慕课形势下普通高校计算机图形学课程建设探索

马 天

(西安科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710054)

0 引言

慕课是一种以大规模网络在线课程为载体，基于互联网碎片化学习模式的新型教学形式，从2012年出现以来，形成了一场风暴式的教学改革浪潮。它彻底打破了学校的界限，使得全球优质教学资源均衡共享，具有教学规模大、开放性强、教学手段多样、线上交流互动、学生学习自主等特点[1]。国际和国内涌现出了很多代表性的慕课平台，包括Coursera平台、中国大学慕课平台等，也带动了各高校“智慧教室”的建设。慕课同样对高校计算机类课程的教学实施过程、课程考评机制、教学管理模式、师生关系角色等提出了严峻的挑战[2]。因此，由教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会、软件工程专业教学指导委员会等联合组建了“中国高校计算机教育MOOC联盟”，并建成了“爱课程”慕课平台。近几年，对计算机类课程的慕课建设的研究成为了热点，并逐渐从知名高校、知名教师扩展到具有地方专业特色的应用型普通高校[3]。

计算机图形学是我校计算机学院的计算机应用技术、计算机科学与技术等专业研究生的专业基础选修课，也是信息与计算科学、计算机科学与技术等本科生的一门重要的专业基础课。该课程在教学计划中占有重要地位和作用，被清华大学和浙江大学等高校列为计算机专业核心课程之一[4]。它是研究如何利用计算机来生成、处理和显示图形的一门课程[5]。通过课程学习，使学生了解计算机图形信息处理的基本理论和方法，掌握基本图形屏幕显示的程序设计方法、二维和三维图形几何变换程序设计方法等内容。该课程是一门复杂的综合性学科，内容丰富，涵盖的知识面较广。既有具体的图形软硬件操作技能，又有抽象的理论和算法，可以综合训练学生从事图形图像处理工作的能力。在当前慕课教学改革的大形式下，笔者申请获批了院校两级的相关教改项目。本文将首先分析慕课建设的已有方法，然后对该课程的知识图谱进行详细设计，最后分析课程建设的具体内容和实施细节。

1 课程建设方法

首先，慕课建设不同于精品课程和资源共享等网络课程建设，其将网络课程变得更立体和生动，具有显著的在线服务性特点，相比较于传统实体课堂的教师单向讲授方式，不止体现在教学手段与形式的变革，更要求教师对课程内容进行重构，重新设计教和学关系[6]。普通高校对慕课课程建设需求也愈发强烈，但与知名高校相比，在资金、资源和技术积累等方面都相对薄弱，可以先使用一些优质的共享课程资源，联合校内慕课共建的方式[3]，再结合我校地矿专业特色进行系统的建设。我院开设该课程的三个专业中，信息与计算科学属于理科，该专业学生的数学基础很强，对于课程中涉及到图形算法内容接受较快，但是该专业学生的编程基础相对薄弱，对于课程中算法的实验有一定难度；软件工程、计算机科学与技术两个专业则刚好相反。设计课程内容时需兼顾3个专业学生的特点，采用理论与实践并重的方式。

然后，在课程教学方法上，余廷忠等[7]设计了学习数据展示、梳理结构、深度拓展和学以致用的五步法，课外自主上机、实验课上比效果，有效的融合了慕课资源和实体课堂。赵明[4]等将“慕课+翻转课堂”的模式应用到计算机图形学课程改革中，采用课前自学、课内作业答疑的方式，将教学内容纵向深入和横向扩展，更好的激发出了学生的创新思维。张朝阳[8]等采用算法可视化、启发思维、案例结合等方法，设计了科学灵活的评价模式，有效的提高了学习的效果。总的来说，当前“慕课+翻转课堂”的教学方法已成为主流趋势，也是教师教学观念转变的一个主要方向。

2 课程知识图谱设计

知识图谱是展示课程知识的发展进程和结构关系的一系列图形，可以直观清晰地表达所有知识点之间的衔接关系，从而指导课程单元的设计。基于以上分析，本节对现有课程教学设计、单元内容、知识结构重新组织，精炼每节课教学内容，设计精悍独立的内容模块。以问题实例来引导，以知识点开展教学，从而提高每节课的学习兴趣和效率。如图1所示，根据教学大纲初步提炼出了12个基础知识点(计算机图形学概念和发展、直线扫描转换、直线反走样技术、有效边表填充算法、边缘填充算法、二维图形变换、二维图形裁剪、三维图形变换、三维投影变换、隐线算法、隐面算法、简单光照模型)，3个高级知识点(自由曲线曲面、分形图形、透明和阴影)，3个进阶知识点(光线跟踪算法、碰撞检测、纹理映射)。三类知识点之间的衔接关系如图1所示：基础知识点内容循序渐进，基本上是串行的线性关系；高级知识点的原理相对独立，前两点的实现依赖直线绘制算法，最后一点需结合简单光照模型的知识点，可根据具体教学课时选择讲授；进阶知识点综合性较强，需要综合应用多个基础和高级知识点，以及运动学、光线传播等物理学知识。

图1 计算机图形学课程知识图谱

3 课程资源建设

根据每节课的教学设计，项目主持人担任主讲，完成各节教学内容的视频制作。为了还原现场教学的效果，尽量采用专业设备进行现场教学的音视频采集，并采用专业录屏软件(如屏幕录像大师、Camtasia Studio等)，同步进行PPT、程序演示等操作的屏幕录像。然后，再通过专业视频编辑软件(如绘声绘影、Corel VideoStudio等)，将两部分视频同步剪辑合成，并添加相应的字幕等。为保证课程资源的系统、完整和丰富，除课程视频外，还应进行课程介绍、教学大纲、教学进度、每节讲稿文本、参考文献、工具软件、实例代码、重点指导、作业系统等素材资源的建设，其中作业系统是一个题库，应根据知识点提供大量的测试题目，对于每一题目都有相应的难度系数。根据知识点关系，资源之间相互关联，并可关联外部网站的共享资源。

还需将每节知识点的学习进行综合管理：首先，自动记录视频学习进度，并设计在线笔记功能；然后，改革评价体系以符合网络教学习惯，注重学习过程评价，可采用实时测试和课后测试相结合的方式。根据之前分析，结合3个专业学生的特点，实验项目采用自顶而下的分层次方法进行设计，包括整体和每个实验的层次性，分为基本练习、拓展练习和思考练习，先演示实验的预期效果，再让学生进行模仿、探索实验。慕课建设的内容繁多，交互功能复杂，可以在选择“爱课程”平台的基础上，建立一个稳定的开发团队，协调项目成员同步进行资源建设，并配备专门教辅人员进行线上交互，以保证课程顺利有序进行。

4 结语

慕课的大潮已汹涌而来，计算机图形学课程的慕课建设任重而道远，需要逐步积累资源和经验，在学生的反馈中不断完善成熟。后续还要综合考虑慕课缺乏面对面互动、授课内容单一的缺点，逐步实践“慕课+翻转课堂”的模式，积极进行虚拟现实(VR)技术在线教学和实验的探索与尝试。