基于OBE理念的數(shù)媒技術(shù)專業(yè)“計算機圖形學”課程教學改革

吳鋒　王爾涵　王愛雨

關(guān)鍵詞：OBE；計算機圖形學；新工科；混合教學模式

中圖法分類號：TP391 文獻標識碼：A

1引言

1981年，美國學者Spady首次提出成果導向教育（Outcome Based Education，OBE）理念。該理念倡導以學生為主導，學習成果（即通過學習，學生獲得了什么賴以生存的能力）為導向設(shè)計并持續(xù)改進教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等。2017年6月9日，教育部在北京召開“新工科”研究及實踐專家組成立暨第一次工作會議，要求全面落實“學生中心，成果導向，持續(xù)改進”。近年來，教育部提出“新工科”概念并重點發(fā)展新工科研究與實踐項目。國內(nèi)高校紛紛開展OBE專業(yè)建設(shè)與教學改革工程教育專業(yè)認證理念，面向全體學生，關(guān)注學習成效。

2工程教育與OBE

2.1 OBE理念的核心

首先以學生為中心：教師要關(guān)注學生最終需要獲得怎樣的能力，即教學目標。其次以成果為導向的課程設(shè)計：教師要關(guān)注學生需要學習哪方面知識技能，而不是教師想要傳授什么。最后持續(xù)改進質(zhì)量保障體系：教師要以最終的目標作為起點反向進行課程設(shè)計，打造一個新型的課程體系，以確保所有的教學活動指向最終學習成果，并且要檢驗這些學習活動對于最終學習成果是否有效。

2.2 OBE課程設(shè)計的邏輯框架

調(diào)研所在專業(yè)的行業(yè)需求，其決定了專業(yè)的培養(yǎng)目標，專業(yè)的培養(yǎng)目標決定了所在專業(yè)學生的畢業(yè)要求，由畢業(yè)要求決定了該專業(yè)的課程體系，具體到某一課程（如“計算機圖形學”），深入研究該課程的教學內(nèi)容、教學方式以及可以利用的線上線下教學資源。完善整個體系后，需要對該專業(yè)畢業(yè)生進行跟蹤，聽取行業(yè)的反饋（畢業(yè)生及用人單位的反饋），根據(jù)反饋來做持續(xù)的改進。根據(jù)改進的意見重新制定培養(yǎng)目標。例如，學生達到的畢業(yè)要求實際上是學校對社會輸送人才的初級階段，也可以認為工程師的初級階段，其從事本專業(yè)5年并具備所對應(yīng)的能力，才算是一名真正的工程師。

2.3 OBE理念對高校課程學習評價的啟發(fā)

（1）以目標為導向制定教學目標。

（2）注重學生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。

（3）采取多元的評價方法。

（4）注重評價體系的公平公正性。

（5）制定合理的評價準則。

以上有3條都出現(xiàn)評價，我們需要合理評價學生的學習產(chǎn)出，而且依據(jù)評價提出改進意見，評價在OBE建設(shè)中是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

“計算機圖形學”作為數(shù)媒技術(shù)專業(yè)必修課對學科建設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)具有重要地位和作用。其課程改革主要有3方面：首先基于教學內(nèi)容方面改革：其次基于教學方法及教學手段的改革：最后基于教學模式上的革新。

利用線上線下混合教育，學生根據(jù)各自需要在多樣的空間、以多樣的方式進行學習，即所有的實際空間成為學習的空間，所有的碎片化的時間都可以成為學習時間。基于問題的教學方法，將教學內(nèi)容里的知識點及重點設(shè)計成層層問題，以學生為主導，充分考慮學生的學習成果，尊重學生的個體化差異，空松的時間和環(huán)境有助于培養(yǎng)具有自主學習綜合素質(zhì)能力、實踐創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力和國際視野的高素質(zhì)優(yōu)秀人才。

3數(shù)字媒體專業(yè)“計算機圖形學”課程研究內(nèi)容、課程目標及課程體系

3.1“計算機圖形學”課程主要研究內(nèi)容

通過計算機將數(shù)字信息、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成圖形，并在專門的顯示設(shè)備上顯示其原理、方法和技術(shù)。例如，我們眼睛感知的“客觀對象”，自然界一只兔子，通過計算機的代碼生成技術(shù)計算生成計算機對象模型，得到“客觀對象”的數(shù)學模型——“對象模型”，經(jīng)過計算機加工處理生成具有三維特征的模型——“顯示對象”：有了虛擬的對象模型，計算機可以通過改變數(shù)據(jù)參數(shù)，得到不同形態(tài)的對象也就形成了——“對象動畫”。這是計算機圖形學處理圖像的過程（如圖1所示）。

3.2“計算機圖形學”課程核心目標

其課程核心目標是產(chǎn)生真實感圖像——視覺交流：通過圖形或幾何的方式來表示或展示一些問題或信息。具體分為以下3步。

第一問題——觀察：通過觀察、思考，明確問題或要傳達的信息。

第二問題——幾何：通過建立幾何模型，表達問題。

第三幾何——圖像：由幾何模型生成圖像，將問題或信息可視化，達到視覺交流的目的。

“計算機圖形學”課程分為3個模塊，即基礎(chǔ)模塊、建模與表示模塊、繪制模塊。（1）基礎(chǔ)模塊是向量、矩陣、齊次坐標和幾何變換等。主要的軟、硬件基礎(chǔ)知識涉及圖形API，如OpenGL、Direct3D等軟件，硬件知識圖形輸出設(shè)備與輸入技術(shù)的簡單基礎(chǔ)知識，如光柵顯示器基礎(chǔ)原理、顏色處理與顏色模型。（2）建模與表示模塊是研究如何用圖形方式表示現(xiàn)實或虛擬世界中的對象與信息，如一棟建筑、一輛汽車或者一個電影角色。模型在外部顯示上通常以點、線、面、體等各種幾何元素組合來表示，而在計算機內(nèi)部通過坐標、連接關(guān)系所對應(yīng)的幾何信息與拓普信息來表示。（3）繪制模塊將計算機對象的數(shù)字幾何模型轉(zhuǎn)換成直觀形象的圖形或圖像，是數(shù)字幾何模型的視覺可視化過程。繪制應(yīng)用程序：給圖形系統(tǒng)提供幾何模型信息。幾何處理：幾何圖元處理（插值）、投影、裁剪。像素處理：光柵化、像素著色。

基于OBE制定“計算機圖形學”課程目標。

（1）具備解決復雜圖形問題所需的專業(yè)知識和技能。

（2）掌握軟件圖形增項設(shè)計理論方法，具備程序代碼開發(fā)技能。

（3）掌握軟件開發(fā)過程中所使用的工具。

（4）具備口頭與書面的專業(yè)問題表達與交流能力。

（5）具備自主學習能力。

3.3“計算機圖形學”課程體系

“計算機圖形學”課程的相關(guān)學科跨度較大。圖像處理是將客觀世界中原來存在的物體影像處理成數(shù)字化圖像，如圖像壓縮、圖像復原、圖像增強技術(shù)（計算機圖形學重要研究）。模式識別是用數(shù)學技術(shù)來研究模式的自動處理和判斷，如語言識別人臉識別。幾何模型研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學模型以及在計算機中更好地儲存和管理這些模型數(shù)據(jù)。如建立數(shù)學模型以及存儲模型數(shù)據(jù)。

計算機圖形學重點是從數(shù)據(jù)到圖像的生成。其中，明確課程目標對畢業(yè)設(shè)計要求的支撐關(guān)系。

（1）工程技術(shù)知識：具備解決復雜圖像軟件工程問題所需要的專業(yè)知識——課程目標1。

（2）為工程問題提出行之有效的解決方案：掌握計算機圖形學設(shè)計理論與方法，具備圖形軟件開發(fā)技能——課程目標2。

（3）技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)代工具使用：掌握圖像軟件開發(fā)過程中的使用工具——課程目標3。

（4）溝通：具備口頭與書面的專業(yè)問題表達與交流——課程目標4。

（5）終身學習能力：具備自主學習能力——課程目標5。

3.4基于OBE理念的“計算機圖形學”課程評價機制

具體如表1所列。

4基于OBE理念的“計算機圖形學”課程線上線下混合教學

4.1教學目標和評價機制

傳統(tǒng)圖形學教學多數(shù)以教師為中心，重點在課堂講授圖形相關(guān)數(shù)據(jù)原理或者圖形技術(shù)算法，通過平時成績和期末考查來檢驗學習和教學效果，教學目標是讓學生掌握軟件繪制圖形原理甚至理解算法原理。前者重實踐而輕理論，容易使學生掌握知識不深人，不能總體看待問題，無法實現(xiàn)理論創(chuàng)新；后者輕實踐重理論，易使課程教學枯燥乏味，尤其是數(shù)媒的學生對于圖形圖像形成原理感覺枯燥乏味，降低了學生學習興趣。這種傳統(tǒng)的教學內(nèi)容一刀切，忽略了學生的個體差異，以及學生學習能力、創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用能力和學生視野的培養(yǎng)。

為了適應(yīng)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)經(jīng)濟社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求，借著國家建設(shè)“新工科”的東風，本文提出了新的計算機圖形學教學目標。新的教學目標基于OBE理念反向設(shè)計，充分考慮學生的個體化差異，主要圍繞學生的基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新思維、編程實踐和綜合應(yīng)用4大主題而設(shè)立。借助互聯(lián)網(wǎng)教育平臺為教師提供多維視角，及時了解學生動態(tài)，為師生搭建暢通無阻的溝通渠道，構(gòu)建閉環(huán)課程評價體系，提升學生學習體驗，培養(yǎng)學生自主學習、創(chuàng)新、實踐應(yīng)用能力和國際視野。在此基礎(chǔ)上，還需要考慮學生個性化需求，在教學過程中借助互聯(lián)網(wǎng)采取靈活多樣的教學策略，并提供豐富的教學內(nèi)容。

4.2教學內(nèi)容及教學策略

計算機圖形學涉及多學科知識，內(nèi)容寬泛、抽象。結(jié)合OBE理念并以學生畢業(yè)所用到的知識為主線，采用課堂授課方式傳授經(jīng)典理論知識?？紤]到計算機科學與技術(shù)專業(yè)的基本要求以及學生的未來發(fā)展需求，基于OBE理念，在充分尊重學生的基礎(chǔ)上，將課程內(nèi)容分為經(jīng)典理論、前沿技術(shù)和實踐應(yīng)用3部分，通過將豐富的互聯(lián)網(wǎng)資源有機融入教學過程中，實現(xiàn)理論與實踐、講授與討論、經(jīng)典與前沿、閱讀與思考相結(jié)合的線上線下混合教學。線上教學內(nèi)容是知識的補充與延伸，而線下教學內(nèi)容則是知識的線上教學，為學生提供信息化服務(wù)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺提供的豐富功能及時了解學生的學習動態(tài)，適時調(diào)整教學內(nèi)容，構(gòu)建基于OBE理念的閉環(huán)教學評價體系。線下教學分為課堂教學和編程實踐。為便于學生課后自主學習，同步課堂，課堂教學改變以往傳授的教學方式，以解決問題啟發(fā)引導式教學，重點引導學生自主整合知識點、構(gòu)建個性化知識體系。通過課前預習內(nèi)容的鋪墊，引導學生發(fā)現(xiàn)問題；組織小組討論，啟發(fā)學生自主分析、解決問題；最后教師課堂總結(jié)，總結(jié)算法中可以復用的經(jīng)典思想，通過文獻導讀引導學生了解相關(guān)前沿知識，啟發(fā)學生課后延伸思考。實踐環(huán)節(jié)加深對基礎(chǔ)理論知識的理解，給學有余力的學生提供拓展知識和創(chuàng)新的土壤，通過拓展閱讀和問答形式，深化基礎(chǔ)理論，緊跟學科前沿。

5結(jié)束語

數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)以畢業(yè)設(shè)計為目標，專業(yè)方向就業(yè)為前提進行計算機圖形學教學改革，以O(shè)BE教學模式為評價標準，不斷豐富教學模式，提升教育教學質(zhì)量，完善教學評價合理性，有助于計算機圖形學課程教學目標的達成，以及教學效果的實現(xiàn)，從而提升數(shù)字媒體專業(yè)畢業(yè)學生的技能和專業(yè)素養(yǎng)。

作者簡介：

吳鋒（1981—），碩士，副教授，研究方向：計算機圖形設(shè)計表達。