計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程思政教學(xué)實(shí)踐研究

陳華鋒，趙運(yùn)紅，賀體剛，李 冉，胡 秀，田學(xué)軍

（荊楚理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，湖北 荊門(mén) 448000）

課程思政是將專業(yè)課程教學(xué)與政治思想價(jià)值引導(dǎo)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)“立德樹(shù)人”協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，構(gòu)建“三全”育人新局面。上海作為課程思政發(fā)源地，先后經(jīng)歷了從“學(xué)科德育”到“中小學(xué)德育一體化”，再到“德育納入教育綜改”等三個(gè)發(fā)展階段，逐步形成了“課程思政”教育新理念，并在上海部分高校進(jìn)行教育教學(xué)改革試點(diǎn)。教育部對(duì)上海高校課程思政探索實(shí)踐的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣，在2016年全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上將課程思政理念從地方探索轉(zhuǎn)變?yōu)槿珖?guó)高校行動(dòng)倡議。高校教育工作者深入學(xué)習(xí)會(huì)議精神，認(rèn)真開(kāi)展教學(xué)改革創(chuàng)新，充分挖掘?qū)I(yè)課程所蘊(yùn)含的思想政治教育元素，并在教學(xué)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)傳授和思想價(jià)值引導(dǎo)有機(jī)統(tǒng)一[1-19]。

近幾年，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程思政教學(xué)研究廣泛而深入[7-19]，各高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教師從計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)仿真軟件等課程探討并實(shí)踐了課程思政方法和過(guò)程。本文以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)為例，探索專業(yè)基礎(chǔ)課程思想政治教育模式，認(rèn)真分析思政教育核心內(nèi)容，深入挖掘?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)思政元素，細(xì)化專業(yè)基礎(chǔ)課程思政具體目標(biāo)，革新教學(xué)方法，實(shí)踐專業(yè)課程教學(xué)與思政教育目標(biāo)深度融合。

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程思政建設(shè)目標(biāo)

宏觀上，專業(yè)課程思政建設(shè)的目標(biāo)是要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，圍繞全面提高人才培養(yǎng)能力這個(gè)核心點(diǎn)，促使課程思政的理念形成廣泛共識(shí)，廣大教師開(kāi)展課程思政建設(shè)的意識(shí)和能力全面提升，協(xié)同推進(jìn)課程思政建設(shè)的體制機(jī)制基本健全，高校立德樹(shù)人成效進(jìn)一步提高。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科，既有專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的傳授又有應(yīng)用實(shí)踐技術(shù)要求，也有傳統(tǒng)文化、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等思政內(nèi)容貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程思政的目標(biāo)是以課程知識(shí)傳授為主線，著力培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、創(chuàng)新、工匠等精神；以名人事跡、傳統(tǒng)文化元素等為輔線，注重提升學(xué)生民族自信、藝術(shù)修養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)精神等，滿足學(xué)生后續(xù)發(fā)展的需求。

2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程思政元素分析

課程思政核心在于從專業(yè)課程中析出適合進(jìn)行思想政治教育的課程元素，并恰當(dāng)?shù)嘏c思政內(nèi)容結(jié)合，隱思政教育于專業(yè)知識(shí)教育之中，才不會(huì)突兀，有利于學(xué)生欣然接受。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，涉及的內(nèi)容包括光學(xué)、幾何學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，可用于思政教育教學(xué)的專業(yè)知識(shí)元素較為豐富。在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者圍繞課程思政育人目標(biāo)，對(duì)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分解、凝練，總結(jié)出相應(yīng)的思政元素映射點(diǎn)（如表1所示），下面對(duì)主要思政元素進(jìn)行分析。

表1 課程內(nèi)容與思政元素映射點(diǎn)

課程緒論部分主要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、應(yīng)用及其發(fā)展歷程。我國(guó)科學(xué)家和技術(shù)人員為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。比如在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)軟件方面有IAuto、百繪大師等廣泛應(yīng)用的軟件，而在圖形處理器GPU設(shè)計(jì)方面有景嘉微公司JM9系列、中國(guó)重工709研究所GP101等先進(jìn)產(chǎn)品。將我國(guó)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品進(jìn)行介紹，可以增強(qiáng)學(xué)生民族自信意識(shí)，培養(yǎng)愛(ài)國(guó)主義精神。

顯示設(shè)備屏幕尺寸和分辨率各不相同，讓圖形在其上顯示時(shí)，必然涉及圖形裁剪。在圖形裁剪一節(jié)，Cohen-Sutherland圖形裁剪算法合理利用圖形與顯示設(shè)備之間的關(guān)系進(jìn)行二進(jìn)制編碼，通過(guò)條件判斷確定圖形裁剪范圍，算法簡(jiǎn)潔、高效，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新性和嚴(yán)謹(jǐn)性。通過(guò)該算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的詳細(xì)介紹，著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和創(chuàng)新精神。

通過(guò)圖形幾何變換可以調(diào)整圖形對(duì)象的大小、可視方向等，包括比例變換、對(duì)稱變換、錯(cuò)切變換、旋轉(zhuǎn)變換、平移變換、復(fù)合變換。圖形幾何變換有著嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，在教學(xué)中突出這些變換公式推導(dǎo)過(guò)程，有助于拉升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)精神。

三維觀察將三維圖形對(duì)象轉(zhuǎn)換可由屏幕顯示的二維圖形對(duì)象，涉及觀察坐標(biāo)選擇、三維圖形裁剪及投影過(guò)程。觀察坐標(biāo)選擇不同，觀察到的目標(biāo)對(duì)象就不同。在課堂中可以將該知識(shí)點(diǎn)引申到人際關(guān)系中，啟發(fā)學(xué)生多從不同角度看待問(wèn)題，多做換位思考，在學(xué)習(xí)、生活中互諒互助，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

曲線是構(gòu)成圖形對(duì)象的重要基礎(chǔ)組件，構(gòu)造曲線的基礎(chǔ)算法有Hermite曲線、Bezier曲線和B樣條曲線。其中Hermite曲線發(fā)明人數(shù)學(xué)家CharlesHermite不平凡的人生經(jīng)歷，以及Bezier曲線發(fā)明人Pierre Bezier構(gòu)建曲線算法的過(guò)程是非常好的專業(yè)思政素材。Charles Hermite是法國(guó)數(shù)學(xué)家，他年幼就右腳畸形，靠拐杖行走，大學(xué)生涯也歷經(jīng)坎坷，但在逆境中他一步一個(gè)腳印成長(zhǎng)為著名數(shù)學(xué)家。通過(guò)Charles Hermite的成長(zhǎng)經(jīng)歷，鼓勵(lì)學(xué)生積極進(jìn)取，不斷攀登人生高峰。

Pierre Bezier在發(fā)明Bezier曲線時(shí)，只是法國(guó)雷諾汽車(chē)公司一名工程師。他從公司的降低新型汽車(chē)行駛阻力這一需求出發(fā)，提出用多段線構(gòu)成模型的基本框架，再擬合出光滑的曲線逼近這個(gè)框架，構(gòu)建了良好的車(chē)身流線，使得該公司汽車(chē)在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)介紹 Bezier曲線發(fā)明過(guò)程，展現(xiàn)Pierre Bezier將個(gè)人所學(xué)應(yīng)用于企業(yè)需求的工匠精神和創(chuàng)新精神。

在對(duì)物體對(duì)象進(jìn)行投影變換時(shí)，消隱算法用來(lái)消除目標(biāo)對(duì)象被遮擋的部分。消隱算法中深度緩存算法（Z-Buffer）是一個(gè)非常好的思政元素，通過(guò)增加一個(gè)Z緩沖區(qū)以解決畫(huà)家算法中存在的深度嵌套問(wèn)題，提升了消隱算法處理時(shí)間效率，充分展現(xiàn)以空間換時(shí)間的算法創(chuàng)新性、嚴(yán)謹(jǐn)性。通過(guò)該算法的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中注重時(shí)空平衡，工作、生活中注意勞逸結(jié)合。

光照是生成真實(shí)感圖形的基本要素，因此光照模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)的重要內(nèi)容。光照模型由簡(jiǎn)至繁先后有Lambert光照模型、Phong光照模型和Whitted光照模型。1760年，Lambert在假定理想無(wú)光澤表面或者漫反射表面前提下，提出了Lambert簡(jiǎn)單光照模型。1973年，Phong在Lambert光照模型基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境光和鏡面反射光因素，給出了Phong光照模型。1980年，Whitted研究透明物體的光透射問(wèn)題，構(gòu)建了Whitted整體光照模型，使得光照模型趨于完善。通過(guò)三個(gè)光照模型的演進(jìn)過(guò)程講解，培養(yǎng)學(xué)生逐步求精的科學(xué)精神。

Whitted在整體光照模型基礎(chǔ)上，提出了光線跟蹤算法，綜合考慮光的反射、折射、透射，由光的直線傳播及光路可逆等基本理論出發(fā)，從視點(diǎn)開(kāi)始迭代求解光在物體表面各點(diǎn)的光強(qiáng)，解決了物體遮擋、陰影、表面著色等諸多真實(shí)圖形顯示問(wèn)題，成為當(dāng)今圖形顯示的核心算法。該算法充分展現(xiàn)了科學(xué)家Whitted理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)性，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。

3 課程思政教學(xué)實(shí)踐建設(shè)內(nèi)容

基于以上課程思政元素，著重從科學(xué)精神和創(chuàng)新能力培養(yǎng)、實(shí)踐能力和協(xié)作精神培育、中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳播等三個(gè)方面探索計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程思政實(shí)踐建設(shè)。

3.1 基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)有著嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯在其中，可通過(guò)相關(guān)專業(yè)知識(shí)教學(xué)和科學(xué)家事跡介紹，使學(xué)生理解嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，了解科學(xué)家們創(chuàng)造性解決問(wèn)題的思維過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神以及創(chuàng)新能力。例如，在討論“Bresenham直線”一節(jié)時(shí)，首先明確畫(huà)直線是計(jì)算機(jī)圖形生成過(guò)程中最基本的操作，并指出按照數(shù)學(xué)直線方程進(jìn)行求解計(jì)算量大，拋出問(wèn)題“如何能夠快速地畫(huà)直線？”，然后介紹IBM公司科學(xué)家Bresenham是如何從直線方程創(chuàng)造性的推導(dǎo)出Bresenham直線算法，提升了直線繪制效率多少倍，展現(xiàn)Bresenham思維的嚴(yán)謹(jǐn)性和創(chuàng)新性。而在講解“漢字在計(jì)算機(jī)中的表示”時(shí)，選擇王選院士主持跨代研制新型“激光照排系統(tǒng)”，5年研制出樣機(jī)，后又13年形成拳頭產(chǎn)品，領(lǐng)先國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)事跡，展現(xiàn)我國(guó)科學(xué)家的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)民族自豪感。在介紹“紋理映射”時(shí)，可結(jié)合近幾年閆令琪、胡淵鳴等華人學(xué)者大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景下的紋理映射研究所取得的重大創(chuàng)新成果，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、工匠精神和創(chuàng)新能力。

3.2 基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的實(shí)踐能力和協(xié)作精神培育

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性強(qiáng)、能緊密結(jié)合現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的專業(yè)基礎(chǔ)課程，可通過(guò)以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。例如在進(jìn)行紋理映射實(shí)驗(yàn)時(shí)，先由小組同學(xué)一起根據(jù)目標(biāo)對(duì)象特點(diǎn)自行規(guī)劃、設(shè)計(jì)好紋理圖案，然后再通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)將紋理圖案映射到目標(biāo)對(duì)象上，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、編程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)集體合作精神。而在動(dòng)畫(huà)制作實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生協(xié)同設(shè)計(jì)好動(dòng)畫(huà)組圖，然后再通過(guò)計(jì)算機(jī)編程完成渲染，形成完整的動(dòng)畫(huà)過(guò)程，提升學(xué)生的藝術(shù)審美水平、編程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑF(tuán)隊(duì)合作能力等。

3.3 基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳播

中國(guó)圖形文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，可用于教學(xué)的圖形紋案數(shù)不勝數(shù)，所以在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中隱性植入中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素，使學(xué)生成為傳統(tǒng)文化的繼承人和傳播者也就順理成章。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程我們主要設(shè)計(jì)了在掃描線填充、種子填充和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)等章節(jié)植入傳統(tǒng)文化元素。例如，在介紹掃描線填充、種子填充算法時(shí)，以中國(guó)傳統(tǒng)民俗圖案龍、鳳、福、喜等作為實(shí)驗(yàn)案例，在理解實(shí)現(xiàn)算法的同時(shí)，領(lǐng)略中國(guó)傳統(tǒng)文化。而在討論計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)時(shí)，則以中國(guó)傳統(tǒng)藝術(shù)“皮影戲”為對(duì)象，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)皮影戲部分場(chǎng)景，既學(xué)習(xí)技術(shù)又體驗(yàn)藝術(shù)。

4 總結(jié)

課程思政元素在專業(yè)課程教學(xué)的遷移是讓專業(yè)課程教學(xué)回歸育人的初心，也是新時(shí)代背景下的大思政育人體系教育的重要改革措施。將思政內(nèi)容融入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)、課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)的責(zé)任感、使命感和教學(xué)平臺(tái)體系建設(shè)提出了更高要求。只有明確了課程思政建設(shè)目標(biāo)，深入分析了課程思政元素，并反復(fù)在課程教學(xué)過(guò)程中實(shí)踐，才能真正培養(yǎng)出理想信念堅(jiān)定、思想品德優(yōu)良、專業(yè)知識(shí)扎實(shí)的社會(huì)主義合格公民。