基于“兩性一度”的計算機圖形學一流課程建設實踐研究

何鈺楓 李翠麗 司春景

摘要：計算機圖形學是一門實踐與理論并重的計算機專業課程，該課程的教學質量對于培養綜合能力突出的計算機類人才至關重要。文章針對地方高校如何推進一流課程建設，提出以“兩性一度”為標準，以培養高素質計算機人才為目標，以線上線下混合教學模式為核心的課程建設方案，為計算機相關的一流本科課程建設提供參考。

關鍵詞：計算機圖形學；一流課程；教學改革；混合教學；人才培養

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：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展，教育質量問題愈發引起社會的關注。近年來，教育部相繼提出“新工科”建設和一流本科課程“雙萬計劃”，明確了我國高等工程教育的內涵，規劃了工科課程建設與發展的路徑，強調專業是人才培養的基本單元，而課程是人才培養的核心要素。課程建設是人才培養中的重要環節，課程質量直接影響人專業人才素養，鼓勵各類高校積極開展創新工科課程建設與教學模式探索，推動我國本科教育質量整體提升[1-3]。特別是教育部印發《教育部關于狠抓新時代全國高等學校 本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函〔2018〕8號），提出加快振興本科教育，構建高水平人才培養體系，全面提高高校人才培養能力，要求“各高校全面梳理各門課程的教學內容，淘汰‘水課、打造‘金課，合理提升學業挑戰度、增加課程難度、擴展課程深度，切實提高教課程教學質量”[4]。

計算機圖形學是計算機專業學科中的重要基礎課程，如何根據課程特點，結合地方高校自身特性，提升計算機圖形學課程的教學質量，培養出具有實踐能力和創新精神的高素質人才，是一個急需探索研究的問題[5-7]。本文以塔里木大學為例，結合近幾年的教學實踐活動情況，分析該課程教學中存在的問題，提出以線上線下混合式教學模式為基礎，以“高階性”“創新性”和“挑戰度”的“兩性一度”為標準的課程改革建設方案，以期通過課程建設提升教學質量，為新疆社會經濟發展培養和輸送更多高水平的專業人才。

2 計算機圖形學課程建設的主要問題

塔里木大學計算機圖形學課程是面向計算機科學與技術專業的一門專業基礎課，包含理論與實驗兩部分，自2016年以來，教研室已對本課程進行2次教學大綱的修訂，以適應課程的發展及教學模式的改革。然而，圖形學新技術的發展日新月異，大量圖形學算法與人工智能融合更新，圖形硬件飛速迭代，這使得現有的圖形學課程出現內容陳舊，缺乏創新性的問題。同時，全球疫情肆虐，傳統的線下授課方式受到巨大挑戰。因此，為了更好地完成一流本科課程建設，本文對計算機圖形學課程建設中主要存在的問題進行了總結與分析。

2.1 教學內容組織零亂，課程知識不成體系

計算機圖形學的知識體系龐大，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、動畫等方面。本科階段對計算機圖形學的學習雖然僅要求啟發性的基礎知識學習，但在有限的學時內，需要對整個圖形學知識體系要進行初步的建立，這就難免讓學生感覺到圖形學知識點繁雜，知識關聯性不強，章節間具有強烈的跳躍性，學生難以形成圖形化思維創新能力。課程知識點的割裂，除了體現在計算機圖形學課程自身之外，也體現在整個計算機專業課程知識體系上。傳統的教學模式容易造成計算機圖形學成為“孤島”式課程，缺乏前后的課程承接，而計算機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習的C/C++程序設計、匯編程序設計、計算機組成原理到操作系統，逐步形成一條編程語言、軟硬件協同和應用開發的完整過程。而傳統的計算機圖形學教學容易陷入圖形學繁雜算法的沼澤，缺乏與其他專業課程之間融合互動。

2.2 教學資源匱乏，實踐案例陳舊

與很多邊遠地方高校類似，目前塔里木大學的計算機圖形學課程教學中的一個突出問題就是教學資源匱乏，如機房設備老舊，甚至無法支撐部分實踐教學內容，常常無法滿足前沿圖形工作的演示。同時部分實踐教學內容與當前學科前沿發展脫節，培養的學生無法滿足工業界的實際需求，而學生學習時感覺案例無趣，缺乏學習積極性，學習之后掌握的相對落伍的實踐技能無用武之地。因此，根據現代計算機圖形學的發展，構建新穎的課程案例和綜合項目勢在必行。

2.3 教學方法單一，學生學習被動

傳統的計算機圖形學課程的教學主要以線下面授為主，但隨著課程學時的縮減，該課程由64學時逐步調整到48學時。在本課程教學內容偏多、課程難度較大的情況下，學時的縮減，使得授課教師往往為了追趕教學進度而放棄許多教學活動的設計，使得課堂缺少互動，學生被動接受教師源源不斷的知識輸入很容易產生疲倦。因此，如何利用信息化教學工具，開展多種教學手段結合的教學模式值得探索。

2.4 課程考核不完善，缺乏過程控制

傳統的計算機圖形學課程考評方式主要采用期中期末考試，輔以簡單的平時考核，如課前點名記錄考情，課后作業批改登記成績，這種方式缺乏對于學生學習過程的多維度評估。科學的考評機制不應該只是學生最終的一個分數，而應該是貫穿在學生整個學習過程中，對學生學習過程實現有效監督、動態調控和實時反饋。

3 “兩性一度”的計算機圖形學混合式課程建設

3.1 基于“兩性一度”的課程建設思路

“兩性一度”即高階性、創新性和挑戰度，它從教學內容、教學形式、教學目標、教學考核等方面對一流課程建設提出要求，為課程建設提供導向。在計算機圖形學課程的建設中，融入思政元素，調整教學內容，梳理知識體系，設計新穎且具有地方特色的教學案例，提升課程的“高階性”。利用信息化智能化的線上教學平臺，引入線上線下混合教學模式，注重學生的能力培養，提高學生的自主學習能力，突出課程的“創新性”。強調學習過程的多元評價，適當設置學習挑戰，注重知識應用能力的考核，增加課程的“挑戰度”。

3.2 計算機圖形學一流課程建設目標

計算機圖形學一流課程建設具有清晰的目標。其首要目標就是提升教學質量，出色完成圖形學課程知識的傳承，滿足“兩性一度”標準，做到去“水”增“金”。其次，它也具有地方高校獨特的使命。以塔里木大學為例，我校地處新疆南疆地區，每年培養的各類人才畢業后大多選擇扎根兵團，留疆工作，為新疆維吾爾自治區和新疆生產建設兵團的發展提供鮮活的動力。因此，在課程建設中，加強課程思政的內容，弘揚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，在課程內容方面，結合新疆特色產業進行建設，如計算機圖形學在農業生產中的應用案例，在旅游業中的虛擬現實和增強現實應用等。最終實現為新疆建設發展提供思想過硬、技能夠強的應用型計算機專業人才的目標。

3.3 混合式計算機圖形學課程建設方案

3.3.1 刪選重組教學內容，融合構建知識體系

以“兩性一度”為標準，將課程內容進行層次化劃分，將低階性的過時的課程內容適當壓縮和刪除，將每個章節的內容凝聚成四個模塊，基礎知識、高階知識、創新拓展和難點挑戰。其中基礎知識和高階知識分別講授圖形基礎以及高層次的原理，創新拓展介紹該知識點關聯的前沿進展以及實際應用，難點挑戰則用以啟發學生的思維，如何用所學知識遷移應用，解決真實工程問題。除了教學內容的刪選重組，整體學科領域的知識體系構建也同樣重要，因此，課程組授課教師將計算機圖形學與相近課程的進行內容銜接，如將圖形概念與數字圖形處理中的圖像概念進行辨析，將計算機圖形學中的三維建模算法與工業建模軟件3ds Max進行關聯，將真實感圖形繪制延伸到游戲引擎的介紹，將光照模型擴展到圖像退化問題。這樣知識不再孤立，前后學科之間有所銜接，能讓學生了解該領域內知識的來龍去脈，構筑一條清晰的學習線索。

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，尤其是部分偏遠高校存在的教學資源缺乏問題，課題組主要采用兩種方案解決。首先是將在線案例演示轉為離線視頻，通過教學資源庫的建設，授課教師在高性能計算機上進行實驗的演示，然后錄制成視頻資源，教學中降低了對實驗環境的要求。其次，組建云實驗平臺，為學生創建統一管控的云端實驗機，降低了實驗室客戶端的硬件需求。最后，對教學案例進行更新，比如摒棄老舊的MFC編程框架，轉而使用Python作為前端的太極編程語言，以Python取代C++降低了程序設計語言本身帶來的困難，同時保持高性能的圖像計算能力。另一方面對案例的內容進行更新，例如使用維吾爾族特有的艾德萊斯綢圖案進行分形的實踐教學，采用這種具有地區特色的案例可以有效激發學生的學習動力。

3.3.3 引入信息化教學方法，培養自主性學習能力

一流課程建設要求在教與學的兩端都打破傳統模式的束縛。教師需要學習、適應和研究現代教學方法，并付諸實踐，完成課程內容和學習活動的詳細設計，而不是照本宣科。課程組在近三年的計算機圖形學課程教學中，采用“雨課堂”和“超星學習通”等信息化教學平臺，構建優秀的線上課程資源庫，開展混合式教學、翻轉課堂等創新性的教學方法，將學生的學習從課堂延伸到課外，讓學生由被動地課堂聽課，轉變為隨時隨地地主動學習。學生課前通過預習教師發布的圖形學案例資源，對將要學習的知識點構建了直觀認識，知道了將要學習什么，并對現象背后的原理產生疑問。課中，教師通過理論講解、課堂互動向學生解答疑問。之后，通過實驗環節帶領學生驗證理論。課后，學生在線完成作業，鞏固知識，并在線上進行討論反饋。整個教學過程貫穿線上線下不同場合，整合課前課中和課后的學習時間，使教學形成一個完整的閉環。在這個閉環中，學生潛移默化地提高了學習的自主性，同時也為課程考核提供了過程化的參考數據。

3.3.4 加強學習過程考核，完善教學考評機制

根據現行課程考評機制存在的考核方式單一、缺乏過程控制以及挑戰度不足等問題，提出建立多元化考核體系：最終的期末結課考試占50%，平時的過程性考評指標占50%，包括平時線上學習時長、課后作業效果、線下課堂考勤、課上師生互動、課后交流討論等指標，體現出重視學習過程的特點。經過教學實踐發現，學生更愿意將課程的考核平鋪到整個課程的學習過程中，而不是集中在最后的期末考試，這樣能驅使其注重平時的學習積累。當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軟件，構建在線課程資源庫。此外，根據一流課程建設的“挑戰度”要求，期末結課考核應當合理控制難度，不能都是過于簡單的基礎題目，應適當增加高階問題和體現挑戰度的難題。這樣通過考題的引導，讓課程走出“水課”的泥沼，變得具有深度，也能促使學生重視課程。

4 結束語

計算機圖形學作為一門理論與實踐并重的計算機專業課程，在全面開展一流本科課程建設的背景下，對其提出了新的建設要求。本文以塔里木大學為例，通過反思該課程授課過程中存在的種種問題，結合實際情況，從課程內容組織、教學材料更新、教學方法探索、課程考評體系構建等方面進行課程建設方案的探討，以“兩性一度”為標準，圍繞課程建設的目標，提出一系列課程改革策略，提升課程教學質量，為新疆的信息化建設提供高質量的計算機專業人才，也為其他相關課程的建設提供參考。

參考文獻：

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[8] 教育部. 教育部發布《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》[J].中國大學教學，2018（9）：4-5，19.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2022-04-08

基金項目：塔里木大學一流本科課程建設項目：計算機圖形學（編號：TDYLKC202231） ；全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育教學研究項目：計算機圖形學線上線下教育教學深度融合的教學改革實踐（編號：2022-AFCEC-499）

作者簡介：何鈺楓（1991—） ，男，湖南邵陽人，講師，碩士，主要研究方向為計算機圖形學、計算機視覺、數字圖像處理；李翠麗（1991—） ，女，山東菏澤人，講師，碩士，主要研究方向為圖形圖像處理；司春景（1981—） ，女，河北涿州人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向為智能信息處理、計算機圖形學。