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大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 292 地学专业中计算机图形学课程的教学模式探索 * 张进 邢磊 （中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100） 摘 要：针对地学专业中计算机图形学内容偏难、课时偏少、上机实验偏离所学专业等问题，探索了我 校地球信息与科学技术专业的计算机图形学课程四位一体的教学模式，具体过程包括课程体系的整体优化、 翻转课堂模式实施、分层式实践教学模式设计及综合评价体系的建立。经过一个学期的建设，学生对于计算机 图形学课程的学习兴趣大大提高，取得了良好的建设效果。 关键词：计算机图形学 翻转课堂 分层式实践教学 综合评价体系 一、引言 计算机图形学是利用计算机表示、生成、处理和显示图形的科学，是我校地球探测与信息 技术专业的专业必修课程。 “计算机图形学”课程具有很强的理论性和实践性，在教学中不但 要注重学生专业理论知识的教育，更重视学生的工程实践能力的培养。以往的教学实践表明， 修学 “计算机图形学” 课程的学生， 他们在学习过程中表现出的兴趣往往呈现先高后低的特征： 一开始兴趣非常浓厚，也愿意和教师交流。但随着课程的推进，学习的主动性明显退化，以至 于最后成为被动接受的机器。究其原因，主要有以下三点。a. 计算机图形学涉及的课程内容偏 多，既包括图形系统（包括硬件和软件） 、用户接口技术、二维三维图形绘制显示、图形的观 察与变换、图形的裁剪、还包括真实感、非真实感建模与绘制等，涉及的概念有上百个，每项 内容又涉及很多细节技术，难度较大。b. 课程的学时数偏少，课程的理论学时通常不到 40。 在偏少的学时内，计算机图形学的知识体系容易被拆分成零散的知识点，使得学生无法从全局 把握该课程的知识体系，容易丧失学习目标。c. 上机实验与所学专业脱节。目前计算机图形学 作为很多专业的必修课，上机实验内容更注重的是通而不是专，上机实验内容也是千篇一律的 直线绘制、多边形填充、简单图形的变换等，与各专业结合并不紧密，学生学过该课程后，不 知道该课程有什么用，与专业如何结合。 针对以上问题，笔者结合本校地球信息科学与技术专业计算机图形学的教学现状，积极改 革教学方法和手段，形成了以课程体系整体优化、翻转课堂授课实施、实践教学分层设计和综 *中国海洋大学本科教学发展基金（2018JXJJ02） ，本科质量工程项目（2018JX046）资助。 地学专业中计算机图形学课程的教学模式探索 293 合考核方式建立“四位一体”的教学模式。四个环节环环相扣，不可分割。课程体系优化是基 础，翻转课堂是手段，分层次实践教学模式是导向，综合性评价体系是保障， “四位一体”的 计算机图形学教学模式，可以大大激发和提升学生的自主学习能力、实践能力、创新能力、团 队协作能力，为非计算机专业的学生掌握计算机图形学知识，并能在将来工作中熟练运用计算 机图形学专业等方面发挥重要作用， 对于其他非计算机专业的计算机图形学教学也具有一定的 借鉴作用和推广价值。 二、具体实施过程 1. 课程体系整体优化 按照地球信息科学与技术专业的专业需求，对计算机图形学的课程体系进行了优化设计。 理论教学内容上，删减不必要的章节内容和理论推导，更注重学生对于相关知识点的应用。在 现有的计算机图形学教程中，并没有针对于地球信息科学与技术专业的专用教程，因此有些内 容需要着重讲解，有些内容需要忽略。例如，线图形生成原理，多边形扫描转换填充，图形的 二维几何变换，图形的裁剪等知识点需要着重讲解，为以后地球信息科学与技术中的专业课学 习奠定基石。再如，真实感图形绘制、图形动画原理等内容与地球信息科学与技术专业相关性 较小，对该部分内容只做简单介绍，并不详细展开。实践教学内容中，为了提高对计算机图形 学原理的理解，达到学以致用的目的，实践体系中还设计了与本专业相关的上机实验，例如， 地震雷克子波的生成原理，雷克子波波形填充，地震记录的二维几何变换等。所设计的上机实 验既涵盖了计算机图形学的基本知识，又与本专业密切相关。通过上机实验，不仅提高了同学 们对计算机图形学基本原理的理解，也为日后用于专业图形软件的开发打下了坚实的基础。 2. 翻转课堂模式实施 计算机图形学具有内容广、概念多、难度大的特点，在课时较少的条件下把计算机图形学 的原理和算法传授给学生是比较困难的。传统的教学方法以教师课堂讲授为主，一次性将知识 灌输给学生，学生经常会感到困难和乏味。翻转课堂是一种新型的授课形式，这种授课方法以 信息化载体为支撑， 充分利用课堂时间， 使学生由知识的被动接受者转变为知识的主动获取者， 进而培养学生个性化学习、自主学习和合作学习的能力。因此，在本专业计算机图形学的授课 过程中，我们尝试了翻转课堂的教学模式。一方面，精心制作多媒体课件。很多算法输出是可 视化的，因此可以充分利用多媒体课件制作工具，制作这些算法的仿真演示，使晦涩难懂的算 法原理变成栩栩如生的画面。这容易让学生从感性认识中找到学习的乐趣，也有利于降低学生 学习理论知识的难度。另一方面，结合学校提供的 BlackBoard 教学平台，精心设计翻转课堂 课前、课中、课后的教学环节。课前，教师将计算机图形学的教学视频、讲义 PPT、习题以及 与知识点相关的辅助电子资料上传到教务空间上。 学生观看教学视频和讲义 PPT 进行自主学习， 并做一定的测试。在这一过程中，学生会将自己不理解的问题记录下来，通过翻阅教师提供的 相关资料逐一解答；学生也会标记自己无法解答的问题，带着疑问走进课堂，更有针对性地听 课。翻转课堂使得传统意义的课堂搬到了课下，在课前环节，学生利用自己零散的时间自主学 习，完成了知识传递过程。而在课堂上，教师不再采用传统的讲授，而采用讨论式、启发式、 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 294 案例式、项目式等教学方法。对于难度一般的概念性知识点，通过提问的方式让学生讲解；在 讲解之后，教师和学生共同讨论，让学生畅所欲言，发表各自的独到见解，使大家共享知识获 取的乐趣。对于难度较高的知识点，采用启发式讲解方式，将关联的基础知识介绍给学生，构 建一幅解决问题的知识结构图，让学生讲解图中的每一个知识点，与学生共同探讨，寻找问题 的答案。对于综合性强的问题，还可以将学生分成多个组，针对某个项目进行小组讨论，比如 如何实现等高线的绘制，小组会围绕数据的网格化、等值线成图等核心问题进行协作讨论。对 于已经完成的作品， 大家可以在课堂上互相交流和评价。 通过以上过程， 实现知识的内化扩展。 课后，学生通过上网做每章节的测试试题，巩固所学的知识。教师通过批阅试卷，发现学生在 学习过程中遇到的问题，在下一次授课时，将会有针对性地复习讲解。学生也可以通过教学平 台中的 BBS 功能，发布自己的疑难问题，教师和学生一起讨论解决，达到知识固化的目的。 计算机图形学的翻转课堂教学结构如图 1 所示。 图 1 计算机图形学的翻转课堂教学结构 在翻转课堂的授课模式中，教师不再是传统意义上的主导者，而是作为判断者与纠错者， 侧面把握学生知识体系的发展，学生也不再是知识的被动接受者，而变为知识的主动获取者。 通过翻转课堂的教学，大大提高了学生的学习兴趣和自主学习的能力。 3. 分层式实践教学模式设计 计算机图形学是一门非常注重动手能力的课程，要求学生具备分析问题、提出解决方案、 验证方案的正确性。 这种能力的培养， 不但需要在理论授课中获得， 更需要在实践锻炼中形成。 通常的计算机图形学上机实验和专业无关，基本上是千篇一律的画直线、简单多边形的填充和 裁剪、基本的二维变换等，缺乏将计算机图形学在本专业中应用的“结合点” ，学生往往比较 迷惑学计算机图形学对于本专业有何用处，学完该课程也不知道如何应用，间接导致了学习计 算机图形学这门课兴趣的降低，影响了教学效果。为了提高学生学习兴趣并且达到能在本专业 中熟练应用的目的，结合地学专业实际，规划了一个完整的、分层次的实验体系，它包括基础 验证实验、综合强化实验和创新培育实验。其中基础验证实验着重于训练学生的基本技能，综 合强化实验强调培养学生的综合应用能力、解决实际问题的能力，而创新培育实验则着重于学 生创新能力和团队协作能力的培养。以我校地球信息科学技术专业为例，基础验证实验要求学 生掌握简单图形的生成原理、 图元的填充、 图形的二维变换， 我们要求学生实现雷克子波绘制、 雷克子波波峰和波谷不用颜色的填充、雷克子波的缩放、旋转等，达到了通常计算机图形学中 地学专业中计算机图形学课程的教学模式探索 295 上机实验的要求；综合强化实验，要求学生能够实现合成地震记录和多道地震剖面的绘制，该 实验综合了基础验证性实验的所有内容，并进一步实现了与专业知识的结合；对于学有余力的 同学，我们设计了创新培育实验，学生可以通过学习鼠标和键盘消息机制、双缓冲技术、GUI 技术、地震数据文件的构成等，开发出地震数据波形绘制的软件。可以看出，所设计的实验不 仅能够达到通常计算机图形学的教学要求， 而且都与地球信息科学与技术专业进行了深度结合。 以上实验层次递进，由易到难，最终完成一个项目。基础验证实验和综合强化实验要求学生必 做且独立完成，考察学生对于计算机图形学基本原理的掌握。创新培育实验难度较大，是选做 实验， 学生按照兴趣和能力进行选做， 并且可以以小组为单位完成， 强调了团队合作的重要性， 学生们集思广益的同时，又都有自己的发挥空间。 4. 综合评价体系建立 以往计算机图形学的考核往往是以试卷成绩和上机实验报告成绩作为考核指标， 考核指标 不全面，且仍然存在学生考试前临时抱佛脚，上机实验互相抄袭的现象。针对这些问题，建立 起一套综合评价体系，注重对学生的全面考核，不但要考核学生掌握基本知识和基本技能的程 度，还要考核学生的学习态度、实践能力、综合运用能力、团队协作及创新能力等。综合评价 体系包括日常考核、实验考核、期中和期末考核。日常考核主要考查学生的平时学习态度和效 果，主要分出勤情况、课堂表现、作业完成情况三个部分。这种考核方式有利于引导学生培养 正确的学习态度、学习习惯和掌握基础理论知识的能力。实验考核目前包括对基础验证、综合 强化实验、 创新培育实验的考核。 基础验证实验和综合强化实验的考核以完成实验课内容为主， 学生将作业上传至学校教务平台中， 教师评价与学生自评和互评加权作为某项实验的最终分数； 创新培育实验由教师随机抽选或者实验小组推选一名学生进行答辩，答辩成绩作为小组成绩。 最终实验成绩由个人、整个团队成员和教师多方面决定，得分内容由实验设计、实验过程、实 验成果、实验报告组成。这种考核方式不仅有利于引导学生加强个人动手能力的培养，也有利 于引导学生的团队协作和综合运用能力的培养。 期中和期末考核主要考查学生对计算机图形学 的综合理解程度，期中考核采用随堂考试的方式，期末考核着重整个学期的所有授课内容。最 终成绩由日常考核、实验考核、期中和期末考核四部分加权组成。 三、结语 计算机图形学作为一门利用计算机来生成、处理和显示图形的一门学科，在很多专业中都 有应用，因此被诸多专业列为必修或者选修课程。然而正是作为一门通用课，导致教学过程中 出现与专业结合不紧密，学生学习兴趣下降的问题。另一方面，计算机图形学本身就存在学习 内容多、学习难度大的特点，尤其对于非计算机专业的学生而言，在有限的课时里掌握计算机 图形学的诸多学习内容更加困难。为了解决以上问题，笔者以我校地球信息科学与技术专业学 生学习计算机图形学为例，探索了地学专业中计算机图形学的教学模式，提出了以课程体系整 体优化、翻转课堂模式实施、分层式实践教学模式设计及综合评价体系建立为核心的“四位一 体”的教学模式。课程体系优化删减了与专业关系不大的教学内容，使得学生在有限的课时中 掌握与专业知识最相关的教学内容；翻转课堂的授课模式改变了教师和学生的角色，与学校的 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 296 教务平台结合，拓展了课堂，提高了学生学习兴趣和自主学习能力；分层式实践教学模式以学 生为本，设计了分层次的上机实验内容，既有注重考察学生基本计算机图形学技能的基础验证 实验和综合强化实验，也有培养学生创新能力和团队协作能力的创新培养实验，每个实验都紧 密结合专业知识，达到了学以致用的目的；综合评价体系的建立注重对学生的全面考核，包括 学生的学习态度、实践能力、综合运用能力、团队协作及创新能力等，对学生提出了更高的要 求， 最终成绩由日常考核、 实验考核、 期中和期末考核的成绩加权得出， 评价更为合理和公平。 以上四个环节相互联系，不可分割。课程体系优化是基础，翻转课堂是手段，分层次实践教学 模式是导向，综合性评价体系是保障，形成了“四位一体”与专业结合紧密的计算机图形学教 学模式，有望为非计算机专业的学生掌握计算机图形学基本原理，提高自主学习能力、实践能 力、创新能力、团队协作能力等方面发挥重要作用，具有一定的推广价值。 参考文献 1 傅骞，王辞晓. 当创客遇上 STEAM 教育. 现代教育技