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摘要：

為提高學(xué)生的實踐與綜合設(shè)計能力，結(jié)合CDIO教學(xué)理念，分析現(xiàn)有實時視景仿真綜合課程設(shè)計中存在的問題，提出對教學(xué)模式進(jìn)行研究和改革的思路，并設(shè)計了完整的教學(xué)改革措施。從實踐效果來看，教學(xué)改革提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力、實踐能力和工程素養(yǎng)有很好促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：

CDIO教學(xué)理念；教學(xué)改革；課程設(shè)計

1教學(xué)中存在的問題

視景仿真綜合課程設(shè)計是仿真科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的本科生的一門專業(yè)課，視景仿真綜合課程設(shè)計教學(xué)效果的好壞直接影響到學(xué)生對圖形學(xué)與仿真課程組相關(guān)知識和技能的掌握。提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實踐能力是教學(xué)改革的目標(biāo)。在以往課程教學(xué)中，存在以下問題：①以往的教學(xué)安排是由指導(dǎo)教師詳細(xì)講解課程設(shè)計的要求和具體內(nèi)容，學(xué)生只是按部就班的完成課程設(shè)計，不利于發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力；②部分學(xué)生存在學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，對課程的重視程度不夠，課程設(shè)計過程中只是被動地接受知識，不能主動和有目的地學(xué)習(xí)；③綜合課程設(shè)計的時間集中在兩周內(nèi)完成，課程內(nèi)容較多，涉及面較廣，深入講解和指導(dǎo)困難；④考核方式單純采用大作業(yè)方式，以檢查編碼為主，忽視了對學(xué)生的查閱資料能力、規(guī)范設(shè)計能力和團(tuán)隊協(xié)作能力等方面的考核，不能很好地反映學(xué)生理論和實踐學(xué)習(xí)效果。

2教學(xué)改革探討

自2000開始，美國麻省理工學(xué)院、瑞典查爾摩斯工業(yè)大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院和瑞典林雪平大學(xué)等四所高等學(xué)府在KnutandAliceWallenberg基金會資助下，通過共同探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育模式，并成立了CDIO國際合作組織［2］。CDIO是Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實施）和Operate（運(yùn)作）等英文的縮寫。它以產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，通過系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計讓學(xué)生能夠以主動的、實踐的、課程間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合格工程人才［3］。針對實時視景仿真綜合課程設(shè)計在實際教學(xué)中存在的問題，將CDIO工程的教育理念應(yīng)用到《實時視景仿真綜合課程設(shè)計》的教學(xué)實踐中，以實際需求、工程方法與學(xué)生的學(xué)習(xí)活動相結(jié)合，能夠有效地提高教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)改革的思路為：根據(jù)該課程的教學(xué)大綱，對課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行具體化和分類化，并轉(zhuǎn)換為學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)；以3－4個學(xué)生為一組，組成相應(yīng)的課題小組，課題小組成員相互合作，共同完成工程項目；在項目執(zhí)行過程中，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，系統(tǒng)地運(yùn)用CDIO工程的理念進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運(yùn)作，給予學(xué)生更多解決實際工程問題的機(jī)會，讓學(xué)生更加貼近市場和企業(yè)的需求。

3CDIO模式下教學(xué)改革的實施

3．1課程設(shè)計內(nèi)容的改革

綜合課程設(shè)計的內(nèi)容選擇是否得當(dāng)，直接關(guān)系到課程的教學(xué)效果。以往的實時視景仿真綜合課程設(shè)計選題綜合考慮了計算機(jī)圖形學(xué)、實時仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和視景仿真技術(shù)等課程的知識點(diǎn)與理論體系，符合培養(yǎng)方案的要求。由于沒有與實際需求結(jié)合，缺乏對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的訓(xùn)練，學(xué)生解決實際問題的能力沒有得到提升，不能滿足市場對視景仿真人才的需求。因此，指導(dǎo)實時視景仿真綜合課程設(shè)計的教師在設(shè)計課題內(nèi)容時應(yīng)與CDIO模式的教育理念緊密結(jié)合，以實際需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力作為根本，結(jié)合實際工程項目的設(shè)計制作過程，關(guān)注視景仿真領(lǐng)域的最新研究成果與方向，提高學(xué)生在綜合課程設(shè)計中主動性。根據(jù)以上思路，指導(dǎo)教師在設(shè)計綜合課程設(shè)計的題目和內(nèi)容時，主要從三個方面考慮：①走訪視景仿真領(lǐng)域的相關(guān)公司和企業(yè)，了解他們對人才的需求，從已有項目中提取一些具有工程實踐背景的設(shè)計題目，如虛擬裝配系統(tǒng)、數(shù)字沙盤系統(tǒng)及三維管線系統(tǒng)等；②結(jié)合指導(dǎo)教師及學(xué)院內(nèi)其他教師現(xiàn)有的縱向和橫向科研項目，從中提取部分內(nèi)容來擬定合適的課程設(shè)計題目，如數(shù)字地球、數(shù)字海洋及GPS軌跡可視化等；③結(jié)合視景仿真的研究熱點(diǎn)，與實際需求結(jié)合來擬定設(shè)計題目，如高精度全局光照、大規(guī)模場景實時繪制、基于GPU的實時渲染及實時碰撞檢測等。

3．2教學(xué)模式的改革

綜合課程設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分體現(xiàn)綜合性、設(shè)計性及創(chuàng)新性。它并不是簡單地將幾門課程的實驗內(nèi)容組合在一起，而是強(qiáng)調(diào)對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。這一點(diǎn)與CDIO模式的教學(xué)理念較為契合。在教學(xué)模式改革中，借鑒ACM程序設(shè)計大賽的模式，將學(xué)生分為多個興趣小組，以小組為單位進(jìn)行選題、設(shè)計、編碼及答辯［4］。具體步驟如下：①將以往兩周內(nèi)集中完成的課程設(shè)計，改為貫穿整個學(xué)期，每周兩次課，每次3個學(xué)時。除了集中設(shè)計時間外，指導(dǎo)教師還需在每周指定1－2個下午為固定答疑時間；②在綜合課程設(shè)計開始的第一周，指導(dǎo)教師向?qū)W生介紹課程設(shè)計的目標(biāo)、內(nèi)容及注意事項，并對設(shè)計過程中涉及的視景仿真引擎如OpenSceneGraph、osgEarth、osgOcean及Ogre等進(jìn)行深入講解；③學(xué)生了解課程設(shè)計的題目和內(nèi)容后，按個人意愿自由組合，形成3－4人的設(shè)計小組。在與指導(dǎo)教師充分討論后，每個設(shè)計小組選擇一個設(shè)計題目，該步驟的時間跨度為2周；④在確定課程設(shè)計題目后，設(shè)計小組開始查閱資料，撰寫開題報告和需求分析報告，交由指導(dǎo)教師審閱并指導(dǎo)。該步驟的時間跨度為2周；⑤在完成需求分析報告的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)方案的功能設(shè)計，并在指導(dǎo)教師的協(xié)助下，完成系統(tǒng)設(shè)計方案及詳細(xì)設(shè)計文檔。該步驟的時間跨度為3周；⑥根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案和詳細(xì)設(shè)計文檔，設(shè)計小組根據(jù)選題，選擇OpenGL、Direct3D、Open－SceneGraph、或Ogre等圖形開發(fā)工具完成課程設(shè)計的編碼工作，初步形成工程系統(tǒng)。在開始編碼階段，指導(dǎo)教師需對編程風(fēng)格和具體要求進(jìn)行詳細(xì)地講解。該步驟的時間跨度為6周；⑦針對已完成的工程系統(tǒng)，設(shè)計小組編寫測試大綱，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，并對bug進(jìn)行修正，最終形成完整的測試報告。該步驟的時間跨度為2周；⑧在綜合課程設(shè)計的最后一周，由指導(dǎo)教師組織課程設(shè)計答辯，對所有學(xué)生進(jìn)行考核。在答辯過程中，學(xué)生需闡述個人在課程設(shè)計過程中所承擔(dān)的工作，課題的設(shè)計理念及實現(xiàn)過程，并現(xiàn)場回答教師的問題。在視景仿真綜合課程設(shè)計的實施過程中，充分利用CDIO模式的教學(xué)理念，采用做中學(xué)的教學(xué)方式去進(jìn)行基本環(huán)節(jié)的全面訓(xùn)練，讓學(xué)生能夠積極主動地學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力［5］。因為課程設(shè)計的時間跨度較長，指導(dǎo)老師有充足的時間對各個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督，使得整個課程設(shè)計符合軟件工程開發(fā)的流程，讓學(xué)生建立了以往教學(xué)模式中缺乏的工程價值觀。

3．3考核方式的改革

CDIO是為了培養(yǎng)全面發(fā)展的工程師，希望未來的工程師能夠在一個現(xiàn)代的、團(tuán)隊合作的環(huán)境中，運(yùn)用構(gòu)思一設(shè)計一實施一運(yùn)作的策略來共同應(yīng)對來自現(xiàn)代復(fù)雜的技術(shù)社會中工程要求的挑戰(zhàn)［6］。CDIO的一個核心信念是產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的建造能力必須在真實的工程實踐和解決問題的環(huán)境中取得［7］。因此，為盡可能與實際項目開發(fā)流程保持一致，克服單純以編碼為考核手段的片面性，綜合課程設(shè)計的最后成績也由4部分組成：設(shè)計成績、產(chǎn)品成績、團(tuán)隊成績及答辯成績。（1）指導(dǎo)老師根據(jù)設(shè)計小組提交的文檔報告給出設(shè)計成績，其中文檔報告包括開題報告，需求分析報告、系統(tǒng)方案報告、詳細(xì)設(shè)計文檔、測試文檔及測試報告等。設(shè)計成績主要考察學(xué)生所查閱資料的豐富程度，設(shè)計方案的可行性與規(guī)范性，分析問題的深入程度及解決問題的具體效果等。（2）產(chǎn)品成績主要由設(shè)計小組提交的工程系統(tǒng)決定。重點(diǎn)考察學(xué)生是否按編程規(guī)范進(jìn)行編碼，如代碼的整體結(jié)構(gòu)，命名空間的使用，變量、函數(shù)、類及接口的定義，指針的運(yùn)用以及程序注釋的完備程度等。（3）團(tuán)隊成績由同組同學(xué)給予，主要考核小組中每位同學(xué)在整體設(shè)計過程中所做的努力和貢獻(xiàn)。（4）答辯成績由課程設(shè)計的答辯小組教師集體給予。答辯是視景仿真綜合課程設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)，它對驗證整體課程設(shè)計教學(xué)效果起著重要作用。學(xué)生的答辯準(zhǔn)備實質(zhì)上是對課程設(shè)計過程中所承擔(dān)工作的梳理與概括，有助學(xué)生進(jìn)一步鞏固所用的知識。現(xiàn)場答辯既能夠鍛煉學(xué)生的表述能力，又能夠提供一種有效的交流方式，使教師可以有效了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度。在現(xiàn)場答辯時，指導(dǎo)教師還能夠?qū)φn程設(shè)計中存在的共性問題進(jìn)行集中答疑，加深學(xué)生的印象。在課程設(shè)計結(jié)束后，指導(dǎo)教師應(yīng)對設(shè)計過程的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和總結(jié)，找到存在的問題，并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過這種方式，指導(dǎo)教師能夠從整體上把握教學(xué)效果，并能夠?qū)Σ蛔阒幉粩嗟貎?yōu)化和改進(jìn)。教學(xué)實踐證明，課程改革取得了較好的成果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)他們的主動學(xué)習(xí)能力和實踐能力，加強(qiáng)他們的工程素養(yǎng)。

作者：鄒華 單位：武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院

參考文獻(xiàn)：

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［2］李錚，陳得寶，苗曙光，等．CDIO工程教育模式下綜合課程設(shè)計的教學(xué)改革［J］．淮北師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（2）．

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［4］陳娟．ACM程序設(shè)計競賽探討［J］．實驗科學(xué)與技術(shù)，2010（6）．

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