金课导向下GIS专业“计算机图形学”教学实践探究

林伟华，刘福江，郑贵洲，杨 乃

(中国地质大学(武汉) 地理与信息工程学院，湖北 武汉 430074)

近年来随着我国高等教育不断发展，高等教育质量的问题引起教育工作者的广泛关注。特别是2018年6月教育部召开了新时代中国高等学校本科教育工作会议，提出建设“一流本科教育”的要求。本科教育的主体是专业教育，专业教育的核心是课程。随后，教育部印发《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8号)的文件，提出“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，切实提高课程教学质量”的要求[1]。

教育部自1998年将地理信息科学(Geographic Information Science，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[2]，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。目前，国内一些学者和一线教师对GIS专业“计算机图形学”的教学提出众多好的建议和方法，取得教学效果[3-10]，以及针对金课建设的探索[11]。但是，在金课建设标准和要求下，针对GIS专业的“计算机图形学”课程如何进行相关教学实践还未有相关研究和探讨。文中主要结合本校GIS专业教学实际，基于金课的标准和要求，从教学理念、教学内容、教学方法、考核评价等方面对GIS专业“计算机图形学”课程建设进行探索和实践，为进一步提升GIS专业“计算机图形学”教学质量和GIS专业人才培养质量提供参考。

1 金课导向下教学思路

根据金课的“两性一度”标准，即“高阶性”“创新性”和“挑战度”[1]，其中，“高阶性”就是知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。“创新性”是课程内容具有前沿性和时代性，教学形式体现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化。“挑战度”是课程要有一定的难度[1]。

结合我校GIS专业的培养目标和“计算机图形学”在GIS专业中的角色定位，GIS专业“计算机图形学”课程的“高阶性”是将GIS与“计算机图形学”专业知识、能力、素质的有机融合，培养学生解决GIS工程与技术等有关图形处理方面复杂问题的综合能力和高级思维。“创新性”是指课程内容能反映GIS图形处理与可视化技术的前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，充分利用现代各种线上线下教学优势，学习结果具有探究性和个性化。“挑战度”同样是指课程对学生要有一定难度，需要跳一跳才能够得着。

GIS专业“计算机图形学”的教学需紧密与GIS专业内容和特征相结合，以金课的“两性一度”为标准，以培养学生解决复杂问题的综合能力与思维为目标，以重塑教学大纲、教学内容、教学方式、考核评价为抓手，以问题为导向的混合立体教学模式为核心，全面探索和实践GIS专业“计算机图形学”的课程教学，培养GIS专业高质量创新人才，如图1所示。

以问题为导向的混合立体教学模式具体体现在：一是强调学生解决问题能力的培养，以解决GIS中有关图形处理与可视化问题为整个理论教学和实践教学的主线，转变以往强调以知识为导向的培养和以教材知识点为主线的教学方式。二是强调学生自主学习能力的培养，充分利用线上、线下授课和实践等多种方式，完成主动学习、课程讲授、师生互动等形式的教学，转变以往教师教什么学生学什么的被动教学方式。三是强调教学全过程多维度考核评价，转变以往较少顾及学习过程的以最终笔试、实践成果与报告为主的单一考核评价方式。

图1 金课导向下的教学思路

2 课程教学模式

2.1 课程教学内容

基于金课导向下的GIS专业“计算机图形学”教学“两性一度”的要求，从解决GIS有关图形处理和可视化问题的角度梳理和重塑教学内容，如表1所示。课程选取的教学内容依据和特点主要考虑以下几个方面。

表1 问题导向的课程内容

一是针对传统面向计算机类专业的“计算机图形学”教学内容缺少与GIS专业技术中有关空间数据处理、分析、可视化的算法相结合及其缺少与GIS可视化最新技术相结合的问题，要把传统面向计算机类专业的“计算机图形学”课程根据GIS专业技术要求从内容上、侧重点上进行删减和补充，并将二维、三维GIS可视化最新技术和硬件发展相结合，最大限度地体现教学内容的创新性。

在结合GIS与传统计算机类专业的“计算机图形学”的教学内容上，重点删除GIS中不会涉及的一些教学内容，选取在GIS中会涉及到的二维和三维图形处理与可视化算法，并补充一些计算几何和GIS常用算法。如删除计算机动画等内容；加入点、线、弧段、圆、多边形之间关系判断，多边形叠加分析区域计算、线缓冲区计算、多边形面积计算、三角网生成、地图符号生成等常用GIS算法的教学内容。在将二维、三维GIS可视化最新技术和硬件发展结合方面，主要结合空间统计分析可视化、大场景空中/地上/地表/地下三维一体可视化、VR/AR技术等相关技术等。

二是针对传统面向计算机类专业的“计算机图形学”教学过程忽视学生利用“计算机图形学”知识解决GIS应用、开发、研究等问题的能力培养问题，首先将每一章节从解决其应用性问题、技术性问题、研究性问题等三个层次为主线设计相关教学内容，然后综合解决问题，即利用“计算机图形学”知识解决GIS数据处理与可视化中的工程与技术问题，其问题的难度和解决问题的工作量依次增加，充分综合运用已学的基础知识，循序渐进地锻炼学生解决问题的能力，实现课程教学的高阶性。

三是针对传统面向计算机类专业的“计算机图形学”教学过程着重讲授图形处理和显示的基本经典算法，而忽视GIS可视化中最新研究成果和前沿技术问题，每个章节的教学内容不仅需要掌握传统经典的相关算法，还需要讲授与本章节相关最新的GIS技术与方法，引导学生通过自己动手查阅文献，让学生掌握最新研究成果或相关改进的算法，在难度上较以往有一定的挑战度。

2.2 课程教学方式

为了实现GIS专业“计算机图形学”金课培养的目标，课程教学方式是核心。与传统主要依靠教师讲授,学生被动吸收知识不同，要充分利用课前、课中和课后多个环节，调动学生主动学习的习惯和能力，并针对不同的教学环节利用线上和线下教学优势施以不同教学方法，这也是体现金课对教学方式的“创新性”要求，如表2所示。其中，课中主要指传统授课课时部分，课后主要指课外学时和上机学时部分，课前主要指课外学时部分。

表2 不同环节的课程教学方法

在课前可利用QQ群、腾讯课堂和超星学习通等工具打造线上金课,在线上提供给学生进行自主学习的要求、任务和材料，采用个体化和实践的教学方法，让学生在课前充分利用自主时间完成教学内容自学，并完成作业和实践，让学生通过自己的努力解决相应教学内容的应用性问题和技术性问题，并在规定时间内提交作业和提交未解决或疑惑的问题，问题经教师汇总、整理和分类后，通过线上推送给所有学生或分小组学生，让学生通过思考、动手实践、查阅资料等方式准备解答问题的内容，为课中翻转课堂的顺利开展提供基础。其中，学习材料有课程大纲、课程日历、课程问题与作业、课程PPT、课程微视频、网络课程资源链接等。

课中教学主要采用教师中心和相互作用的教学方法打造线下金课。课中教学的教师中心方法主要是以每章节教学内容相关的应用性问题和技术性问题为主线，采用启发式、案例教学法等，针对教学内容的重点、难点知识，通过教师讲授方式进行教学，该方式占用课中教学1/2—2/3左右学时。课中的相互作用方法主要是针对课前提交作业和未解决或疑惑的问题设计翻转课堂，由学生唱主角，教师在一旁引导，通过全班讨论、小组讨论等方式完成问题的预解答，最后由教师进行点评、总结，该方式占用课中教学1/2～1/3左右学时。另外，课中的实践课程学时主要是完成实践教学。

课后教学主要采用个体化的教学方法、实践的教学方法、相互作用的教学方法打造线上与线下金课。一方面课后针对课前和课中遗留的问题进行学生个体线上和线下答疑；另一方面针对研究性问题和综合实践的学习任务，通过小组讨论、查阅资料等完成相关问题的解答。

2.3 课程实践教学

构建全周期学习的多层次实践教学是打造GIS专业“计算机图形学”金课的重要一环。从实践教学过程看，相较以往主要在课后完成验证性实验教学方式，实践教学的核心是通过学生自主学习在课前完成验证性实验，学生在课中通过自己动手完成具有探索和研究性的提高性实验，学生在课后组成团队合作完成有一定难度的、需要解决GIS工程技术可视化方面的综合性实验，这些实践课程在设计时要考虑到具有一定的“挑战度”“高阶性”“创新性”要求。

课程实践教学是充分利用不同的教学时间，将专业知识、能力、素质等培养要求与不同层次实践教学任务有机融合，让学生通过上机学会动手解决GIS有关图形处理方面应用、工程技术以及综合性复杂问题的能力，如表3所示。验证性实验、提高性实验和综合性实验均是要通过学生自主学习，并通过上机应用和编程的方式进行教学。其中，验证性实验主要解决教学内容中应用性和技术性问题，提高性实验主要解决教学内容中研究性问题，综合性实验主要解决金课要求的综合性问题。

全周期学习的多层次实践教学与传统的实践教学比较突出的特点体现在以下几个方面。

一是传统的课程实践教学一般要求在上机实习学时内完成课程内容相关算法验证的任务，与传统的课程实践教学的方式不同，该课程实践需要在课堂课程前、课中的实践课程学时内和课后完成不同的上机实习任务，实习时间从课程开始的前一两周一直持续到课程结束后的三四周左右。

二是在每章节课堂学习前除了需自主在线学习和完成传统习题作业外，还需熟悉和掌握本章节相关技术在GIS平台或应用系统中体现的功能，并且对该章节所涉及的基本算法需要自己编程验证实现。在课中的实践课程学时内主要完成对已有算法的改进上机实习，其难度相对于传统完成课程内容相关算法验证任务有所增加，也需要学生在课程学时外花时间查阅一定的文献。

表3 不同环节的课程实践教学方式

三是实践课程是将技术应用和编程开发相结合。技术应用主要体现在掌握课前需完成相关技术在GIS平台或GIS应用系统中体现的功能，课后利用已有三维建模与可视化工具对特定区域构建三维系统。编程开发主要体现在课中对现有算法的改进，课后编程实现二维或三维GIS平台编辑与可视化原型系统。

四是实践课程将自主独立上机实习和分小组团队完成相结合，既锻炼个人独立思考和动手能力，又在解决大型GIS工程与技术综合问题方面培养团队合作精神。其中，在课前和课中实践中以独立上机为主，课后的综合性实践以分小组团队合作为主，课后的综合性实践根据在项目实施中对项目管理、协调沟通、质量监控、方案编写、技术研发等角色协同完成的需要，组建由3～4人构成的小组为宜，并按角色分工，每个学生可承担几个不同角色任务。

2.4 课程考核方式

合理的课程考核方式是打造GIS专业“计算机图形学”金课的重要保障。考核主要是针对学生完成的具有一定“高阶性”“创新性”和“挑战度”的课前验证性实验成果、课中提高性实验成果和课后综合性实验成果进行评价，如表4所示。在评价课前验证性实验成果、提高性实验成果和综合性实验成果中，其解决GIS工程技术中复杂问题量越多评判的成绩越高，其应用和探究完成的成果越新颖或具有创新点越多评判的成绩越高，其完成的难度越高评判的成绩越高。

与传统以课程结束后通过期末考试和上机实践成绩为主要考核方式不同，本课题考核贯穿课前、课中和课后全过程，并且将个人考核和分小组考核相结合，既强调个人学习努力也考虑小组团队合作精神考核，考核方式具有一定“创新性”。另外，将自主学习、讲授、讨论学习情况考核相结合，理论知识学习与上机实践学习相结合，从提交或完成的程序、作业、表达、试卷、应用系统与平台等成果，突出知识、能力、素养和创新等方面的多维度考察，如验证性实验成果、作业完成情况、期末考试等重点考察学生的基础知识，提高性实验成果、考勤和课堂成绩等重点考察学生的动手实践、表达能力，综合性实验成果从应用和开发两方面重点考察学生的团队合作素养和创新能力等。

3 结束语

在中国地质大学(武汉)GIS专业的近两年的两届3个班的GIS专业“计算机图形学”教学实践中，通过文中以问题为导向的混合立体教学模式进行教学实践，GIS专业“计算机图形学”课程的教学效果和质量有了很大的提高，极大地提升了学生对该课程和GIS专业的学习能动性和探索精神，达到了一定的金课建设要求。对学生来讲，该课程较以往只需掌握图形处理与显示的基本算法上难度有所提高，有一定的“挑战度”；学生在解决GIS工程与技术有关图形处理方面复杂问题的综合能力上较以往有较大提升，体现了GIS专业“计算机图形学”课程一定的“高阶性”；学生掌握一定GIS可视化最新技术，并且学生的自主学习与探究能力得到较大提高，体现一定的“创新性”。

高校各专业在金课导向下的各课程教学也是不断探索和完善的过程，需要众多学者和教师根据金课的要求从教学思路、教学内容、教学方式、考核评价等多方面进行深入研究、探讨和实践，不断地完善相关课程的教学内容和教学方法，提升教学效果和质量，最终达到金课标准。文中针对GIS专业“计算机图形学”提供在金课导向下进行教学实践的相关思路和方法，为全面探索和实践金课导向下GIS专业其它相关课程教学，培养GIS专业高质量创新人才提供借鉴。