基于IPR-CDIO理念的課程改革與教材建設

　　摘要：針對計算機圖形學課程的教學困難，本文從IPR-CDIO教育理念出發，詳細分析課程教學體系設計、教學過程實施、配套教材建設等方式方法。實踐證明，該教學方式取得了良好的教學成效。
　　關鍵詞：IPR-CDIO；計算機圖形學；做中學；教材建設
　　
　　CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate，即構思、設計、實現、運行)是國外高等工科教育的一種創新模式。它以產品從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間存在有機聯系的方式學習工程[1]。CDIO因其具有與社會需要一致性、國際先進性、實踐可操作性、全面系統性和普遍適應性等特點而被國際上多所院校所采納，其先進的教育理念已被中國高等工程教育界所接受，有近40所高校正在中國化試點，浙江萬里學院是其中之一。我們學習CDIO教育理念，結合多年的改革實踐，創新地提出了IPR-CDIO(Interest、Perseverance、Responsibility，即興趣、毅力、責任)教育思路，即將學生的探索熱情與興趣、持之以恒的精神和社會責任感的培養，融入到不同級別項目研發過程[2]。通過項目構思和設計，培養學生的創新意識和創新思維，通過項目的實現和測試運行，培養學生的專業技能，同時借助項目團隊式組織形式、角色化任務分工，激發學生的參與興趣，鍛煉其團隊合作和溝通交流能力，培養其責任感。IPR-CDIO教育宗旨與國家教育方針一致，與“十二五”高等教育重點工作、卓越人才培養目的是完全吻合。
　　課程是人才培養的基本單元，IPR-CDIO教育理念必須通過各門課程來實施，因此課程設計非常關鍵。根據課程地位和性質整合知識點，我們設計出能培養學生知識學習、技能訓練、素質成長于一體的小項目，設計為完成項目、訓練IPR素質而采用的教學方法，并使課程知識內容、項目實施、教學方法、教材選擇有機融合，形成一體化的課程教學體系。下面以計算機圖形學為例，說明如何基于IPR-CDIO理念進行課程設計、教學實施及教材建設。
　　1基于IPR-CDIO理念的課程設計
　　IPR-CDIO強調以興趣為先，社會責任與工程能力訓練為本。計算機圖形學作為高年級學生的專業應用性課程，因其算法較為繁雜、學科交叉性強、編程技術需求高而成為計算機專業學生的難點課程，加上后續的畢業實習、畢業設計、就業等因素影響，教與學都難以實施。但是課程本身的實用性和趣味性比較強，如果設計與引導好，既可激發學生的學習熱情，又對后續的實習、設計或就業產生積極推進作用。
　　課程前端基礎是具有“程序設計基本能力”，目標是“圖形算法原理理解、編程實現及綜合應用能力培養”，體系以實現目標為主線，借助知識框架構建知識體系，通過項目實施過程完成能力培養途徑，使得知識學習、項目訓練、能力培養融為一體。其教學體系如圖1所示。
　　圖1基于IPR-CDIO理念的計算機圖形學教學體系
　　其中，課程教學內容抽取了核心知識框架：課程概述(地位、性質、用途、目標)、二維圖形核心知識、三維圖形設計核心知識、真實感圖形處理原理等。這些知識的理解是支撐CDIO項目實施的基礎。同時，課程設計了兩個綜合性項目：一是“計算機圖形學的應用研究與綜述”，鼓勵學生以小組為單位查閱文獻資料，對圖形技術在某一領域的應用發展情況進行綜述，撰寫提交綜述報告。目的是激發學生對某領域的研究興趣，同時鍛煉文獻綜述的寫作能力，為畢業設計中的文獻綜述奠定基礎；二是“基于圖形技術的作品設計”，要求每組完成一個完整的CDIO項目過程，即從需求分析(C)、方案設計(D)、代碼編寫(I)，到作品測試(O)、答辯驗收。目的是訓練學生按照軟件工程的思想經受一次項目研發歷程，并體會過程中的合作精神、責任意識及成就感。
　　課程項目設計是IPR-CDIO教學實施的核心，針對不同性質和級別的課程，項目內涵不一樣，前沿領域的研究、核心算法的分析與實現、模擬小項目實施、綜合課程知識的作品等，均可成為項目；課程級項目也要有研究的內涵，具有啟發引導的目的和意義，而且要大小適中，太大了難以完成，會挫傷學生學習的興趣，太小了又起不到訓練的作用。科學合理的項目設計一定是經過課程組精心研究、多輪實踐而逐漸形成。
　　2教學實施
　　教學方法是激發學生興趣的源泉。CDIO倡導“做中學”教學法，目的是調動學生學習的主動性、積極性和創新性。美國著名哲學家、教育學家和心理學家杜威指出：“從做中學是比從聽中學更好的學習方法”，“學與做相結合的教育將會取代傳授他人學問的被動的教育[3]”。CDIO項目設計的目的就是將學生分成小組置于“做項目”的情景之中，為了完成課程學習任務，他們必須去做，去學習探索，去討論解決問題，在堅持完成整個項目生命周期的過程中，達到項目實施能力和IPR素養的鍛煉與提高。
　　在第一次課堂教學中要講述課程教學目標、布置項目任務、公布評價指標、設計學生分組等環節，充分展示課程學習藍圖，激發學生想“做”的愿望和興趣，抓住興奮點。該課程在項目實施過程中，設有幾次大討論：應用綜述、需求分析、方案設計、作品預演、結果匯報等，使所有學生都有展示、表達的機會，特別是最后的作品匯報中，完全模擬畢業設計答辯過程，全體課程組教師和部分學生代表作為評委，目的是鍛煉學生對問題的描述水平，口頭表達及應變能力。
　　CDIO把“不求人人成功，但求人人進步”作為教學所追求的一種境界，同時也將之作為教學評價的目標和尺度[2]。以各個小組在達成目標過程中的表現與效果作為評價與獎勵的標準，這種機制可以把個人之間的競爭轉化為小組之間的競爭，從而促使小組內部的合作，增強成員的責任感。
　　計算機圖形學設計了如表1所示的多元評價指標，即評價內容、主體及方法都是多元化的。從表中看出項目合作過程的成績占總成績的70%，有50%的成績是對整個小組進行評價，促進學生增強團隊協作精神和集體榮譽意識。
　　這種多元評價方式，杜絕了部分學生靠投機取巧獲取高分的現象，有利于促進學生自覺地參與小組項目合作過程，腳踏實地完成自己的任務，有利于增強學生的自信心和小組集體榮譽感，促進學生反思不足、認識差距，不斷進步與發展。
　　教師(或工程師)在課程項目實施過程中，主要起引導或指導作用。針對項目實現中涉及的數學知識、編程技巧、藝術修養等，教師首先鼓勵學生自主學習、小組討論，或與相關專業同學協作等方式去解決問題，通過做中學、在討論中成長的教學方法，鍛煉學生自主解決問題的能力，最后教師要給予評價、總結與后續提升的引導，促進學生向更高的目標邁進。
　　3教材建設
　　課程教學改革的最好成果是教材，良好的教材又能喚起學習欲望、提示探究課題、引導學習方法、促進個性發展、鞏固知識掌握等。教材內容必須具備“易用、時新、精煉、適用”的特點。即教材內容能反映本學科基本原理、思想、技術和方法在相關現實領域的典型應用，展示具體環境、條件、方法和效果，培養學生根據現實問題選擇合適的科學理論、概念、思想、技術和方法去分析、解決實際問題的意識和能力[4]；教材內容要及時反映本學科的最新發展、最新技術成就及其最新應用，保證學生“學以致用”；教材內容要精煉，緊密結合人才培養及課程教學目標的需求，精選有益于學生后續學習與發展的核心知識和技能要點，優化整合、去粗取精、詳略得當；教材內容與課程教學目標、教學改革思路以及教學對象相適宜，例子要具體實用，而且具有引導啟發性，使學生能夠“看得見、摸得著”，且能促進學生“深下去、見成效”。
　　
　　多年來，老師對計算機圖形學教材的選擇一直比較困難。最早是從國外引進原版教材，然后是由孫家廣教授編寫、清華大學出版社的《計算機圖形學》一版、二版、三版、新版，幾乎統領了國內該課程的教材，直至現在還是考研的參考書，后有潘云鶴院士的《計算機圖形學——原理、方法及應用》經典教材等等，這些教材普遍特點是內容非常系統、內容描述全面，頁碼較多。其主要思想是以理論原理、算法分析為重點，較少的算法實現例子也是偽碼說明，使得數學基礎較差、編程能力不強的普通高校學生望而生畏，不適合作為他們的教材使用。后來有一些薄本教材面市，但大多以算法實現為主，書內大多是程序代碼，相當于程序設計類教材，也不適用。
　　課程組編寫的講義經過幾年使用后，于2008年由機械工業出版社正式出版，書名為《計算機圖形學基礎及實用教程》，被多所院校所選用。目前，借助于寧波市特色教材項目資助，我們正在對這本教材進行改編，知識點更加優化，將前期不太系統的案例進行集成等。該書特點是基于CDIO工程教育理念，設計一個完整的案例——圖形學算法實現系統，該系統以分散的形式貫穿于整個章節，串起課程的核心理論知識點及算法實現的技術要點；學生通過實驗訓練，又可將分散的系統進行集成。每章的知識與算法實現自成一體，目的是使學生借助于教材的引導進行“學中做”，將主要章節的實驗都完成時，系統的完整性就體現出來了，使得學生體會到“做中學”所帶來的成就感。而且在每章之后都有帶提示和引導的“超越與提高”，目的是啟發學生深入探究下去，鍛煉其自主學習意識與創新能力。
　　該教材有效推進了以CDIO教育理念指導的課程教學改革，有效地將理論知識與實驗項目、知識學習與項目研發、自主學習與小組研討有機結合。對基于項目的一體化教學起到了有力的支撐作用，學生從簡單的模仿、模擬入手，由少及多地對原系統進行改進，最后達到自主設計，完成一個獨立的系統研發作品，并作為課程學習考核的主要依據，大大激發了學生的學習創作熱情，取得了良好的教學成效。
　　4結語
　　CDIO式項目化訓練在計算機專業已經實施五年，教學效果明顯，學生的自主學習能力、創新意識、項目研發與設計能力等都得到加強，極大地鍛煉了學生的合作意識、溝通交流能力，畢業生就業質量普遍提高。就計算機圖形學課程而言，我們將IPR-CDIO
　　項目融入課程教學的全過程已經4屆，在畢業設計中有40余人次選擇與圖形學相關的課題，做出了30余件畢業設計作品，有的作品成為教學案例，有的作品成為學生就業的敲門磚，有作品獲得了省、市級學科競賽獎，有的學生在教師指導下發表了論文等。大多數畢業生在上海、杭州等大型軟件公司做游戲開發、動畫設計工作，有些已經成為項目經理、部門負責人，還有已遠涉日本從事外包軟件設計等工作。
　　計算機圖形學教學改革，不僅挖掘了課程本身的效力，培養出高質量的學生，而且也促進了該課程的有效建設。課程性質從選修到必修，再到核心；課程立項為校級精品建設；課程組成員職稱與學歷不斷提升，科研和教研能力較強，主持國家級自然科學基金項目1項、省級和市級3項，主持省教學成果二等獎1項、科研成果三等獎1項。該課程改革大力推進了計算機專業的改革與發展，在學校創新實驗區的基礎上，我院計算機專業被立為教育部CDIO課題組的試點專業、浙江省軟件服務外包試點專業。
　　總之，IPR-CDIO教學思想已經深入到多門課程教學，計算機圖形學只是其中的一例，隨著課程教學改革的深入開展，基于能力和素質培養為目標的IPR-CDIO教學理念必將體現出其科學性、實用性、先進性與推廣性，我們將堅持不懈，為探索培養社會必需的優秀人才而努力。
　　參考文獻：
　　[1]查建中. 面向經濟全球化的工程教育改革戰略[J]. 高等工程教