新工科理念下的实验课程教学改革与实践探索

蔡剑红,霍 亮，朱 凌

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616)

继2010年6月教育部正式启动的“卓越工程师培养计划”以来，联合国教科文组织在2015年的研究报告中指出：世界高等教育正在发生革命性变化，并呈现出了“大众化、多样化、国际化、终身化、信息化”的趋势，高等工程教育进行了多次转型，从“技术范式”转换为“科学范式”，又转换成“工程范式”，并时刻瞄准未来的新范式。随着在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的推进，2016年卓越计划的升级版“新工科”概念被提出[1]。新包含新兴、新型和新生3方面含义。新工科大体上有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征[2]。

随着互联网通信技术、大数据、物联网、云计算等技术的迅猛发展，互联网技术的成熟和快速发展使网络新技术应用于教学成为新趋势。伴随社会科技浪潮一波接一波扑面而来，社会对人才、对创造力的需求也在爆炸性地增长。为培养高端技术人才，在高校如何激发学生的想象力，调动学生的学习兴趣和热情，让学生自主学习，突破单纯的学科壁垒，以跨学科交叉培养模式，进行多学科交叉与融合教学，提升实际操作能力，提高综合素质，是实践课程教学中需要不断追求和探索的内容。

文献[3]对新工科的现实瓶颈与建设思路等进行分析。滑铁卢大学的合作导向模式、麦克马斯特大学的问题导向模式、瑞尔森大学的实践导向模式[4]，都为高等工程教育课程建设提供了很好的方向和思路。尽管高校师生对团队融入与团队协作能力、沟通与表达能力、运用知识能力、研究与创新能力等的重要性有高度重视[5]，但目前实验教学时与实际工程相互结合的教学模式依然较缺乏，学生对知识综合应用能力及解决实际问题的能力的培养尚欠缺。尽管已提出并实践“做学教”一体化教学模式，进行项目化课程开发，在师生“做”“学”“教”3个能力层面和配套资源建设等方面进行了探索和实践[6]，但从学生对实践课程的满意态度来看，学生参加校内外实习机会偏少，完整参与一个项目或课题实施的机会较少[7]。

基于此，本文以笔者所在的测绘专业本科大四学生的三维建模实践为例，对项目教学、多学科知识的交融进行实践。3ds Max三维建模课程内容多，计划学时较少，为了减轻学生学习压力、提高学生学习兴趣、改进教学效果、顺利推进卓越计划2.0，针对培养要求和实验课程自身特点，笔者在课程内容安排、教学方式、考核机制等方面进行了积极的改革探索，并在教学中加以实践。笔者采用项目教学的方式，既能减少教学中的重复性，又能更好地解决教学中的重点难点，还能激励学生自主学习能力，信息化教学成为新潮流。3ds Max实践教学在信息化教学过程中教学模式呈现出多样化，可以优化教学，提升教学效率，并进行多软件的融合教学，能使学生更好地掌握专业知识，更易引发发散性思维产生新的思想和创意。

1 3ds Max实践教学内容和教学方式

本次实验是一周实验操作，要求学生学习和掌握3ds Max几何建模、材质贴图、灯光和摄像机功能等知识，进行二维和三维对象建模，通过材质编辑器进行纹理贴图，利用灯和摄像机进行环境效果设置，并能熟练进行编辑、修改、渲染。本次实验教学采用项目教学与分层次教学相结合。其中，基于项目教学的主要形式是以老师拟定某个项目题目让学生分工合作完成的形式出现。本次实验内容需要学生完成图书馆室内和图书馆外外景三维建模和贴图，内容包括图书馆内部的效果图、图书馆周边的各种建筑和景物等。实验任务分组完成，以个人为单位，每人一台电脑独立完成。最后的环节是答辩演示，包括制作过程、碰到的难题、如何解决和最后的体验。

网络新技术的应用为实验教学提供了一个全新的信息传播媒介，为了实时地进行师生互动，除了实验课堂上的实时互动教学外，老师还建立微信群，便于课后实时和学生交流，共同探讨问题，让学生在练习和制作中发现问题并与教师、同学进行实时交流，主动寻找解决问题的方案；同时充分利用网络资源，收集并整合优秀的教学案例，在云平台发布相关学习资料，包括重难点的文字、视频资料等，便于学生自学。

在教学方式方面，老师精心设计入门案例，采用启发式教学。通过案例老师进行示范讲解，主要涉及三维的基本操作界面、基本操作及其工作流程。由于模型创建具有多样性，老师打破固定的模式，鼓励学生采用不同方法进行三维建模；利用简单的几何体的创建引导学生养成3ds Max的思维和操作习惯，让学生具备空间能力、科学的学习和锻炼方法，掌握基本的操作技巧，并养成良好的操作习惯。在教学手段方面，3ds Max课程的教学效果的体现就是学生的操作能力和创造能力。复杂的操作过程和指令实现，经过反复练习，学生能够自如地进行建模；同时老师充分肯定学生的质疑、重视和鼓励学生的创新意识，激发学生的学习兴趣。

本文实验鼓励学生应用多软件的融合，包括CAD软件，其他的三维建模软件，如PhotoScan、Smart3D、激光扫描三维建模软件等。在进行智慧城市的三维建模方面，3ds Max有一定的应用需求[8]，作为测绘专业，结合这些倾斜摄影测量、激光扫描三维建模、摄影测量三维建模等软件，进行多软件的融合教学，符合学生的专业需求，同时有利于促进3ds Max的学习和使用。当然，这种多软件融合教学主要体现出3ds Max的主导地位，即围绕主题实验进行展开。

2 3ds Max教学及成果

由于本课程是针对测绘学院的大四学生，由测绘学院开设的课程，所以在建模方面有着深厚的测绘情怀，潜意识里会去强化数据质量，模型精度问题。

在数据采集上，学生们采用多种方式方法。对于外景建模，学生利用高德地图或百度地图、卫星影像制作绘制区域的CAD图纸，利用其测距功能，按照地图所示绘制了底图；然后铺设一层地面，再根据测距加上绿地并作出挤出的效果，如图1所示。

地图可能有与实景不相符的地方，学生到实地进行了考察拍照，作为数据的收集，并在之后不断修改道路和绿地部分。在组员之间、不同组的成果拼接方面，为了地物拼接的精准，学生按照高德地图和实地考察，在道路和绿地上用平面框定了位置。在侧视图和顶视图中逐步将其他组员的地物拼接进来。如图2—图4所示。

对于室内三维建模，除了老师提供的各种资料，学生还通过网络资源学习了很多非常精美的室内设计三维建模。对于图书馆的三维框架，学生搜索到图书馆的设计图，然后进行AutoCAD建立；在图书馆各个楼层，学生测量了要制作的桌子、椅子、书柜、楼梯等室内学习用品的尺寸，并绘制成CAD平面图，导入3ds Max软件，再利用挤出、轮廓、布尔等操作，完成了桌子、椅子、书柜、楼梯等室内学习用品的三维模型制作，如图5所示。

对于图书馆后的四合院和凉亭的三维建模，其屋顶有着中国古代建筑风格，在三维建模上有着一定的难度。通过老师提供的古代建筑物的建模资料，学生很自如地进行了三维建模，如图6所示。

对于不规则形状物体的建模，学生积极主动地查找各种资料，尝试各种方法。

由于树的破碎性、复杂性，用现有的三维建模软件无法进行精确地三维建模。有建模树木的学生没有采用3ds Max软件自带的“树”模型Foliage，而是通过树干和树叶的几何特性及其分布特点直接画出来。针对校内主要是柳树和短枝阔叶树，学生尝试了多种方法，最后经过资料查找和学习，借助于一些插件进行树枝和树干的建模，先画出基准线描述树枝和树干的中心走向，然后通过样条线拟合出变化的圆柱形树枝和树干，使用三角网进行插值计算树枝树干的表面。对于树叶建模部分，由于树叶的走向按照树枝的方向排列，也根据树枝的方向插值出参考线，进而根据参考线进行阵列，最后选择材质和贴图完善树枝树叶的渲染效果，如图7所示。

虽然3ds Max软件内置有“树”模型，对于这种几何形状破碎而复杂的物体是从随机分形的算法去模拟实现，但单从三维建模技能掌握而言，通过这种练习，不但能激发学生的学习主动性和兴趣，而且在三维建模方面已经具备了一定的实操能力。学生的种种尝试显然值得鼓励和嘉奖，同时老师也鼓励学生多查资料、多学习、多动脑、多动手；甚至结合测绘专业，在精确建模的前提下，当用车载、机载激光扫描、无人机倾斜摄影测量等手段获取树的点云数据时，能否尝试提出新算法对树进行三维建模，这也是引导学生在专业背景下提出更高的要求，引发学生进一步的实践、思考、探索和研究。

对于图书馆后的雕塑，这也是几何形状极不规则的复杂物体。由于学生的测绘背景，对其进行精确地三维建模时，学生采用三维激光扫描获取点云数据并进行三维建模，然后集成到3ds Max系统中。

在对歌雕塑四周分别设了4站，每站平均8分钟的较高精度扫描。利用Cyclone软件进行了4站点云数据的配准，利用Geomagic软件进行了去噪、封装、填孔和纹理贴图，最后完成对歌雕塑模型。其中，在进行填孔时，由于对歌是一个环状的雕塑，有里层和外层，点云数据在封装时会有交叉，表面与内部的数据有重叠，需要逐个修正。将它导入3ds Max软件中，在场景中安置在相应的位置并进行修补和调整。

从测绘的角度考虑现有的三维建模软件，如Smart3D、PhotoScan、三维激光扫描软件等进行三维建模，并融入3ds Max来进行虚拟场景的建立，还可以与ArcGIS Engine软件[9]、超图三维建模软件、SketchUp软件等结合进行城市三维建模等[10]，将测绘专业的最新软件成果与3ds Max软件相融合，将学科前沿知识和技能融入实践课程中，将最新的学术资源与研究成果[11]推荐给学生，使学生能拥有知识整合能力，快速学习新知识掌握新技能的能力，无论是毕业走向工作岗位，还是继续深造读研，都受益匪浅。

3 教学评价

项目教学和多学科融合模式的教学评价较为复杂，在评价目标、评价标准、评价方法、评价主体和评价反馈方面，笔者也做了新的尝试。首先，笔者理解和尊重学生的个体差异，将这种差异与学生的兴趣、未来发展相结合，注重学生未来的专业发展空间，体现学生的未来价值，促进其自身的发展。其次，结果性评价和过程性评价相结合，评价不是以任务是否完成作为唯一评价标准，而是充分考虑其过程，包括任务的完成过程，任务期间遇到了什么难题，如何解决，最后得到什么结果，不设定唯一正确的答案，只要有合理的理由，都被认为是正确的，在这过程中，笔者尤其强调“创新”“生产知识”，而不是传统教学中给定的标准答案。再次，教学目标和职业要求相结合，以职业岗位的要求作为评价标准，将教学标准与行业标准接轨，课程标准与职业资格标准接轨，实现课程教学与学生职业生涯发展的协调，合理调控学生的基本知识和理解能力、创意思维能力和外延的拓展能力所占的比重。最后，形成性评价和总结性评价相结合，在教学评价反馈方面，总结性评价和形成性评价相结合，形成性评价包括个人用PPT展示自己成果，所碰到的问题及其解决方案而形成个体点评，各组组长展示小组成果而形成小组点评，学习委员展示整个班的项目的最后成果，形成整体点评，最后通过效果的判断、分等鉴定和等级评定得到总结性评价。

4 结 语

在应用型实践中，笔者充分尊重和重视学生间的个体差异，并极力鼓励学生的主动性和能动性，并给予足够的创作空间和自由度，让学生在好奇心的驱使下，充分施展想象力和创造力，提出新颖的想法并努力实践，提升学生的独立思考和实操能力，成为不断学习的终身学习者。评价方式上，以项目为导向，培养学生的创新意识和跨学科思维，考核方式上侧重学生自学能力、动手能力、分析和解决问题能力和创造能力，培养学生的创新思维，提高工程实践能力等。通过项目教学，加强了三维建模应用型人才培养过程对学生自学实践能力、团队合作能力的提升，学生更具团队合作意识，在相互交流和合作中，不断成长。

但目前该项目教学的主要形式还是停留在以老师拟定项目，这与行业、企业的职业标准和岗位能力要求上会有所出入，这就有必要与政府企业项目建立起合作平台，将相关企业项目引入实验课堂，企业积极参与培养方案的修订，有来自企业的授课教师进行指导，甚至建立校外实践基地[12]，并以“创新”与“研究”的定位更好地服务企业和社会[13]，来更好地适应“新工科”对人才的培养要求，符合我国工程教育模式创新，建立起一套“集成教育理念、教育内容、教育方法和手段、管理制度体系和保障支撑体系”[14]。