新工科理念下的實驗課程教學改革與實踐探索

蔡劍紅,霍 亮，朱 凌

(北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616)

繼2010年6月教育部正式啟動的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”以來，聯(lián)合國教科文組織在2015年的研究報告中指出：世界高等教育正在發(fā)生革命性變化，并呈現(xiàn)出了“大眾化、多樣化、國際化、終身化、信息化”的趨勢，高等工程教育進行了多次轉(zhuǎn)型，從“技術(shù)范式”轉(zhuǎn)換為“科學范式”，又轉(zhuǎn)換成“工程范式”，并時刻瞄準未來的新范式。隨著在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟背景下工程教育改革的推進，2016年卓越計劃的升級版“新工科”概念被提出[1]。新包含新興、新型和新生3方面含義。新工科大體上有引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性等特征[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和快速發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)用于教學成為新趨勢。伴隨社會科技浪潮一波接一波撲面而來，社會對人才、對創(chuàng)造力的需求也在爆炸性地增長。為培養(yǎng)高端技術(shù)人才，在高校如何激發(fā)學生的想象力，調(diào)動學生的學習興趣和熱情，讓學生自主學習，突破單純的學科壁壘，以跨學科交叉培養(yǎng)模式，進行多學科交叉與融合教學，提升實際操作能力，提高綜合素質(zhì)，是實踐課程教學中需要不斷追求和探索的內(nèi)容。

文獻[3]對新工科的現(xiàn)實瓶頸與建設(shè)思路等進行分析。滑鐵盧大學的合作導(dǎo)向模式、麥克馬斯特大學的問題導(dǎo)向模式、瑞爾森大學的實踐導(dǎo)向模式[4]，都為高等工程教育課程建設(shè)提供了很好的方向和思路。盡管高校師生對團隊融入與團隊協(xié)作能力、溝通與表達能力、運用知識能力、研究與創(chuàng)新能力等的重要性有高度重視[5]，但目前實驗教學時與實際工程相互結(jié)合的教學模式依然較缺乏，學生對知識綜合應(yīng)用能力及解決實際問題的能力的培養(yǎng)尚欠缺。盡管已提出并實踐“做學教”一體化教學模式，進行項目化課程開發(fā)，在師生“做”“學”“教”3個能力層面和配套資源建設(shè)等方面進行了探索和實踐[6]，但從學生對實踐課程的滿意態(tài)度來看，學生參加校內(nèi)外實習機會偏少，完整參與一個項目或課題實施的機會較少[7]。

基于此，本文以筆者所在的測繪專業(yè)本科大四學生的三維建模實踐為例，對項目教學、多學科知識的交融進行實踐。3ds Max三維建模課程內(nèi)容多，計劃學時較少，為了減輕學生學習壓力、提高學生學習興趣、改進教學效果、順利推進卓越計劃2.0，針對培養(yǎng)要求和實驗課程自身特點，筆者在課程內(nèi)容安排、教學方式、考核機制等方面進行了積極的改革探索，并在教學中加以實踐。筆者采用項目教學的方式，既能減少教學中的重復(fù)性，又能更好地解決教學中的重點難點，還能激勵學生自主學習能力，信息化教學成為新潮流。3ds Max實踐教學在信息化教學過程中教學模式呈現(xiàn)出多樣化，可以優(yōu)化教學，提升教學效率，并進行多軟件的融合教學，能使學生更好地掌握專業(yè)知識，更易引發(fā)發(fā)散性思維產(chǎn)生新的思想和創(chuàng)意。

1 3ds Max實踐教學內(nèi)容和教學方式

本次實驗是一周實驗操作，要求學生學習和掌握3ds Max幾何建模、材質(zhì)貼圖、燈光和攝像機功能等知識，進行二維和三維對象建模，通過材質(zhì)編輯器進行紋理貼圖，利用燈和攝像機進行環(huán)境效果設(shè)置，并能熟練進行編輯、修改、渲染。本次實驗教學采用項目教學與分層次教學相結(jié)合。其中，基于項目教學的主要形式是以老師擬定某個項目題目讓學生分工合作完成的形式出現(xiàn)。本次實驗內(nèi)容需要學生完成圖書館室內(nèi)和圖書館外外景三維建模和貼圖，內(nèi)容包括圖書館內(nèi)部的效果圖、圖書館周邊的各種建筑和景物等。實驗任務(wù)分組完成，以個人為單位，每人一臺電腦獨立完成。最后的環(huán)節(jié)是答辯演示，包括制作過程、碰到的難題、如何解決和最后的體驗。

網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用為實驗教學提供了一個全新的信息傳播媒介，為了實時地進行師生互動，除了實驗課堂上的實時互動教學外，老師還建立微信群，便于課后實時和學生交流，共同探討問題，讓學生在練習和制作中發(fā)現(xiàn)問題并與教師、同學進行實時交流，主動尋找解決問題的方案；同時充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，收集并整合優(yōu)秀的教學案例，在云平臺發(fā)布相關(guān)學習資料，包括重難點的文字、視頻資料等，便于學生自學。

在教學方式方面，老師精心設(shè)計入門案例，采用啟發(fā)式教學。通過案例老師進行示范講解，主要涉及三維的基本操作界面、基本操作及其工作流程。由于模型創(chuàng)建具有多樣性，老師打破固定的模式，鼓勵學生采用不同方法進行三維建模；利用簡單的幾何體的創(chuàng)建引導(dǎo)學生養(yǎng)成3ds Max的思維和操作習慣，讓學生具備空間能力、科學的學習和鍛煉方法，掌握基本的操作技巧，并養(yǎng)成良好的操作習慣。在教學手段方面，3ds Max課程的教學效果的體現(xiàn)就是學生的操作能力和創(chuàng)造能力。復(fù)雜的操作過程和指令實現(xiàn)，經(jīng)過反復(fù)練習，學生能夠自如地進行建模；同時老師充分肯定學生的質(zhì)疑、重視和鼓勵學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的學習興趣。

本文實驗鼓勵學生應(yīng)用多軟件的融合，包括CAD軟件，其他的三維建模軟件，如PhotoScan、Smart3D、激光掃描三維建模軟件等。在進行智慧城市的三維建模方面，3ds Max有一定的應(yīng)用需求[8]，作為測繪專業(yè)，結(jié)合這些傾斜攝影測量、激光掃描三維建模、攝影測量三維建模等軟件，進行多軟件的融合教學，符合學生的專業(yè)需求，同時有利于促進3ds Max的學習和使用。當然，這種多軟件融合教學主要體現(xiàn)出3ds Max的主導(dǎo)地位，即圍繞主題實驗進行展開。

2 3ds Max教學及成果

由于本課程是針對測繪學院的大四學生，由測繪學院開設(shè)的課程，所以在建模方面有著深厚的測繪情懷，潛意識里會去強化數(shù)據(jù)質(zhì)量，模型精度問題。

在數(shù)據(jù)采集上，學生們采用多種方式方法。對于外景建模，學生利用高德地圖或百度地圖、衛(wèi)星影像制作繪制區(qū)域的CAD圖紙，利用其測距功能，按照地圖所示繪制了底圖；然后鋪設(shè)一層地面，再根據(jù)測距加上綠地并作出擠出的效果，如圖1所示。

地圖可能有與實景不相符的地方，學生到實地進行了考察拍照，作為數(shù)據(jù)的收集，并在之后不斷修改道路和綠地部分。在組員之間、不同組的成果拼接方面，為了地物拼接的精準，學生按照高德地圖和實地考察，在道路和綠地上用平面框定了位置。在側(cè)視圖和頂視圖中逐步將其他組員的地物拼接進來。如圖2—圖4所示。

對于室內(nèi)三維建模，除了老師提供的各種資料，學生還通過網(wǎng)絡(luò)資源學習了很多非常精美的室內(nèi)設(shè)計三維建模。對于圖書館的三維框架，學生搜索到圖書館的設(shè)計圖，然后進行AutoCAD建立；在圖書館各個樓層，學生測量了要制作的桌子、椅子、書柜、樓梯等室內(nèi)學習用品的尺寸，并繪制成CAD平面圖，導(dǎo)入3ds Max軟件，再利用擠出、輪廓、布爾等操作，完成了桌子、椅子、書柜、樓梯等室內(nèi)學習用品的三維模型制作，如圖5所示。

對于圖書館后的四合院和涼亭的三維建模，其屋頂有著中國古代建筑風格，在三維建模上有著一定的難度。通過老師提供的古代建筑物的建模資料，學生很自如地進行了三維建模，如圖6所示。

對于不規(guī)則形狀物體的建模，學生積極主動地查找各種資料，嘗試各種方法。

由于樹的破碎性、復(fù)雜性，用現(xiàn)有的三維建模軟件無法進行精確地三維建模。有建模樹木的學生沒有采用3ds Max軟件自帶的“樹”模型Foliage，而是通過樹干和樹葉的幾何特性及其分布特點直接畫出來。針對校內(nèi)主要是柳樹和短枝闊葉樹，學生嘗試了多種方法，最后經(jīng)過資料查找和學習，借助于一些插件進行樹枝和樹干的建模，先畫出基準線描述樹枝和樹干的中心走向，然后通過樣條線擬合出變化的圓柱形樹枝和樹干，使用三角網(wǎng)進行插值計算樹枝樹干的表面。對于樹葉建模部分，由于樹葉的走向按照樹枝的方向排列，也根據(jù)樹枝的方向插值出參考線，進而根據(jù)參考線進行陣列，最后選擇材質(zhì)和貼圖完善樹枝樹葉的渲染效果，如圖7所示。

雖然3ds Max軟件內(nèi)置有“樹”模型，對于這種幾何形狀破碎而復(fù)雜的物體是從隨機分形的算法去模擬實現(xiàn)，但單從三維建模技能掌握而言，通過這種練習，不但能激發(fā)學生的學習主動性和興趣，而且在三維建模方面已經(jīng)具備了一定的實操能力。學生的種種嘗試顯然值得鼓勵和嘉獎，同時老師也鼓勵學生多查資料、多學習、多動腦、多動手；甚至結(jié)合測繪專業(yè)，在精確建模的前提下，當用車載、機載激光掃描、無人機傾斜攝影測量等手段獲取樹的點云數(shù)據(jù)時，能否嘗試提出新算法對樹進行三維建模，這也是引導(dǎo)學生在專業(yè)背景下提出更高的要求，引發(fā)學生進一步的實踐、思考、探索和研究。

對于圖書館后的雕塑，這也是幾何形狀極不規(guī)則的復(fù)雜物體。由于學生的測繪背景，對其進行精確地三維建模時，學生采用三維激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)并進行三維建模，然后集成到3ds Max系統(tǒng)中。

在對歌雕塑四周分別設(shè)了4站，每站平均8分鐘的較高精度掃描。利用Cyclone軟件進行了4站點云數(shù)據(jù)的配準，利用Geomagic軟件進行了去噪、封裝、填孔和紋理貼圖，最后完成對歌雕塑模型。其中，在進行填孔時，由于對歌是一個環(huán)狀的雕塑，有里層和外層，點云數(shù)據(jù)在封裝時會有交叉，表面與內(nèi)部的數(shù)據(jù)有重疊，需要逐個修正。將它導(dǎo)入3ds Max軟件中，在場景中安置在相應(yīng)的位置并進行修補和調(diào)整。

從測繪的角度考慮現(xiàn)有的三維建模軟件，如Smart3D、PhotoScan、三維激光掃描軟件等進行三維建模，并融入3ds Max來進行虛擬場景的建立，還可以與ArcGIS Engine軟件[9]、超圖三維建模軟件、SketchUp軟件等結(jié)合進行城市三維建模等[10]，將測繪專業(yè)的最新軟件成果與3ds Max軟件相融合，將學科前沿知識和技能融入實踐課程中，將最新的學術(shù)資源與研究成果[11]推薦給學生，使學生能擁有知識整合能力，快速學習新知識掌握新技能的能力，無論是畢業(yè)走向工作崗位，還是繼續(xù)深造讀研，都受益匪淺。

3 教學評價

項目教學和多學科融合模式的教學評價較為復(fù)雜，在評價目標、評價標準、評價方法、評價主體和評價反饋方面，筆者也做了新的嘗試。首先，筆者理解和尊重學生的個體差異，將這種差異與學生的興趣、未來發(fā)展相結(jié)合，注重學生未來的專業(yè)發(fā)展空間，體現(xiàn)學生的未來價值，促進其自身的發(fā)展。其次，結(jié)果性評價和過程性評價相結(jié)合，評價不是以任務(wù)是否完成作為唯一評價標準，而是充分考慮其過程，包括任務(wù)的完成過程，任務(wù)期間遇到了什么難題，如何解決，最后得到什么結(jié)果，不設(shè)定唯一正確的答案，只要有合理的理由，都被認為是正確的，在這過程中，筆者尤其強調(diào)“創(chuàng)新”“生產(chǎn)知識”，而不是傳統(tǒng)教學中給定的標準答案。再次，教學目標和職業(yè)要求相結(jié)合，以職業(yè)崗位的要求作為評價標準，將教學標準與行業(yè)標準接軌，課程標準與職業(yè)資格標準接軌，實現(xiàn)課程教學與學生職業(yè)生涯發(fā)展的協(xié)調(diào)，合理調(diào)控學生的基本知識和理解能力、創(chuàng)意思維能力和外延的拓展能力所占的比重。最后，形成性評價和總結(jié)性評價相結(jié)合，在教學評價反饋方面，總結(jié)性評價和形成性評價相結(jié)合，形成性評價包括個人用PPT展示自己成果，所碰到的問題及其解決方案而形成個體點評，各組組長展示小組成果而形成小組點評，學習委員展示整個班的項目的最后成果，形成整體點評，最后通過效果的判斷、分等鑒定和等級評定得到總結(jié)性評價。

4 結(jié) 語

在應(yīng)用型實踐中，筆者充分尊重和重視學生間的個體差異，并極力鼓勵學生的主動性和能動性，并給予足夠的創(chuàng)作空間和自由度，讓學生在好奇心的驅(qū)使下，充分施展想象力和創(chuàng)造力，提出新穎的想法并努力實踐，提升學生的獨立思考和實操能力，成為不斷學習的終身學習者。評價方式上，以項目為導(dǎo)向，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和跨學科思維，考核方式上側(cè)重學生自學能力、動手能力、分析和解決問題能力和創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高工程實踐能力等。通過項目教學，加強了三維建模應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程對學生自學實踐能力、團隊合作能力的提升，學生更具團隊合作意識，在相互交流和合作中，不斷成長。

但目前該項目教學的主要形式還是停留在以老師擬定項目，這與行業(yè)、企業(yè)的職業(yè)標準和崗位能力要求上會有所出入，這就有必要與政府企業(yè)項目建立起合作平臺，將相關(guān)企業(yè)項目引入實驗課堂，企業(yè)積極參與培養(yǎng)方案的修訂，有來自企業(yè)的授課教師進行指導(dǎo)，甚至建立校外實踐基地[12]，并以“創(chuàng)新”與“研究”的定位更好地服務(wù)企業(yè)和社會[13]，來更好地適應(yīng)“新工科”對人才的培養(yǎng)要求，符合我國工程教育模式創(chuàng)新，建立起一套“集成教育理念、教育內(nèi)容、教育方法和手段、管理制度體系和保障支撐體系”[14]。