基于“两性一度”的计算机图形学一流课程建设实践研究

何钰枫 李翠丽 司春景

摘要：计算机图形学是一门实践与理论并重的计算机专业课程，该课程的教学质量对于培养综合能力突出的计算机类人才至关重要。文章针对地方高校如何推进一流课程建设，提出以“两性一度”为标准，以培养高素质计算机人才为目标，以线上线下混合教学模式为核心的课程建设方案，为计算机相关的一流本科课程建设提供参考。

关键词：计算机图形学；一流课程；教学改革；混合教学；人才培养

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）31-0128-03

1 引言

随着我国高等教育的飞速发展，教育质量问题愈发引起社会的关注。近年来，教育部相继提出“新工科”建设和一流本科课程“双万计划”，明确了我国高等工程教育的内涵，规划了工科课程建设与发展的路径，强调专业是人才培养的基本单元，而课程是人才培养的核心要素。课程建设是人才培养中的重要环节，课程质量直接影响人专业人才素养，鼓励各类高校积极开展创新工科课程建设与教学模式探索，推动我国本科教育质量整体提升[1-3]。特别是教育部印发《教育部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），提出加快振兴本科教育，构建高水平人才培养体系，全面提高高校人才培养能力，要求“各高校全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课、打造‘金课，合理提升学业挑战度、增加课程难度、扩展课程深度，切实提高教课程教学质量”[4]。

计算機图形学是计算机专业学科中的重要基础课程，如何根据课程特点，结合地方高校自身特性，提升计算机图形学课程的教学质量，培养出具有实践能力和创新精神的高素质人才，是一个急需探索研究的问题[5-7]。本文以塔里木大学为例，结合近几年的教学实践活动情况，分析该课程教学中存在的问题，提出以线上线下混合式教学模式为基础，以“高阶性”“创新性”和“挑战度”的“两性一度”为标准的课程改革建设方案，以期通过课程建设提升教学质量，为新疆社会经济发展培养和输送更多高水平的专业人才。

2 计算机图形学课程建设的主要问题

塔里木大学计算机图形学课程是面向计算机科学与技术专业的一门专业基础课，包含理论与实验两部分，自2016年以来，教研室已对本课程进行2次教学大纲的修订，以适应课程的发展及教学模式的改革。然而，图形学新技术的发展日新月异，大量图形学算法与人工智能融合更新，图形硬件飞速迭代，这使得现有的图形学课程出现内容陈旧，缺乏创新性的问题。同时，全球疫情肆虐，传统的线下授课方式受到巨大挑战。因此，为了更好地完成一流本科课程建设，本文对计算机图形学课程建设中主要存在的问题进行了总结与分析。

2.1 教学内容组织零乱，课程知识不成体系

计算机图形学的知识体系庞大，涉及图形软硬件、基本图形生成、图形变换、几何造型、图形渲染、动画等方面。本科阶段对计算机图形学的学习虽然仅要求启发性的基础知识学习，但在有限的学时内，需要对整个图形学知识体系要进行初步的建立，这就难免让学生感觉到图形学知识点繁杂，知识关联性不强，章节间具有强烈的跳跃性，学生难以形成图形化思维创新能力。课程知识点的割裂，除了体现在计算机图形学课程自身之外，也体现在整个计算机专业课程知识体系上。传统的教学模式容易造成计算机图形学成为“孤岛”式课程，缺乏前后的课程承接，而计算机其他的科目往往具有一脉相承的特性，如从本科低年级到高年级依次学习的C/C++程序设计、汇编程序设计、计算机组成原理到操作系统，逐步形成一条编程语言、软硬件协同和应用开发的完整过程。而传统的计算机图形学教学容易陷入图形学繁杂算法的沼泽，缺乏与其他专业课程之间融合互动。

2.2 教学资源匮乏，实践案例陈旧

与很多边远地方高校类似，目前塔里木大学的计算机图形学课程教学中的一个突出问题就是教学资源匮乏，如机房设备老旧，甚至无法支撑部分实践教学内容，常常无法满足前沿图形工作的演示。同时部分实践教学内容与当前学科前沿发展脱节，培养的学生无法满足工业界的实际需求，而学生学习时感觉案例无趣，缺乏学习积极性，学习之后掌握的相对落伍的实践技能无用武之地。因此，根据现代计算机图形学的发展，构建新颖的课程案例和综合项目势在必行。

2.3 教学方法单一，学生学习被动

传统的计算机图形学课程的教学主要以线下面授为主，但随着课程学时的缩减，该课程由64学时逐步调整到48学时。在本课程教学内容偏多、课程难度较大的情况下，学时的缩减，使得授课教师往往为了追赶教学进度而放弃许多教学活动的设计，使得课堂缺少互动，学生被动接受教师源源不断的知识输入很容易产生疲倦。因此，如何利用信息化教学工具，开展多种教学手段结合的教学模式值得探索。

2.4 课程考核不完善，缺乏过程控制

传统的计算机图形学课程考评方式主要采用期中期末考试，辅以简单的平时考核，如课前点名记录考情，课后作业批改登记成绩，这种方式缺乏对于学生学习过程的多维度评估。科学的考评机制不应该只是学生最终的一个分数，而应该是贯穿在学生整个学习过程中，对学生学习过程实现有效监督、动态调控和实时反馈。

3 “两性一度”的计算机图形学混合式课程建设

3.1 基于“两性一度”的课程建设思路

“两性一度”即高阶性、创新性和挑战度，它从教学内容、教学形式、教学目标、教学考核等方面对一流课程建设提出要求，为课程建设提供导向。在计算机图形学课程的建设中，融入思政元素，调整教学内容，梳理知识体系，设计新颖且具有地方特色的教学案例，提升课程的“高阶性”。利用信息化智能化的线上教学平台，引入线上线下混合教学模式，注重学生的能力培养，提高学生的自主学习能力，突出课程的“创新性”。强调学习过程的多元评价，适当设置学习挑战，注重知识应用能力的考核，增加课程的“挑战度”。

3.2 计算机图形学一流课程建设目标

计算机图形学一流课程建设具有清晰的目标。其首要目标就是提升教学质量，出色完成图形学课程知识的传承，满足“两性一度”标准，做到去“水”增“金”。其次，它也具有地方高校独特的使命。以塔里木大学为例，我校地处新疆南疆地区，每年培养的各类人才毕业后大多选择扎根兵团，留疆工作，为新疆维吾尔自治区和新疆生产建设兵团的发展提供鲜活的动力。因此，在课程建设中，加强课程思政的内容，弘扬爱国爱疆艰苦奋斗的精神，授课教师秉承立德树人的宗旨，牢记为国育人、为党育人的光荣使命。同时，在课程内容方面，结合新疆特色产业进行建设，如计算机图形学在农业生产中的应用案例，在旅游业中的虚拟现实和增强现实应用等。最终实现为新疆建设发展提供思想过硬、技能够强的应用型计算机专业人才的目标。

3.3 混合式计算机图形学课程建设方案

3.3.1 删选重组教学内容，融合构建知识体系

以“两性一度”为标准，将课程内容进行层次化划分，将低阶性的过时的课程内容适当压缩和删除，将每个章节的内容凝聚成四个模块，基础知识、高阶知识、创新拓展和难点挑战。其中基础知识和高阶知识分别讲授图形基础以及高层次的原理，创新拓展介绍该知识点关联的前沿进展以及实际应用，难点挑战则用以启发学生的思维，如何用所学知识迁移应用，解决真实工程问题。除了教学内容的删选重组，整体学科领域的知识体系构建也同样重要，因此，课程组授课教师将计算机图形学与相近课程的进行内容衔接，如将图形概念与数字图形处理中的图像概念进行辨析，将计算机图形学中的三维建模算法与工业建模软件3ds Max进行关联，将真实感图形绘制延伸到游戏引擎的介绍，将光照模型扩展到图像退化问题。这样知识不再孤立，前后学科之间有所衔接，能让学生了解该领域内知识的来龙去脉，构筑一条清晰的学习线索。

3.3.2 因地制宜整合资源，推陈出新改编案例

针对地方高校，尤其是部分偏远高校存在的教学资源缺乏问题，课题组主要采用两种方案解决。首先是将在线案例演示转为离线视频，通过教学资源库的建设，授课教师在高性能计算机上进行实验的演示，然后录制成视频资源，教学中降低了对实验环境的要求。其次，组建云实验平台，为学生创建统一管控的云端实验机，降低了实验室客户端的硬件需求。最后，对教学案例进行更新，比如摒弃老旧的MFC编程框架，转而使用Python作为前端的太极编程语言，以Python取代C++降低了程序设计语言本身带来的困难，同时保持高性能的图像计算能力。另一方面对案例的内容进行更新，例如使用维吾尔族特有的艾德莱斯绸图案进行分形的实践教学，采用这种具有地区特色的案例可以有效激发学生的学习动力。

3.3.3 引入信息化教学方法，培养自主性学习能力

一流课程建设要求在教与学的两端都打破传统模式的束缚。教师需要学习、适应和研究现代教学方法，并付诸实践，完成课程内容和学习活动的详细设计，而不是照本宣科。课程组在近三年的计算机图形学课程教学中，采用“雨课堂”和“超星学习通”等信息化教学平台，构建优秀的线上课程资源库，开展混合式教学、翻转课堂等创新性的教学方法，将学生的学习从课堂延伸到课外，让学生由被动地课堂听课，转变为随时随地地主动学习。学生课前通过预习教师发布的图形学案例资源，对将要学习的知识点构建了直观认识，知道了将要学习什么，并对现象背后的原理产生疑问。课中，教师通过理论讲解、课堂互动向学生解答疑问。之后，通过实验环节带领学生验证理论。课后，学生在线完成作业，巩固知识，并在线上进行讨论反馈。整个教学过程贯穿线上线下不同场合，整合课前课中和课后的学习时间，使教学形成一个完整的闭环。在这个闭环中，学生潜移默化地提高了学习的自主性，同时也为课程考核提供了过程化的参考数据。

3.3.4 加强学习过程考核，完善教学考评机制

根据现行课程考评机制存在的考核方式单一、缺乏过程控制以及挑战度不足等问题，提出建立多元化考核体系：最终的期末结课考试占50%，平时的过程性考评指标占50%，包括平时线上学习时长、课后作业效果、线下课堂考勤、课上师生互动、课后交流讨论等指标，体现出重视学习过程的特点。经过教学实践发现，学生更愿意将课程的考核平铺到整个课程的学习过程中，而不是集中在最后的期末考试，这样能驱使其注重平时的学习积累。当然这样综合性的考核体系也对教师提出更高要求，需要熟练使用信息化教学软件，构建在线课程资源库。此外，根据一流课程建设的“挑战度”要求，期末结课考核应当合理控制难度，不能都是过于简单的基础题目，应适当增加高阶问题和体现挑战度的难题。这样通过考题的引导，让课程走出“水课”的泥沼，变得具有深度，也能促使学生重视课程。

4 结束语

计算机图形学作为一门理论与实践并重的计算机专业课程，在全面开展一流本科课程建设的背景下，对其提出了新的建设要求。本文以塔里木大学为例，通过反思该课程授课过程中存在的种种问题，结合实际情况，从课程内容组织、教学材料更新、教学方法探索、课程考评体系构建等方面进行课程建设方案的探讨，以“两性一度”为标准，围绕课程建设的目标，提出一系列课程改革策略，提升课程教学质量，为新疆的信息化建设提供高质量的计算机专业人才，也为其他相关课程的建设提供参考。

参考文献：

[1] 王骥，徐国保，盛东亮.新工科背景下电子信息类专业网络课程群建设研究[J].计算机教育，2019（2）：148-151.

[2] 于莉莉，张磊，孟凡波.新工科背景下高校创新人才能力培养研究[J].科技创业月刊，2018，31（1）：87-89.

[3] 夏佳志，奎晓燕.“新工科”背景下面向程序设计能力培养的“计算机图形学”课程建设[J].工业和信息化教育，2020（11）：67-70.

[4] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[5] 林伟华，刘福江，郑贵洲，等.金课导向下GIS专业“计算机图形学”教学实践探究[J].测绘工程，2021，30（5）：70-75.

[6] 唐建国，王锋，张红梅.计算机图形学课程教学改革[J].计算机教育，2017（1）：73-75.

[7] 季洁，黄少年，施游.“互联网+教育”背景下《计算机图形学》课程建设的研究及实践[J].电脑知识与技术，2020，16（36）：160-162.

[8] 教育部. 教育部发布《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》[J].中国大学教学，2018（9）：4-5，19.

【通联编辑：王力】

收稿日期：2022-04-08

基金項目：塔里木大学一流本科课程建设项目：计算机图形学（编号：TDYLKC202231） ；全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究项目：计算机图形学线上线下教育教学深度融合的教学改革实践（编号：2022-AFCEC-499）

作者简介：何钰枫（1991—） ，男，湖南邵阳人，讲师，硕士，主要研究方向为计算机图形学、计算机视觉、数字图像处理；李翠丽（1991—） ，女，山东菏泽人，讲师，硕士，主要研究方向为图形图像处理；司春景（1981—） ，女，河北涿州人，通信作者，副教授，博士，主要研究方向为智能信息处理、计算机图形学。