計算機圖形學混合教學模式的探索與實踐*

廖彬

華南農業大學數學與信息學院 廣州 510642

0 引言

計算機圖形學課程當前的教學內容主要包括計算機表示、生成、處理和顯示圖形的原理、方法與技術[1]，其原理、技術與方法已經廣泛地應用于計算機輔助設計與制造、虛擬現實、科學計算可視化與仿真等領域中。隨著計算機軟硬件技術、云計算、5G、大數據等技術的高速發展，計算機圖形學的應用面日益擴大。

計算機圖形學課程涉及多學科的交叉與滲透，課程的理論性強，實踐方式豐富多樣，理論與技術正在快速發展中，前沿性強。學生通過該課程，在學習計算機圖形學的理論與技術的同時，還能在計算思維、工程和創新能力方面得到鍛煉?，F階段課程本身所涉及的理論、知識與技術正在快速發展中，由此給教師的講授與學生的學習帶來了挑戰。本課程的主體教學中，主要從理論上講述以數學為基礎的圖形算法，對經典的圖形學原理、技術和方法進行介紹與分析?；诖祟惤虒W重點與方式進行的學習與考核，導致學生難以形成完整的知識體系，不能充分理解原理與技術，難以解決實際的工程問題。

當前，隨著人工智能技術、互聯網技術等網絡信息技術的應用，新技術、手段與平臺的使用改變了傳統教學方式[2]。在應用型人才培養的要求下，傳統線下教學與移動互聯網相結合的混合教學模型逐漸受到重視，教學重心由傳統的知識講授向培養綜合能力與素質轉變。尤其針對當前本科生的學習習慣與特點，基于現階段社會生產與服務模式的智能化、信息化要求以及與此相適應的高校人才培養要求，針對計算機圖形學的理論教學與實踐教學，采用線上教學與線下教學相結合的混合教學模式，進行了智能化、信息化背景下計算機圖形學混合教學模式的探索與實踐。

1 傳統教學模式與當前本科生的學習特點

傳統教學模式下通常以理論知識為考核重點，然而計算機圖形學知識的掌握需要理論與實踐相結合，且當前計算機圖形學的理論與技術正處于快速發展中，新技術與新方法不斷涌現，課程所涉及理論與技術的快速發展使傳統教學模式難以與之匹配。同時，隨著社會的發展，當前的大學生學習習慣、方法、興趣等已經發生了較大變化，這些特性的存在，都對教學模式與方法提出了新的要求。

1.1 計算機圖形學傳統教學模式特點

常規的計算機圖形學教學中，計算機圖形學理論知識為主體與重點。圖形學知識、概念的系統性與整體性通常以公式推導體現，解釋概念和講解原理占據課堂教學較大比重。在實踐教學中主要通過實驗驗證所講述的理論知識點，實踐課通常視為理論課的輔助與補充。

現階段，常規的計算機圖形學內容主要包括[3]：計算機圖形系統，涉及圖形硬件、圖形軟件與圖形流水線等；二維基本圖形光柵化與裁剪，涉及直線段光柵化、圓弧光柵化、區域填充、字符、反走樣技術與裁剪等；圖形幾何變換，包括二維、三維幾何變換與復合變換等；三維觀察，涉及觀察變換與投影變換等；三維造型，涉及三維造型方法、多邊形網格表示、曲線造型與曲面造型等；真實感圖形技術，涉及顏色模型、消隱算法、光照明模型、著色、光線跟蹤算法與紋理映射技術等。該課程需要的前期課程知識主要涉及線性代數、幾何學、微積分、信號處理理論、程序設計、圖像處理基礎、數據結構與算法等。數學原理與編程實踐的結合貫穿計算機圖形學的理論學習與實踐學習全程。

當前，隨著計算機圖形技術在社會生活、教育、娛樂、消費領域的大量使用，計算機圖形學在科學研究與應用上得到快速發展。計算機圖形學作為高年級專業課，要求將學生前期相關的數學知識與程序設計知識相結合，是數學理論與程序設計實踐的綜合理解與應用，對學生的知識理解與運用能力提出更高的要求。計算機圖形學課程的教學應采用有別于數學課程、程序設計類課程的教學方法。同時，學生的學習模式與方法也需要發生相應的改變。若無視計算機圖形學課程的特點，學生的學習興趣有可能隨著教學過程的進行、知識難度的增加而快速下降。

1.2 當前本科生的學習特點

隨著我國互聯網信息技術、個人電子設備的日益普及和蓬勃發展，形式多樣、種類豐富的媒體技術進入日常生活、消費和教育[4]等領域，深刻地影響現實社會生活中的各個方面，大學生的學習習慣與學習方式發生了較大改變。

互聯網、新媒體等信息數字技術在教育領域的應用比重日益增大，諸如智能手機、平板、手提電腦等便攜的電子設備也為教育資源的在線傳播提供了可能。大學生借助互聯網，利用諸如慕課、網絡公開課等課程平臺以及諸如B站等網站的相關課程資源，可快速地了解計算機圖形學的簡單概念和初步知識。但由于此類平臺的特點以及網絡教學對象定位的差異，學生在此類平臺上所獲得的知識通常是淺顯而碎片化的，相應知識點的廣度與深度難以達到計算機圖形學的教學要求。

2020年初至2022年底，在新冠疫情反復的形勢下，該課程理論教學與實踐教學部分采用了在線教學的形式。與之相適應的，在教學設計、教學組織、章節安排上都進行了重新規劃與編排。通過充分發揮信息化、網絡化教學的優勢，在線教學已經積累與總結了豐富的教學經驗。在線下教學中可利用與優化已有的線上教學資源、教學手段和方法。

與線上教學相適應的，本科學生的學習習慣[5]與方式也有了相應改變。在上課的筆記記錄、知識點整理上，越來越多的學生開始借助電子設備記錄筆記與歸納總結知識點。學生通過使用電子筆記，結合在線存儲與分享，可及時有效、隨時隨地地進行知識回顧與復習。

同時，隨著時代的發展與社會觀念的變化，當前大學生具有更強的自主意識與自主學習意愿?，F階段的大學生，通常在選課前，對感興趣的課程，會通過多種方式了解該課程的主體內容、應用面以及當前的發展狀況等。大學生獲取知識的來源多樣，了解課程相關信息的途徑通常包括網絡上的開放課程簡介、網絡上的科普文章、知識博主解答、高年級學生經驗分享等。學生對通過網絡獲取、習得的知識的倚重正在逐漸增大，但難以保證此類途徑下所學知識的學習質量。

2 混合教學模式的探索與實踐

近年來，在線教學與學習所需的軟硬件包括網絡應用、個人電腦、智能移動設備等已經普及并日趨成熟。與此相適應的，為了擴展教學空間與廣度，諸如在線精品課程、MOOC課程等在線教學平臺的線上教學方式也進入了日常教學中。

2.1 混合教學模式實踐

在教學實踐中，筆者首先分析與總結了合適的線上教學方法、教學資源、授課平臺與教學優勢，其后對總結與分析的線上教學特點與優點，合理地吸收并進一步優化與運用于計算機圖形學教學，形成了如圖1所示的混合教學模式的教學流程。

圖1 混合教學模式教學流程

在教學實踐中，根據教學內容與學生特點，課前首先確定學生需要掌握的知識點和相關能力，通過依托學校已有的教學平臺布置課前建議學生觀看的視頻與相關的預習問題。根據學習內容，發布相應的課件、學習文檔與引導問題等，學生可自主進行學習。通過此類的課前線上導學，以引導的方式激發學生的學習積極性，有助于培養學生的學習能力與保持學生的學習興趣。

在面授課中，教師先通過講授的方式講解本次課的知識點，接著引出對應的案例進行分析與討論。通過對相關案例的分析，對所學知識進行運用與深化。其后學生討論與交流在預習、自主學習中遇到的問題，并在不同階段應用課堂小測以及時了解學生對相應知識的掌握情況。學生通過這些不同形式的線下教學手段與方法，能充分理解、分析與運用所學知識，從而得到創新思維的培養。

課后通過練習與擴展作業了解學生在經過課前預習、線下面授與課后思考后，對知識的掌握情況。通過利用校內教學平臺，布置課后作業以及限時完成的線上測評，可讓學生及時了解自己的學習效果，同時借助于平臺的測試結果與數據分析，教師能及時了解學生對各階段知識的掌握情況。除線上反饋外，還通過計算機圖形學實驗課的方式，提供線下實踐學習與指導，并通過計算機圖形學實驗課的實驗講解與針對每次實驗的講評，提供線下反饋。在完成大部分教學內容后，學生通過完成指定內容的讀書筆記，進行知識的鞏固與歸納總結。并通過綜合歸納課本知識、觀看研討會視頻、閱讀研究論文、研究報告、研究成果等形式的參考文獻與資料進行探索與拓展，形成課程報告，實現創新思維的提升。

2.2 混合教學模式下的課程考核方式

混合教學模式的教學流程與傳統教學流程有較大不同，因此，混合教學模式下的課程考核方式也與傳統考核方式大相徑庭。當前計算機圖形學課程由理論課與實踐課組成，其中理論課為32學時，每周2學時；實踐課為16學時，每周2學時。在混合教學模式中，課程的考核貫穿整個教學階段?？己艘罁ǎ汗灿?次的課堂測試，共計3次的課后限時小測，共計3次的線上課后作業，各為平均每4周一次；8個針對不同章節的實驗；讀書筆記；課程報告。

計算機圖形學常規教材中各章節知識較為獨立，同一章節中的理論知識較為統一與完整，較適于以階段性的方式進行考查，階段性考查的手段主要采用課堂測試、課后線上小測、線上課后作業的形式。通過實踐課的每次實驗，可以在學生對每一章節進行理論知識的理解、實踐與分析討論的同時進行對應章節的階段性考查，相應布置的計算機圖形學實驗除對理論課知識進行驗證外，還要綜合運用與深化所學知識。為了能讓學生在學習本課程后，能整體性、綜合性地理解計算機圖形學，通過使用讀書筆記的考查形式，讓學生能綜合全面地了解、掌握以及思考計算機圖形學知識。伴隨著計算機軟硬件技術、數學理論、網絡技術的發展，計算機圖形學也在快速發展中，學生通過積極地閱讀研究報告、研究論文、研究成果等參考資料，觀看研討會、討論會等視頻資料，結合課程知識、讀書筆記等前期學習結果，自主選擇計算機圖形學的相關問題進行分析與討論，形成課程報告。在完成課程報告的過程中，實現知識的鞏固、擴充、運用與綜合歸納，從而實現創新思維的培養與提高。

3 結束語

本文針對計算機圖形學的課程特點與當前學生特點，利用現代化的教學平臺與教學手段，結合課程的線上資源與線上、線下教學手段，形成了計算機圖形學混合教學模式，通過使用該模式進行教學實踐，充分調動了學生的自主學習積極性與學習興趣。通過計算機圖形學課程的教學，培養學生的計算思維與創新思維，達到培養創新人才的教學目的。