融合CDIO教育理念的“計算機圖形學”課程教學改革

摘要：介紹了國際先進的工程教育理念CDIO的基本含義，并分析CDIO的優越性；闡述了目前“計算機圖形學”課程教學中存在的問題，并針對這些問題提出了融合CDIO教育理念的“計算機圖形學”課程教學改革方案。教學實踐表明，提出的教改方案有利于激發學生的學習興趣，加深專業基礎知識的理解與應用，鍛煉和提高學生的工程實踐能力，培養學生的團隊協作精神。

關鍵詞：CDIO；計算機圖形學；立體化教學模式

作者簡介：鄒耀斌（1978-），男，江西鷹潭人，三峽大學計算機與信息學院，講師。（湖北 宜昌 443002）

基金項目：本文系三峽大學人才引進項目（項目編號：KJ2011B040）、三峽大學2012-2013年度求索大學生創新活動計劃重點項目課題的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）31-0080-02

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate），CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的新成果，是一種將理論教育與實踐教育緊密結合的創新教育理念。[1]CDIO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，引導學生主動有效地學習課程知識，并以團隊的形式通過實踐來提高學生對知識的應用能力。[2]

CDIO教育理念和模式的先進性和優越性集中體現在實踐可操作性、全面系統性和廣泛適應性這三個方面。[3]首先，CDIO系統地闡述了能力培養、全面的實施指導以及檢驗測評的12條標準，這些內容具有很強的實踐可操作性。其次，CDIO強調培養學生的綜合能力，所設計的CDIO能力大綱涵蓋了學生綜合能力培養的四個層面：個體的技術知識和推理能力、個體的職業技能、團隊的協作和交流能力以及項目的構思、設計、實施和運作能力。最后，世界上眾多高等教育機構近10年來持續不斷的改革和探索表明，CDIO教育模式經過適當的調整，可以適用于絕大部分工程學科的大學生教育，其中也包括計算機專業的工程教育，[4]展現了CDIO的廣泛適應性。

計算機圖形學的應用范圍涵蓋科學、藝術、工業、商務、醫藥、政府、娛樂、廣告、教學和培訓等各個方面。[5]鑒于計算機圖形學應用領域日益廣泛的現實，國內外大學在計算機專業大都開設了“計算機圖形學”課程，三峽大學也將其確定為主干選修課程之一。“計算機圖形學”課程具有很強的理論性和實踐性，在教學中不但要注重學生專業理論知識的教育，更要重視學生的工程實踐能力的培養。CDIO能力大綱的四個層面完全涵蓋了“計算機圖形學”課程對學生能力培養的各個方面，因此將CDIO教育理念引入到“計算機圖形學”課程的教學改革具有積極的指導意義。

一、“計算機圖形學”課程的教學現狀分析

教學實踐表明，修學“計算機圖形學”課程的學生，他們在學習過程中表現出的興趣普遍呈現先高后低的特征：一開始興趣非常濃厚，也愿意和教師交流。但隨著課程的推進，學習的主動性明顯退化，以至于最后成為被動接受的機器。造成這種尷尬境地的因素是多方面的，歸結起來主要有以下4個方面的原因。

1.基礎理論寬泛，課程難度較大

“計算機圖形學”是數學、物理、計算機、心理學等多個學科交叉融合的一門學科，理解計算機圖形學的許多問題往往要有很好的數學或者物理知識。三峽大學是一所省屬二本院校，總體而言，學生的數理基礎相對薄弱，一旦碰到復雜的數學公式推導和物理背景分析容易打退堂鼓，也就很難持續保持濃厚的學習興趣。

2.課程內容偏多，理論課時偏少

一方面，“計算機圖形學”涵蓋的內容非常多，既包括圖形系統介紹、二維三維圖形繪制顯示，又包括真實感、非真實感建模與繪制、計算機動畫生成等等，而每項內容又涉及到很多細節技術。另一方面，課程的理論學時通常不到40。在偏少的學時內，計算機圖形學的知識體系容易被拆分成零散的知識點，使得學生無法從全局把握該課程的知識體系，容易喪失學習目標。

3.教學觀念落后，考核方式單一

傳統的以“知識點為導向”的教學觀念，過分強調學生對知識點的掌握，教師對教學大綱中要求的知識點作詳細的講解，容易形成一種滿堂灌的教學局面，反而降低了學生的學習主動性。另外，以“知識點為導向”的教學觀念產生的考核方式往往很單一，要求考試內容盡可能多地涵蓋大綱中的知識點。這種考核方式容易誤導學生把時間和精力放在記憶知識點上，但是實際上又無法真正考核學生對知識的應用能力。

4.偏重理論教學，實驗成擺設

“計算機圖形學”是一門高等工程學科，它需要在理論的指導下和工程實踐結合。或許是受課程理論基礎寬泛的影響，教師往往容易將重點放在理論的講授上，反而忽視了重要的實驗環節。調查顯示國內很多二本院校只開設了不到10學時的實驗課，使得原本很重要的實驗變成了裝飾。另外，計算機圖形學實驗平臺的搭建也被很多二本院校所忽視，很多院校沒有專用的計算機圖形學實驗室。

二、融合CDIO教育理念的教學改革實踐

“計算機圖形學”課程教學中存在的上述問題，容易使學生喪失學習興趣，學生很難掌握基礎知識和專業編程技能。另一方面，CDIO理念利于激發學生的學習興趣、加深專業基礎知識的理解與應用、鍛煉和提高學生的工程實踐能力、培養學生的團隊協作精神。據此，我們引入CDIO理念并制定了CDIO模式的“計算機圖形學”課程教學改革方案，具體地涉及如下4個方面的教學改革。

1.立體化教學模式

采用多媒體課堂講授為主，開放式討論學習為輔，三峽大學求索網絡學堂為輔的立體化教學模式，具體實施如下：

（1）多媒體課堂講授。一方面，對于有一定難度的理論知識，可以借助傳統的黑板板書來詳細地講解。另一方面，計算機圖形學的很多算法輸出是可視化的，因此可以充分利用多媒體課件制作工具，制作這些算法的仿真演示，使晦澀難懂的數學公式變成栩栩如生的畫面。這容易讓學生從感性認識中找到學習的樂趣，也有利于降低學生學習理論知識的難度。

（2）開放式討論學習。開放式討論學習是以討論的形式讓學生主動參與到教學中來，形成教師與學生、學生與學生之間的多向互動。開放式討論學習既可以在課堂上有組織地進行，也可以利用便捷的網絡環境進行在線討論。開放式討論學習既有利于激發學生的學習積極性，也利于提高學生的交流表達能力。

（3）求索網絡學堂。利用三峽大學建設的求索網絡學堂，在該網絡學堂里建設課程網站。網站上的教學視頻、授課課件、教學資料等資源為學生提供自學的網絡環境。在線答疑、作業提交、網上留言為師生提供了實時和非實時的交流互動平臺。同時，網站上介紹業界新技術、新知識和技術網站。求索網絡學堂使學習環境具有跨時空性、學習內容的動態性以及學習形式的自主性，這促進了學生學習的主動性，豐富了教學過程。

2.精選合適教材，拓展教學內容

精選Donald Heran和M.Pauline Baker合著的第三版《計算機圖形學》。該教材取材廣泛，示例豐富，涵蓋了計算機圖形學的基本理論、概念和算法。另外，該教材引入了跨平臺的OpenGL技術，它使用簡便，效率高，非常適合作為計算機圖形學實驗平臺。另一方面，注意到以單一書本內容為指導的教學活動，不能有效地調動學生的學習積極性，更不利于學生創新思維的培養。因此，我們有針對性將一些拓展性的知識納入到教學中。比如，將ACM Siggraph、Eurographics等一些重要的國際會議上的示例展示給學生，以此來激發學生的學習興趣和想象力。另外，把相關的學科前沿技術和熱點應用（比如北京奧運會虛擬展館漫游等）穿插到課堂上，引導學生課后主動學習和探索。

3.搭建軟硬件實驗平臺，強化分層次實驗教學

CDIO能力大綱要求學生具備分析問題、提出解決方案、驗證方案的正確性，并最終提出創造性想法的能力。這種能力的培養，不但需要在理論授課中獲得，更需要在實踐鍛煉中形成。為此，學院配置了軟硬件齊全的計算機圖形專用實驗室，在保證理論學時不減少的情況下，新增了20學時的上機實驗。結合CDIO教育理念，規劃了一個完整的、分層次的實驗體系，它包括基礎驗證實驗、綜合強化實驗和創新培育實驗。其中基礎驗證實驗著重于訓練學生的基本技能，綜合強化實驗強調培養學生的綜合應用能力、解決實際問題以及團隊協作的能力，而創新培育實驗則著重于學生創新能力的培養。

基礎驗證實驗由學生在“計算機圖形學”專用實驗室完成，教師負責實驗內容的安排和指導。綜合強化實驗由教師預先設計多組綜合性的選題，學生自愿組成小組，每個小組由4～5人組成。教師按小組管理方式對學生進行指導和管理，要求學生合理分工，共同完成各個模塊，并實現實驗預先設定的目標。基礎驗證和綜合強化實驗要求每個學生都必須參與，而創新培育實驗是為綜合素質好的學生特別設計的一個高層次實驗平臺，結合學校每年開展的求索大學生創新活動計劃，進行精英化的、小規模化的創新性培養。創新培育實驗通常利用每年的寒暑假時間，由專任老師從綜合素質好的學生中挑選出3～5名來進行特殊訓練，目的在于進一步強化學生對課程知識的理解和運用，提升學生的系統性思維，鍛煉團隊協作精神，豐富實踐項目的開發經驗。

4.全面的綜合評價體系

CDIO工程教育注重對學生的全面考核，不但要考核學生掌握基本知識和基本技能的程度，還要考核學生的動手能力、綜合運用能力、團隊協作及創新能力。參照CDIO考核要求，制定了一個比較全面的綜合評價體系，考核包括日常考核、實驗考核、期中和期末考核。

日常考核主要考查學生的平時學習態度和效果，主要分出勤情況、課堂表現、作業完成情況三個部分。這種考核方式有利于引導學生培養正確的學習態度、學習習慣和掌握基礎理論知識的能力。實驗考核目前包括對基礎驗證、綜合強化實驗的考核。基礎驗證實驗的考核以完成實驗課內容為主，教師對學生實驗情況以及實驗報告給予評定；綜合強化實驗由教師隨機抽選或者實驗小組推選一名學生進行答辯，答辯成績作為小組成績。最終實驗成績由個人、整個團隊成員和教師多方面決定，得分內容由實驗設計、實驗過程、實驗成果、實驗報告組成。這種考核方式不僅有利于引導學生加強個人動手能力的培養，也有利于引導學生的團隊協作和綜合運用能力的培養。期中和期末考核主要考查學生對計算機圖形學的綜合理解程度，期中考核采用隨堂考試的方式，期末考核著重整個學期的所有授課內容。

三、結語

融合CDIO理念的“計算機圖形學”課程培養模式使學生成為教學活動的主體，激發了學生的學習興趣和主觀能動性。教師引導學生發現問題、分析問題和解決問題，這種引導很大程度上提高了學生的自學能力，非常利于學生養成終身學習的習慣。改革后的分層次實驗環境為不同水平的學生都提供了相應的實踐機會，學生按照自己的能力和特長參與到或大或小的實驗中去，加深了學生對專業基礎知識的理解與應用，鍛煉和提高學生的工程實踐能力。小組合作模式組織的教學活動，培養了學生的團隊協作精神，提高了學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]John Malmqvist.The application of CDIO Standards in the Evaluation of Swedish Engineering Degree Programmers [J].World Transaction on Engineering and Technology Education，2006，（2）：361-364.

[2]查建中.面向經濟全球化的工程教育改革戰略——產學合作與國際化[J].高等工程教育研究，2008，（1）：21-27.

[3]克勞雷.重新認識工程教育：國際CDIO培養模式與方法[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[4]王慶人.我國計算機教育如何借鑒歐美CDIO模式[J].計算機教育，

2010，（11）：8-11.

[5]Donald Hearn，M. Pauline Bake.計算機圖形學[M].蔡士杰，宋繼強，蔡敏，譯.第三版.北京：電子工業出版社，2010.

（責任編輯：劉輝）