GIS专业计算机图形学层次化教学实践

林伟华　刘福江　龚君芳　郑贵洲

(中国地质大学(武汉)　信息工程学院，湖北　武汉　430074)



GIS专业计算机图形学层次化教学实践

林伟华刘福江龚君芳郑贵洲

(中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074)

摘要文章结合我国目前对GIS专业多层次人才培养的需求，针对当前GIS专业计算机图形学教学中存在的与GIS专业特点相脱离、与GIS专业其他课程不协调和还停留在“平面线式”的教学方式上等问题，探索了适合GIS专业多层次人才培养的计算机图形学教学实践体系，该体系包括课程内容安排、课堂教学模式、课程实践模式以及课程考核方式等，为GIS专业在计算机图形学教学中如何落实面向多层次人才培养的要求提供了参考。

关键词GIS专业；多层次人才；计算机图形学；教学实践

一、引言

随着GIS(Geographic Information System，地理信息系统)相关学科技术的快速发展及GIS应用领域的不断拓展，我国各行业和部门对GIS专业人才的需求也日益迫切，并形成了具有时代特色的应用型、技术型和研究型等GIS人才需求类型。为满足市场对各类GIS人才的迫切需求，自1998年教育部将GIS专业列入《普通高等学校本科专业目录》中以来，我国已有超过170所高校开设GIS专业[1]，并且各高校在本科阶段已将计算机图形学作为GIS专业的必修基础课广泛开设。但在GIS专业的计算机图形学教学过程中，主要存在以下几个问题：

第一，计算机图形学与GIS专业特点相脱离。目前由于各高校依托的学科背景、师资团队和培养目标不同，各高校GIS专业一般没有开设GIS基础算法、计算几何等相关课程，并且主要采用面向计算机类专业学生的教学内容和实践方式进行教学，较少与GIS中相关算法与应用相结合。学生在学习较多的计算机图形学理论时，对该技术理论在GIS中有何作用和如何运用往往产生诸多困惑，甚至有不少学生因此失去对该课程的学习兴趣。

第二，计算机图形学与GIS其他课程不协调。各高校GIS专业除了计算机图形学之外一般还开设了计算机高级语言程序设计、数据结构、空间数据库、GIS原理与方法、GIS软件工程等相关课程，并且这些课程均有相关实践教学，但各课程实践往往比较独立，内容之间缺乏有机联系，课程实践成果不能有机利用，甚至部分实践内容重复，极大地影响了GIS专业教学效果。

第三，计算机图形学教学方式还是停留在“平面线式”上。各高校GIS专业的计算机图形学的教学内容和教学要求均按照统一标准要求教学，缺乏一定的灵活性，难以满足我国对多层次GIS人才培养的需要。一方面，一些学生比较适合面向应用型培养，因该课程对编程能力要求过高而谈“编程”色变，逐渐丧失对GIS专业学习的动力；另一方面，该课程因讲授的课程内容比较单一，实践内容主要是验证性的，一些比较适合面向技术型和研究型培养的学生往往又感觉“吃不饱”，不利于其创新能力的培养。

近几年，国内许多学者结合自己学校的实际情况，针对GIS专业计算机图形的教学以及GIS专业人才培养提出了不少有价值的改革措施[2-5]，但均未针对GIS专业在面向多层次人才培养要求下，如何进行诸如计算机图形学具体一门课程的教学实践改革进行阐述。本文主要结合中国地质大学(武汉)GIS专业教学实际，在GIS专业人才培养的实践教学体系[6]和阶梯式GIS软件工程实践教学体系[7]等教学成果基础上，提出一些相关改革措施，为GIS专业在计算机图形学教学中如何落实面向多层次人才培养的要求提供参考。

二、课堂教学改革

(一)课程内容安排

考虑到GIS专业的特点，一方面，要把传统面向计算机类专业的计算机图形学的课程内容进行删减，如主要选取在GIS中会涉及的图形处理算法和某种图形绘制的少量常用的经典算法作为课堂教学内容；另一方面，加入一些计算几何和GIS常用算法，并补充相应算法在GIS中应用实例，具体课程内容安排如表1所示。

在课程内容的安排中，我们主要是加入了点、线、弧段、圆、多边形之间关系判断，多边形交、多边形差、线缓冲区计算、多边形面积计算、三角网生成等涉及计算几何等常用GIS算法的教学内容，并补充GIS中有关空间实体和参数的数据结构表达方法等教学内容。另外，在安排计算机图形学的相关知识在GIS应用中的课程内容时，主要从学生常见的GIS平台软件(如MapGIS和ArcGIS)可视化功能界面中体现的功能和GIS平台软件提供的二次开发接口进行举例阐述。

表1　主要课程内容

(二)课堂教学构建

在课堂教学时，根据面向多层次人次培养的要求，适合应用型、技术型和研究型方向的教学内容各有侧重，其课程教学模式如图1所示。应用型人才方向主要是要掌握诸如3DMax和OpenGL等图形工具的应用、图形绘制与处理的基本算法以及这些算法在GIS平台功能中的应用，培养学生具有很强的GIS动手应用能力。技术型人才方向主要是以培养具有很强GIS相关软件开发能力为目的，需要在理解基本算法理论的基础上，掌握GIS平台图形编辑与处理系统设计与实现方法。研究型人才主要是通过对GIS相关图形处理算法理论的基础上，了解相关研究领域的前沿动态，培养创新思维能力。

图1　课程教学模式

根据计算机图形的课程教学模式，该课程在课堂教学时按照“目标是什么”“如何实现的”“实现效果如何”“存在哪些不足”的思路将该课程的课堂教学分为个5个环节：应用案例演示、基本算法理论讲授、算法实现与演示、相关技术前沿进展讲授、分组讨论等，如图2所示。

图2　课堂教学环节与方法

应用案例演示环节主要是演示将要讲授的算法在GIS平台中实现的效果，让学生产生学习的兴趣和本次课程所要实现的目标。基本算法理论主要是讲授算法思想。算法实现与演示环节包括实现采用OpenGL图形包、基于MFC的底层的算法实现与演示和GIS基础平台提供的函数接口的演示，应用型方向学生主要关注采用OpenGL图形包算法实现演示和GIS基础平台提供的函数接口演示，技术型方向学生主要关注基于MFC的底层的算法实现与演示。另外，在算法实现与效果演示的教学时，充分发挥多媒体教学优势，将算法思路、执行代码、执行结果同时直观地展现出来，降低各层次学生掌握相关知识的难度。在技术前沿进展的教学时，通过查阅文献介绍目前国内外对该算法的研究现状和该算法在GIS应用的现状。分组讨论主要根据在实践教学中分成的各小组，针对课堂教学和实践实习中存在的问题进行内部讨论、交流和成果汇报。

三、实践教学改革

实践教学是巩固和应用理论知识、增强学生感性认识、培养学生的动手应用、软件开发和创新思维的根本途径。计算机图形学的实践教学针对不同的人才培养要求，其实践目标、检验成果和采用的实习工具均不尽相同，如表2所示。面向应用型方向的实践教学主要是通过OpenGL图形库在验证基本算法的基础上，通过3DMax等图形建模工具实现三维校园系统建模和可视化，掌握当前常用图形编辑和建模工具的应用，培养学生的应用分析能力和动手应用能力。面向技术型方向的实践教学主要是通过在理解基本图形处理与显示算法的基础上，设计GIS二维图形编辑和三维可视化系统，并用VC++编程工具开发完成该系统的综合性实验，全面培养学生的系统分析、设计与开发能力。面向研究型方向的实践教学主要是通过OpenGL图形库在验证基本算法的基础上，选择有关图形处理与显示任意技术方向(如图形填充、图形裁剪等)进行研究，完成针对某一方向的算法的改进、相关算法GIS应用或相关综述性的研究报告。

表2　实践教学模式

在完成计算机图形学在实践教学时，采用以下方式方法进行开展：

第一，自愿分组完成实践任务，培养团队合作精神。根据学生兴趣和自己适合培养的方向，选择合适的实践目标及成果要求；在上课之初就开始鼓励学生重视团队合作，采用自愿原则分成3人左右的若干实践教学小组；各小组成员有非常明确的任务分工，并留存小组任务分工明细表作为个人考核的依据，避免以往实践教学中有些学生“吃大锅饭”的现象；在该课程教学期间各小组预约成果报告时间。

第二，充分利用教学实践课时，提高实践教学效率。在以往实践教学时，学生往往把这宝贵的实践课时浪费在查资料、如何编写和输入代码上，很少有小组之间、小组与老师之间的非程序调试错误、技术方案等方面的交流。我们在开始该课程时就布置实践任务，采用“任务驱动”方法让学生主动去学习和实践，并鼓励和引导学生利用非教学时间把相关基础性的工作做好，在上机实践时间里主要是讨论技术方案和解决编码调试过程中出现的一些难以克服的技术难题。

第三，重视实践成果开放性和复用性，培养和提升软件系统思维。(1)本课程内部的实践成果尽量要开放和复用，这主要是指后面实习的内容能直接利用前面实习的内容，如绘制完成简单图形绘制算法的基础上，后面的图形填充、图形裁剪以及图形的变换等实习时可充分利用前面简单图形绘制的算法接口。(2)课程之间的实践成果要开放和复用，我们在GIS专业的课程设置中还有其他各类不同层次的实践[6-7]，如在计算机图形学之前开设有计算机高级语言程序设计、数据结构与算法、数据库原理等课程，在其之后开设有空间数据库、GIS软件工程等课程，利用教师在完成大型GIS平台和应用开发中的经验，引导学生一方面要充分利用前期数据结构等课程实践的开发成果，另一方面本次综合实验成果完全可作为空间数据库课程实践的显示子系统，做好各实习课程的衔接，避免各课程实习内容的重复。

四、课程考核方式

计算机图形学最终的课程考核主要是突出考查不同培养方向上的实践目标为主，主要由“期末笔试+平时小组汇报+小组成果检查”三部分构成(如表3所示)，占比分别为30%、15%和55%，改变以往期末笔试成绩占70%以上的惯例。通过近几年的课程教学改革，我们发现课程实践完成比较好的学生，往往期末笔试成绩也很不错。期末笔试的试卷采用开卷形式，题目以考核图形处理的基本算法理论为主。平时小组汇报主要是根据预约的汇报时间，对自己成果进行汇报答辩。小组成果检查根据各小组要求安排在本学期结束前，采用“多做和精做加分”原则进行鼓励，通过近几年的实践教学，我们发现在实践教学时出现各小组成员都争先恐后地要求多做实习内容的现象，实践效果很好。

表3　课程考核方式

五、结束语

面向多层次GIS专业人才的培养是一个复杂的系统工程，需要GIS专业每门课程、每个教学环节的认真研究和实践，形成一个良好的理念、机制和方法。本文结合中国地质大学(武汉)GIS专业实际，在该专业的计算机图形学教学中针对应用型、技术型和研究型等多层次人才培养的需求进行了改革实践，在教学内容上充分注意与GIS中相关算法和应用相结合，在课堂教学上通过应用案例演示、基本算法理论、算法实现与效果演示、技术前沿进展、分组讨论等环节以满足不同层次人才培养的需要，在实践教学上采用分层次实践内容、成果检验方式方法，打破了以往在该课程教学上“一刀切”的方式，让适用各层次类型发展的学生都能找到自己的发展方向。通过三年的教学改革实践，该课程的教学效果很明显，学生能力得到了很大的提高，极大地激发了学生学习该课程和GIS专业的热情。我们也不断总结经验，继续积极努力地探索一条符合我校GIS专业进行面向多层次人才培养的相关课程和教学环节改革实践的道路。

参考文献：

[1]汤国安，董有福，唐婉容，等.我国GIS专业高等教育现状调查与分析[J].中国大学教学，2013(6)：26-31.

[2]刘永和.面向GIS本科专业的计算机图形学课程教学改革[J].高等理科教育，2012，101(1)：142-145.

[3]吴正升，郭健.GIS专业《计算机图形学》课程建设与教学改革[J].测绘与空间地理信息，2011，34(2)：10-12.

[4]赵明.GIS专业《计算机图形学》课程建设与改革初探[J].教育教学论坛，2012(S2)：83-84.

[5]陈优良，王兆茹，邹凤琼.以需求为导向的GIS专业人才培养模式[J].地理空间信息，2010，8(3)：141-147.

[6]郑贵洲，王琪，晁怡，等.GIS专业人才培养的实践教学体系构建[J].测绘科学，2014，39(9)：148-152.

[7]万波，方芳，叶亚琴，等.阶梯式GIS软件工程实践教学体系研究[J].课程教育研究，2015(1)：224-225.

(责任编辑李世萍)

收稿日期2015-09-30资助项目2015年中国地质大学(武汉)重点教学研究项目“依托国家GIS工程中心地理科学专业立体式创新实践平台与体系构建”.

作者简介林伟华(1978-)男，湖北浠水人，副教授，博士，主要从事空间数据库、地理计算所与空间分析、智慧城市与GIS应用工程研究.

中图分类号G642.44

文献标识码A

Practice of Computer Graphics Multi-level Teaching in GIS

LINWei-hua，LIUFu-jiang，GONGJun-fang，ZHENGGui-zhou

(School of Information Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan，430074，China)

Abstract：At present，there are many problems arosed in the GIS of computer graphics teaching，such as the separation from the characteristics of GIS，imcompatibility with other courses，remaining the teaching method of "plain and line" and so on.In order to solve these problems，a teaching practice system of computer graphics is explored to satisfy the requirements of multi-level talents cultivation for GIS in China，which includes the curriculum arrangement，class-teaching mode，practice-teaching mode and curriculum evaluation，etc.Therefore，a reference is provided for cultivating multi-level talents in the GIS teaching of computer graphics.

Keywords：GIS；multi-level talents；computer graphics；teaching practice