“计算机图形学”课程“3阶”混合教学模式建设

刘嘉敏，魏 东，常燕

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

引言

“计算机图形学”是研究如何利用计算机表示、生成、处理、显示对物理世界的感知和交互的学科，其技术广泛应用于游戏、虚拟现实、科学计算可视化、工业制造等应用领域中，尤其是在大数据、5G、云计算高速发展的大背景下，是非常重要的计算机应用技术。“计算机图形学”是多学科相互交叉、相互渗透的学科，该课程不仅是计算机科学与技术的专业课，也是其他专业的应用基础课。课程具有理论性强、实践手段和平台多、应用面广和前沿性强等特点。学生在课程学习中不仅能学到图形学的理论，而且能在计算思维能力、工程能力和创新能力方面得到很好的锻炼。然而，课程本身的特性给学生的学习、教师的讲授带来较大的挑战。在许多高校的教学中，主要采用国内外经典教程，从理论上讲述20世纪经典图形学技术和原理，强调的是以数学为基础的图形算法，考核停留于学生对理论知识掌握的程度。课程存在重理论、轻能力、教学模式单一、学习乏味等现象，致使理论知识未成体系，造成学生一知半解、面对实际应用问题无从下手编程实现，因而学习的热情不高，这些问题使得教师必须改变现状，积极研究计算机图形学课程的改革方法。

近两年，随着现代信息技术在我国教育领域的广泛运用，利用信息技术手段的新型数字化教学模式孕育而生。许多高校将传统课堂教学与线上数字化学习模式的二者优势相结合，从教学理念、教学模式、教学方法进行新型混合教学模式研究和改革，以促进学生的自主学习，进而帮助提高教学效果。针对课程现状和问题及数字化的新型教学模式，迫使教师对课程的教学理念、培养目标和教学方法进行反思和探讨。如何将以学生为中心、以能力为导向、以价值为引领的教学理念落实到教学内容和教学过程中，做到“学有目标、思有方法、习有资源、疑能解答、拓有引领”？为此，在以学生为主体、“三位一体”（即“知识、能力、素质”）的教学理念指导下，经过几年探索与实践，提出了“3阶”目标的线上线下混合教学模式，在此基础上构建了“1主线3维度”的教学内容，并实施了混合模式下的教学方法、教学内容和考核机制的改革举措。

一、以“三位一体”为导向的“3阶”线上线下混合教学模式

（一）“三位一体”的课程目标

结合本校人才培养的办学定位，具有创新的研究应用型人才，遵循以学生为主体，以知识、能力、素质目标为导向的教学理念，制定本课程“三位一体”的课程目标——以光栅图形学、三维建模与真实感技术的基本理论为知识目标，以培养计算思维能力、工程实践能力，能够解决复杂的工程问题，通过能力培养促进创新能力为能力目标，以严谨认真、求真务实的科学态度，具有爱国主义情怀、使命担当的责任感为素质目标，从而为学生未来从事学科研究、从事应用领域中图形系统开发，奠定良好的基础。

（二）混合模式的学习平台

借力互联网和信息技术，构建混合式SPOC学习平台。在此平台引入其他院校在线优质资源，融入自主建设数字化“计算机图形学”课程中，构成线上学堂。同时优化设计线下实体课堂，利用超星平台使线上与线下学堂同步，实施数字化管理和效果监测。

（三）“以目标为导向”线上线下混合教学模式

依据Bloom认知模型，按低、中、高“3阶”层次，依次设计课前导学、课中研学、课后练学与拓展的培养目标和教学内容，构建线上线下混合教学模式，如图1所示。

图1 “3阶”目标的线上线下混合教学模式

在其模式中，低阶教学目标通过课前线上自学、课中线下课堂归纳总结、课后线上练学获得；中阶教学目标通过课中线下研学、课后线下练学和拓展获得；高阶教学目标通过课中研学、课后线上线下练学和拓展获得。

二、混合教学模式下的课程建设

（一）“1主线3维度”的理论与实践教学内容

依托理论教学和实践教学，融入前沿科技和思政元素，达到基础扎实、能力和素质提升的目标。

1.打造“1条”理论主线。以经典理论知识为主体，打破教材的顺序，依据图形绘制管线，将从三维图形建模到二维图像显示所涉及的零散、不易衔接理论知识重构，从应用、几何到光栅三个阶段的知识框架，在宏观上形成系统化的知识脉络。这使得学生了解主要知识要解决的问题、知识体系的逻辑结构，帮助学生建立知识脉络，以便学生能系统地理解、应用和拓展知识，以及渐进式地提升能力。

2.搭建“3维度”实践主线，构建、组织实践教学内容。（1）实践体验：从案例、学生作品演示和科技成果展示等方面让学生感受图形学的魅力，激发学习的兴趣。（2）实践内容：以点构面，涵盖知识框架中全部知识点，其内容既有演绎经典理论的算法设计和编程实现，又有融入前沿技术的综合设计内容。（3）实践平台：因人而异地构建基于计算机端、手机端、浏览器端的图形学实践环境，发挥学生的长处，弥补学生的不足，做到因材施教的教学内容设计。

（二）“面向能力素质”混合模式的教学方法

1.着重计算思维能力的探究式教学法。线下课堂采用提出应用问题—解决问题的思路—验证求解思路—实现求解方法的“4步”教学法，以裁剪、消隐、光照等经典理论为推动，将培养学生计算思维能力通过学者如何思维、如何产生求解的思路、验证和实现方法的过程来演绎。通过启发、引导、小组讨论、线上测试等教学手段，使学生达到知识内化、思维引导、能力培养的中高阶目标。

2.着重工程实践能力培养的体验式教学法。结合社会需求，搭建基于OpenGL图形库的多种程序语言实践平台，如C++、Python、Java等，学生依据个人能力选择实践环境。在实践教学中，采用应用问题—求解思路—算法设计—实践拓展的“4步”教学法，使教学重点从传授知识转向工程能力的培养。线下在解析问题时，引导学生进行分析求解问题的要点，设计编程思路，让枯燥和抽象的理论在实践中具体化并得到检验。线上提供案例源码、前沿技术的视频、学术文献，学生可随时下载、模仿案例自学且实践，而且依据自身能力进行能力与素质的拓展。这样学生不仅在平台上演绎理论知识的实现过程，又提高工程实践能力和解决工程问题能力，而且能与行业前沿、未来职业接轨。

3.着重思维和能力拓展的研讨式教学法。采用场景研学—问题讨论—真实体验—实战设计的“4步”教学法。（1）展示与评鉴。线下课堂中对作业点评、作品展示、案例讲解，使学生在实际应用场景中学习知识、提升能力。（2）专题研讨。在线上设置专题讨论题，引导学生思考，拓展其思维，激发创新意识。（3）融入虚拟现实等科研成果。教学中展示研发虚拟现实、三维仿真等产品及新技术，学生能身临其境体验图形学的应用，开阔了视野，促进了创新能力的提升。（4）综合设计。设置主题突出的交互三维场景的设计任务，从查阅文献到成果展示。这些方式保持了课程的前沿性和创新性，达到课程的高阶目标。

4.注重科学素质培养的思想政治教育无声融入式教学法。通过我国CAD事业的先行者刘慎权教授、经典裁剪算法发明者梁友栋教授、图灵奖获得者艾德文·卡特姆教授等计算机图形学领域中，著名学者的人文传记、行业领军公司的前沿科技，以故事、视频、资讯等形式，将工匠精神、科学素养、家国情怀等思政元素润物无声地融入教学内容，使学生严谨求真的科学态度、探索未知和勇攀高峰的使命感、爱国报国的情感与思想自然升温，达到课程思政育人的效果。

（三）“知识能力并举”的多元化考核模式

1.注重过程考核，制定多元化、分层次的考核内容和定量的考核评定标准，其考核内容及比例分配如下。期末试卷（65%）：以成果为导向，设计出具有一定开放性且多种形式的命题。例如，给定生成三维场景的程序代码，学生通过读代码回答若干有关理论知识、能力和思维拓展的问题，从而考查学生的理论知识掌握程度、能力和思维拓展的程度。平时过程考核（35%），包括以下几个方面：（1）学习参与度与反馈。通过线上自学视频、线上讨论参与度、问卷等内容，考核了解和应用知识和思维能力的目标。（2）线上测试。通过线上测试考核知识掌握的目标。（3）上机实验。通过实验报告和实验结果展示考核思维和能力的目标。（4）综合设计。通过成果展示、海报等形式考核思维和能力的目标。

2.考评流程制定的人性化。考核内容和评定标准顺应混合式教学模式，依据学习过程中学情的变化，进行相应的调整。

3.过程考评指标细化。针对过程考核中平时测试、设计实验、综合设计等每项考核环节，制定评分细则，按规则评分。

（四）混合教学模式的成效

计算机图形学课程的混合教学模式从2020年开始在我校计算机科学与技术专业实施，经不断总结和改进教学方法，教学效果得到充分认可，受到学生的好评。通过对考核评价的全程化和数据化，全面客观地反映学生的学习效果。对比2020—2021年计算机图形学课程的学生成绩，优秀率和及格率有较大的提高，如图2所示。而且，对2020学年和2021学年学生成绩课程目标达成度进行数字化分析，在知识和能力方面都较好达成课程目标。

图2 两学年课程成绩对比

结语

在以学生为主体、“三位一体”的教学理念指导下，实施的混合模式课程建设改变传统单一的教学方法，着重学生自主学习能力、实践能力、创新能力培养，使得学生能从疑问中观察—求解中思考—情境中感受—实战中升华4个阶段，将“知识、能力、素质”递进地达到目标；同时，注重专业情怀和科学素质培养，教师从问题探究、算法的改进、代码规范等方面言传身教，激发学生探索知识的兴趣和创新意识，端正了学生严谨的学习态度。