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摘要：
为提高学生的实践与综合设计能力，结合CDIO教学理念，分析现有实时视景仿真综合课程设计中存在的问题，提出对教学模式进行研究和改革的思路，并设计了完整的教学改革措施。从实践效果来看，教学改革提高了学生的学习兴趣，对培养学生的主动学习能力、实践能力和工程素养有很好促进作用。
关键词：
CDIO教学理念；教学改革；课程设计
1教学中存在的问题
视景仿真综合课程设计是仿真科学与技术学科的本科生的一门专业课，视景仿真综合课程设计教学效果的好坏直接影响到学生对图形学与仿真课程组相关知识和技能的掌握。提高教学效果，增强学生的综合实践能力是教学改革的目标。在以往课程教学中，存在以下问题：①以往的教学安排是由指导教师详细讲解课程设计的要求和具体内容，学生只是按部就班的完成课程设计，不利于发挥学生的自主创新能力；②部分学生存在学习目标不明确，对课程的重视程度不够，课程设计过程中只是被动地接受知识，不能主动和有目的地学习；③综合课程设计的时间集中在两周内完成，课程内容较多，涉及面较广，深入讲解和指导困难；④考核方式单纯采用大作业方式，以检查编码为主，忽视了对学生的查阅资料能力、规范设计能力和团队协作能力等方面的考核，不能很好地反映学生理论和实践学习效果。
2教学改革探讨
自2000开始，美国麻省理工学院、瑞典查尔摩斯工业大学、瑞典皇家工学院和瑞典林雪平大学等四所高等学府在KnutandAliceWallenberg基金会资助下，通过共同探索研究，创立了CDIO工程教育模式，并成立了CDIO国际合作组织［2］。CDIO是Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实施）和Operate（运作）等英文的缩写。它以产品从研发到运行的生命周期为载体，以产业需求为导向，教学内容与产业发展相结合，通过系统的产品设计让学生能够以主动的、实践的、课程间有机联系的方式进行学习，以培养适应产业发展的合格工程人才［3］。针对实时视景仿真综合课程设计在实际教学中存在的问题，将CDIO工程的教育理念应用到《实时视景仿真综合课程设计》的教学实践中，以实际需求、工程方法与学生的学习活动相结合，能够有效地提高教学质量。教学改革的思路为：根据该课程的教学大纲，对课程教学目标进行具体化和分类化，并转换为学生的学习目标；以3－4个学生为一组，组成相应的课题小组，课题小组成员相互合作，共同完成工程项目；在项目执行过程中，培养学生的团队合作精神，系统地运用CDIO工程的理念进行构思、设计、实现和运作，给予学生更多解决实际工程问题的机会，让学生更加贴近市场和企业的需求。
3CDIO模式下教学改革的实施
3．1课程设计内容的改革
综合课程设计的内容选择是否得当，直接关系到课程的教学效果。以往的实时视景仿真综合课程设计选题综合考虑了计算机图形学、实时仿真技术、虚拟现实和视景仿真技术等课程的知识点与理论体系，符合培养方案的要求。由于没有与实际需求结合，缺乏对学生综合应用能力的训练，学生解决实际问题的能力没有得到提升，不能满足市场对视景仿真人才的需求。因此，指导实时视景仿真综合课程设计的教师在设计课题内容时应与CDIO模式的教育理念紧密结合，以实际需求为导向，以培养学生的综合应用能力作为根本，结合实际工程项目的设计制作过程，关注视景仿真领域的最新研究成果与方向，提高学生在综合课程设计中主动性。根据以上思路，指导教师在设计综合课程设计的题目和内容时，主要从三个方面考虑：①走访视景仿真领域的相关公司和企业，了解他们对人才的需求，从已有项目中提取一些具有工程实践背景的设计题目，如虚拟装配系统、数字沙盘系统及三维管线系统等；②结合指导教师及学院内其他教师现有的纵向和横向科研项目，从中提取部分内容来拟定合适的课程设计题目，如数字地球、数字海洋及GPS轨迹可视化等；③结合视景仿真的研究热点，与实际需求结合来拟定设计题目，如高精度全局光照、大规模场景实时绘制、基于GPU的实时渲染及实时碰撞检测等。
3．2教学模式的改革
综合课程设计应当充分体现综合性、设计性及创新性。它并不是简单地将几门课程的实验内容组合在一起，而是强调对学生综合应用能力的培养。这一点与CDIO模式的教学理念较为契合。在教学模式改革中，借鉴ACM程序设计大赛的模式，将学生分为多个兴趣小组，以小组为单位进行选题、设计、编码及答辩［4］。具体步骤如下：①将以往两周内集中完成的课程设计，改为贯穿整个学期，每周两次课，每次3个学时。除了集中设计时间外，指导教师还需在每周指定1－2个下午为固定答疑时间；②在综合课程设计开始的第一周，指导教师向学生介绍课程设计的目标、内容及注意事项，并对设计过程中涉及的视景仿真引擎如OpenSceneGraph、osgEarth、osgOcean及Ogre等进行深入讲解；③学生了解课程设计的题目和内容后，按个人意愿自由组合，形成3－4人的设计小组。在与指导教师充分讨论后，每个设计小组选择一个设计题目，该步骤的时间跨度为2周；④在确定课程设计题目后，设计小组开始查阅资料，撰写开题报告和需求分析报告，交由指导教师审阅并指导。该步骤的时间跨度为2周；⑤在完成需求分析报告的基础上，完成系统方案的功能设计，并在指导教师的协助下，完成系统设计方案及详细设计文档。该步骤的时间跨度为3周；⑥根据系统设计方案和详细设计文档，设计小组根据选题，选择OpenGL、Direct3D、Open－SceneGraph、或Ogre等图形开发工具完成课程设计的编码工作，初步形成工程系统。在开始编码阶段，指导教师需对编程风格和具体要求进行详细地讲解。该步骤的时间跨度为6周；⑦针对已完成的工程系统，设计小组编写测试大纲，对系统进行测试，并对bug进行修正，最终形成完整的测试报告。该步骤的时间跨度为2周；⑧在综合课程设计的最后一周，由指导教师组织课程设计答辩，对所有学生进行考核。在答辩过程中，学生需阐述个人在课程设计过程中所承担的工作，课题的设计理念及实现过程，并现场回答教师的问题。在视景仿真综合课程设计的实施过程中，充分利用CDIO模式的教学理念，采用做中学的教学方式去进行基本环节的全面训练，让学生能够积极主动地学习，提高学生的综合应用能力［5］。因为课程设计的时间跨度较长，指导老师有充足的时间对各个教学环节进行指导和监督，使得整个课程设计符合软件工程开发的流程，让学生建立了以往教学模式中缺乏的工程价值观。
3．3考核方式的改革
CDIO是为了培养全面发展的工程师，希望未来的工程师能够在一个现代的、团队合作的环境中，运用构思一设计一实施一运作的策略来共同应对来自现代复杂的技术社会中工程要求的挑战［6］。CDIO的一个核心信念是产品、过程和系统的建造能力必须在真实的工程实践和解决问题的环境中取得［7］。因此，为尽可能与实际项目开发流程保持一致，克服单纯以编码为考核手段的片面性，综合课程设计的最后成绩也由4部分组成：设计成绩、产品成绩、团队成绩及答辩成绩。（1）指导老师根据设计小组提交的文档报告给出设计成绩，其中文档报告包括开题报告，需求分析报告、系统方案报告、详细设计文档、测试文档及测试报告等。设计成绩主要考察学生所查阅资料的丰富程度，设计方案的可行性与规范性，分析问题的深入程度及解决问题的具体效果等。（2）产品成绩主要由设计小组提交的工程系统决定。重点考察学生是否按编程规范进行编码，如代码的整体结构，命名空间的使用，变量、函数、类及接口的定义，指针的运用以及程序注释的完备程度等。（3）团队成绩由同组同学给予，主要考核小组中每位同学在整体设计过程中所做的努力和贡献。（4）答辩成绩由课程设计的答辩小组教师集体给予。答辩是视景仿真综合课程设计必不可少的环节，它对验证整体课程设计教学效果起着重要作用。学生的答辩准备实质上是对课程设计过程中所承担工作的梳理与概括，有助学生进一步巩固所用的知识。现场答辩既能够锻炼学生的表述能力，又能够提供一种有效的交流方式，使教师可以有效了解学生对知识点的掌握程度。在现场答辩时，指导教师还能够对课程设计中存在的共性问题进行集中答疑，加深学生的印象。在课程设计结束后，指导教师应对设计过程的各个环节进行分析和总结，找到存在的问题，并给出相应的改进措施。通过这种方式，指导教师能够从整体上把握教学效果，并能够对不足之处不断地优化和改进。教学实践证明，课程改革取得了较好的成果，提高了学生的学习热情，培养他们的主动学习能力和实践能力，加强他们的工程素养。
作者：邹华 单位：武汉大学计算机学院
参考文献：
［1］王精业，杨学会，徐豪华．仿真科学与技术的学科发展现状与学科理论体系［J］．科技导报，2007（12）．
［2］李铮，陈得宝，苗曙光，等．CDIO工程教育模式下综合课程设计的教学改革［J］．淮北师范大学学报：自然科学版，2013（2）．
［3］王刚．CDIO工程教育模式的解读与思考［J］．中国高教研究，2009（5）．
［4］陈娟．ACM程序设计竞赛探讨［J］．实验科学与技术，2010（6）．
［5］凌丹，牟萍．在综合课程设计中培养学生的创新能力［J］．中国大学教育，2013（12）．
［6］胡文龙．基于CDIO的工科探究式教学改革研究［J］．高等工程教育研究，2014（1）．
［7］郭皎，鄢沛，应宏，等．基于CDIO的计算机专业实验教学改革［J］．实验技术与管理，2011（2）．