以能力为导向的计算机图形学应用课程建设

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　　[摘要]通过分析计算机图形学教学现状，针对存在的问题，以能力为导向，进行了计算机图形学应用课程建设.通过系列化教材建设、实践教学资源和微课程建设，构建了计算机图形学的教学内容实施了“案例化”+“微课程”教学方法改革，建立了过程评价、全面评价和能力导向的多元化考核评价体系。教学实践表明，丰富的教学资源顺应了新时代发展的要求，“案例化”+“微课程”的线上线下教学模式提高了教学效果，科学合理的考核评价体系激发了学生的学习积极性。
　　[关键词]计算机图形学;课程建设;案例化教学;微课程
　　[中图分类号]G642.3 [文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020）02-0115-03
　　计算机图形学是计算机应用领域中一个非常重要的学科。该学科主要研究如何利用计算机表示图形以及生成和处理图形的基本原理、方法和技术。它的应用渗透到了社会生活和生产的各个领域，如虚拟现实、地理信息系统、科学计算可视化等，是现代信息技术不可或缺的重要内容。
　　计算机图形学不仅是高校计算机专业的基础课，也是理、工、农、医等专业的必修课。该课程是一个多学科相互交叉、相互渗透的学科，综合了数学、计算机科学和图学理论等相关学科的知识，其原理抽象、算法复杂、具有很强的理论性、综合性和实践性[l]。作为山西省应用型本科试点院校，课程建设课题组积极探索转型路线，赴国内多家院校探讨学科前沿和先进教学方法;与多家知名企业合作探讨人才培养需求。在山西省精品资源共享课的基础上，从企业对人才的实际需求出发，与企业合作修订人才培养方案，修订教学大纲，以计算机科学与技术专业学生为试点，增强“以能力为导向”的计算机图形学应用课程建设。经过恰当地组织教学内容，有效调整教学模式，采用了“案例引导、传输理论、算法可视化”的新授课模式，突出以学生为主体的“积累知识、积极思考、主动创新”的教学新理念，进一步提高了学生运用基本理论知识分析和解决问题的能力，培养的学生得到了市场和用人单位的认可，并与多家公司签订了人才订单培养协议，实现了人才与市场的无缝对接。
　　一、计算机图形学教学现状
　　近年来，随着计算机硬件配置的提高、智能手机的普及，尤其是游戏产业、三维数字城市的迅速发展，计算机图形学课程已经成为计算机专业或数字媒体技术专业的核心课程[2】，在培养方案中占有重要的地位。由于该课程是一门原理算法复杂、抽象，实践应用性很强的课程，对教师和学生的编程能力要求较高，因此普遍反映教学有一定难度。通过文献研究，国内高校在计算机图形学课程教学中存在以下问题。
　　（一）实践教学资源匮乏
　　由于案例源程序匮乏[3]，这导致在课堂上教师主要以讲解原理为主，学生存在理论学习和实践應用脱节的现象，存在学习完理论后仍然不会编程实现的情况，这不能满足应用型人才培养的要求。
　　（二）教学模式单一
　　传统的教学方法以教师课堂讲授为主，教师一次性地将知识灌输给学生[4-5]。教学过程以教师为主体，教师教什么，学生就学什么;教师怎么教，学生就怎么学。这种教学方式忽视了学生的主体性及教师与学生的互动性，限制了学生的主观能动性，制约了对学生在知识、能力和素质方面的综合教育。
　　（三）教材选择不当，培养目标与企业需求不对接
　　目前，国内计算机图形学教材主要存在“面向理论和面向应用”两种典型教学体系[6]。面向理论的教材是传统教学体系，其重点放在对概念的解释与原理的讲解;面向应用的教材是当前主流的教学体系，它注重培养学生在掌握计算机图形学理论知识的基础上，学会应用典型的图形学API。在这些计算机图形学教材中，多数教材适合高校硕士生与博士生从事科学研究，而面向本科生、按照市场需求基于底层算法开发的计算机图形学的教材相对较少。市场对本科生计算机图形学技术的应用人才需求量巨大，这导致人才培养与工程应用和企业需求不对接。
　　二、以能力为导向，构建计算机图形学教学内容
　　应用型工科院校本科人才培养在遵循本科人才培养白身的教育规律基础上，应注重夯实理论、突出实践、强化应用，既不能沿袭普通本科的教育模式办成学科型或研究型的本科，也不能为了突出应用而弱化基础理论的教学。应该是理论教学和实践应用相结合，突出工程特色，培养既有基本的理论素养，又有很强动手能力的应用型人才。应用型工科院校应结合市场和企业的能力需求，积极探索以能力为导向的培养目标，构建突出工程实践能力的教学体系。
　　针对该课程教学存在的不足之处，课题组以培养目标为核心，提出了“教材建设系列化，理论教学目标化，教学过程案例化，实践资源数字化”的课程建设方案[7]，为学生搭建可视化课程的整体构架，打造了“精品资源共享课程+系列化教材+微视频”立体化的教学平台。
　　（一）系列化教材建设
　　课题组从企业对人才的实际需求出发，在注重培养学生系统了解计算机图形学理论知识的同时，义强调培养学生正确使用图形学知识进行软件开发的能力。在教学内容上，主要以能力为导向确定必备的知识点和理论算法，摒弃不必要的偏向数学的公式推导，开发了与理论相对应的实现案例。基于Visual C++中的MFC框架，采用案例教学法建设了丰富的教学资源，解决了实践教学资源匮乏的问题。先后编写了适合应用型本科院校使用的理论和实践相对应的立体化教材，即《计算机图形学基础教程（Visual C++版）》《计算机图形学实践教程（Visual C++版）》和《计算机图形学基础教程（Visu-al C++版）习题解答与编程实践》《计算机图形学课程设计教程（Visual C++版）》等国家级“十二五”规划系列教材。教材内容从编程角度讲授计算机图形学原理和算法，强调真实感光照模型的实现，在不使用任何图形库的前提下，使用MFC的绘制像素点函数，按照计算机图形学的基本原理开发出可与OpenCL或Direct3D显示效果相媲美的真实感图形。 　　（二）实践教学案例建设
　　实践教学资源选用Visual C++的MFC作为开发工具，以生成真实感光照模型作为教学主线，开发了满足课堂教学、实验教学、课程设计以及工程化训练需要的“验证性、综合性、创新性和T程化”4个层次的教学资源[8]。
　　在验证性资源方面，主要对应教学内容每一个原理开发了60个源程序案例，此外以JLI版“习题解答”教材的形式给出了200个习题答案，以及拓展案例，这些资源有益于学生形象化地理解图形学原理和算法。该资源应用于案例化课堂教学和课后练习。
　　在综合性资源方面，开发了金刚石图案的绘制、任意斜率的直线段的绘制、交互式多边形、二维、三维几何变换、裁剪、地理划分线框球、透视投影、简单光照模型、Phong光照模型、Gouraud光照模型、纹理映射等18个源程序案例。该层次资源应用于实验教学，指导学生综合运用所学的图形绘制原理和算法绘制较为复杂的图形。
　　在创新性资源方面，开发了基本图元光栅扫描演示系统、动态光源演示系统、3DS接口演示系统、递归动态球体演示系统和圆环动态纹理演示系统等源程序案例。该层次的资源应用于课程设计，旨在提高学生绘制图形的创新性思维和编程能力。
　　在工程化资源方面，开发了基于3DS Max绘制的建筑物几何模型、基于Mava绘制的人物角色等模型，用户能够将绘制的模型导人到场景内进行驱动。该层次的资源主要应用于毕业设计、大学生创新项目;该资源应用于游戏开发、虚拟现实，以满足企业工程项目开发的需求。
　　4个层次的资源构成了图形学实践教学资源库，资源从单个知识点的学习、到多个知识点的综合应用以及图形系统的开发和基于真实建筑物的场景的绘制，全方位地强化了学生的动手能力。该资源库既覆盖了计算机图形学教学全部知识点及教学全过程，义体现了工程应用特色。同时，该资源库使教学模式由传统的灌输式转换为案例化教学法，有效地培养了学生的逻辑思维能力、实际动手能力和应用创新能力。 （三）“微课程”建设 随着数字信息时代的到来，以“微课程”为基础的“微教学”模式逐渐在教育领域发展起来。为提高教学效果、增加学生获取知识的方式，课题组进行了“微课程”资源建设。首先，选取课程的重要知识点和难点，再针对某一知识点进行教学设计，结合案例资源制作演示文稿PPT、微教案、微反思、测试题及教师点评等。其次，采用“录屏”方式录制短小精悍的微视频。
　　“微课程”具体建设项目为：1.直线的Bresenham算法;2.圆的中点算法;3.直线的反走样算法;4.有效边表填充算法;5.二维几何变换算法;6.三维几何变换算法;7.正交投影算法;8.Bezier曲线算法;9.Bezier曲面算法;10.斜投影算法;11.透视投影算法;12.背面剔除算法;13.简单光照模型算法;14.三维纹理映射算法;15.函数纹理映射算法。
　　三、“案例化”+“微课程”教学方法
　　（一）“案例化”教学方法使教学重点从传授知识转向能力培养
　　在教学过程中，采用“公式原理一算法实现一实践拓展”的教学法取代传统的知识讲授教学方法，将编程实践贯穿于整个授课过程中，让枯燥的理论在实践中得到检验。教师在讲解原理和算法时，引导学生分析和归纳，设计编程思路，实现所需图形的开发÷这样既传授了图形学的理论算法，义提高了学生的编程实践能力。
　　（二）“微课程”教学方法使教学模式由传授方式转向引导方式
　　“微课程”作为一种教学资源在电子书包、线上线下学习和翻转课堂教学中有着非常重要的作用，它可以作为课堂教学讲授的实例演示与补充，微课还可成为翻转课堂的教学资源。“微课程”具有“碎片化学习”和“情景化学习”的特点，有利于学生课前预习、课后复习，让学生能根据自身掌握的情况反复学习。这种学习方法，更符合学生的认知心理特点[10]。
　　案例化课堂教学是面对面教学，它的优点是可以和学生互动教学，有利于激发学生学习的主动性，有利于学生实践能力的培养;缺点是教学过程不可重复，无法兼顾学生的差别化学习进度与节奏。而微课具有学习可重复性的优点，学生可以根据自己的学习节奏灵活选择，但缺乏课堂互动是微课的缺点。将“课堂案例化”和“微课程”线上线下教学方法相结合，这既改变了传统教学方法的弊端，义激发了学生学习的主动性，能为培养适应社会需求的应用型人才奠定基础。
　　（三）教学考核评价
　　由于该课程是实践型很强的课程，因此课程考核评价采用以编程操作为主的上机考核。通过建立注重过程评价、突出能力导向的多元化考核评价体系，提高学生参与课堂教学的积极性，从而实现对学生能力导向的全面客观评价。
　　考核评价分为课堂过程性考核+实验考核+期末大型作业上机编程考核。课堂过程考核分值占总分的50%，实验占总分的30%，期末占总分的20%。
　　课堂过程性考核的方法是将学生分组、定期轮流进行考核，要求学生完成课后作业后，按要求进行程序演示并回答教师的提问，最后提交全部的源代码与相关文件的电子档。实验考核方法是根据完成实验项目的情况进行评定成绩，包括程序代码是否符合编写规范、运行程序是否实现了预期效果。期末大型作业通过上机编程进行评价成绩，包括程序运行效果评价、设计报告评价，设计报告内容要求有源代码和说明书。
　　四、结束语
　　根据应用型本科院校的培养目标，加强计算机图形学应用型课程建设是高等教育发展的必然趋势。在网络技术和信息技术环境下，教学方法应该与时俱进。这要求课程要有丰富的教学资源，本课程建设了丰富的教学资源，顺应了新时代发展的要求。“案例化”+“微课程”的线上线下教学模式提高了教学效果，这种新的教学模式将是未来发展的重要方向。
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　　[9]Shieh， D.These Lectures are gone in 60 seconds[J].Chroni-
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　　[10]胡铁生.“微课”区域教育信息资源发展新趋势[J].电化教育研究，2011（ 10）：61-65.
　　[责任编辑：陈明]
　　[收稿时间] 2019-02-25
　　[基金项目]校级教研项目，项目编号：2017YJ04Y。
　　[作者简介]孔令德（1964-），男，山西太原人，博士，教授，研究方向：图形图像处理技术
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