簡單的平時(shí)考核，如課前點(diǎn)名記錄考情，課后作業(yè)批改登記成績，這種方式缺乏對于學(xué)生學(xué)習(xí)過程的多維度評估?？茖W(xué)的考評機(jī)制不應(yīng)該只是學(xué)生最終的一個(gè)分?jǐn)?shù)，而應(yīng)該是貫穿在學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)督、動(dòng)態(tài)調(diào)控和實(shí)時(shí)反饋。

3 “兩性一度”的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)混合式課程建設(shè)

3.1 基于“兩性一度”的課程建設(shè)思路

“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，它從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)考核等方面對一流課程建設(shè)提出要求，為課程建設(shè)提供導(dǎo)向。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的建設(shè)中，融入思政元素，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，梳理知識體系，設(shè)計(jì)新穎且具有地方特色的教學(xué)案例，提升課程的“高階性”。利用信息化智能化的線上教學(xué)平臺(tái)，引入線上線下混合教學(xué)模式，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，突出課程的“創(chuàng)新性”。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程的多元評價(jià)，適當(dāng)設(shè)置學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)，注重知識應(yīng)用能力的考核，增加課程的“挑戰(zhàn)度”。

3.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一流課程建設(shè)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一流課程建設(shè)具有清晰的目標(biāo)。其首要目標(biāo)就是提升教學(xué)質(zhì)量，出色完成圖形學(xué)課程知識的傳承，滿足“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，做到去“水”增“金”。其次，它也具有地方高校獨(dú)特的使命。以塔里木大學(xué)為例，我校地處新疆南疆地區(qū)，每年培養(yǎng)的各類人才畢業(yè)后大多選擇扎根兵團(tuán)，留疆工作，為新疆維吾爾自治區(qū)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的發(fā)展提供鮮活的動(dòng)力。因此，在課程建設(shè)中，加強(qiáng)課程思政的內(nèi)容，弘揚(yáng)愛國愛疆艱苦奮斗的精神，授課教師秉承立德樹人的宗旨，牢記為國育人、為黨育人的光榮使命。同時(shí)，在課程內(nèi)容方面，結(jié)合新疆特色產(chǎn)業(yè)進(jìn)行建設(shè)，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用案例，在旅游業(yè)中的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等。最終實(shí)現(xiàn)為新疆建設(shè)發(fā)展提供思想過硬、技能夠強(qiáng)的應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的目標(biāo)。

3.3 混合式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程建設(shè)方案

3.3.1 刪選重組教學(xué)內(nèi)容，融合構(gòu)建知識體系

以“兩性一度”為標(biāo)準(zhǔn)，將課程內(nèi)容進(jìn)行層次化劃分，將低階性的過時(shí)的課程內(nèi)容適當(dāng)壓縮和刪除，將每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容凝聚成四個(gè)模塊，基礎(chǔ)知識、高階知識、創(chuàng)新拓展和難點(diǎn)挑戰(zhàn)。其中基礎(chǔ)知識和高階知識分別講授圖形基礎(chǔ)以及高層次的原理，創(chuàng)新拓展介紹該知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的前沿進(jìn)展以及實(shí)際應(yīng)用，難點(diǎn)挑戰(zhàn)則用以啟發(fā)學(xué)生的思維，如何用所學(xué)知識遷移應(yīng)用，解決真實(shí)工程問題。除了教學(xué)內(nèi)容的刪選重組，整體學(xué)科領(lǐng)域的知識體系構(gòu)建也同樣重要，因此，課程組授課教師將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相近課程的進(jìn)行內(nèi)容銜接，如將圖形概念與數(shù)字圖形處理中的圖像概念進(jìn)行辨析，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的三維建模算法與工業(yè)建模軟件3ds Max進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將真實(shí)感圖形繪制延伸到游戲引擎的介紹，將光照模型擴(kuò)展到圖像退化問題。這樣知識不再孤立，前后學(xué)科之間有所銜接，能讓學(xué)生了解該領(lǐng)域內(nèi)知識的來龍去脈，構(gòu)筑一條清晰的學(xué)習(xí)線索。

3.3.2 因地制宜整合資源，推陳出新改編案例

針對地方高校，尤其是部分偏遠(yuǎn)高校存在的教學(xué)資源缺乏問題，課題組主要采用兩種方案解決。首先是將在線案例演示轉(zhuǎn)為離線視頻，通過教學(xué)資源庫的建設(shè)，授課教師在高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的演示，然后錄制成視頻資源，教學(xué)中降低了對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求。其次，組建云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)建統(tǒng)一管控的云端實(shí)驗(yàn)機(jī)，降低了實(shí)驗(yàn)室客戶端的硬件需求。最后，對教學(xué)案例進(jìn)行更新，比如摒棄老舊的MFC編程框架，轉(zhuǎn)而使用Python作為前端的太極編程語言，以Python取代C++降低了程序設(shè)計(jì)語言本身帶來的困難，同時(shí)保持高性能的圖像計(jì)算能力。另一方面對案例的內(nèi)容進(jìn)行更新，例如使用維吾爾族特有的艾德萊斯綢圖案進(jìn)行分形的實(shí)踐教學(xué)，采用這種具有地區(qū)特色的案例可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3.3.3 引入信息化教學(xué)方法，培養(yǎng)自主性學(xué)習(xí)能力

一流課程建設(shè)要求在教與學(xué)的兩端都打破傳統(tǒng)模式的束縛。教師需要學(xué)習(xí)、適應(yīng)和研究現(xiàn)代教學(xué)方法，并付諸實(shí)踐，完成課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動(dòng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，而不是照本宣科。課程組在近三年的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)中，采用“雨課堂”和“超星學(xué)習(xí)通”等信息化教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建優(yōu)秀的線上課程資源庫，開展混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等創(chuàng)新性的教學(xué)方法，將學(xué)生的學(xué)習(xí)從課堂延伸到課外，讓學(xué)生由被動(dòng)地課堂聽課，轉(zhuǎn)變?yōu)殡S時(shí)隨地地主動(dòng)學(xué)習(xí)。學(xué)生課前通過預(yù)習(xí)教師發(fā)布的圖形學(xué)案例資源，對將要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)構(gòu)建了直觀認(rèn)識，知道了將要學(xué)習(xí)什么，并對現(xiàn)象背后的原理產(chǎn)生疑問。課中，教師通過理論講解、課堂互動(dòng)向?qū)W生解答疑問。之后，通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)帶領(lǐng)學(xué)生驗(yàn)證理論。課后，學(xué)生在線完成作業(yè)，鞏固知識，并在線上進(jìn)行討論反饋。整個(gè)教學(xué)過程貫穿線上線下不同場合，整合課前課中和課后的學(xué)習(xí)時(shí)間，使教學(xué)形成一個(gè)完整的閉環(huán)。在這個(gè)閉環(huán)中，學(xué)生潛移默化地提高了學(xué)習(xí)的自主性，同時(shí)也為課程考核提供了過程化的參考數(shù)據(jù)。

3.3.4 加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程考核，完善教學(xué)考評機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)行課程考評機(jī)制存在的考核方式單一、缺乏過程控制以及挑戰(zhàn)度不足等問題，提出建立多元化考核體系：最終的期末結(jié)課考試占50%，平時(shí)的過程性考評指標(biāo)占50%，包括平時(shí)線上學(xué)習(xí)時(shí)長、課后作業(yè)效果、線下課堂考勤、課上師生互動(dòng)、課后交流討論等指標(biāo)，體現(xiàn)出重視學(xué)習(xí)過程的特點(diǎn)。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更愿意將課程的考核平鋪到整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過程中，而不是集中在最后的期末考試，這樣能驅(qū)使其注重平時(shí)的學(xué)習(xí)積累。當(dāng)然這樣綜合性的考核體系也對教師提出更高要求，需要熟練使用信息化教學(xué)軟件，構(gòu)建在線課程資源庫。此外，根據(jù)一流課程建設(shè)的“挑戰(zhàn)度”要求，期末結(jié)課考核應(yīng)當(dāng)合理控制難度，不能都是過于簡單的基礎(chǔ)題目，應(yīng)適當(dāng)增加高階問題和體現(xiàn)挑戰(zhàn)度的難題。這樣通過考題的引導(dǎo)，讓課程走出“水課”的泥沼，變得具有深度，也能促使學(xué)生重視課程。

4 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一門理論與實(shí)踐并重的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，在全面開展一流本科課程建設(shè)的背景下，對其提出了新的建設(shè)要求。本文以塔里木大學(xué)為例，通過反思該課程授課過程中存在的種種問題，結(jié)合實(shí)際情況，從課程內(nèi)容組織、教學(xué)材料更新、教學(xué)方法探索、課程考評體系構(gòu)建等方面進(jìn)行課程建設(shè)方案的探討，以“兩性一度”為標(biāo)準(zhǔn)，圍繞課程建設(shè)的目標(biāo)，提出一系列課程改革策略，提升課程教學(xué)質(zhì)量，為新疆的信息化建設(shè)提供高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，也為其他相關(guān)課程的建設(shè)提供參考。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2022-04-08

基金項(xiàng)目：塔里木大學(xué)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（編號：TDYLKC202231） ；全國高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)線上線下教育教學(xué)深度融合的教學(xué)改革實(shí)踐（編號：2022-AFCEC-499）

作者簡介：何鈺楓（1991—） ，男，湖南邵陽人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理；李翠麗（1991—） ，女，山東菏澤人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)閳D形圖像處理；司春景（1981—） ，女，河北涿州人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、?jì)算機(jī)圖形學(xué)。