面向國際工程教育認證的計算機圖形學課程設計及其中外案例分析

趙君嶠 王小平 李光耀 臧 笛

(同濟大學電子與信息工程學院計算機科學與技術系 上海 200092)

面向國際工程教育認證的計算機圖形學課程設計及其中外案例分析

趙君嶠 王小平 李光耀 臧 笛

(同濟大學電子與信息工程學院計算機科學與技術系 上海 200092)

工程教育是國家現代化的基石，我國于2016年6月正式成為《華盛頓協議》會員，標志著我國的高等教育與國際工程教育接軌，進入一個新的發展階段。當前高校的許多課程設計教學還無法完全符合工程教育認證的要求，關于以學生為中心、培養目標、畢業要求和持續改進等許多方面亟待提升。因此，目前我國的高等工程教育中機遇和挑戰并存。以一門計算機學科的主要專業選修課程《計算機圖形學》為例，面向國際工程教育認證的要求探討如何進行針對性的課程改革和設計，以及其實際授課效果。將實踐經驗與發達國家一流水平高校(以荷蘭代爾夫特理工大學為例)進行對比從而找出差異，并對未來的進一步教學改革提出一些合理化的建議。

工程教育認證 課程改革 對比研究 圖形學

0 引 言

工程師培養是工業化國家創新的源泉，高等教育則是培養工程師的搖籃[1]。當前，我國正處于從低端制造業向高端制造業轉型的關鍵階段，更需要高校培養具備扎實的基礎知識和實踐能力，同時具備創新思維和國際視野的高端工程人才。然而，當前國內高等教育普遍存在著畢業生難以滿足市場、企業實際要求，教學的知識結構與培養目標與實際需求脫節，從而衍生出就業率下降、創新能力不足等諸多問題[2]。發達國家在進入工業化的歷史階段中較早認識到了這個問題，從而發展出一系列的針對性措施保證工程人才的培養質量，其中工程教育認證就是一個重要的手段[3-5]。

國際工程教育認證起源于歐美國家。面對工業化進程中快速擴大的工程師群體，英國最早于1818年成立了土木工程師協會，美國的相關工程師協會也于1852年開始成立[6]。為了實現對大量機構以及學校的工程師培養項目的質量的控制，工程教育認證機構從而誕生。最早的工程教育認證機構是1932年在美國成立的ECPD(Engineers’ Council for Professional Development)，其于1980年更名為ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, Inc.)[5-7]。ABET從1936年開始進行工程教育認證，是世界上最大的工程教育認證機構[3]，至今已經在全球范圍內認證了696個教育項目，其中包括國內的清華大學、上海交通大學以及華東理工大學[8]。英國則于1964年由多個工程協會和高校組合成立了工程委員會EC(Engineering Concil)，負責對國內工程教育項目的認證[3,7]。德國于1999年成立了ASIIN[3, 5, 7, 9]，日本于1999年成立了日本技術者教育認定機構JABEE(Japan Accreditation Board for Engineering Education)[10]。我國則由中國科協(CAST)成立了中國工程教育專業認證協會(CEEAA)，負責對我國的工程教育項目的認證[11]。2013年，我國正式成為國際工程教育認證《華盛頓協議》預備成員國，并于2016年6月正式成為該協會正式成員國[12]。這一方面標志著我國的工程教育認證與國際接軌，另外，工程認證按照每5年或者2年的周期進行評估，也對我國的工科高等教育質量提出了更高的要求。

計算機學科是信息工程領域的重要基礎學科，我國于2006年首批以計算機科學與技術等四個專業展開工程教育認證試點工作[13]。因此，討論如何在面向工程教育認證的需求下進行計算機學科專業課程的設計就具有重要的意義。

1 面向工程教育認證的課程設計需求

根據工程教育認證的理念[4]，需要分析其對課程設計的具體需求。我國工程教育認證的基本理念要求為：

(1) 以學生為本，面向全體學生

這就要求將學生作為整個教育活動的首要服務對象，需要改變高校課程設計以及教學服務中注重教師需求而輕視學生需求的現狀。例如，在課程設計的過程中首先要充分考慮學生的知識結構與接受能力；并且課程組教師要對課程的知識結構以及前沿進展有準確和深刻的理解，從而能夠通過啟發式的方式引導學生的創新思維；在授課之余，教師則需精心設計實驗環節，使得學生能理解所授知識和掌握實踐能力。實驗環節需保證其過程的合理性，讓學生在給定的時間內有清晰的目標、充足的幫助以及探索的空間；并且，要設立機制保證學生意見的及時收集和互動，以及通過包括教學團隊、學生和相關工業界的三方討論，優化課程的內容和授課方式，并定期對課程大綱進行更新。

(2) 以學生學習產出為導向

傳統授課大都針對某一級學生展開，授課任務隨著學期的結束而完成。然而工程認證強調以學生學習產出為導向，這就要求對教學的結果進行有效評估，除了傳統課程考試，還需進一步細化考核方式，引入課程作業、課程項目等方式。并通過調查問卷以及和學生代表面談的方式等，了解學生對課程授課質量的評價和建議；還可通過與用人單位以及工業界代表進行討論，發現畢業生的素質弱點，對課程教育產出的效果進行全面掌握，從而更好地在教學活動中做到以學生為本和以學生為中心。

(3) 合格評價與質量持續改進

工程教育認證的每一個認證合格的專業均需要在固定的周期后重新接收評估認證。并且在成為國際工程教育認證《華盛頓協議》正式成員后，任何其他成員國都可以提出對我國的工程認證項目進行檢查和觀摩[14]。因此，課程設計也并非一勞永逸，而是需要在認證合格的基本需求上保證質量的持續優化和改進。其中，一方面可通過對學習產出的考核，來反饋調整以及優化授課的知識點布局、實驗設計和考核方式等；另一方面，更重要的是需定期總結課程的改進效果，科學定量的對課程質量的變化進行統計分析從而針對性的提出改進的建議。

綜上，面向國際工程教育認證需求的課程設計需要以學生為中心，以培養目標和畢業要求為導向，通過足夠的師資隊伍和完備的支持條件保證課程教學的有效實施，并通過完善的內、外部質量控制機制進行持續改進，最終保證學生培養質量滿足要求[15]。同時，由于工程認證的國際化、標準化的要求，需要對標國際一流高校的同類課程，分析當前課程教學的不足從而建設適合于我國的課程教學。

2 《計算機圖形學》課程的課程設計

本文以同濟大學計算機科學與技術系《計算機圖形學》(課程編號CS100433)為例，探討面向工程認證需求的課程設計方案。CS100433是同濟大學計算機科學與技術專業的一門專業選修課程。通過該課程的教學實踐，擬使學生了解計算機圖形學的發展和技術前沿，掌握圖形學的基本原理、算法和實現技術，從而滿足更高層次的圖形學研究的知識鋪墊以及其他應用領域對圖形學應用技術的要求。由于圖形學在工業設計、用戶界面、科學可視化、數字娛樂、虛擬現實等領域有著廣泛的應用，因此在課程設計時著重培養學生的實踐能力，從而滿足工業界的需求。

2.1 面向工程教育認證能力培養的教學設計

本課程面向工程應用型人才的培養需求，教學過程中體現以應用為背景、以理論為主線、以算法為核心、以學校課程建設要求的合理先進教學方法為手段、以提高學習興趣和能力培養為目標這一教學思路。具體培養能力的工程教育認證指標如表 1所示。

表1 能力培養要求

2.2 課程安排

計算機圖形學課程(CS100433)主要面向二年級下半學期或三年級上半學期本科生開設。學生知識背景主要包括電子信息類專業以及相關專業。課程要求的前修課程包括線性代數、高級語言程序設計、數據結構、算法設計與分析。后續課程主要包括多媒體技術、圖像處理導論和計算機視覺等，知識接口如圖 1所示。另外，還與研究生階段的高級計算機圖形學以及計算機視覺等課程對接。根據教學大綱的要求，總計授課學時為34個。此外，設計課外實驗學時17個。課程采用教材為國際著名圖形學教材(英文)[16]，實驗環節采用著名OpenGL開發教程[17]。同時，也兼容其他經典的國內外教材和參考資料。

圖1 計算機課程體系中的圖形學知識結構

2.3 授課方式設計

為了拓展學生的國際視野，本課程采用中英文雙語教學。其中授課課件、資料、作業以及測試等均采用英文，講授過程中重點概念及其原理均采用中英文介紹，并鼓勵學生參考英文資料。授課過程遵循“從原理到實踐、再升華到理論和應用創新“的規律，在基本知識點講解的過程中，同步介紹基于開放標準API(以OpenGL為例)的實踐編程方法。并將原理與實踐相結合，從而加深學生的理解并激發其興趣。在實踐中鼓勵學生發現問題、思考問題，并由教師對共性問題進行解答，加深學生對知識的理解。

授課的基本順序按照計算機圖形學流水線的主要過程：觀察(相機模型、坐標變換、坐標投影變換)->幾何造型->光柵化(消隱、光柵化)->高級幾何造型(曲線、曲面)->光照模型 ->紋理、陰影 ->光線追蹤與可編程流水線(著色器)依次展開。其中重點學習三維觀察的原理、光柵圖形的生成、參數曲線曲面和實體的幾何造型，以及光照和表面渲染和真實感圖形生成等算法。在授課的過程中分別針對圖形流水線、三維觀察、光柵化、曲線以及實體幾何建模布置知識要點和編程作業。

2.4 實驗環節設計

為了更好地培養學生的實踐能力，在實驗環節指導學生以組為單位共同完成圖形學課程項目。該項目選題部分為課程組建議的圖形學重要算法集合的實現：如曲線生成算法軟件，交互式二維圖形繪制軟件等；部分為學生基于教師建議所設計的可視化系統原型：如三維場景渲染器、三維游戲和光線追蹤器等。在課程項目實施過程中，教師根據選題范圍給出項目的基本說：包括環境配置、基本知識以及參考資料等。然后將課程項目分為三個階段：啟動、中期評價和結題評估。在課程項目啟動時，要求學生完成項目的啟動任務書，包括項目的目的、范圍、內容以及實現的技術路線、任務分配和實施計劃，由教師對內容進行點評以及提出建議。在中期評價時，由項目組展示原型系統，報告項目進度和所遇到的問題等，教師給予針對性的指導和幫助。最后在結題評估中，每一組學生對課程項目最終完成的結果進行展示，報告項目過程中所遇到的問題及其解決方法，并形成項目報告。由其余小組和教師一同對結果進行評價。

2.5 考核方式設計

課程考核要全面地反映學生對課程知識的掌握程度，包括平時與期末兩個環節。其中平時考核包括對課程作業以及課程項目的評價，期末考核則是以考試的形式進行。課程作業共分為3次，其中包括問答以及編程實現。內容囊括圖形學基本知識和概念，以及開放性的問題，如：“假設你是一名飛機設計師，你將采用哪些幾何造型技術？為什么？”。編程作業包括對基本圖形學算法的實現，例如光柵化、三角剖分以及可視化運動對象等。

2.6 對標國際課程

本課程組選擇了國際知名的開設計算機圖形學教學和科研的高校，對其講授內容進行分析并加以借鑒。主要對標課程為：麻省理工學院計算機圖形學課程《6-837Fall-2003 Computer Graphics MIT》，新墨西哥州立大學的《交互式圖形學》，代爾夫特理工大學的《TI1805計算機圖形學》，康奈爾大學的《CS4620/5620計算機圖形學》。其中麻省理工學院、康奈爾大學與代爾夫特理工大學以光線追蹤作為起點，依次介紹渲染、幾何以及傳統光柵化流水線和著色器等；新墨西哥州立大學以固定流水線光柵化圖形學的過程作為授課流程，最后引入真實感繪制的光線追蹤等技術。其中前一種授課流程主要從圖形生成的基本原理開始，其優點在于更接近學生的思維方式，但缺點為實踐的起點較高，容易讓學生感到挫折；后一種流程也是本課程所采用的授課流程，其從基本的圖形流水線的過程依次介紹相關知識點，一方面注意知識的銜接和由淺入深的關系，便于學生理解；另一方面能夠結合OpenGL編程實踐，使學生更快地具備圖形學的實踐能力。另外，麻省理工學院和新墨西哥州立大學按照圖形學知識的遞進關系進行展開；而代爾夫特理工大學和康奈爾大學則按照圖形學的專題內容的方式獨立進行講授。其中，前者的知識脈絡更為清楚，而后者從問題出發對學生的獨立思維的能力培養更具優勢。本課程結合了兩者的特點，按照一定的知識脈絡，分專題進行以問題為導向的組織。同時課程建設了全英文課程網站，將課件、課程作業答疑以及課程項目進行共享，并提供了常用參考資料，例如參考書、論文、程序庫以及國際知名公開課的鏈接等。

3 課程實踐與分析

根據上述課程設計，本課程組在2015年春季學期和2016年秋季學期分別針對2013級和2015級的本專業學生進行了教學實踐。其中2013級選課人數為32人，均為計算機科學與技術專業。2015級選課人數為68人，為計算機科學與技術以及信息安全專業。2015年春季學期周學時為3個，共計17周51個學時；2016年秋季學期由于教學大綱的修訂，本課程周學時縮減為2個，共計17周34個學時。

在整個學期授課過程中，針對2015年春季和2016年秋季分別設置4個和3個課時用于跟蹤課程項目進展。分別包括項目啟動，項目階段一(2016年秋季為項目中期)，項目階段二(2016年秋季無)，項目結題。其中，在每一個階段均對學生課程項目的過程進行指導和評估。最后，將學生完成的課程項目報告以及項目本身在課程網站上進行展示。在授課過程中，學生普遍接收中英文授課方式，能夠使用并參閱英文教材和參考書。

成績評價按照課后作業10%，課程項目40%以及期末考核50%的比例進行，課后作業與期末測試的內容在覆蓋重要知識的同時還考慮到對表 1中的工程教育能力培養的要求。從而較為全面地評價學生對知識的掌握以及工程實踐的能力。

在學期結束后通過課程網站發放課程調查問卷，要求學生對課程中知識點的難易情況、教師授課效果、以及能力培養幾個部分進行打分，從而輔助課程的進一步改進。于此同時，課程組還在授課中引導學生參與或申請與課程相關的實際研究課題。2015年春季以及2016年秋季分別有2名同學和5名同學參與了實際研究課題或申請了與課程內容相關的創新項目。兩個學期中課程項目完成率100%，自由選題的方式激發了學生的濃厚興趣，并且通過項目跟蹤的機制引導了學生的主觀能動性。根據兩個學期的課程調查問卷反饋結果，70%的學生對課程的難易程度滿意，29%的學生認為部分知識點較難；另外，40%的學生認為課后習題的指導不足，希望能夠在課程中進行講解；最后，由于課時縮減，學生對于課程項目完成的滿意程度從85%下降到80%，反饋希望在課程項目中得到更多指導。總體而言，大部分學生認為授課安排得當，并且能夠幫助自己培養工程實踐所需的理論和實踐知識。

4 中荷教學實踐對比

作者曾于2012年-2014年在荷蘭代爾夫特理工大學進行博士后研究。在此期間，參與了該校部分相關課程的授課，對其教學方式以及其過程進行了直觀了解，在此與本課程教學的多個方面展開對比。

荷蘭與許多歐洲國家例如德國、法國等并未加入《華盛頓協議》，但作為發達的工業國家，其有著深厚的工程師培養底蘊以及嚴謹創新的工程師培養的制度和文化。例如，荷蘭政府成立了NVAO對荷蘭以及比利時荷語地區的工程教育項目進行認證。代爾夫特理工大學是世界知名的理工學院，在QS世界大學排名工學第19名。代爾夫特理工大學的《TI1805計算機圖形學》課程由信息技術系開設，授課人為著名的圖形學學者Elmar Eisenmann教授。授課面向的學生為信息技術系以及外專業相關方向的三年級學生。

4.1 學生人數和知識水平

TI1805課程平均每學期參加課程人數為60人，其中大部分學生為信息技術專業，還有部分學生來自航天航空、材料以及建筑專業。相較CS100433而言，TI1805課程的學生的知識水平差異較大，部分學生編程基礎薄弱，線性代數知識了解不足，但學生的專業多樣性較好。

4.2 課程安排

TI1805課程共計10周(實驗課為6周)，周學時為6個，其中包括2個學時的講座(Lecture)，以及4個學時的實驗課(Lab)。CS100433課程中實驗環節為課后實驗，沒有開設專門實驗課程。另外，針對學生的知識水平差異，TI1805還增設兩次實驗課程對線性代數以及編程語言進行補充授課。

4.3 師資投入

TI1805課程的講座環節主講人為1名教授，但在授課過程中會邀請相關主題方向的博士后以及博士生進行授課，課程聘請助教博士生1名。CS100433課程為1名教師授課，沒有助教和其他授課人員。在實驗課環節，TI1805課程安排有1名教授、1名博士后和2名博士生參與課堂教學和課外輔導活動。

4.4 教學方法

TI1805課程的講座內容包括圖形學基礎知識與前沿學術報告，主要由授課人進行講解；實驗課對課后作業以及課程項目的原理與編程方法進行講解，并在學生實驗過程中給予現場指導。CS100433主要對圖形學基本知識進行講解，并由授課人在授課過程中對編程方法進行介紹和演示。

4.5 考核方法

TI1805課程的評分來源于課后作業、課程項目以及期末考試，與CS100433相似。TI1805的課程項目為給定主題，學生分組進行自由發揮，根據項目中的技術應用程度進行分數評定。CS100433為自由選題，但要求學生分組按照項目方式進行過程管理，能夠更好地培養學生的解決工程問題的能力。TI1805在期末考試還包括面試環節，學生需當面回答課程組教師的問題，CS100433無此類設計。面試的優勢在于其可直接對學生的知識掌握程度進行了解。

4.6 教學輔助

TI1805課程利用代爾夫特理工大學的Blackboard教學系統進行課程通知、課件以及作業等的分發，其中Blackboard還支持學生與教師之間的答疑。CS100433課程組自行構建了課程主頁，提供相似功能(cs1.tongji.edu.cn/courses/CS100433.php)。

5 結 語

根據中荷雙方《計算機圖形學》課程對比，發現荷方的優點在于師資力量投入多，而且師資配置較為靈活。此外，荷方較注重實驗課，包括實驗課的講義編制、實驗課授課、以及作業和課程實驗指導均較為完備。而我方由于學時、課程師資投入等原因實驗環節較為薄弱。從授課的內容分布的系統性，課程項目的組織形式而言，我方則更具優勢。

從工程教育的角度出發，荷方這種授課方式也是發達國家一流高校普遍采用的授課方式[18]。其實驗環節通過大量師資能夠較好地對每位學生進行針對性的指導(因材施教)，從而保障了學生對課程的投入時間，以及對課程所教授的知識的理解。我方較多依賴于學生的自學能力，雖然學生分組完成課程項目，但容易出現知識水平方差大，落后學生難以得到關注的問題。從學生角度而言，我方學生知識基礎好、學習能力強的前提下，一定程度能夠彌補上述缺陷。

因此，要滿足工程教育認證要求的以學生為中心、以學生為本，本課程雖已進行了針對性的設計，但還需要進一步借鑒國際經驗：完善課程教學團隊和師資投入，增加對學生的實踐指導，以及進一步引入多樣化成績評價方法。同時，要面向工業界實踐需求，緊密聯系工業界發展，邀請工業界導師一同參與課程教學實踐。在課程之外，我們還需要看到一些教育理念和制度上的差別：國際一流高校的授課過程更強調師生的平等性，從而在授課過程中討論氣氛熱烈。而國內高校課程容易形成教師權威，不利于激發學生的主動性。另外，國際一流高校鼓勵博士后、博士生參與到教學活動中，而我國高校則對此限制較嚴格，從而間接的導致了師資不足的問題。最后，國際一流高校的專業課授課過程中教師的時間投入普遍大于國內高校，這也與高校對教師的評價體系相關。綜上，要更好地滿足國際工程教育認證的要求，除了對照指標對課程進行改進，還需從更深層次上認識到問題和不足，從而系統地進行改進。

[1] 林健. “卓越工程師教育培養計劃”質量要求與工程教育認證[J]. 高等工程教育研究, 2013(6):49-61.

[2] 崔軍, 汪霞. 社會對高等工程教育課程改革的訴求研究——基于工業界企業雇主的調查[J]. 高等工程教育研究, 2013(2):82-89.

[3] 倪凱, 金尚忠, 孫彩霞,等. 發達國家高等工程教育認證體系及其啟示[J]. 高等理科教育, 2011(5):51-55.

[4] 林健. 工程教育認證與工程教育改革和發展[J]. 高等工程教育研究, 2015(2):10-19.

[5] 張彥通, 韓曉燕. 美、德兩國工程教育專業認證制度的特色與借鑒[J]. 中國高等教育, 2006(2):60-62.

[6] ABET. About ABET[OL]. http://www.abet.org/about-abet/.

[7] 張曉琴. 美、英、德工程教育認證的比較與借鑒[J]. 高教發展與評估, 2007, 23(1):84-90.

[8] ABET. Accredited Programs[OL]. http://main.abet.org/aps/Accreditedprogramsearch.aspx.

[9] 清華大學工程教育認證考察團. 德國工程教育認證及改革與發展的考察報告[J]. 高等工程教育研究, 2006(1):57-59, 64.

[10] 袁本濤, 王孫禺. 日本高等工程教育認證概況及其對我國的啟示[J]. 高等工程教育研究, 2006(3):58-65.

[11] 方崢. 中國工程教育認證國際化之路——成為《華盛頓協議》預備成員之后[J]. 高等工程教育研究, 2013(6):72-76.

[12] Alliance IE. Washington Accord[OL]. http://www.ieagreements.org/Washington-Accord/signatories.cfm.

[13] 王玲, 雷環. 《華盛頓協議》簽約成員的工程教育認證特點及其對我國的啟示[J]. 清華大學教育研究, 2008, 29(5):88-92.

[14] 中國科學技術協會. 國際工程師互認概述[OL]. 2016-05-12.http://cast.org.cn/n17040442/n17134804/n17134848/n17135215/n17135406/17183294.html.

[15] CEEAA. 工程認證標準及知識問答[EB/OL]. http://cn.ceeaa.org.cn/column.php?cid=17.

[16] Hearn D, Baker MP, Carithers WR. Computer Graphics with OpenGL Fourth Edition[M]電子工業出版社, 2012.

[17] Shreiner D, Woo M, Neider J, et al. OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1[M].4th ed. Addison-Wesley Professional, 2004.

[18] 高明霞. 從中澳教師的C++課程作業看中外教學差別[J]. 計算機教育, 2010(7):39-40,90.

ENGINEERINGEDUCATIONACCREDITATIONORIENTEDCOURSEDESIGNFORCOMPUTERGRAPHICSANDITSCOMPARATIVERESEARCHONSINO-DUTCHTEACHINGMETHODS

Zhao Junqiao Wang Xiaoping Li Guangyao Zang Di

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,CollegeofElectronicsandInformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Engineering education is the basis of all industrial countries. The CEEAA of China was found in 2006 by CAST and in 2016 China was accepted as the signatory of the Washington Accord, which indicates the international recognition of its engineering education quality. Nevertheless, many aspects of the courses of Chinese universities are still to be improved to fully meet the standard of the accreditation, which brought challenges along with opportunities. This paper discussed how to improve the course design and teaching facing the requirements of the accreditation, taking one of the core selective courses computer graphics as an example. We analyzed the detailed goals derived from the accreditation, course design and teaching result respectively. Finally, we compared our result with a similar course given by EWI of Delft University of Technology, which offered us the direction of future improvement.

Engineering education accreditation Course improvement Comparative research Computer graphics

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.024

2016-12-14。趙君嶠，助理教授，主研領域：智能無人駕駛，視覺定位，計算機視覺，數字幾何處理。王小平，教授。李光耀，教授。臧笛，副教授。