基于CBL和CDIO混合教學模式的研究

王茂華 郝云力 柏春松 荊科

摘要：CDIO教育模式是一種優秀的工程教育模式，在國內外高校得到了廣泛的應用。為了更有效地將CDIO教育模式應用于《計算機圖形學》的教學中，文章引入基于競賽機制的教學模式（Contest-Based Learning，CBL），建立基于CBL和CDIO相結合的混合教學模式。該模式用項目-知識樹（PKT）建立課程知識脈絡，用CBL推動CDIO理念在計算機圖形學課程的理論教學、實踐教學、自主學習等方面的貫徹。

關鍵詞：CDIO；CBL；項目—知識樹

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0265-03

計算機圖形學是計算機及相關專業的必修課程，具有研究內容豐富、預修課程多、理論性強、實踐性強等特點[1]。從計算機圖形的特點可以看出，教好這樣一門知識龐雜且抽象的課程不是很容易的事情。為了取得良好的教學效果，包括CDIO工程教育模式、項目驅動法在內的各種方法被應用到圖形學的教學中[2][3][4]。CDIO工程教育模式是由麻省理工學院等四所大學在總結歐美20多年的工程教育改革的基礎上提出的一種工程教育模式。該模式自從2005年引入中國后，對中國的工程教育產生了深遠的影響，與基于工程項目的PBL、追求有效學習成果產出的OBE成為當今教育界最有影響的三類工程教育模式[5]。基于競賽機制的教學模式（Contest-Based Learning，CBL）強調“以賽促學、以賽促教、以賽促創”[6]，將競賽模式引入課堂，營造緊張激烈的競賽氛圍，激發學生的學習興趣，提高教學效果。

本文主要在分析計算機圖形學現有教學中存在問題的基礎上，借鑒和吸收先進的工程教育理念和標準，將基于競賽機制的教學模式引入計算機圖形學的教學中，探討建立CBL和CDIO相結合的混合教學模式。

一、計算機圖形學的課程教學設計

（一）課程伊始，明確項目—知識樹，建立學習小組

基于CDIO的教學理念要求學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程[7][8]。然而長期以來，受科學主義教育的影響，計算機圖形學的教學存在著二元分裂：一是理論和實踐的分裂，造成這種分裂的原因是基于實踐僅僅是對理論教學檢驗的這種認知。以往計算機圖形學的教學大部分是以基本算法的講解為主，很少面向應用。二是知識點和知識點的分裂。計算機圖形學中，知識點都是圍繞著算法展開，而各個章節之間算法在以往的教學中都被設置為離散的、沒有聯系的獨立存在。由于存在以上分裂，使得學生無法系統化地掌握整門課程的內容，而且不知如何把所學算法應用到實際中。因此，進行授課之前，教師需要構造課程的項目—知識樹，以便將圖形學的知識形成一個完整的、理論和實踐緊密聯系的有機整體。

項目—知識樹（Project-Knowledge Tree，PKT）為如圖1所示的二叉樹，主要包含兩部分內容：項目和課程知識點。為設計該項目—知識樹，教師需要設計一個完整的、面向實際應用的工程項目，該工程項目不僅基于CDIO的教學理念，而且應貫穿整門課程，融合課程知識。該項目可以分解為與章節知識點Ki相對應的子項目Pi，在項目—知識樹中用結點P1-K1、P2-K2、……Pn-Kn表示；結點Pii-Kii表表示對子項目Pi細化所得到的一系列連續的子項目Pii和其相對應的主體知識Kii，結點K′ii表示子項目Pii所對應的、需學生自主學習的知識。主體知識Kii和自主學習知識K′ii的劃分方式將在本文的下一個小節中闡述。

通過項目—知識樹，學生可以直觀地了解圖形學的知識架構，建立圖形學課程的全局觀。教師依據項目—知識樹的架構授課有利于學生系統化、應用化地學習圖形學課程，培養學生的實踐能力。

CBL和CDIO相結合的混合教學模式注重以小組競賽為手段推動CDIO理念在計算機圖形學課程中的應用。該教學模式要求在課程伊始建立學習小組，以小組為單位參與課堂教學和課下自主學習。顯然建立小組的目的是進行同伴互助學習，培養學生的團隊協作和交流能力。小組成員的合理選擇有助于促進小組的整體學習。在分組時應遵循按照不同的能力結構而不是學習成績進行異質分組的原則，使團隊的構成更合理。

（二）教學內容主體化，自主學習主動化

計算機圖形學課程的兩個基本特點是理論性強和實踐性強，涉及了較多的數學理論的推導和算法。大多數教材中都采用了“數學理論推導+算法實現”的模式，而且對同一個知識點往往有多種算法。在教學中，教師通常對所有公式的推導和算法的實現都進行講解。這種教學方式存在兩方面的問題：首先是復雜數學理論的推導枯燥無味，對以軟件開發為就業方向的學生幫助不大，不能激發學生的學習興趣，教學效果較差；另外，計算機圖形學普遍課時偏少，復雜理論的推導勢必占用本就不多的課時，不符合CDIO中面向應用和實踐的教學理念。其次教師面面俱到的教學方法不符合CDIO模式中培養學生主動學習的理念。

在教學設計改革中，針對以上問題，教學團隊根據教學目標、能力培養目標、實際應用和授課課時等因素確定了教學的主體知識，用以在課堂上講解。在PKT樹中，主體知識對應結點中的Kii。對于一些理論性特別強的知識不歸于主體知識，由教師進行簡單的描述即可，如曲線的數學推導。對于實現算法比較多的知識點，應確定該知識點的典型算法作為課堂講解的主體知識，由教師進行講解和演示程序，如直線的生成算法中只講解Bresenham畫線算法，其余的算法作為自主學習的知識由學生在課下按小組學習討論，編程實現并上傳給教師。

為了提高教學效果，圖形學教學團隊建立了計算機圖形學網絡資源平臺。該資源平臺包括圖形學的課件、教學視頻、試題庫、參考資料等資源，可以實現自主學習、自主測試等操作。特別是針對自主學習的知識，團隊設計了兩類測試題：基礎知識測試題和應用設計題。基礎知識測試題在課后某個固定的時刻開放，以留出足夠的時間讓學生自主學習。為避免抄襲現象，該部分題目為隨機組卷生成。基礎知識測試題主要考察學生個體對知識的掌握程度。應用設計題目也是隨機生成，這部分題目旨在鼓勵學生積極探索，動手實踐，能夠將所學算法和前面知識相結合，并設計出豐富多彩的造型。為了達到以賽促學的目的，答案提交的時間和質量都將影響小組的成績。

（三）主體知識微型化，團體競爭常態化

按照CDIO教學模式的框架，課程的教學必須突出以學生為中心的教學理念，培養學生的團隊協作意識[4]，而目前計算機圖形學的教學普遍是以教師為中心、滿堂灌式的陳述性知識講解和傳授為主，學生被動接受，參與度和積極性不高，團隊協作更無從談起，制約了學生對知識的掌握和邏輯思維能力的拓展。

基于認知負荷的視角分析教學可以發現[9]，課堂知識點越多，認知負荷越高，學生精神集中的時間越短，研究發現，大部分教學活動進行到十分鐘左右時學生的注意力開始渙散。為此，在圖形學的教學設計中，根據目標知識樹中該節的知識架構對主體知識進行細化分割，形成一系列連貫的微知識。這些微知識可以是一個或者幾個定義、原理、算法，也可以是算法的實現程序。每個微知識包含內容不宜過多，5至10分鐘內講完為宜。對微知識的講解可以采用PPT展示、動畫演示等多種表現形式以及任務法、啟發式教學、建構主義教學等教學方法。教師針對每個微知識提出一定數量的問題，根據難易程度標以不同的分值，由各小組進行討論搶答，必須給出分析。答案和分析的正確與否都將決定小組的得分，避免出現猜題和抄襲現象。為了促使小組所有成員都積極參與到課堂教學中來，筆者在期末核算小組課堂搶答成績時設置了參與系數，小組中每個成員的參與度越高，實際獲得的分數也會隨之提高，反之就會降低，零參與的成員不得分。參與系數的設置可以有效地避免“吃大鍋飯”現象的出現。

主體知識微型化的設置將圖形學課程知識由面分割成點，使學生更容易理解和掌握課堂知識；同時競賽模式引入課堂，促使學生在整個授課過程中精神必須高度集中，努力理解每個微知識，同組成員積極交流，才能在搶答時迅速做出正確的答案，有力地促進CDIO教學理念在課堂教學中的應用。

（四）實踐教學競賽化，實踐內容層次化

在以往科學主義教育思想下，實驗課的主要目的是通過將算法編程實現以達到對課堂知識的檢測和鞏固，實驗內容完全以驗證性實驗為主，實際應用的內容很少，導致學生的積極性不高，經常出現代碼雷同的現象，不符合CDIO教學模式中培養學生應用實踐能力、創新能力的要求。同時，由于個人能力不同，學生對算法的理解程度和編程水平存在著一定的差距。

針對以上情況，可以將實驗題目分為驗證性題目、創新設計性題目和項目實訓題目三個層次。驗證性題目只需要將課堂所講算法實現并進行簡單的應用，比如學習完直線的繪制算法后，可以讓學生編程實現矩形、三角形等簡單的應用。創新設計性題目需要學生能夠發揮想象力和創造力，將所學知識充分應用，自由設計出各種精彩的造型。項目實訓題目是必做題目。和理論課堂上類似，將一個完整的項目分解成多個難易適中的子模塊，作為實訓題目分散到每一次實驗中，每次課只需完成相關的實訓題目。

實踐證明，實驗內容三層化設置有效的提高了學生學習興趣，培養了學生的綜合能力。但是，在實踐過程中發現，經常出現團隊中優秀學生挑大梁包、辦所有實驗題目的情況。為此，教學團隊將CBL也引入實踐教學中，以賽促學，營造緊張激烈的競賽氛圍。團隊在設置實驗題目時，改變題目數量固定的設置。除項目實訓題目，其余每種類型的題目都可以有多題，根據難易度給予不同的分值，各小組根據整體能力選擇任意類型和數量的題目。一般驗證性題目的數量和分值都要小于創新設計性題目，促使學生更多的去選擇創新設計性題目，以達到培養學生的想象力、創造力和應用能力的目的。

將實踐教學競賽化后，緊張激烈的競賽氛圍貫穿整個實驗課。各小組成員必須通力合作，充分挖掘個人潛能，才能在短短的100分鐘內做出更多的題目，獲得更高的分數。個體的綜合能力和努力程度都會影響小組的成績，有效地遏制了學生厭學、懶惰的現象。同時實踐內容的三層化設置，兼顧基礎、創新和應用三個方面，引導學生知行合一，既鞏固了學生的基礎知識，又培養了學生的創新能力和實際應用能力，提高了學生的綜合素質。

二、結論

本文針對現階段計算機圖形學課程的教學內容、教學手段和實踐操作等方面存在的問題進行具體的分析，提出了基于CBL和CDIO理念的混合教學模式。該教學模式對理論和實踐教學的內容和方法進行了改革。實踐證明，經過改革，學生的應用設計能力和創新能力有了較大的提高，團隊協作意識有了進一步的增強。

參考文獻：

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[9]陳巧芬.認知負荷理論及其發展[J].現代教育技術，2007，（9）：17-19.

Research on Blended Teaching Model Based on CBL and CDIO

—With the Example of Teaching Reform of Computer Grapgics

WANG Mao-hua，HAO Yun-li，BAI Chun-song，JING Ke

（School of Mathematics and Statistics，Fuyang Normal University，Fuyang，Anhui 236037，China）

Abstract：The model of CDIO education is a excellent model of engineering education，which has been widely used in colleges at home and abroad. In order to apply the model of CDIO education more effectively in the teaching of computer graphics，this paper introduces the teaching model of Contest-Based Learning，and build the blended teaching model based on CBL and CDIO. In this model，the project-knowledge tree （PKT） is used to establish the curriculum knowledge context，and CBL is used to promote the implementation of the CDIO theory in the theoretical teaching，practical teaching，autonomous learning and so on.

Key words：CDIO；CBL；project-knowledge tree