林偉華　劉福江　龔君芳　鄭貴洲

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)　信息工程學(xué)院，湖北　武漢　430074)

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GIS專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)層次化教學(xué)實(shí)踐

林偉華劉福江龔君芳鄭貴洲

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要文章結(jié)合我國(guó)目前對(duì)GIS專業(yè)多層次人才培養(yǎng)的需求，針對(duì)當(dāng)前GIS專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中存在的與GIS專業(yè)特點(diǎn)相脫離、與GIS專業(yè)其他課程不協(xié)調(diào)和還停留在“平面線式”的教學(xué)方式上等問題，探索了適合GIS專業(yè)多層次人才培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)實(shí)踐體系，該體系包括課程內(nèi)容安排、課堂教學(xué)模式、課程實(shí)踐模式以及課程考核方式等，為GIS專業(yè)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中如何落實(shí)面向多層次人才培養(yǎng)的要求提供了參考。

關(guān)鍵詞GIS專業(yè)；多層次人才；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；教學(xué)實(shí)踐

一、引言

隨著GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))相關(guān)學(xué)科技術(shù)的快速發(fā)展及GIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，我國(guó)各行業(yè)和部門對(duì)GIS專業(yè)人才的需求也日益迫切，并形成了具有時(shí)代特色的應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型等GIS人才需求類型。為滿足市場(chǎng)對(duì)各類GIS人才的迫切需求，自1998年教育部將GIS專業(yè)列入《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中以來，我國(guó)已有超過170所高校開設(shè)GIS專業(yè)[1]，并且各高校在本科階段已將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為GIS專業(yè)的必修基礎(chǔ)課廣泛開設(shè)。但在GIS專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)過程中，主要存在以下幾個(gè)問題：

第一，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與GIS專業(yè)特點(diǎn)相脫離。目前由于各高校依托的學(xué)科背景、師資團(tuán)隊(duì)和培養(yǎng)目標(biāo)不同，各高校GIS專業(yè)一般沒有開設(shè)GIS基礎(chǔ)算法、計(jì)算幾何等相關(guān)課程，并且主要采用面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐方式進(jìn)行教學(xué)，較少與GIS中相關(guān)算法與應(yīng)用相結(jié)合。學(xué)生在學(xué)習(xí)較多的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論時(shí)，對(duì)該技術(shù)理論在GIS中有何作用和如何運(yùn)用往往產(chǎn)生諸多困惑，甚至有不少學(xué)生因此失去對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。

第二，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與GIS其他課程不協(xié)調(diào)。各高校GIS專業(yè)除了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之外一般還開設(shè)了計(jì)算機(jī)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS原理與方法、GIS軟件工程等相關(guān)課程，并且這些課程均有相關(guān)實(shí)踐教學(xué)，但各課程實(shí)踐往往比較獨(dú)立，內(nèi)容之間缺乏有機(jī)聯(lián)系，課程實(shí)踐成果不能有機(jī)利用，甚至部分實(shí)踐內(nèi)容重復(fù)，極大地影響了GIS專業(yè)教學(xué)效果。

第三，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)方式還是停留在“平面線式”上。各高校GIS專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求均按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求教學(xué)，缺乏一定的靈活性，難以滿足我國(guó)對(duì)多層次GIS人才培養(yǎng)的需要。一方面，一些學(xué)生比較適合面向應(yīng)用型培養(yǎng)，因該課程對(duì)編程能力要求過高而談“編程”色變，逐漸喪失對(duì)GIS專業(yè)學(xué)習(xí)的動(dòng)力；另一方面，該課程因講授的課程內(nèi)容比較單一，實(shí)踐內(nèi)容主要是驗(yàn)證性的，一些比較適合面向技術(shù)型和研究型培養(yǎng)的學(xué)生往往又感覺“吃不飽”，不利于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

近幾年，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者結(jié)合自己學(xué)校的實(shí)際情況，針對(duì)GIS專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形的教學(xué)以及GIS專業(yè)人才培養(yǎng)提出了不少有價(jià)值的改革措施[2-5]，但均未針對(duì)GIS專業(yè)在面向多層次人才培養(yǎng)要求下，如何進(jìn)行諸如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)具體一門課程的教學(xué)實(shí)踐改革進(jìn)行闡述。本文主要結(jié)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)GIS專業(yè)教學(xué)實(shí)際，在GIS專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系[6]和階梯式GIS軟件工程實(shí)踐教學(xué)體系[7]等教學(xué)成果基礎(chǔ)上，提出一些相關(guān)改革措施，為GIS專業(yè)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中如何落實(shí)面向多層次人才培養(yǎng)的要求提供參考。

二、課堂教學(xué)改革

(一)課程內(nèi)容安排

考慮到GIS專業(yè)的特點(diǎn)，一方面，要把傳統(tǒng)面向計(jì)算機(jī)類專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程內(nèi)容進(jìn)行刪減，如主要選取在GIS中會(huì)涉及的圖形處理算法和某種圖形繪制的少量常用的經(jīng)典算法作為課堂教學(xué)內(nèi)容；另一方面，加入一些計(jì)算幾何和GIS常用算法，并補(bǔ)充相應(yīng)算法在GIS中應(yīng)用實(shí)例，具體課程內(nèi)容安排如表1所示。

在課程內(nèi)容的安排中，我們主要是加入了點(diǎn)、線、弧段、圓、多邊形之間關(guān)系判斷，多邊形交、多邊形差、線緩沖區(qū)計(jì)算、多邊形面積計(jì)算、三角網(wǎng)生成等涉及計(jì)算幾何等常用GIS算法的教學(xué)內(nèi)容，并補(bǔ)充GIS中有關(guān)空間實(shí)體和參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)方法等教學(xué)內(nèi)容。另外，在安排計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)在GIS應(yīng)用中的課程內(nèi)容時(shí)，主要從學(xué)生常見的GIS平臺(tái)軟件(如MapGIS和ArcGIS)可視化功能界面中體現(xiàn)的功能和GIS平臺(tái)軟件提供的二次開發(fā)接口進(jìn)行舉例闡述。

表1　主要課程內(nèi)容

(二)課堂教學(xué)構(gòu)建

在課堂教學(xué)時(shí)，根據(jù)面向多層次人次培養(yǎng)的要求，適合應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型方向的教學(xué)內(nèi)容各有側(cè)重，其課程教學(xué)模式如圖1所示。應(yīng)用型人才方向主要是要掌握諸如3DMax和OpenGL等圖形工具的應(yīng)用、圖形繪制與處理的基本算法以及這些算法在GIS平臺(tái)功能中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生具有很強(qiáng)的GIS動(dòng)手應(yīng)用能力。技術(shù)型人才方向主要是以培養(yǎng)具有很強(qiáng)GIS相關(guān)軟件開發(fā)能力為目的，需要在理解基本算法理論的基礎(chǔ)上，掌握GIS平臺(tái)圖形編輯與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。研究型人才主要是通過對(duì)GIS相關(guān)圖形處理算法理論的基礎(chǔ)上，了解相關(guān)研究領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

圖1　課程教學(xué)模式

根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形的課程教學(xué)模式，該課程在課堂教學(xué)時(shí)按照“目標(biāo)是什么”“如何實(shí)現(xiàn)的”“實(shí)現(xiàn)效果如何”“存在哪些不足”的思路將該課程的課堂教學(xué)分為個(gè)5個(gè)環(huán)節(jié)：應(yīng)用案例演示、基本算法理論講授、算法實(shí)現(xiàn)與演示、相關(guān)技術(shù)前沿進(jìn)展講授、分組討論等，如圖2所示。

圖2　課堂教學(xué)環(huán)節(jié)與方法

應(yīng)用案例演示環(huán)節(jié)主要是演示將要講授的算法在GIS平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)的效果，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣和本次課程所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)?；舅惴ɡ碚撝饕侵v授算法思想。算法實(shí)現(xiàn)與演示環(huán)節(jié)包括實(shí)現(xiàn)采用OpenGL圖形包、基于MFC的底層的算法實(shí)現(xiàn)與演示和GIS基礎(chǔ)平臺(tái)提供的函數(shù)接口的演示，應(yīng)用型方向?qū)W生主要關(guān)注采用OpenGL圖形包算法實(shí)現(xiàn)演示和GIS基礎(chǔ)平臺(tái)提供的函數(shù)接口演示，技術(shù)型方向?qū)W生主要關(guān)注基于MFC的底層的算法實(shí)現(xiàn)與演示。另外，在算法實(shí)現(xiàn)與效果演示的教學(xué)時(shí)，充分發(fā)揮多媒體教學(xué)優(yōu)勢(shì)，將算法思路、執(zhí)行代碼、執(zhí)行結(jié)果同時(shí)直觀地展現(xiàn)出來，降低各層次學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的難度。在技術(shù)前沿進(jìn)展的教學(xué)時(shí)，通過查閱文獻(xiàn)介紹目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該算法的研究現(xiàn)狀和該算法在GIS應(yīng)用的現(xiàn)狀。分組討論主要根據(jù)在實(shí)踐教學(xué)中分成的各小組，針對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)踐實(shí)習(xí)中存在的問題進(jìn)行內(nèi)部討論、交流和成果匯報(bào)。

三、實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)是鞏固和應(yīng)用理論知識(shí)、增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手應(yīng)用、軟件開發(fā)和創(chuàng)新思維的根本途徑。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)踐教學(xué)針對(duì)不同的人才培養(yǎng)要求，其實(shí)踐目標(biāo)、檢驗(yàn)成果和采用的實(shí)習(xí)工具均不盡相同，如表2所示。面向應(yīng)用型方向的實(shí)踐教學(xué)主要是通過OpenGL圖形庫(kù)在驗(yàn)證基本算法的基礎(chǔ)上，通過3DMax等圖形建模工具實(shí)現(xiàn)三維校園系統(tǒng)建模和可視化，掌握當(dāng)前常用圖形編輯和建模工具的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用分析能力和動(dòng)手應(yīng)用能力。面向技術(shù)型方向的實(shí)踐教學(xué)主要是通過在理解基本圖形處理與顯示算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)GIS二維圖形編輯和三維可視化系統(tǒng)，并用VC++編程工具開發(fā)完成該系統(tǒng)的綜合性實(shí)驗(yàn)，全面培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與開發(fā)能力。面向研究型方向的實(shí)踐教學(xué)主要是通過OpenGL圖形庫(kù)在驗(yàn)證基本算法的基礎(chǔ)上，選擇有關(guān)圖形處理與顯示任意技術(shù)方向(如圖形填充、圖形裁剪等)進(jìn)行研究，完成針對(duì)某一方向的算法的改進(jìn)、相關(guān)算法GIS應(yīng)用或相關(guān)綜述性的研究報(bào)告。

表2　實(shí)踐教學(xué)模式

在完成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在實(shí)踐教學(xué)時(shí)，采用以下方式方法進(jìn)行開展：

第一，自愿分組完成實(shí)踐任務(wù)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。根據(jù)學(xué)生興趣和自己適合培養(yǎng)的方向，選擇合適的實(shí)踐目標(biāo)及成果要求；在上課之初就開始鼓勵(lì)學(xué)生重視團(tuán)隊(duì)合作，采用自愿原則分成3人左右的若干實(shí)踐教學(xué)小組；各小組成員有非常明確的任務(wù)分工，并留存小組任務(wù)分工明細(xì)表作為個(gè)人考核的依據(jù)，避免以往實(shí)踐教學(xué)中有些學(xué)生“吃大鍋飯”的現(xiàn)象；在該課程教學(xué)期間各小組預(yù)約成果報(bào)告時(shí)間。

第二，充分利用教學(xué)實(shí)踐課時(shí)，提高實(shí)踐教學(xué)效率。在以往實(shí)踐教學(xué)時(shí)，學(xué)生往往把這寶貴的實(shí)踐課時(shí)浪費(fèi)在查資料、如何編寫和輸入代碼上，很少有小組之間、小組與老師之間的非程序調(diào)試錯(cuò)誤、技術(shù)方案等方面的交流。我們?cè)陂_始該課程時(shí)就布置實(shí)踐任務(wù)，采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”方法讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)和實(shí)踐，并鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生利用非教學(xué)時(shí)間把相關(guān)基礎(chǔ)性的工作做好，在上機(jī)實(shí)踐時(shí)間里主要是討論技術(shù)方案和解決編碼調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些難以克服的技術(shù)難題。

第三，重視實(shí)踐成果開放性和復(fù)用性，培養(yǎng)和提升軟件系統(tǒng)思維。(1)本課程內(nèi)部的實(shí)踐成果盡量要開放和復(fù)用，這主要是指后面實(shí)習(xí)的內(nèi)容能直接利用前面實(shí)習(xí)的內(nèi)容，如繪制完成簡(jiǎn)單圖形繪制算法的基礎(chǔ)上，后面的圖形填充、圖形裁剪以及圖形的變換等實(shí)習(xí)時(shí)可充分利用前面簡(jiǎn)單圖形繪制的算法接口。(2)課程之間的實(shí)踐成果要開放和復(fù)用，我們?cè)贕IS專業(yè)的課程設(shè)置中還有其他各類不同層次的實(shí)踐[6-7]，如在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之前開設(shè)有計(jì)算機(jī)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫(kù)原理等課程，在其之后開設(shè)有空間數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS軟件工程等課程，利用教師在完成大型GIS平臺(tái)和應(yīng)用開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生一方面要充分利用前期數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程實(shí)踐的開發(fā)成果，另一方面本次綜合實(shí)驗(yàn)成果完全可作為空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程實(shí)踐的顯示子系統(tǒng)，做好各實(shí)習(xí)課程的銜接，避免各課程實(shí)習(xí)內(nèi)容的重復(fù)。

四、課程考核方式

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最終的課程考核主要是突出考查不同培養(yǎng)方向上的實(shí)踐目標(biāo)為主，主要由“期末筆試+平時(shí)小組匯報(bào)+小組成果檢查”三部分構(gòu)成(如表3所示)，占比分別為30%、15%和55%，改變以往期末筆試成績(jī)占70%以上的慣例。通過近幾年的課程教學(xué)改革，我們發(fā)現(xiàn)課程實(shí)踐完成比較好的學(xué)生，往往期末筆試成績(jī)也很不錯(cuò)。期末筆試的試卷采用開卷形式，題目以考核圖形處理的基本算法理論為主。平時(shí)小組匯報(bào)主要是根據(jù)預(yù)約的匯報(bào)時(shí)間，對(duì)自己成果進(jìn)行匯報(bào)答辯。小組成果檢查根據(jù)各小組要求安排在本學(xué)期結(jié)束前，采用“多做和精做加分”原則進(jìn)行鼓勵(lì)，通過近幾年的實(shí)踐教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)踐教學(xué)時(shí)出現(xiàn)各小組成員都爭(zhēng)先恐后地要求多做實(shí)習(xí)內(nèi)容的現(xiàn)象，實(shí)踐效果很好。

表3　課程考核方式

五、結(jié)束語

面向多層次GIS專業(yè)人才的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要GIS專業(yè)每門課程、每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的認(rèn)真研究和實(shí)踐，形成一個(gè)良好的理念、機(jī)制和方法。本文結(jié)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)GIS專業(yè)實(shí)際，在該專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué)中針對(duì)應(yīng)用型、技術(shù)型和研究型等多層次人才培養(yǎng)的需求進(jìn)行了改革實(shí)踐，在教學(xué)內(nèi)容上充分注意與GIS中相關(guān)算法和應(yīng)用相結(jié)合，在課堂教學(xué)上通過應(yīng)用案例演示、基本算法理論、算法實(shí)現(xiàn)與效果演示、技術(shù)前沿進(jìn)展、分組討論等環(huán)節(jié)以滿足不同層次人才培養(yǎng)的需要，在實(shí)踐教學(xué)上采用分層次實(shí)踐內(nèi)容、成果檢驗(yàn)方式方法，打破了以往在該課程教學(xué)上“一刀切”的方式，讓適用各層次類型發(fā)展的學(xué)生都能找到自己的發(fā)展方向。通過三年的教學(xué)改革實(shí)踐，該課程的教學(xué)效果很明顯，學(xué)生能力得到了很大的提高，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程和GIS專業(yè)的熱情。我們也不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)積極努力地探索一條符合我校GIS專業(yè)進(jìn)行面向多層次人才培養(yǎng)的相關(guān)課程和教學(xué)環(huán)節(jié)改革實(shí)踐的道路。

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(責(zé)任編輯李世萍)

收稿日期2015-09-30資助項(xiàng)目2015年中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目“依托國(guó)家GIS工程中心地理科學(xué)專業(yè)立體式創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)與體系構(gòu)建”.

作者簡(jiǎn)介林偉華(1978-)男，湖北浠水人，副教授，博士，主要從事空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理計(jì)算所與空間分析、智慧城市與GIS應(yīng)用工程研究.

中圖分類號(hào)G642.44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Practice of Computer Graphics Multi-level Teaching in GIS

LINWei-hua，LIUFu-jiang，GONGJun-fang，ZHENGGui-zhou

(School of Information Engineering，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan，430074，China)

Abstract：At present，there are many problems arosed in the GIS of computer graphics teaching，such as the separation from the characteristics of GIS，imcompatibility with other courses，remaining the teaching method of "plain and line" and so on.In order to solve these problems，a teaching practice system of computer graphics is explored to satisfy the requirements of multi-level talents cultivation for GIS in China，which includes the curriculum arrangement，class-teaching mode，practice-teaching mode and curriculum evaluation，etc.Therefore，a reference is provided for cultivating multi-level talents in the GIS teaching of computer graphics.

Keywords：GIS；multi-level talents；computer graphics；teaching practice