基于IPR—CDIO理念的《计算机图形学》教学设计

2014-06-11邹运兰李继芳柴本成

中国信息技术教育 2014年11期

邹运兰++李继芳+柴本成

摘要：针对《计算机图形学》的课程地位和性质，结合CDIO工程教育理念，本文提出了IPR-CDIO教育思路，按照IPR-CDIO的思路进行教学目标设计、教学内容设计、教学方法设计和教学评价设计，实践证明，基于该理念的教学设计取得了良好的教学效果。

关键词：IPR-CDIO；计算机图形学；教学设计

CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，即构思、设计、实现、运行）是国外高等工科教育的一种创新模式。它是以产品从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程。我们学习CDIO教育理念，结合多年的改革实践，创新地提出了IPR（Interest、Perseverance、Responsibility，即兴趣、毅力、责任）-CDIO教育思路，即将学生的探索热情与兴趣、持之以恒的精神和社会责任感的培养，融入到不同级别项目研发过程中。通过项目构思和设计，培养学生的创新意识和创新思维，通过项目的实现和测试运行，培养学生的专业技能，同时借助项目团队式组织形式分工、角色化任务分工，激发学生的参与兴趣，锻炼其团队合作和沟通交流能力，培养其责任感。

课程是人才培养的基本单元，IPR-CDIO教育理念必须通过各门课程的教学来实施，因此课程的教学设计非常关键。根据课程地位和性质整合知识点，设计出能培养学生知识学习、技能训练、素质成长于一体的小项目，设计为完成项目、训练IPR素质而采用的教学方法，并使课程知识内容、项目实施、教学方法、教材选择有机融合，形成一体化的课程教学体系。《计算机图形学》课程就是基于IPR-CDIO理念进行教学目标设计、教学内容设计和教学方法设计的。

● 教学目标设计

《计算机图形学》是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。作为计算机学科的一个重要分支，计算机图形学的主要研究内容就是如何在计算机中表示图形以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。目前，计算机图形学已成功地应用于计算机辅助设计与加工、影视动漫、军事仿真、医学图像处理、气象、地质、财经和电磁等领域，随着网络和通迅技术的高速发展，图形学技术在人们的日常生活和工作中也扮演着重要角色。尽管图形学历经了50年的发展，但有许多热点问题和新技术仍然值得人们不断探索，其应用与研究方兴未艾，前景诱人。

《计算机图形学》一般是大学二年级以后开设的专业应用性课程，前导课应该有《程序设计基础》或《面向对象程序设计》、《数据结构》或《算法分析与设计》，也就是说学生应该已经具备了基本的程序设计和算法分析能力；后续课程有《高级图形学》或《数字图像处理》、《游戏设计》、《虚拟现实技术》、毕业实习、毕业设计等。如果前导课程学得不理想，后续课程的教与学都难以实施。这门课程本身的实用性和趣味性比较强，如果设计与引导得好，既可激发学生的学习热情，又对后续的实习、设计或就业产生积极地推进作用。

基于以上综合考虑，该课程的教学目标定为：理解经典图形算法的原理，并能编程实现，具有工程项目意识和项目设计应用能力。

● 教学内容设计

基于以上教学目标要求，我们在教学内容上从两条线上进行设计，一是基本知识操作路线，二是CDIO工程项目实施路线。按照这两条路线进行教学的同时，教学内容和课时都进行了适当优化。

1.知识内容优化

经过多年的改革实践，我们对计算机图形学理论知识的教学模式以及教学课时都作了相应调整，由原来的只有理论教学变为现在的理论和讨论相结合。

2.实验项目设计

根据课程教学初步设有10个实验项目，分别是Visual C++6.0绘图基础、多边形区域填充、基本图形生成与显示、二维图形变换、二维图形裁剪、三维图形变换、透视投影、常用曲线的生成、动态消隐的实现、真实感图形绘制。每个项目的结果要求都有详细的说明，按照CDIO的理念，实验项目由浅入深，先搭建好环境框架，之后逐步丰富，最终可形成完整的算法演示系统，将所有的实验结果统一集成到一个完整的系统当中。其中第1个项目不写实验报告，达到熟练使用VC++6.0环境的目的；最后一个实验项目真实感图形绘制是综合设计，选做题目，其伸缩性很强，让学生自由钻研，可结合目前流行的、实用的OpenGL、Dixrect3D技术进行实施，好的作品可参加学科竞赛，大的作品可作为毕业设计产品，甚至可成为商业产品。

3.小组研究项目设计

研究项目以小组为单位，每4～5人一小组，选举一组长，由组长进行组内分工，并负责考勤、合作学习的组织及管理。本课程设计了两个一级讨论题目：

◇计算机图形学应用综述。

要求检阅资料，分析图形学在某一领域的具体应用及发展情况，并说明该领域人才的需求情况，撰写一篇2000字的综述文章，并用PPT汇报。此项目为毕业设计的文献综述、论文答辩，甚至将要从事的研究领域奠定基础。综述领域包括但不限于医学、交通、气象、航空航天、机械制造、教育、娱乐、城市规划、服装业、金融业。

◇与图形学相关的软件系统（作品）。

根据课程学习，最终形成一个与图形学相关的软件作品。课程结束前以答辩的形式汇报（用PPT展示作品，上交开发文档、源代码），好的作品将参加大学生科技创新项目、各种学科竞赛、毕业设计课题。

基于以上框架进行选题，具体主题和内涵由各小组自己确定。要求按照软件工程的思想，完成一个完整的CDIO项目过程，即从文献综述、需求分析（C）、框架方案设计（D）、代码编写（I），到测试运行（O）、答辩验收等软件项目开发流程，目的是训练学生按照软件工程的思想经历一次项目研发过程，并体会过程中的合作精神、责任意识及成就感。

以实现目标为主线，以基本知识操作技能递进学习、软件设计综合能力提升培养为两翼，实现知识学习、项目训练、能力培养融为一体。其一体化教学体系如下图所示。endprint

● 教学方法设计

IPR-CDIO强调以兴趣为先，社会责任与工程能力训练为本。教学项目设计是激发兴趣的根本，教学方法是激发兴趣的手段。CDIO倡导“做中学”教学法，目的是调动学生学习的主动性、积极性和创新性。在第一次课堂教学中教师要做好导学工作，要讲述课程教学目标、布置项目任务、公布评价指标、设计学生分组等环节，充分展示课程学习蓝图，激发学生想“做”的愿望和兴趣，抓住兴奋点。该课程在项目实施过程中，设有几次大讨论，如文献综述、需求分析、方案设计、作品预演、结果汇报等，使所有学生都有展示、表达的机会，特别是最后的作品汇报中，完全模拟毕业设计答辩过程，全体课程组教师和部分学生代表作为评委，目的是锻炼学生对问题的描述水平、口头表达以及应变能力。CDIO以各个小组在达成目标过程中的表现与效果作为评价与奖励的标准，这种机制可以把个人之间的竞争转化为小组之间的竞争，从而促使小组内部的合作，增强小组成员的责任感。

● 教学评价设计

《计算机图形学》设计了如下表所示的多元评价指标，即评价内容、主体及方法都是多元化的。从表中看出项目合作过程的成绩占总成绩的60%，有30%的成绩是对整个小组进行评价，个人在小组中的参与程度及对小组作出的贡献由小组长给出评价，以此促进学生增强团队协作精神和集体荣誉意识。

这种多元评价方式，可以有效杜绝部分学生靠投机取巧获取高分的现象，有利于促进学生自觉参与小组项目合作过程，脚踏实地地完成自己的任务，有利于增强学生的自信心和小组集体荣誉感，促进学生反思不足、认识差距，不断进步与发展。

教师在课程项目实施过程中，主要起引导或指导作用。针对项目实现中涉及的数学知识、编程技巧、艺术修养等，教师首先鼓励学生自主学习、小组讨论，或与相关专业同学协作等方式去解决问题，通过做中学、在讨论中成长的教学方法，锻炼学生自主解决问题的能力，最后教师要给予评价、总结与后续提升的引导，促进学生向更高的目标迈进。

● 结语

基于IPR-CDIO工程教育理念的《计算机图形学》教学设计在浙江万里学院计算机专业已经实施八年，得到了师生们的一致认可，学生的自主学习能力、创新意识和能力、项目研发与设计能力等得到加强，极大地锻炼了学生的合作意识、沟通交流能力及创新设计能力，毕业生就业质量得到普遍提高。学生的毕业设计中有很大一部分选择与图形学相关的课题，做出了许多优秀的毕业设计作品，有的作品成为教学案例，有的作品成为学生就业的敲门砖，有的作品获得了省、市级学科竞赛奖，有的学生在教师指导下发表了论文等。大多数毕业生在上海、杭州等大型软件公司做游戏开发、动画设计工作，有些已经成为项目经理、部门负责人，还有的已远涉日本从事外包软件设计等工作。

参考文献：

[1]李继芳，杨庆，方跃峰.基于IPR-CDIO理念的3级项目设计与实践[c]//大学计算机课程报告论坛组委会.大学计算机课程报告论坛论文集.北京：高等教育出版社，2010（5）32-36.

[2]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-9.

[3]李继芳，王仁芳，杨庆.IPR-CDIO教学理念在计算机图形学课程教学中的体现[J].高等理科教育，2009年教育教学研究专辑（二）：25-28.