“計算機圖形學(xué)”課程“3階”混合教學(xué)模式建設(shè)

劉嘉敏，魏 東，常燕

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

引言

“計算機圖形學(xué)”是研究如何利用計算機表示、生成、處理、顯示對物理世界的感知和交互的學(xué)科，其技術(shù)廣泛應(yīng)用于游戲、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算可視化、工業(yè)制造等應(yīng)用領(lǐng)域中，尤其是在大數(shù)據(jù)、5G、云計算高速發(fā)展的大背景下，是非常重要的計算機應(yīng)用技術(shù)。“計算機圖形學(xué)”是多學(xué)科相互交叉、相互滲透的學(xué)科，該課程不僅是計算機科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)課，也是其他專業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ)課。課程具有理論性強、實踐手段和平臺多、應(yīng)用面廣和前沿性強等特點。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中不僅能學(xué)到圖形學(xué)的理論，而且能在計算思維能力、工程能力和創(chuàng)新能力方面得到很好的鍛煉。然而，課程本身的特性給學(xué)生的學(xué)習(xí)、教師的講授帶來較大的挑戰(zhàn)。在許多高校的教學(xué)中，主要采用國內(nèi)外經(jīng)典教程，從理論上講述20世紀經(jīng)典圖形學(xué)技術(shù)和原理，強調(diào)的是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的圖形算法，考核停留于學(xué)生對理論知識掌握的程度。課程存在重理論、輕能力、教學(xué)模式單一、學(xué)習(xí)乏味等現(xiàn)象，致使理論知識未成體系，造成學(xué)生一知半解、面對實際應(yīng)用問題無從下手編程實現(xiàn)，因而學(xué)習(xí)的熱情不高，這些問題使得教師必須改變現(xiàn)狀，積極研究計算機圖形學(xué)課程的改革方法。

近兩年，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在我國教育領(lǐng)域的廣泛運用，利用信息技術(shù)手段的新型數(shù)字化教學(xué)模式孕育而生。許多高校將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上數(shù)字化學(xué)習(xí)模式的二者優(yōu)勢相結(jié)合，從教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法進行新型混合教學(xué)模式研究和改革，以促進學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，進而幫助提高教學(xué)效果。針對課程現(xiàn)狀和問題及數(shù)字化的新型教學(xué)模式，迫使教師對課程的教學(xué)理念、培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)方法進行反思和探討。如何將以學(xué)生為中心、以能力為導(dǎo)向、以價值為引領(lǐng)的教學(xué)理念落實到教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程中，做到“學(xué)有目標(biāo)、思有方法、習(xí)有資源、疑能解答、拓有引領(lǐng)”？為此，在以學(xué)生為主體、“三位一體”（即“知識、能力、素質(zhì)”）的教學(xué)理念指導(dǎo)下，經(jīng)過幾年探索與實踐，提出了“3階”目標(biāo)的線上線下混合教學(xué)模式，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了“1主線3維度”的教學(xué)內(nèi)容，并實施了混合模式下的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核機制的改革舉措。

一、以“三位一體”為導(dǎo)向的“3階”線上線下混合教學(xué)模式

（一）“三位一體”的課程目標(biāo)

結(jié)合本校人才培養(yǎng)的辦學(xué)定位，具有創(chuàng)新的研究應(yīng)用型人才，遵循以學(xué)生為主體，以知識、能力、素質(zhì)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，制定本課程“三位一體”的課程目標(biāo)——以光柵圖形學(xué)、三維建模與真實感技術(shù)的基本理論為知識目標(biāo)，以培養(yǎng)計算思維能力、工程實踐能力，能夠解決復(fù)雜的工程問題，通過能力培養(yǎng)促進創(chuàng)新能力為能力目標(biāo)，以嚴謹認真、求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度，具有愛國主義情懷、使命擔(dān)當(dāng)?shù)呢?zé)任感為素質(zhì)目標(biāo)，從而為學(xué)生未來從事學(xué)科研究、從事應(yīng)用領(lǐng)域中圖形系統(tǒng)開發(fā)，奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）混合模式的學(xué)習(xí)平臺

借力互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)，構(gòu)建混合式SPOC學(xué)習(xí)平臺。在此平臺引入其他院校在線優(yōu)質(zhì)資源，融入自主建設(shè)數(shù)字化“計算機圖形學(xué)”課程中，構(gòu)成線上學(xué)堂。同時優(yōu)化設(shè)計線下實體課堂，利用超星平臺使線上與線下學(xué)堂同步，實施數(shù)字化管理和效果監(jiān)測。

（三）“以目標(biāo)為導(dǎo)向”線上線下混合教學(xué)模式

依據(jù)Bloom認知模型，按低、中、高“3階”層次，依次設(shè)計課前導(dǎo)學(xué)、課中研學(xué)、課后練學(xué)與拓展的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建線上線下混合教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 “3階”目標(biāo)的線上線下混合教學(xué)模式

在其模式中，低階教學(xué)目標(biāo)通過課前線上自學(xué)、課中線下課堂歸納總結(jié)、課后線上練學(xué)獲得；中階教學(xué)目標(biāo)通過課中線下研學(xué)、課后線下練學(xué)和拓展獲得；高階教學(xué)目標(biāo)通過課中研學(xué)、課后線上線下練學(xué)和拓展獲得。

二、混合教學(xué)模式下的課程建設(shè)

（一）“1主線3維度”的理論與實踐教學(xué)內(nèi)容

依托理論教學(xué)和實踐教學(xué)，融入前沿科技和思政元素，達到基礎(chǔ)扎實、能力和素質(zhì)提升的目標(biāo)。

1.打造“1條”理論主線。以經(jīng)典理論知識為主體，打破教材的順序，依據(jù)圖形繪制管線，將從三維圖形建模到二維圖像顯示所涉及的零散、不易銜接理論知識重構(gòu)，從應(yīng)用、幾何到光柵三個階段的知識框架，在宏觀上形成系統(tǒng)化的知識脈絡(luò)。這使得學(xué)生了解主要知識要解決的問題、知識體系的邏輯結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生建立知識脈絡(luò)，以便學(xué)生能系統(tǒng)地理解、應(yīng)用和拓展知識，以及漸進式地提升能力。

2.搭建“3維度”實踐主線，構(gòu)建、組織實踐教學(xué)內(nèi)容。（1）實踐體驗：從案例、學(xué)生作品演示和科技成果展示等方面讓學(xué)生感受圖形學(xué)的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。（2）實踐內(nèi)容：以點構(gòu)面，涵蓋知識框架中全部知識點，其內(nèi)容既有演繹經(jīng)典理論的算法設(shè)計和編程實現(xiàn)，又有融入前沿技術(shù)的綜合設(shè)計內(nèi)容。（3）實踐平臺：因人而異地構(gòu)建基于計算機端、手機端、瀏覽器端的圖形學(xué)實踐環(huán)境，發(fā)揮學(xué)生的長處，彌補學(xué)生的不足，做到因材施教的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。

（二）“面向能力素質(zhì)”混合模式的教學(xué)方法

1.著重計算思維能力的探究式教學(xué)法。線下課堂采用提出應(yīng)用問題—解決問題的思路—驗證求解思路—實現(xiàn)求解方法的“4步”教學(xué)法，以裁剪、消隱、光照等經(jīng)典理論為推動，將培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力通過學(xué)者如何思維、如何產(chǎn)生求解的思路、驗證和實現(xiàn)方法的過程來演繹。通過啟發(fā)、引導(dǎo)、小組討論、線上測試等教學(xué)手段，使學(xué)生達到知識內(nèi)化、思維引導(dǎo)、能力培養(yǎng)的中高階目標(biāo)。

2.著重工程實踐能力培養(yǎng)的體驗式教學(xué)法。結(jié)合社會需求，搭建基于OpenGL圖形庫的多種程序語言實踐平臺，如C++、Python、Java等，學(xué)生依據(jù)個人能力選擇實踐環(huán)境。在實踐教學(xué)中，采用應(yīng)用問題—求解思路—算法設(shè)計—實踐拓展的“4步”教學(xué)法，使教學(xué)重點從傳授知識轉(zhuǎn)向工程能力的培養(yǎng)。線下在解析問題時，引導(dǎo)學(xué)生進行分析求解問題的要點，設(shè)計編程思路，讓枯燥和抽象的理論在實踐中具體化并得到檢驗。線上提供案例源碼、前沿技術(shù)的視頻、學(xué)術(shù)文獻，學(xué)生可隨時下載、模仿案例自學(xué)且實踐，而且依據(jù)自身能力進行能力與素質(zhì)的拓展。這樣學(xué)生不僅在平臺上演繹理論知識的實現(xiàn)過程，又提高工程實踐能力和解決工程問題能力，而且能與行業(yè)前沿、未來職業(yè)接軌。

3.著重思維和能力拓展的研討式教學(xué)法。采用場景研學(xué)—問題討論—真實體驗—實戰(zhàn)設(shè)計的“4步”教學(xué)法。（1）展示與評鑒。線下課堂中對作業(yè)點評、作品展示、案例講解，使學(xué)生在實際應(yīng)用場景中學(xué)習(xí)知識、提升能力。（2）專題研討。在線上設(shè)置專題討論題，引導(dǎo)學(xué)生思考，拓展其思維，激發(fā)創(chuàng)新意識。（3）融入虛擬現(xiàn)實等科研成果。教學(xué)中展示研發(fā)虛擬現(xiàn)實、三維仿真等產(chǎn)品及新技術(shù)，學(xué)生能身臨其境體驗圖形學(xué)的應(yīng)用，開闊了視野，促進了創(chuàng)新能力的提升。（4）綜合設(shè)計。設(shè)置主題突出的交互三維場景的設(shè)計任務(wù)，從查閱文獻到成果展示。這些方式保持了課程的前沿性和創(chuàng)新性，達到課程的高階目標(biāo)。

4.注重科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的思想政治教育無聲融入式教學(xué)法。通過我國CAD事業(yè)的先行者劉慎權(quán)教授、經(jīng)典裁剪算法發(fā)明者梁友棟教授、圖靈獎獲得者艾德文·卡特姆教授等計算機圖形學(xué)領(lǐng)域中，著名學(xué)者的人文傳記、行業(yè)領(lǐng)軍公司的前沿科技，以故事、視頻、資訊等形式，將工匠精神、科學(xué)素養(yǎng)、家國情懷等思政元素潤物無聲地融入教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生嚴謹求真的科學(xué)態(tài)度、探索未知和勇攀高峰的使命感、愛國報國的情感與思想自然升溫，達到課程思政育人的效果。

（三）“知識能力并舉”的多元化考核模式

1.注重過程考核，制定多元化、分層次的考核內(nèi)容和定量的考核評定標(biāo)準(zhǔn)，其考核內(nèi)容及比例分配如下。期末試卷（65%）：以成果為導(dǎo)向，設(shè)計出具有一定開放性且多種形式的命題。例如，給定生成三維場景的程序代碼，學(xué)生通過讀代碼回答若干有關(guān)理論知識、能力和思維拓展的問題，從而考查學(xué)生的理論知識掌握程度、能力和思維拓展的程度。平時過程考核（35%），包括以下幾個方面：（1）學(xué)習(xí)參與度與反饋。通過線上自學(xué)視頻、線上討論參與度、問卷等內(nèi)容，考核了解和應(yīng)用知識和思維能力的目標(biāo)。（2）線上測試。通過線上測試考核知識掌握的目標(biāo)。（3）上機實驗。通過實驗報告和實驗結(jié)果展示考核思維和能力的目標(biāo)。（4）綜合設(shè)計。通過成果展示、海報等形式考核思維和能力的目標(biāo)。

2.考評流程制定的人性化?？己藘?nèi)容和評定標(biāo)準(zhǔn)順應(yīng)混合式教學(xué)模式，依據(jù)學(xué)習(xí)過程中學(xué)情的變化，進行相應(yīng)的調(diào)整。

3.過程考評指標(biāo)細化。針對過程考核中平時測試、設(shè)計實驗、綜合設(shè)計等每項考核環(huán)節(jié)，制定評分細則，按規(guī)則評分。

（四）混合教學(xué)模式的成效

計算機圖形學(xué)課程的混合教學(xué)模式從2020年開始在我校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實施，經(jīng)不斷總結(jié)和改進教學(xué)方法，教學(xué)效果得到充分認可，受到學(xué)生的好評。通過對考核評價的全程化和數(shù)據(jù)化，全面客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。對比2020—2021年計算機圖形學(xué)課程的學(xué)生成績，優(yōu)秀率和及格率有較大的提高，如圖2所示。而且，對2020學(xué)年和2021學(xué)年學(xué)生成績課程目標(biāo)達成度進行數(shù)字化分析，在知識和能力方面都較好達成課程目標(biāo)。

圖2 兩學(xué)年課程成績對比

結(jié)語

在以學(xué)生為主體、“三位一體”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，實施的混合模式課程建設(shè)改變傳統(tǒng)單一的教學(xué)方法，著重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)，使得學(xué)生能從疑問中觀察—求解中思考—情境中感受—實戰(zhàn)中升華4個階段，將“知識、能力、素質(zhì)”遞進地達到目標(biāo)；同時，注重專業(yè)情懷和科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)，教師從問題探究、算法的改進、代碼規(guī)范等方面言傳身教，激發(fā)學(xué)生探索知識的興趣和創(chuàng)新意識，端正了學(xué)生嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。