1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3基金项目:浙江省“十四五”教学改革项目“寓研于行、厚积薄发 构建创新型计算机图形学实践教学”(j g 2 0 2 2 0 2 1 1);浙江省“十三五”第二批教学改革研究项目“新工科建设下的计算机图形学课堂教学改革研究”(j g 2 0 1 9 0 1 5 7)作者简介:潘万彬,杭州电子科技大学副教授;王毅刚,杭州电子科技大学教授、博士生导师。建设一流计算机图形学原理课程的探索与实践潘万彬 王毅刚【摘 要】数字技术不断的发展和普及,对学生在计算机图形学工程领域的实践能力和创新能力都提出了更高的要求。为了使得计算机图形学原理课程适应上述需求,针对教学模式(
2、包括教学内容)、实践教学和考核机制三方面普遍存在的关键问题,本文设计和提出了“以前沿为线索引导基础和前沿融会贯通、分层分类与多种教学模式结合开展教学、引入随堂实践充实激活课堂、基于P r o b l e m-B a s e dL e a r n i n g(P B L)强化实践和创新能力、全过程闭环考核保障课程顺利实施”五位一体的改革策略和措施。连续两期的教学实践表明,改革后的课程能有效地提升学生在处理计算机图形学工程问题上的实践能力和创新能力。【关键词】数字技术 计算机图形学原理 一流课程 一、引言随着数字技术的不断发展和普及,以及其与实体经济的不断融合,新兴数字产业(如元宇宙、大数据可视化
3、、数字孪生、3 D打印、3 DC A D等)得到了蓬勃的发展。我国更是将打造数字经济新优势(如加强关键数字技术创新应用、加快推动数字产业化、推进产业数字化转型)列入“十四五”规划和2 0 3 5年远景目标纲要。1在此形式下,为了有利地促进数字技术深入的发展,继而持续推动新兴数字产业的快速发展,主动适应、壮大和引领经济发展,迫切需要高校培养具有实践能力、创新能力的新型工科人才。2,3作为计算机科学中最活跃分支之一的计算机图形学,在新兴数字产业相关的数字技术中扮演着重要的角色。如图1所示,它或作为数据处理的对象/载体(如影视特效、V R),或对抽象数据进行视觉展示(如数据可视化),或直接参与产品的
4、设计(如3 DC A D)与制造(如3 D打印)等。与新兴数字产业不断的融合,使得计算机图形学已逐步成为推动我国新兴数字产业乃至数字经济持续发展不可缺少的一项关键技术。4,5为此,培养新型工科人才在计算机图形学方面的实践能力和创新能力,成为众多高校在新形势下开展新工科建设的重点之一。课程是人才培养的核心要素,课程质量直接决定人才培养质量。6为此,结合新形式和新需图1 无处不在的计算机图形学求,众多研究面向新工科开展了一流计算机图形学课 程 的 改 革 和 建 设(从 教 学 模 式 到 实 践 教学)。7-1 2这其中,诸多高校作为本科阶段学生学习计算机图形学的主要课程 计算机图形学原理 受到
5、的关注最多。然而,要使得参与该类课程的学生能够获得(计算机图形学工程领域的)实践能力和创新能力,目前该类课程仍然存在以下三方面的关键问题亟待解决。1.如何有效地激活课程教学计算机图形学原理主流的教学内容,以图形学基础知识为主(如光栅化、填充)。这与学生普遍可接触到的商业化图形软件(如三维建模、虚拟现实)所表现出的视觉效果差别较大。尽管后者是前者的延伸和发展,但关联前沿知识的后者更36具吸引力。上述情况往往引起学生对计算机图形学原理课程的重要性认识不足,学习积极性(特别是课外学习积极性)较弱。另一方面,若课程知识侧重前沿技术(尤其是商业化的前沿应用),尽管学生课堂上听得津津有味,但又容易使学生舍
6、本逐末,难以深入开发图形系统,且所掌握的图形学知识可迁移性较弱。若将基础和大量前沿知识强行结合,则课程教学内容往往又过于丰富,难以在有限的课时内做到基础与前沿面面俱到。此外,无论是传统的讲授教学,还是微课、翻转课堂等,计算机图形学原理类课程的教学通常偏理论,例如大量的数学公式推导(如模型视点变换)和物理算法介绍(如光照计算)。这往往使得很多学生感到图形学内容抽象、枯燥乏味,特别容易使得编程基础或数学基础薄弱的学生丧失课程学习的信心与动力。综上所述,如何激活教学(包括如何设置课程教学内容),让学生积极主动地参与课程教学,颇具挑战性。2.如何有效地实现实践夯实理论培养学生对解决计算机图形学工程问题
7、的实践能力和创新能力,实践教学环节必不可少。然而,目前开展实践夯实理论依然存在很多不足。首先,课程内容丰富,缺少一系列关联实验贯穿各个理论知识点 全面开展实验,将使学生的实践工作量巨大;选择性实验,又易使得学生获取的图形学知识及形成的实践能力缺少系统性。其次,为了使得基础能力(尤其是编程能力)参差不齐的学生,都能积极、认真地参与实践,及时、充分且有效的指导和交流必不可少。这使得学生个体在课外往往难以有效地开展实践,而有限的课堂学时和丰富的教学内容,也使得教师难以在课堂上大规模地开展实践教学。为此,如何保证理论知识系统以及课堂和课后实践教学有效地开展,使得学生形成系统的图形学实践能力和创新能力,
8、还没有很好的方法可以借鉴。3.如何设置考核方式以提升学习效果现有的课程所采用的考核方式,往往注重结果考核,如期末卷面考试或程序验收,而忽视了学生学习过程的考核。这使得很多学生难以做到持续地、累积地投入到课程的学习当中。同时,现有的考核方式,较注重学生对理论知识的掌握情况,而忽略学生对知识的应用和分析等情况。这严重影响课程对学生的实践能力和创新能力的培养。此外,上述三方面的问题,使得学生往往难以自然地成为课程学习的主体,难以激发学生学习图形学的兴趣和潜能。从而,学生往往难以在课程学习过程中形成新形势下所需的实践能力和创新能力。同时,学生对课程投入不足,也使得课程思政难以有效地开展。二、课程改革与
9、实践创新措施为了使得学生在计算机图形学方面所培养的能力和素质,符合新兴数字产业发展的需要,针对上述关键问题,本文对计算机图形学原理课程的培养目标进行了分层设计。见图2,要求全体学生达标基本能力,并努力追求高阶能力。同时,课程强调提升学生的思政素养。面向新需求的课程目标基本能力 目标1:描述、运用图形学基本知识和编程方法,实现一般复杂度的图形系统开发,如交互、光照计算等主流图形管线相应的开发,提升实验能力高阶能力 目标2:分析和发展一般难度的图形学工程问题或科研问题,并进行设计或改革解决方法,提升创新能力思政素养 目标3:树立正确的三观,提升爱国之心、使命感与责任心图2 面向发展需求设置的课程目
10、标围绕课程目标,并贯彻落实一流课程“以学生为中心、以产出为导向、可持续改进”的理念1 3,本文对计算机图形学原理课程进行了五位一体的全面改革(见图3)。具体包括贯通基础前沿设置教学内容、分层分类兼顾系统性和弹性、引入随堂实践充实激活课堂、基于P B L1 4,1 5开展综合实践以及闭环考核落实课程。图3“五位一体”的改革措施1.以前沿为线索引导基础和前沿融合前沿知识离不开基础知识的支撑。前沿知识往往更能激发学生对图形学课程的兴趣。因此,见图4,课程以虚拟现实相关技术(作为前沿知识)为教学线索,穿插贯通与其紧密关联的图形学原理知识(如几何模型表示、颜色光照计算、纹理贴图、视图模型变换等)。根据知
11、识之间的关系紧密程度,建立基础知识之间、基础知识与前沿知识46 高等工程教育研究 2 0 2 3年第2期图4 教学内容设置架构图5 分层分类和多模式结合的教学示意图之间以及前沿知识之间的支撑关系,据此安排课程内容。教学内容中的基础知识和前沿知识的设置,除了S I G G R A P H每年递增的图形学前沿的研究成果之外,主要以国内外优秀的计算机图形学教材 计算机图形学基础教程1 6和D i g i t a lM e d i a:AP r o b l e m-s o l v i n g A p p r o a c h f o r C o m p u t e rG r a p h i c s1 7
12、为参考对象。授课中有意识地加强英语专业知识的运用(采用双语教学),提升学生阅读国外专业资料的能力,拓展知识来源。2.分层分类与多种模式结合激活教学将前沿与基础穿插设置,提升了课程教学内容的趣味性和实用性,但也使得课程的教学内容更加丰富、教学时间更为紧张。为了能在有限的课程学时(往往是3 2学时或6 4学时)中完成设置的教学内容,且做到基础与前沿相融合,需要提升教学的效率和效果。为此,如图5所示,本文对课程的所有教学内容,根据期望达到的目标(依据改进的布鲁姆认知分类模型1 8,1 9)进行了分层分类设计,并采用多种教学模式混合的方式开展教学。(1)基础教学内容采用在线自学。此处的基础教学内容,除
13、了较为早期和工程开发不常涉及的内容(如光栅化、填充)之外,还包括其他仅要求学生能记忆、能自我描述和辨识(理解)的概念以及实践编程平台。本文将此类教学内容,用教学视频、文本资料和源代码程序实例等形式,作为学习资 料 供 学 生 课 外 学 习(例 如 采 用S P O C课程2 0)。(2)中等难度教学内容采用翻转课堂。此类教学模式主要针对课程中一些知识点(如基本光照模型、消隐等)相关的原理、数学模型和基本实现算法,要求学生做到理解、应用(初步编程实现)和分析(对比、概括)。完全在线自学往往效果不佳。为此,在学生课外自行摸索的基础上,教师在课堂中还要进行答疑(包括广播式答疑、小组式答疑和个性化答
14、疑),组织学生分组探究讨论与个性化指导相结合,使学生完成课外自学中难以独立完成的任务(包括测试题和程序)。(3)复杂教学内容采用线上线下混合课堂。对于深度关联物理和数学内容的知识(如复杂光照模型、纹理映射、自由曲线曲面),需要学生不仅能应用、分析,还要能够进行编程实验和测试,甚至探索课程中未涉及的问题并尝试解决。这对于学生的基础能力要求较高,需要更加精心地设计和部署。为此,除了类似上述翻转课堂模式下的教学活动之外,首先结合雨课堂进行随堂测验,对课程中的难点和重点实施启发式、挖坑式和分析式讲授。之后,依托随堂实践(见下文第3小节)夯实理论 对知识的掌握达到应用、分析、评估甚至创新的层面。分层分类
15、与多种教学模式结合开展教学,一方面可以保障计算机图形学原理教学内容(基础和前沿)的系统性(完整性),更大自由度地让学生根据自身的基础能力和节奏,参与各项线上和线下的教学活动;另一方面,它将课堂教学聚焦于解决重点、难点和个性化问题,为开展“以学生为中56建设一流计算机图形学原理课程的探索与实践心”的教学活动(如课堂讨论、伙伴教学、随堂实践等)增加了更多的时间 为让尽可能多的学生在课堂上实现对计算机图形学原理知识的深层次内化(包括实践能力的提升)提供了更多的机会。特别地,为了让学生能有效地参与分层分类与多种教学模式结合的教学活动,本文课前会在线发布自学任务单。在任务单中,将下一次课的内容和重点,课
16、前需要完成的事情,操作的方法和顺序,下一次课堂将开展的活动,以及与课前学习的衔接关系等,都对学生交代清楚,便于他们具体实施和准备。3.引入随堂实践充实激活课堂根据分层分类与多种模式结合开展课程教学,课堂上有大量可灵活安排的时间。在此基础上,为了能在课堂上充分调动学生的学习积极性,本文主要以随堂实践为核心开展教学活动 围绕实践需要解决的问题,激发学生主动开展讨论并完成实践。此外,分层分类容易使学生的图形学原理知识变得碎片化。为了能够通过实践,将主要知识点进行贯通(并做到理论与实践及时且紧密 地 结 合),使 之 系 统 化,本 文 依 照 主 流 的O p e n G L图形管线2 1,设置了增量式的随堂实践。如图6所示,每次课堂教学均设置了对应的理论和实践环节 各次内容之间既相对独立又前后衔接;在整体实验框架中添加一个实践内容即可得到一个能图形化理论知识的、可独立运行的程序。通过上述方式,学生不仅可以感受到每个知识点所关联的实践所带来的乐趣,也能够渐进地、累积地、系统地掌握计算机图形学原理的关键理论知识和开发图形应用所需的关键技术。特别地,为了提高本方法的效率和效果,在具体实施时需要做