计算机图形学课程思政教学实践研究

陈华锋，赵运红，贺体刚，李 冉，胡 秀，田学军

（荆楚理工学院计算机工程学院，湖北 荆门 448000）

课程思政是将专业课程教学与政治思想价值引导有机融合，实现“立德树人”协同发展目标，构建“三全”育人新局面。上海作为课程思政发源地，先后经历了从“学科德育”到“中小学德育一体化”，再到“德育纳入教育综改”等三个发展阶段，逐步形成了“课程思政”教育新理念，并在上海部分高校进行教育教学改革试点。教育部对上海高校课程思政探索实践的成功经验进行推广，在2016年全国高校思想政治工作会议上将课程思政理念从地方探索转变为全国高校行动倡议。高校教育工作者深入学习会议精神，认真开展教学改革创新，充分挖掘专业课程所蕴含的思想政治教育元素，并在教学实践中实现学科知识传授和思想价值引导有机统一[1-19]。

近几年，计算机专业课程思政教学研究广泛而深入[7-19]，各高校计算机专业教师从计算机基础课、数据库管理系统、计算机网络、计算机仿真软件等课程探讨并实践了课程思政方法和过程。本文以计算机图形学课程教学为例，探索专业基础课程思想政治教育模式，认真分析思政教育核心内容，深入挖掘专业基础课程教学思政元素，细化专业基础课程思政具体目标，革新教学方法，实践专业课程教学与思政教育目标深度融合。

1 计算机图形学课程思政建设目标

宏观上，专业课程思政建设的目标是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，围绕全面提高人才培养能力这个核心点，促使课程思政的理念形成广泛共识，广大教师开展课程思政建设的意识和能力全面提升，协同推进课程思政建设的体制机制基本健全，高校立德树人成效进一步提高。计算机图形学课程是数字媒体技术专业的基础课程，内容涉及多个学科，既有专业基础知识的传授又有应用实践技术要求，也有传统文化、团队协作等思政内容贯穿整个教学过程。所以计算机图形学课程思政的目标是以课程知识传授为主线，着力培养学生科学、创新、工匠等精神；以名人事迹、传统文化元素等为辅线，注重提升学生民族自信、艺术修养、团队精神等，满足学生后续发展的需求。

2 计算机图形学课程思政元素分析

课程思政核心在于从专业课程中析出适合进行思想政治教育的课程元素，并恰当地与思政内容结合，隐思政教育于专业知识教育之中，才不会突兀，有利于学生欣然接受。计算机图形学是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门基础学科，涉及的内容包括光学、几何学等多学科知识，可用于思政教育教学的专业知识元素较为丰富。在课程教学设计中，笔者围绕课程思政育人目标，对章节内容进行分解、凝练，总结出相应的思政元素映射点（如表1所示），下面对主要思政元素进行分析。

表1 课程内容与思政元素映射点

课程绪论部分主要介绍计算机图形学的基本概念、应用及其发展历程。我国科学家和技术人员为计算机图形学的发展做出了应有贡献。比如在计算机图形学软件方面有IAuto、百绘大师等广泛应用的软件，而在图形处理器GPU设计方面有景嘉微公司JM9系列、中国重工709研究所GP101等先进产品。将我国计算机图形学相关技术、产品进行介绍，可以增强学生民族自信意识，培养爱国主义精神。

显示设备屏幕尺寸和分辨率各不相同，让图形在其上显示时，必然涉及图形裁剪。在图形裁剪一节，Cohen-Sutherland图形裁剪算法合理利用图形与显示设备之间的关系进行二进制编码，通过条件判断确定图形裁剪范围，算法简洁、高效，充分体现了创新性和严谨性。通过该算法实现过程的详细介绍，着重培养学生科学精神和创新精神。

通过图形几何变换可以调整图形对象的大小、可视方向等，包括比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换、平移变换、复合变换。图形几何变换有着严格的数学公式推导，在教学中突出这些变换公式推导过程，有助于拉升学生的科学素养和科学精神。

三维观察将三维图形对象转换可由屏幕显示的二维图形对象，涉及观察坐标选择、三维图形裁剪及投影过程。观察坐标选择不同，观察到的目标对象就不同。在课堂中可以将该知识点引申到人际关系中，启发学生多从不同角度看待问题，多做换位思考，在学习、生活中互谅互助，培养团队合作精神。

曲线是构成图形对象的重要基础组件，构造曲线的基础算法有Hermite曲线、Bezier曲线和B样条曲线。其中Hermite曲线发明人数学家CharlesHermite不平凡的人生经历，以及Bezier曲线发明人Pierre Bezier构建曲线算法的过程是非常好的专业思政素材。Charles Hermite是法国数学家，他年幼就右脚畸形，靠拐杖行走，大学生涯也历经坎坷，但在逆境中他一步一个脚印成长为著名数学家。通过Charles Hermite的成长经历，鼓励学生积极进取，不断攀登人生高峰。

Pierre Bezier在发明Bezier曲线时，只是法国雷诺汽车公司一名工程师。他从公司的降低新型汽车行驶阻力这一需求出发，提出用多段线构成模型的基本框架，再拟合出光滑的曲线逼近这个框架，构建了良好的车身流线，使得该公司汽车在市场上更具竞争力。通过介绍 Bezier曲线发明过程，展现Pierre Bezier将个人所学应用于企业需求的工匠精神和创新精神。

在对物体对象进行投影变换时，消隐算法用来消除目标对象被遮挡的部分。消隐算法中深度缓存算法（Z-Buffer）是一个非常好的思政元素，通过增加一个Z缓冲区以解决画家算法中存在的深度嵌套问题，提升了消隐算法处理时间效率，充分展现以空间换时间的算法创新性、严谨性。通过该算法的教学，引导学生在专业学习中注重时空平衡，工作、生活中注意劳逸结合。

光照是生成真实感图形的基本要素，因此光照模型是计算机图形学课程教学的重要内容。光照模型由简至繁先后有Lambert光照模型、Phong光照模型和Whitted光照模型。1760年，Lambert在假定理想无光泽表面或者漫反射表面前提下，提出了Lambert简单光照模型。1973年，Phong在Lambert光照模型基础上，考虑环境光和镜面反射光因素，给出了Phong光照模型。1980年，Whitted研究透明物体的光透射问题，构建了Whitted整体光照模型，使得光照模型趋于完善。通过三个光照模型的演进过程讲解，培养学生逐步求精的科学精神。

Whitted在整体光照模型基础上，提出了光线跟踪算法，综合考虑光的反射、折射、透射，由光的直线传播及光路可逆等基本理论出发，从视点开始迭代求解光在物体表面各点的光强，解决了物体遮挡、阴影、表面着色等诸多真实图形显示问题，成为当今图形显示的核心算法。该算法充分展现了科学家Whitted理论推导严谨性，有助于培养学生科学精神。

3 课程思政教学实践建设内容

基于以上课程思政元素，着重从科学精神和创新能力培养、实践能力和协作精神培育、中国优秀传统文化传播等三个方面探索计算机图形学课程思政实践建设。

3.1 基于计算机图形学课程的科学精神和创新能力培养

计算机图形学课程知识点有着严密的数学逻辑在其中，可通过相关专业知识教学和科学家事迹介绍，使学生理解严谨的数学推导过程，了解科学家们创造性解决问题的思维过程，培养学生科学精神以及创新能力。例如，在讨论“Bresenham直线”一节时，首先明确画直线是计算机图形生成过程中最基本的操作，并指出按照数学直线方程进行求解计算量大，抛出问题“如何能够快速地画直线？”，然后介绍IBM公司科学家Bresenham是如何从直线方程创造性的推导出Bresenham直线算法，提升了直线绘制效率多少倍，展现Bresenham思维的严谨性和创新性。而在讲解“汉字在计算机中的表示”时，选择王选院士主持跨代研制新型“激光照排系统”，5年研制出样机，后又13年形成拳头产品，领先国内外的先进事迹，展现我国科学家的创新精神，培养民族自豪感。在介绍“纹理映射”时，可结合近几年闫令琪、胡渊鸣等华人学者大规模复杂场景下的纹理映射研究所取得的重大创新成果，培养学生科学精神、工匠精神和创新能力。

3.2 基于计算机图形学课程的实践能力和协作精神培育

计算机图形学是一门实践性强、能紧密结合现实产品的专业基础课程，可通过以小组为单位进行实验实践教学，培养学生的动手实践能力和团队合作精神。例如在进行纹理映射实验时，先由小组同学一起根据目标对象特点自行规划、设计好纹理图案，然后再通过编程实现将纹理图案映射到目标对象上，提升学生的创新能力、编程实践能力和团队集体合作精神。而在动画制作实验中，要求学生协同设计好动画组图，然后再通过计算机编程完成渲染，形成完整的动画过程，提升学生的艺术审美水平、编程实验能力、团队合作能力等。

3.3 基于计算机图形学课程的中国优秀传统文化传播

中国图形文化源远流长，可用于教学的图形纹案数不胜数，所以在计算机图形学课程教学过程中隐性植入中国优秀传统文化元素，使学生成为传统文化的继承人和传播者也就顺理成章。计算机图形学课程我们主要设计了在扫描线填充、种子填充和计算机动画等章节植入传统文化元素。例如，在介绍扫描线填充、种子填充算法时，以中国传统民俗图案龙、凤、福、喜等作为实验案例，在理解实现算法的同时，领略中国传统文化。而在讨论计算机动画时，则以中国传统艺术“皮影戏”为对象，要求学生实现皮影戏部分场景，既学习技术又体验艺术。

4 总结

课程思政元素在专业课程教学的迁移是让专业课程教学回归育人的初心，也是新时代背景下的大思政育人体系教育的重要改革措施。将思政内容融入计算机图形学专业基础课程，对数字媒体技术专业、课程教学团队建设的责任感、使命感和教学平台体系建设提出了更高要求。只有明确了课程思政建设目标，深入分析了课程思政元素，并反复在课程教学过程中实践，才能真正培养出理想信念坚定、思想品德优良、专业知识扎实的社会主义合格公民。