新工科背景下以學(xué)促學(xué)的計算機圖形學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新

摘"要：針對計算機圖形學(xué)課程教學(xué)中存在的痛點問題，貫徹“以學(xué)生為中心、以能力為導(dǎo)向、以價值為引領(lǐng)”的教學(xué)理念，按照“基礎(chǔ)—提升—拔高”構(gòu)建三層次進階式教學(xué)內(nèi)容，依托超星學(xué)習(xí)通實施“三五十”混合式教學(xué)，結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢設(shè)計多學(xué)科融合賦能式課后實踐，創(chuàng)新以學(xué)促學(xué)應(yīng)用式成果反哺，并建立多維評價反饋體系。連續(xù)四屆的教學(xué)實踐數(shù)據(jù)表明，課程的創(chuàng)新和實踐提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，增強了學(xué)習(xí)效果與綜合實踐能力。關(guān)鍵詞：新工科；計算機圖形學(xué)；數(shù)字媒體技術(shù)；混合式教學(xué)；微課1"課程背景1.1"課程定位計算機圖形學(xué)是四川工商學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課程，共3學(xué)分，48學(xué)時，全部為理論課，是一門理論性和數(shù)學(xué)邏輯性較強的課程，旨在培養(yǎng)具有家國情懷，具備解決圖形生成和處理問題的綜合能力，且具有一定創(chuàng)新思維的新工科人才。課程主要研究如何利用計算機表示、生成、處理、顯示對物理世界的感知和交互，其技術(shù)被廣泛應(yīng)用于游戲、虛擬現(xiàn)實（VR）、數(shù)據(jù)可視化、工業(yè)制造等領(lǐng)域[1]。1.2"課程教學(xué)目標結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位、課程及學(xué)生特點，分別從知識、能力、素質(zhì)、育人和終身學(xué)習(xí)五個維度提出本課程的教學(xué)目標。通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能記憶理解計算機圖形生成處理的基本算法原理和方法，具備運用變換原理分析圖形變換過程的能力，提升從事圖形生成處理相關(guān)崗位和解決復(fù)雜問題的綜合能力，形成實踐性、工程性、邏輯性、批判性、創(chuàng)新性高階思維，并樹立終身學(xué)習(xí)理念，為進一步學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與可視化等相關(guān)內(nèi)容打下堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。2"學(xué)情分析2.1"學(xué)生特點結(jié)合數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生實情，從學(xué)生對先修課程知識的學(xué)習(xí)、學(xué)生特性和興趣方面，分析學(xué)生的特點。在課程知識層面，學(xué)生雖然是首次接觸圖形生成、處理和顯示的圖形學(xué)理論內(nèi)容，但是已經(jīng)完成先行課的學(xué)習(xí)，如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析等，還學(xué)習(xí)了基本的圖形圖像生成和處理軟件，所以對圖形圖像的基本概念、處理方法、齊次坐標的應(yīng)用、圖形變換的基礎(chǔ)知識有一定的了解。在學(xué)生特性方面，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)文理兼收，學(xué)生具有創(chuàng)意多、愛分享、懂技術(shù)的優(yōu)點，但在數(shù)學(xué)邏輯思維、理解能力、自主學(xué)習(xí)能力、時間規(guī)劃、算法分析以及問題的分析解決能力方面差異明顯。在興趣方面，大多數(shù)學(xué)生愛設(shè)計、輕理論，并且不擅長程序設(shè)計。通過問卷調(diào)查、主題討論等反饋形式，收集到學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程過程中遇到的問題主要有三個：1）課程數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)度高，學(xué)生理解能力較低；2）課程知識點較多，學(xué)生學(xué)習(xí)時間較少；3）課程理論性較強，學(xué)生興趣感較弱。2.2"教學(xué)痛點結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀和教學(xué)實踐情況，對收集的教學(xué)數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，得到該課程目前的三個教學(xué)痛點。痛點1：知識體系陳舊，與行業(yè)發(fā)展連接性較低課程中涉及較多的經(jīng)典圖形生成、處理和顯示的算法原理，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)作為新興專業(yè)，如果只側(cè)重經(jīng)典算法的講解，忽略學(xué)生算法思維及其改進創(chuàng)新的培養(yǎng)，必然會造成與新技術(shù)的脫節(jié)，與數(shù)媒體未來發(fā)展的行業(yè)需求不一致。痛點2：深度互動不足，學(xué)科融合能力培養(yǎng)欠缺課程內(nèi)容豐富，理論難度大，實踐性也很強，學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容不易理解，課堂參與度不夠，容易出現(xiàn)學(xué)生厭學(xué)、教學(xué)低效等現(xiàn)象。如果只側(cè)重課程知識講解而忽略應(yīng)用，或缺少和學(xué)生感興趣課程的融合，很難實現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)的同向進行。痛點3：思政融入不足，知識能力素質(zhì)評價單一課程內(nèi)容中缺少思政元素的融入，沒有體現(xiàn)思政教育貫穿教學(xué)全過程。過度關(guān)注對學(xué)生知識掌握的評價，缺少能力素質(zhì)目標的達成度分析，評價方式單一。3"新工科背景下的課程教學(xué)創(chuàng)新舉措在新工科背景下，基于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上信息化教學(xué)模式二者的優(yōu)勢相結(jié)合，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面進行線上線下混合式教學(xué)研究和改革，對提高辦學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)水平具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義[2]。3.1"構(gòu)建三層次進階式教學(xué)內(nèi)容為了凝練符合信息時代要求的教學(xué)資源，對課程教學(xué)內(nèi)容進行系統(tǒng)化梳理，細究各知識點的特點以及與思政元素的融合，構(gòu)建“基礎(chǔ)—提升—拔高”三層次進階式教學(xué)和思政教育內(nèi)容[3]，對其進行線上線下分布，如圖1所示。層次化的教學(xué)內(nèi)容安排有益于學(xué)生弱化在單一課堂填鴨式教學(xué)中的被動性，提升教學(xué)體驗，也有益于教師擺脫有限學(xué)時對于知識傳授的限制，充分發(fā)揮碎片化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。第一層次為基礎(chǔ)，主要幫助學(xué)生加深對計算機圖形學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論、算法原理等知識的理解記憶，包括經(jīng)典問題，例如：直線、圓弧、多邊形等基本圖形的生成、填充以及裁剪算法，圖形的空間變換，曲線曲面的造型技術(shù)，等等。同時注重學(xué)生價值觀的引領(lǐng)，將家國情懷、社會責(zé)任、科學(xué)精神和道德品格融入課堂教學(xué)。該層次以線下探究教學(xué)為主、線上自主學(xué)習(xí)為輔。第二層次為提升，重點培養(yǎng)學(xué)生對計算機圖形學(xué)相關(guān)問題的分析解決能力，包括對經(jīng)典算法的改進、利用基礎(chǔ)理論解決圖形學(xué)的相關(guān)問題、結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢展示對圖形學(xué)相關(guān)內(nèi)容的理解、新算法的自主學(xué)習(xí)等，同時注重關(guān)注學(xué)生個人發(fā)展與事業(yè)準備，將職業(yè)精神、團隊合作、終身學(xué)習(xí)融入教學(xué)過程。該層次以線下自主練習(xí)為主、線上答疑解惑為輔。第三層次為拔高，讓學(xué)生了解計算機圖形學(xué)與當前主流新技術(shù)相交叉的前沿知識，如虛擬現(xiàn)實、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、模式識別等，同時為學(xué)生提供圖形編程的案例，給出基礎(chǔ)實驗（如三角形的繪制、立方體的旋轉(zhuǎn)等）和擴展實驗（如粒子系統(tǒng)、延遲渲染等），同時注重學(xué)生高階思維的培養(yǎng)，將實踐性、創(chuàng)新性、工程性、邏輯性思維融入學(xué)習(xí)全過程。該層次以線上拓展資源為主、線下經(jīng)典案例為輔。在分層次規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容的同時，從圖形渲染管線的視角重構(gòu)課程理論體系，將整個課程內(nèi)容劃分為五篇，即基礎(chǔ)篇、應(yīng)用程序篇、幾何處理篇、光柵化篇、高級篇，將傳統(tǒng)理論和圖形新發(fā)展結(jié)合起來，既包括經(jīng)典的圖形生成、造型技術(shù)，也包括真實感圖形學(xué)的光照模型等。這些內(nèi)容不僅體現(xiàn)了經(jīng)典算法，還包括一些新的算法，如實時光線追蹤、法線貼圖、實時動態(tài)陰影等，以此構(gòu)建系統(tǒng)完整的理論體系。3.2"實施“三五十”混合式教學(xué)課程創(chuàng)新將信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，建立一個線上線下相結(jié)合的立體化教學(xué)模式，有助于拓展課程教學(xué)的深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性。整個教學(xué)中，貫徹“以學(xué)生為中心、以能力為導(dǎo)向、以價值為引領(lǐng)”的教學(xué)理念，通過問題為引領(lǐng)、任務(wù)為驅(qū)動、多元評價相結(jié)合的課程實施方式，做到“學(xué)有目標、思有方法、習(xí)有資源、疑能解答、拓有引領(lǐng)”。構(gòu)建“三五十”混合式教學(xué)模式，具體如圖2所示，把整個教學(xué)過程分為“三段”（課前、課中和課后三段式課堂教學(xué)閉環(huán)）、“五環(huán)”（五個課堂教學(xué)實施環(huán)節(jié)）、“十步”（十個教學(xué)步驟）。其中，課前導(dǎo)學(xué)注重學(xué)生的學(xué)情分析，課中研學(xué)實現(xiàn)有效的課堂互動，課后思學(xué)完成個性化輔導(dǎo)[4]。同時，課前注重學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)習(xí)慣、自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，課中通過講清理論背后的故事、引入情境案例、注重學(xué)科關(guān)聯(lián)實現(xiàn)價值觀的引領(lǐng)和高階思維的培養(yǎng)等，課后注重學(xué)生團隊合作能力的培養(yǎng)等。3.3"設(shè)計多學(xué)科融合賦能式課后實踐在課后實踐拓展部分，注重本課程和其他課程（如數(shù)據(jù)可視化、二維動畫設(shè)計等）的融合，從作業(yè)結(jié)構(gòu)、形式、選擇和評價四個方面設(shè)計多學(xué)科融合的課后作業(yè)體系。在作業(yè)結(jié)構(gòu)方面，增加小組作業(yè)，減少個人作業(yè)。在作業(yè)形式方面，除了傳統(tǒng)的主觀、客觀題型，新增資料的收集整理、思維導(dǎo)圖、知識可視化、微課設(shè)計和動畫制作等不同形式的作業(yè)。在作業(yè)選擇方面，把被動接受變?yōu)橹鲃舆x擇，個人作業(yè)內(nèi)容由教師指定，按照“班級盲選—小組盲選—組內(nèi)討論”的流程分別確定各個小組最終的作業(yè)主題。在作業(yè)評價方面，由教師評價、組間互評、組內(nèi)互評、自評四部分組成。新課后作業(yè)體系的構(gòu)建既能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和自我創(chuàng)造意識，又有利于培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作的素養(yǎng)，還能幫助學(xué)生達成數(shù)媒學(xué)科融合的綜合能力培養(yǎng)目標。3.4"創(chuàng)新以學(xué)促學(xué)應(yīng)用式成果反哺在教學(xué)中，一方面借助學(xué)生專業(yè)優(yōu)勢，讓學(xué)生用所學(xué)知識呈現(xiàn)對新知識的理解；另一方面借助學(xué)生創(chuàng)新的學(xué)習(xí)成果反哺教學(xué)，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)難點問題，實現(xiàn)以學(xué)促學(xué)。比如：采用可視化的方式展示計算機圖形學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，幫助學(xué)生學(xué)會資料的收集、整理和呈現(xiàn)，形成自己的知識圖譜；利用動畫制作技術(shù)完成本課程相關(guān)微課視頻的制作，其中在小組作業(yè)中，對于較難的算法，通過微課盲選讓學(xué)生以自己擅長的方式講解或者制作出來，選擇較好的學(xué)生成果放進學(xué)習(xí)通的線上學(xué)習(xí)資源，有助于下一屆學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和拓展。教學(xué)成果反哺教學(xué)既可以加深學(xué)生對知識點的理解，提高對知識可視化的能力，又可以豐富線上的微課資源，有效地幫助其他學(xué)生更好地進行自主學(xué)習(xí)。4"課程評價課程評價是檢驗教學(xué)目標達成度的重要手段，課程創(chuàng)建多維學(xué)習(xí)效果評價反饋體系，包括診斷性評價、形成性評價和總結(jié)性評價，對學(xué)生課前、課中和課后各個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況進行監(jiān)測，具體如圖3所示。4.1"診斷性評價診斷性評價側(cè)重了解學(xué)生每次上課前的學(xué)習(xí)準備情況，占平時成績的10%、綜合成績的4%，重點關(guān)注學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)的情況，包括課程任務(wù)點（30%）、章節(jié)測驗（40%）、分組任務(wù)（20%）、主題討論（10%）。線上自主學(xué)習(xí)的成績直接由學(xué)習(xí)通學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)生成。4.2"形成性評價形成性評價側(cè)重及時了解學(xué)生各個階段的學(xué)習(xí)結(jié)果和進展情況、存在的問題等，占平時成績的90%、綜合成績的36%，分別從課堂練習(xí)（30%）、階段性測驗（30%）、課后作業(yè)（40%）三個方面了解各階段學(xué)習(xí)目標的達成情況。課堂練習(xí)主要考核學(xué)生在課堂中回答問題、參與課堂互動、整理課堂筆記、獨立完成課堂練習(xí)的能力，成績由課堂管理、課堂互動、課堂探究、練習(xí)質(zhì)量、課堂筆記五部分組成。階段性測驗從教學(xué)內(nèi)容的三個階段考核學(xué)生對圖形學(xué)相關(guān)知識的記憶理解和應(yīng)用情況，在超星學(xué)習(xí)通中按照單選、多選、填空、判斷等評分標準給分。課后作業(yè)主要考核學(xué)生對圖形學(xué)相關(guān)知識的理解應(yīng)用與拓展情況，包括思維導(dǎo)圖、知識可視化、資料的收集與整理、微課的制作、動畫的制作。通過在學(xué)習(xí)通上發(fā)布分組任務(wù)，完成動畫或微課的評價，其中教師評價占50%，組間互評占30%，組內(nèi)互評占10%，自評占10%。4.3"總結(jié)性評價總結(jié)性評價側(cè)重了解整個教學(xué)活動的效果，主要通過期末閉卷考試考核學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用情況，占綜合成績的60%，卷面滿分100分。閱卷完成后對考試結(jié)果進行分析，了解學(xué)生薄弱的知識點，為后續(xù)課程的開設(shè)提供參考意見。5"課程創(chuàng)新成效5.1"學(xué)生培養(yǎng)成效以2019～2022級數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)評價反饋為例，最新問卷調(diào)查結(jié)果顯示，課程創(chuàng)新與實施成效顯著：學(xué)生學(xué)習(xí)參與度大幅提升，學(xué)習(xí)效果明顯改善，創(chuàng)新思維和綜合實踐能力均得到顯著增強。5.1.1"學(xué)生學(xué)習(xí)參與度大幅提升1）幫助學(xué)生改變了學(xué)習(xí)習(xí)慣。2022級學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力提升5.09%，學(xué)習(xí)靈活性提升14.57%，很好地解決了知識點較多而學(xué)生學(xué)習(xí)時間較少的學(xué)習(xí)問題。2）改變教學(xué)模式無形中提高了學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，解決了因為理論性較強，學(xué)生興趣感較弱的問題，在教學(xué)模式的選擇上提升4.11%，在線上討論環(huán)節(jié)提升10.94%。3）多學(xué)科融合的課后作業(yè)實踐得到學(xué)生的高度認可。學(xué)生利用所學(xué)知識呈現(xiàn)對本課程的理解，實現(xiàn)以學(xué)促學(xué)，成果應(yīng)用的選擇提升11.68%。同時提升了學(xué)生的學(xué)科融合能力和綜合實踐能力，其中團隊協(xié)作能力提升14.06%，增強知識的理解提升11.81%，對問題的分析解決提升10.91%，等等，解決了數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)度較高而學(xué)生接受度較低的問題。4）成果反哺教學(xué)的效果明顯。利用學(xué)生成果促進學(xué)生學(xué)習(xí)，以學(xué)促學(xué)貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)整個過程。98.73%的學(xué)生認為以往學(xué)生的學(xué)習(xí)能夠有效地反哺教學(xué)，超過70.00%的學(xué)生把成果用在課前自主學(xué)習(xí)、課中精準反饋和課后復(fù)習(xí)鞏固，學(xué)生對以往成果的滿意度達到92.99%。5.1.2"學(xué)習(xí)效果明顯改善1）目標達成度較高。通過本課程的學(xué)習(xí)，知識能力、素質(zhì)、育人目標的平均達成度分別為70.20%、73.80%、87.00%，可以看出，教學(xué)評價綜合地考慮了學(xué)生知識、能力、素質(zhì)和育人多方面的情況，達成度較高，解決了思政融入不足，知識能力素質(zhì)評價單一的痛點問題。2）線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)提升。對比2019～2022級數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生的課程線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（圖4），可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)通中課程積分的最低分、最高分和線上學(xué)習(xí)平均分都有較明顯的增長。其中，2022級課程積分最低分平均分較前三屆分別增長56.17分、59.00分、11.42分，最高分平均分較前三屆分別增長171.00分、119.00分、11.25分，線上學(xué)習(xí)平均分的平均分較前三屆分別增長66.00分、56.33分、7.00分，學(xué)生教學(xué)參與度等得到極大的提升，解決了課堂深度互動不足、學(xué)科融合能力培養(yǎng)欠缺的痛點問題。3）學(xué)生學(xué)習(xí)成績提升。對比2019～2022級學(xué)生的平時成績、期末成績、卷面及格率、綜合成績和綜合及格率，2022級期末成績平均分較2019～2021級分別提升1.75分、0.85分、0.75分，卷面及格率分別提升2.26%、4.39%、5.04%，說明創(chuàng)新的教學(xué)模式加強了學(xué)生的過程性管理，課程的總結(jié)性評價效果逐漸增強。4）教學(xué)評價較高。在教學(xué)評價中，96%的學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容組織和過程實施滿意，解決了知識體系陳舊，與行業(yè)發(fā)展連接性較低的痛點問題。5.1.3"學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合實踐能力顯著增強課程的組織和學(xué)習(xí)幫助學(xué)生提高了各方面的能力，包括團隊協(xié)作能力、多學(xué)科知識的融合能力、對問題的分析解決能力、自主學(xué)習(xí)能力等，無形之中助推了學(xué)生數(shù)字媒體技術(shù)綜