1. 计算机图形学金课建设的背景及意义
计算机图形学(Computer Graphics, CG)是一门研究计算机生成、处理和显示图形的学科，是计算机相关专业的重要主干课程，同时也是图像处理、模式识别、计算机视觉等后续课程的基础。近年来，随着人工智能和虚拟现实技术的迅速发展，计算机图形学在智能建模、交互设计以及仿真系统等领域发挥着举足轻重的作用。国务院于2017年发布的《新一代人工智能发展规划》[1]明确提出，要重点研发虚拟现实智能建模等关键技术，以实现人工智能与虚拟现实的高效融合。5G时代的到来进一步推动了虚拟现实的发展，其高速传输和大容量数据处理能力，使得三维(3D)大数据的实时交互成为可能。国家层面的全方位支持促使虚拟现实技术的持续创新，而计算机图形学正是该领域的核心基础课程，因此亟需进行适应新时代需求的课程建设[2]-[5]。
国内外顶尖高校始终将计算机图形学纳入高水平人才培养的核心框架。例如，清华大学计算机科学实验班(姚班)将其列为必修的25门核心课程之一；浙江大学不仅在全校范围内向高年级本科生开设该课程，还特别将其作为竺可桢学院高年级本科生的大类必修课。这些教学实践表明，计算机图形学在计算机及相关专业教育体系中占据重要地位，其课程建设对于培养高水平创新人才至关重要。
2. 计算机图形学课程建设的现状与问题分析——以重庆邮电大学为例
在国内高校的教学体系中，计算机图形学课程经过多年发展，已形成较为成熟的教学体系。以重庆邮电大学为例，从2000年起，计算机科学与技术学院开设了《计算机图形学》核心课程，至今已有20余年历史。该课程主要面向信息与计算机相关专业的大三学生，累计授课人数超过1000人，覆盖面广。通过长期的教学实践与改革，该课程在教学资料、教学方法以及理论与实践结合等方面不断优化，在师资队伍、平台建设和人才培养等方面取得了显著成效。
2.1. 课程师资
目前，重庆邮电大学《计算机图形学》课程已形成了一支优秀且结构合理的教学团队。承担该课程的教师均具有丰富的教学经验和扎实的科研背景，团队成员分别毕业于上海交通大学、英国伦敦大学玛丽女王学院等世界排名前200的知名高校，具备广阔的国际视野和坚实的理论基础。教学团队中既有从事教学工作近20年的资深教授，也有拥有约10年教学经验的中年教师，以及新入职的博士后人员，形成了老中青搭配、优势互补的良好局面。教师在教学中将科研成果与实践教学有机结合，通过引入最新的研究动态和前沿技术，不仅传授学生专业知识，还培养其科学精神、规范意识和创新能力。与此同时，该课程一直受到院系高度重视，教学内容和教学方法不断更新完善，确保教学质量的持续提升。
2.2. 人才培养
为适应国内外新技术的发展趋势和产业需求，2019年9月，重庆邮电大学成立了空间大数据智能实验班，探索创新型人才培养模式。实验班在课程体系、教学内容、师资队伍、校企合作及资源平台建设等方面进行了一系列改革和实践。学校计划整合包括《计算机图形学》在内的优势核心课程，以空间大数据为依托、以智能化为引领，通过整合学院优势师资力量和优质生源，培养具备交叉学科背景的新型创新人才。
2.3. 存在的问题与挑战
在长期的教学探索过程中，尽管在师资建设和人才培养等方面取得了一定成效，但在计算机图形学的教学实践中仍存在一些亟待解决的问题和挑战，主要包括：
2.3.1. 教学内容与学生接受度的矛盾
学生普遍反映计算机图形学课程难度较大，主要体现在涉及大量数学知识和复杂算法的讲解。由于理论内容繁多且细节较多，课堂教学因为课时的限制往往难以兼顾所有知识点，导致部分学生难以跟上教学进度。同时，理论教学与实践操作的脱节也使得课程内容显得枯燥，影响了学生的学习兴趣和理解深度。
2.3.2. “教得好，学得不佳”的现状
尽管教师在课堂上能够充分展示其丰富的教学经验和科研成果，但由于课程本身的复杂性和难度，部分学生在学习过程中主动性不足，导致教学效果难以充分体现“教”与“学”的双向互动。如何调动学生的学习积极性，促使教师与学生共同构建高效的教学互动机制，成为亟待解决的问题。
2.3.3. 对学生的考核和评价方式较为单一
目前，该课程的评价方式主要由考试成绩、实践成绩和平时成绩构成。考试成绩主要以学生考试成绩作为依据，实践成绩由程序运行结果或实验报告作为考核学生学习效果的评价依据，平时成绩主要来源于课堂测试和签到。整体评价模式以学生被动接受考核为主，缺乏对学生主动学习能力和创新能力的评价，难以全面反映学生的综合素质和实际能力。
2.3.4. 思政教育融入不足
计算机图形学课程不仅承担着传授专业知识的任务，同时也蕴含着丰富的课程思政内涵。由于课程内容较为专业和技术性，在实际教学过程中，思政教育的有机融入尚未达到理想效果，未能充分发挥课程育人的作用。
3. 计算机图形学金课建设的目标
针对计算机图形学课程教学中存在的问题，如何建立适应新时代的计算机图形学教学展开探索，引导学生打牢计算机图形学基础、增强动手实践能力、着重自主创新能力、关注计算机图形学的前沿知识和技术。主要的课程建设目标是：针对目前计算机图形学课程理论知识难度较大、学生学习难度较高的特点，探索将实践学习进一步融入到计算机图形学的教学当中，通过理论指导实践，实践巩固理论的方法加强学生的学习理解效果；针对目前计算机图形学教学中，“教”与“学”配合不协调的问题，研究对课程教学方法的改革，探索能够提高学生学习主动性和积极性的课堂教学方法；针对目前考核方式较为单一、不全面的问题，研究多元全面的考核体系；针对目前计算机图形学教学中思政教学的融入不够充分的问题，探索充分利用课程思政元素丰富的特点，进行内涵丰富的课程思政建设。
4. 理论基础与研究方法
4.1. 建构主义学习理论
建构主义学习理论强调学习是学生通过与环境的互动主动构建知识的过程。知识并非被动接受，而是通过个体的经验和实践主动建构的。计算机图形学作为一门理论与实践紧密结合的课程，涉及大量数学知识和编程技能。传统的“先理论后实践”教学模式常使学生对理论知识的理解停留在表面，难以应用于实际问题。基于建构主义学习理论，本研究提出课上理论讲解与课下实践作业相结合的教学模式。例如，教师在课堂上讲解图形变换的基本原理后，布置编程实践作业，引导学生通过自主探索和解决问题，将理论知识与实际操作相结合，从而更深入地理解和掌握课程内容。这种以学生为中心的教学模式能够有效激发学生的学习兴趣和主动性，提高教学效果。
4.2. 混合式学习理论
混合式学习理论主张整合线上和线下学习资源，以满足学生多样化的学习需求。随着互联网技术的发展，线上学习平台为学生提供了丰富的学习资源和灵活的学习方式。在计算机图形学课程中，混合式学习模式能够充分发挥线上和线下教学的优势，尤其在线上线下教学结合时代，其重要性愈发凸显。线上平台提供教学视频、编程练习和互动讨论区，学生可根据自己的学习进度和兴趣自主学习。课前，学生通过线上视频预习课程内容；课堂上，教师通过项目式和研讨式教学进行深入讲解；课后，学生在线提交实践作业并参与讨论。这种线上线下相结合的教学模式不仅提高了学生的学习效果和兴趣，还能通过数据分析和学习管理系统实时监测学生的学习进度，为教师提供教学反馈，帮助调整教学策略，进一步提升教学质量。
5. 课程内容建设
5.1. 理论与实践双轮驱动的课程体系构建
传统的“先理论后实践”教学模式存在理论与实践脱节的问题，学生往往难以将理论知识应用于实际问题。针对计算机图形学课程中理论知识难度较大、理解较难的问题，本研究构建了课上理论与课下实践双轮驱动的课程内容体系(如图1)。通过理论指导实践、实践巩固理论的方法，让学生对所学知识的理解更加深入和透彻，同时增强编程能力，让学生不仅具有计算机学科的专业理论知识，同时也具有较强的计算机动手实践能力，为学生将来毕业工作、深造等打下坚实知识基础。
Figure 1. A dual-engine curriculum system driven by theory and practice
图1. 理论与实践双轮驱动的课程体系
在课程设计上，参考了国内外高校及科研机构的教学实践，如中国科技大学刘利刚教授所授的《计算机图形学》课程，在课堂教学之外设置以编程为主的实践小作业。每次作业围绕一个完整任务展开，既与课堂知识紧密对应，又注重实践能力的培养。相比传统实验课，这些作业任务更明确、周期更长、难度更大，要求学生在完成过程中主动思考、查阅资料、解决问题，从而增强学习动力、提升自信心与成就感。
5.2. 课程思政元素的有效融合
课程思政是将思想政治教育有机融入专业课程教学的重要途径，旨在培养学生的科学精神、爱国情怀和社会责任感。计算机图形学课程不仅传授专业知识，还蕴含丰富的思政内涵。通过课程思政，可以实现专业教育与思政教育的有机统一，促进学生的全面发展。
计算机图形学经过几十年的发展，已经成为了一门成熟的学科，其发展历程中涌现了无数领域领军人物和杰出贡献，包括国外顶级名校和著名企业的先进经验，以及我国清华大学、浙江大学等高等学府在该领域的探索成果。我国更是有不少该方面的著名学者，如胡世民、刘利刚、陈为等，通过跟学生介绍该课程的发展历程，不仅让学生对整个图形学的发展有个宏观的了解，还能增加学生对我国在该领域的科学自信。
通过上述两方面的融合，课程不仅在专业知识和实践能力培养上取得了良好效果，而且在育人功能方面也实现了突破，形成了理论教学与实践操作、专业培养与思政育人有机统一的整体教学体系。
6. 课程教学方法建设
6.1. 学生为中心的教学模式
围绕“双轮驱动”的课程体系，教学方法由传统“教师主导”向“学生为中心”转变。教师负责课堂知识讲授，学生则通过任务导向型课下实践作业进行巩固与应用。课程共设置十次课下实践作业，每次任务聚焦一个具体问题，要求学生不仅掌握课堂所学理论，还需运用C++等编程语言解决实际问题。该过程锻炼学生分析问题、查阅资料、动手实现的能力，有效提升其综合解决复杂问题的能力与研究型思维水平。同时，实践作业促进了师生互动，增强学生独立思考能力和学习成就感。
6.2. 开展线上线下、项目式和研讨式混合式教学模式
随着网络资源的丰富与学习方式的多样化，课程教学逐步向线上线下混合、项目驱动和研讨互动的模式转型。同时，我们拟增加的课下实践部分，是以任务为导向的小型项目形式开展，将更加侧重于学生的平时练习和对课下实践部分的评价。为了更直观地呈现小型项目的实施流程，本文设计了一个结构化的流程图(见图2)，以展示从选题到评估的完整路径。图2详细描绘了小型项目实践环节的四个关键阶段：选题规划、设计与实施、过程评估以及成果展示。在选题规划阶段，项目紧密围绕课程核心知识点展开，确保理论与实践的紧密结合。设计与实施阶段要求学生将理论知识转化为实际代码，这一过程不仅考验学生的编程能力，还培养了他们解决问题的创新思维。过程评估阶段通过阶段性检查确保实践的规范性，及时发现并解决学生在实践中遇到的问题。最后，成果展示阶段不仅检验了项目的最终效果，还锻炼了学生的团队协作和表达能力。以“光线追踪算法实现”为例介绍一下整体流程。这一选题旨在帮助学生深入理解光线追踪的基本原理及其在计算机图形学中的应用。在初始设计阶段，明确项目需要实现的功能，包括基本的光线–物体相交检测、反射和折射效果，以及性能指标如渲染速度和图像质量；选择经典的光线追踪算法，如Whitted光线追踪算法，作为基础实现。之后进行数据结构设计，即设计场景数据结构，包括物体(如球体、平面)、光源、材质属性等。同时绘制模块结构图，明确各模块的输入、输出和交互关系。例如，光线投射模块、颜色计算模块、反射和折射路径追踪模块等。实施阶段，学生使用C++或Python等编程语言实现光线追踪算法，包括光线投射、颜色计算、反射和折射路径追踪等。对每个模块进行单元测试，确保其功能正确。例如，测试光线–物体相交检测的准确性，检查反射和折射效果是否符合预期。在此过程中编写项目文档，包括设计文档和测试报告，记录项目的设计思路、实现细节和测试结果。在实施阶段，学生根据平时课下的练习反馈的问题将会在课堂上、讨论组里进行研讨、探索和求解，从而我们的教学模式也将向线上线下结合、项目式和研讨式混合的教学模式发展。最后要求学生以小组形式展示项目成果，包括渲染出的图像、项目功能和成果报告。通过同伴互评和教师观察，评价团队分工的合理性和协作效率。例如，评估团队成员在需求分析、算法实现、代码调试等环节中的贡献，根据贡献度进行评分。
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Figure 2. Workflow of project implementation
图2. 项目实施流程图
6.3. 考核模式改革
配合教学内容与方法的调整，课程考核体系亦进行优化升级。新考核体系突出过程性与综合性，构建“着重理论、联系实践、创新意识、诚实守信、过程考核”的多维评价机制。课下实践内容的增加、线上学习部分的融入必然导致考核模式的改革。新教学模式下的考核要充分评价学生的课下练习和线上的学习。课下实践任务和线上学习任务的评分将占到总分的50% (重点考察学生的编程实现、项目完成度与主动学习情况)；另外50%由理论考试和平时成绩构成(评估学生对理论知识的理解与课堂表现)。通过改革考核模式，将实践与理论并重，真正做到理论指导实践、实践巩固理论的教学目标。
7. 教学改革方案实施成效与有效性验证
为了科学评估本次课程教学改革的实际效果，验证“理论与实践双轮驱动”“课程思政有效融入”“混合式教学模式”等改革举措的有效性，项目组在课程实施过程中采取了多种方法进行成效跟踪与数据收集。具体包括以下几个方面：
7.1. 对照实验设计与量化指标分析
本次改革课程面向多个班级实施，并选取相近基础水平的学生群体设立实验组与对照组，前者采用改革后教学方案，后者延续传统教学模式。在课程结束后，从理论考试成绩、实践作业表现、学生参与度等维度开展对比评估(见表1)，数据表明，改革方案在提高学生综合表现与参与度方面具有积极效果，特别是在实践作业达成度与学习积极性方面提升明显。
Table 1. Evaluation of the effectiveness of the reform plan
表1. 改革方案实施评估表
评估维度 |
实验组 |
对照组 |
平时理论成绩 |
83.6 |
78.1 |
实践作业达成率 |
92.4% |
76.3% |
学生课下互动频次(/人) |
6.3次 |
2.1次 |
对课程满意度(调查得分) |
4.5 (满分5) |
3.8 |
7.2. 学生反馈调查与访谈分析
课程结束后，项目组通过匿名问卷的方式对全体学生进行了满意度与成效调查，共回收有效问卷134份。调查结果显示，93.3%的学生认为“通过小项目实践更好地理解了理论内容”，87.5%的学生表示“课程思政内容增强了对专业学习的责任感和使命感”。从总体来看，学生普遍对本次教学改革表示肯定，认为改革措施有效提升了课堂参与度和知识掌握的深度。
此外，项目组还对部分学生进行了深度访谈，收集了一些具有代表性的反馈意见。2021级软件工程专业的A同学表示：“光线追踪项目让我第一次体会到图形学算法真正跑起来的成就感，比只看公式有意思太多。”而2021级计算机科学专业的B同学则提到：“老师介绍中国学者在图形领域的贡献让我更想深入了解图形学，觉得我们也能做出好东西。”这些反馈从不同角度反映了学生在课程中的认知变化与思想提升，进一步印证了改革举措在增强学生专业兴趣和价值认同方面的积极作用。
8. 总结
本文探索了《计算机图形学》金课课程建设的思路和框架，重点探讨了以学生为中心的教学模式，通过开展线上线下、项目式和研讨式的混合式教学方式、融合课程思政元素以及改革考核模式，构建线上线下教学结合时代下的金课课程建设，用以体现出新时代课程的高阶性、创新性以及挑战度的特点。通过对照实验、问卷调查与深度访谈等方式，对改革效果进行了科学评估，结果显示：改革举措显著提升了学生的理论理解力、实践能力与课堂参与度，增强了其专业认同感与学习主动性，充分体现出“金课”建设的实际成效。
后续课程建设中，将进一步完善教学资源平台、优化项目任务设计、深化产学研协同，以持续推动《计算机图形学》课程的高质量发展，探索可推广、可复制的“金课”建设范式，服务计算机类专业拔尖创新人才培养的总体目标。
基金项目
2019年重庆邮电大学教育教学改革项目“数字可视技术课程群建设探索与改革”(项目编号：XJG19224)；2025年度重庆市社会科学规划“青马工程”项目(项目编号：2025QM11)；重庆市教委科学技术研究计划项目(项目编号：KJQN201900628)。
NOTES
*通讯作者。