基于CBL和CDIO混合教學(xué)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(yōu)秀的工程教育模式，在國(guó)內(nèi)外高校得到了廣泛的應(yīng)用。為了更有效地將CDIO教育模式應(yīng)用于《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》的教學(xué)中，文章引入基于競(jìng)賽機(jī)制的教學(xué)模式（Contest-Based Learning，CBL），建立基于CBL和CDIO相結(jié)合的混合教學(xué)模式。該模式用項(xiàng)目-知識(shí)樹(shù)（PKT）建立課程知識(shí)脈絡(luò)，用CBL推動(dòng)CDIO理念在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等方面的貫徹。

關(guān)鍵詞：CDIO；CBL；項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）12-0265-03

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的必修課程，具有研究?jī)?nèi)容豐富、預(yù)修課程多、理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。從計(jì)算機(jī)圖形的特點(diǎn)可以看出，教好這樣一門知識(shí)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(xué)效果，包括CDIO工程教育模式、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在內(nèi)的各種方法被應(yīng)用到圖形學(xué)的教學(xué)中[2][3][4]。CDIO工程教育模式是由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)在總結(jié)歐美20多年的工程教育改革的基礎(chǔ)上提出的一種工程教育模式。該模式自從2005年引入中國(guó)后，對(duì)中國(guó)的工程教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，與基于工程項(xiàng)目的PBL、追求有效學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出的OBE成為當(dāng)今教育界最有影響的三類工程教育模式[5]。基于競(jìng)賽機(jī)制的教學(xué)模式（Contest-Based Learning，CBL）強(qiáng)調(diào)“以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促創(chuàng)”[6]，將競(jìng)賽模式引入課堂，營(yíng)造緊張激烈的競(jìng)賽氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

本文主要在分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)現(xiàn)有教學(xué)中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，借鑒和吸收先進(jìn)的工程教育理念和標(biāo)準(zhǔn)，將基于競(jìng)賽機(jī)制的教學(xué)模式引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)中，探討建立CBL和CDIO相結(jié)合的混合教學(xué)模式。

一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課程伊始，明確項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)，建立學(xué)習(xí)小組

基于CDIO的教學(xué)理念要求學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[7][8]。然而長(zhǎng)期以來(lái)，受科學(xué)主義教育的影響，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)存在著二元分裂：一是理論和實(shí)踐的分裂，造成這種分裂的原因是基于實(shí)踐僅僅是對(duì)理論教學(xué)檢驗(yàn)的這種認(rèn)知。以往計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)大部分是以基本算法的講解為主，很少面向應(yīng)用。二是知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)點(diǎn)的分裂。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，知識(shí)點(diǎn)都是圍繞著算法展開(kāi)，而各個(gè)章節(jié)之間算法在以往的教學(xué)中都被設(shè)置為離散的、沒(méi)有聯(lián)系的獨(dú)立存在。由于存在以上分裂，使得學(xué)生無(wú)法系統(tǒng)化地掌握整門課程的內(nèi)容，而且不知如何把所學(xué)算法應(yīng)用到實(shí)際中。因此，進(jìn)行授課之前，教師需要構(gòu)造課程的項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)，以便將圖形學(xué)的知識(shí)形成一個(gè)完整的、理論和實(shí)踐緊密聯(lián)系的有機(jī)整體。

項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)（Project-Knowledge Tree，PKT）為如圖1所示的二叉樹(shù)，主要包含兩部分內(nèi)容：項(xiàng)目和課程知識(shí)點(diǎn)。為設(shè)計(jì)該項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)，教師需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的工程項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目不僅基于CDIO的教學(xué)理念，而且應(yīng)貫穿整門課程，融合課程知識(shí)。該項(xiàng)目可以分解為與章節(jié)知識(shí)點(diǎn)Ki相對(duì)應(yīng)的子項(xiàng)目Pi，在項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)中用結(jié)點(diǎn)P1-K1、P2-K2、……Pn-Kn表示；結(jié)點(diǎn)Pii-Kii表表示對(duì)子項(xiàng)目Pi細(xì)化所得到的一系列連續(xù)的子項(xiàng)目Pii和其相對(duì)應(yīng)的主體知識(shí)Kii，結(jié)點(diǎn)K′ii表示子項(xiàng)目Pii所對(duì)應(yīng)的、需學(xué)生自主學(xué)習(xí)的知識(shí)。主體知識(shí)Kii和自主學(xué)習(xí)知識(shí)K′ii的劃分方式將在本文的下一個(gè)小節(jié)中闡述。

通過(guò)項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)，學(xué)生可以直觀地了解圖形學(xué)的知識(shí)架構(gòu)，建立圖形學(xué)課程的全局觀。教師依據(jù)項(xiàng)目—知識(shí)樹(shù)的架構(gòu)授課有利于學(xué)生系統(tǒng)化、應(yīng)用化地學(xué)習(xí)圖形學(xué)課程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

CBL和CDIO相結(jié)合的混合教學(xué)模式注重以小組競(jìng)賽為手段推動(dòng)CDIO理念在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的應(yīng)用。該教學(xué)模式要求在課程伊始建立學(xué)習(xí)小組，以小組為單位參與課堂教學(xué)和課下自主學(xué)習(xí)。顯然建立小組的目的是進(jìn)行同伴互助學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流能力。小組成員的合理選擇有助于促進(jìn)小組的整體學(xué)習(xí)。在分組時(shí)應(yīng)遵循按照不同的能力結(jié)構(gòu)而不是學(xué)習(xí)成績(jī)進(jìn)行異質(zhì)分組的原則，使團(tuán)隊(duì)的構(gòu)成更合理。

（二）教學(xué)內(nèi)容主體化，自主學(xué)習(xí)主動(dòng)化

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的兩個(gè)基本特點(diǎn)是理論性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)，涉及了較多的數(shù)學(xué)理論的推導(dǎo)和算法。大多數(shù)教材中都采用了“數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)+算法實(shí)現(xiàn)”的模式，而且對(duì)同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)往往有多種算法。在教學(xué)中，教師通常對(duì)所有公式的推導(dǎo)和算法的實(shí)現(xiàn)都進(jìn)行講解。這種教學(xué)方式存在兩方面的問(wèn)題：首先是復(fù)雜數(shù)學(xué)理論的推導(dǎo)枯燥無(wú)味，對(duì)以軟件開(kāi)發(fā)為就業(yè)方向的學(xué)生幫助不大，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果較差；另外，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)普遍課時(shí)偏少，復(fù)雜理論的推導(dǎo)勢(shì)必占用本就不多的課時(shí)，不符合CDIO中面向應(yīng)用和實(shí)踐的教學(xué)理念。其次教師面面俱到的教學(xué)方法不符合CDIO模式中培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的理念。

在教學(xué)設(shè)計(jì)改革中，針對(duì)以上問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、能力培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)際應(yīng)用和授課課時(shí)等因素確定了教學(xué)的主體知識(shí)，用以在課堂上講解。在PKT樹(shù)中，主體知識(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)中的Kii。對(duì)于一些理論性特別強(qiáng)的知識(shí)不歸于主體知識(shí)，由教師進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述即可，如曲線的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)算法比較多的知識(shí)點(diǎn)，應(yīng)確定該知識(shí)點(diǎn)的典型算法作為課堂講解的主體知識(shí)，由教師進(jìn)行講解和演示程序，如直線的生成算法中只講解Bresenham畫(huà)線算法，其余的算法作為自主學(xué)習(xí)的知識(shí)由學(xué)生在課下按小組學(xué)習(xí)討論，編程實(shí)現(xiàn)并上傳給教師。

為了提高教學(xué)效果，圖形學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)。該資源平臺(tái)包括圖形學(xué)的課件、教學(xué)視頻、試題庫(kù)、參考資料等資源，可以實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主測(cè)試等操作。特別是針對(duì)自主學(xué)習(xí)的知識(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩類測(cè)試題：基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試題和應(yīng)用設(shè)計(jì)題。基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試題在課后某個(gè)固定的時(shí)刻開(kāi)放，以留出足夠的時(shí)間讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。為避免抄襲現(xiàn)象，該部分題目為隨機(jī)組卷生成。基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試題主要考察學(xué)生個(gè)體對(duì)知識(shí)的掌握程度。應(yīng)用設(shè)計(jì)題目也是隨機(jī)生成，這部分題目旨在鼓勵(lì)學(xué)生積極探索，動(dòng)手實(shí)踐，能夠?qū)⑺鶎W(xué)算法和前面知識(shí)相結(jié)合，并設(shè)計(jì)出豐富多彩的造型。為了達(dá)到以賽促學(xué)的目的，答案提交的時(shí)間和質(zhì)量都將影響小組的成績(jī)。

（三）主體知識(shí)微型化，團(tuán)體競(jìng)爭(zhēng)常態(tài)化

按照CDIO教學(xué)模式的框架，課程的教學(xué)必須突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)[4]，而目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教學(xué)普遍是以教師為中心、滿堂灌式的陳述性知識(shí)講解和傳授為主，學(xué)生被動(dòng)接受，參與度和積極性不高，團(tuán)隊(duì)協(xié)作更無(wú)從談起，制約了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和邏輯思維能力的拓展。

基于認(rèn)知負(fù)荷的視角分析教學(xué)可以發(fā)現(xiàn)[9]，課堂知識(shí)點(diǎn)越多，認(rèn)知負(fù)荷越高，學(xué)生精神集中的時(shí)間越短，研究發(fā)現(xiàn)，大部分教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行到十分鐘左右時(shí)學(xué)生的注意力開(kāi)始渙散。為此，在圖形學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，根據(jù)目標(biāo)知識(shí)樹(shù)中該節(jié)的知識(shí)架構(gòu)對(duì)主體知識(shí)進(jìn)行細(xì)化分割，形成一系列連貫的微知識(shí)。這些微知識(shí)可以是一個(gè)或者幾個(gè)定義、原理、算法，也可以是算法的實(shí)現(xiàn)程序。每個(gè)微知識(shí)包含內(nèi)容不宜過(guò)多，5至10分鐘內(nèi)講完為宜。對(duì)微知識(shí)的講解可以采用PPT展示、動(dòng)畫(huà)演示等多種表現(xiàn)形式以及任務(wù)法、啟發(fā)式教學(xué)、建構(gòu)主義教學(xué)等教學(xué)方法。教師針對(duì)每個(gè)微知識(shí)提出一定數(shù)量的問(wèn)題，根據(jù)難易程度標(biāo)以不同的分值，由各小組進(jìn)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(xiàn)猜題和抄襲現(xiàn)象。為了促使小組所有成員都積極參與到課堂教學(xué)中來(lái)，筆者在期末核算小組課堂搶答成績(jī)時(shí)設(shè)置了參與系數(shù)，小組中每個(gè)成員的參與度越高，實(shí)際獲得的分?jǐn)?shù)也會(huì)隨之提高，反之就會(huì)降低，零參與的成員不得分。參與系數(shù)的設(shè)置可以有效地避免“吃大鍋飯”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

主體知識(shí)微型化的設(shè)置將圖形學(xué)課程知識(shí)由面分割成點(diǎn)，使學(xué)生更容易理解和掌握課堂知識(shí)；同時(shí)競(jìng)賽模式引入課堂，促使學(xué)生在整個(gè)授課過(guò)程中精神必須高度集中，努力理解每個(gè)微知識(shí)，同組成員積極交流，才能在搶答時(shí)迅速做出正確的答案，有力地促進(jìn)CDIO教學(xué)理念在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

（四）實(shí)踐教學(xué)競(jìng)賽化，實(shí)踐內(nèi)容層次化

在以往科學(xué)主義教育思想下，實(shí)驗(yàn)課的主要目的是通過(guò)將算法編程實(shí)現(xiàn)以達(dá)到對(duì)課堂知識(shí)的檢測(cè)和鞏固，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容很少，導(dǎo)致學(xué)生的積極性不高，經(jīng)常出現(xiàn)代碼雷同的現(xiàn)象，不符合CDIO教學(xué)模式中培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的要求。同時(shí)，由于個(gè)人能力不同，學(xué)生對(duì)算法的理解程度和編程水平存在著一定的差距。

針對(duì)以上情況，可以將實(shí)驗(yàn)題目分為驗(yàn)證性題目、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性題目和項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)題目三個(gè)層次。驗(yàn)證性題目只需要將課堂所講算法實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用，比如學(xué)習(xí)完直線的繪制算法后，可以讓學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)矩形、三角形等簡(jiǎn)單的應(yīng)用。創(chuàng)新設(shè)計(jì)性題目需要學(xué)生能夠發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，將所學(xué)知識(shí)充分應(yīng)用，自由設(shè)計(jì)出各種精彩的造型。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)題目是必做題目。和理論課堂上類似，將一個(gè)完整的項(xiàng)目分解成多個(gè)難易適中的子模塊，作為實(shí)訓(xùn)題目分散到每一次實(shí)驗(yàn)中，每次課只需完成相關(guān)的實(shí)訓(xùn)題目。

實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三層化設(shè)置有效的提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。但是，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)團(tuán)隊(duì)中優(yōu)秀學(xué)生挑大梁包、辦所有實(shí)驗(yàn)題目的情況。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將CBL也引入實(shí)踐教學(xué)中，以賽促學(xué)，營(yíng)造緊張激烈的競(jìng)賽氛圍。團(tuán)隊(duì)在設(shè)置實(shí)驗(yàn)題目時(shí)，改變題目數(shù)量固定的設(shè)置。除項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)題目，其余每種類型的題目都可以有多題，根據(jù)難易度給予不同的分值，各小組根據(jù)整體能力選擇任意類型和數(shù)量的題目。一般驗(yàn)證性題目的數(shù)量和分值都要小于創(chuàng)新設(shè)計(jì)性題目，促使學(xué)生更多的去選擇創(chuàng)新設(shè)計(jì)性題目，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和應(yīng)用能力的目的。

將實(shí)踐教學(xué)競(jìng)賽化后，緊張激烈的競(jìng)賽氛圍貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)課。各小組成員必須通力合作，充分挖掘個(gè)人潛能，才能在短短的100分鐘內(nèi)做出更多的題目，獲得更高的分?jǐn)?shù)。個(gè)體的綜合能力和努力程度都會(huì)影響小組的成績(jī)，有效地遏制了學(xué)生厭學(xué)、懶惰的現(xiàn)象。同時(shí)實(shí)踐內(nèi)容的三層化設(shè)置，兼顧基礎(chǔ)、創(chuàng)新和應(yīng)用三個(gè)方面，引導(dǎo)學(xué)生知行合一，既鞏固了學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)際應(yīng)用能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

二、結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和實(shí)踐操作等方面存在的問(wèn)題進(jìn)行具體的分析，提出了基于CBL和CDIO理念的混合教學(xué)模式。該教學(xué)模式對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方法進(jìn)行了改革。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)改革，學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力有了較大的提高，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。

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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，F(xiàn)uyang Normal University，F(xiàn)uyang，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