新工科理念下的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐探索

蔡劍紅,霍 亮，朱 凌

(北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)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(jì)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(jìn)行了多次轉(zhuǎn)型，從“技術(shù)范式”轉(zhuǎn)換為“科學(xué)范式”，又轉(zhuǎn)換成“工程范式”，并時刻瞄準(zhǔn)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(jì)背景下工程教育改革的推進(jìn)，2016年卓越計(jì)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(jì)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(xué)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(xué)生的想象力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，突破單純的學(xué)科壁壘，以跨學(xué)科交叉培養(yǎng)模式，進(jìn)行多學(xué)科交叉與融合教學(xué)，提升實(shí)際操作能力，提高綜合素質(zhì)，是實(shí)踐課程教學(xué)中需要不斷追求和探索的內(nèi)容。

文獻(xiàn)[3]對新工科的現(xiàn)實(shí)瓶頸與建設(shè)思路等進(jìn)行分析。滑鐵盧大學(xué)的合作導(dǎo)向模式、麥克馬斯特大學(xué)的問題導(dǎo)向模式、瑞爾森大學(xué)的實(shí)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(tuán)隊(duì)融入與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通與表達(dá)能力、運(yùn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)時與實(shí)際工程相互結(jié)合的教學(xué)模式依然較缺乏，學(xué)生對知識綜合應(yīng)用能力及解決實(shí)際問題的能力的培養(yǎng)尚欠缺。盡管已提出并實(shí)踐“做學(xué)教”一體化教學(xué)模式，進(jìn)行項(xiàng)目化課程開發(fā)，在師生“做”“學(xué)”“教”3個能力層面和配套資源建設(shè)等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐[6]，但從學(xué)生對實(shí)踐課程的滿意態(tài)度來看，學(xué)生參加校內(nèi)外實(shí)習(xí)機(jī)會偏少，完整參與一個項(xiàng)目或課題實(shí)施的機(jī)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(xué)生的三維建模實(shí)踐為例，對項(xiàng)目教學(xué)、多學(xué)科知識的交融進(jìn)行實(shí)踐。3ds Max三維建模課程內(nèi)容多，計(jì)劃學(xué)時較少，為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)壓力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改進(jìn)教學(xué)效果、順利推進(jìn)卓越計(jì)劃2.0，針對培養(yǎng)要求和實(shí)驗(yàn)課程自身特點(diǎn)，筆者在課程內(nèi)容安排、教學(xué)方式、考核機(jī)制等方面進(jìn)行了積極的改革探索，并在教學(xué)中加以實(shí)踐。筆者采用項(xiàng)目教學(xué)的方式，既能減少教學(xué)中的重復(fù)性，又能更好地解決教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，還能激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，信息化教學(xué)成為新潮流。3ds Max實(shí)踐教學(xué)在信息化教學(xué)過程中教學(xué)模式呈現(xiàn)出多樣化，可以優(yōu)化教學(xué)，提升教學(xué)效率，并進(jìn)行多軟件的融合教學(xué)，能使學(xué)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(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式

本次實(shí)驗(yàn)是一周實(shí)驗(yàn)操作，要求學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握3ds Max幾何建模、材質(zhì)貼圖、燈光和攝像機(jī)功能等知識，進(jìn)行二維和三維對象建模，通過材質(zhì)編輯器進(jìn)行紋理貼圖，利用燈和攝像機(jī)進(jìn)行環(huán)境效果設(shè)置，并能熟練進(jìn)行編輯、修改、渲染。本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目教學(xué)與分層次教學(xué)相結(jié)合。其中，基于項(xiàng)目教學(xué)的主要形式是以老師擬定某個項(xiàng)目題目讓學(xué)生分工合作完成的形式出現(xiàn)。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要學(xué)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(shí)驗(yàn)任務(wù)分組完成，以個人為單位，每人一臺電腦獨(dú)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(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個全新的信息傳播媒介，為了實(shí)時地進(jìn)行師生互動，除了實(shí)驗(yàn)課堂上的實(shí)時互動教學(xué)外，老師還建立微信群，便于課后實(shí)時和學(xué)生交流，共同探討問題，讓學(xué)生在練習(xí)和制作中發(fā)現(xiàn)問題并與教師、同學(xué)進(jìn)行實(shí)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(xué)案例，在云平臺發(fā)布相關(guān)學(xué)習(xí)資料，包括重難點(diǎn)的文字、視頻資料等，便于學(xué)生自學(xué)。

在教學(xué)方式方面，老師精心設(shè)計(jì)入門案例，采用啟發(fā)式教學(xué)。通過案例老師進(jìn)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(xué)生采用不同方法進(jìn)行三維建模；利用簡單的幾何體的創(chuàng)建引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成3ds Max的思維和操作習(xí)慣，讓學(xué)生具備空間能力、科學(xué)的學(xué)習(xí)和鍛煉方法，掌握基本的操作技巧，并養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣。在教學(xué)手段方面，3ds Max課程的教學(xué)效果的體現(xiàn)就是學(xué)生的操作能力和創(chuàng)造能力。復(fù)雜的操作過程和指令實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，學(xué)生能夠自如地進(jìn)行建模；同時老師充分肯定學(xué)生的質(zhì)疑、重視和鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本文實(shí)驗(yàn)鼓勵學(xué)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(jìn)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(jìn)行多軟件的融合教學(xué)，符合學(xué)生的專業(yè)需求，同時有利于促進(jìn)3ds Max的學(xué)習(xí)和使用。當(dāng)然，這種多軟件融合教學(xué)主要體現(xiàn)出3ds Max的主導(dǎo)地位，即圍繞主題實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展開。

2 3ds Max教學(xué)及成果

由于本課程是針對測繪學(xué)院的大四學(xué)生，由測繪學(xué)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(qiáng)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，模型精度問題。

在數(shù)據(jù)采集上，學(xué)生們采用多種方式方法。對于外景建模，學(xué)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(shí)景不相符的地方，學(xué)生到實(shí)地進(jìn)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(zhǔn)，學(xué)生按照高德地圖和實(shí)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(jìn)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(xué)生還通過網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)了很多非常精美的室內(nèi)設(shè)計(jì)三維建模。對于圖書館的三維框架，學(xué)生搜索到圖書館的設(shè)計(jì)圖，然后進(jìn)行AutoCAD建立；在圖書館各個樓層，學(xué)生測量了要制作的桌子、椅子、書柜、樓梯等室內(nèi)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(fēng)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(xué)生很自如地進(jìn)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(xué)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(jìn)行精確地三維建模。有建模樹木的學(xué)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(diǎn)直接畫出來。針對校內(nèi)主要是柳樹和短枝闊葉樹，學(xué)生嘗試了多種方法，最后經(jīng)過資料查找和學(xué)習(xí)，借助于一些插件進(jìn)行樹枝和樹干的建模，先畫出基準(zhǔn)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(jìn)行插值計(jì)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(jìn)而根據(jù)參考線進(jìn)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(jī)分形的算法去模擬實(shí)現(xiàn)，但單從三維建模技能掌握而言，通過這種練習(xí)，不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(shí)操能力。學(xué)生的種種嘗試顯然值得鼓勵和嘉獎，同時老師也鼓勵學(xué)生多查資料、多學(xué)習(xí)、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(dāng)用車載、機(jī)載激光掃描、無人機(jī)傾斜攝影測量等手段獲取樹的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，能否嘗試提出新算法對樹進(jìn)行三維建模，這也是引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)背景下提出更高的要求，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步的實(shí)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(xué)生的測繪背景，對其進(jìn)行精確地三維建模時，學(xué)生采用三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)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(jìn)行了4站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，利用Geomagic軟件進(jìn)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(jìn)行填孔時，由于對歌是一個環(huán)狀的雕塑，有里層和外層，點(diǎn)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(jìn)行修補(bǔ)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(jìn)行三維建模，并融入3ds Max來進(jìn)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(jìn)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(xué)科前沿知識和技能融入實(shí)踐課程中，將最新的學(xué)術(shù)資源與研究成果[11]推薦給學(xué)生，使學(xué)生能擁有知識整合能力，快速學(xué)習(xí)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(xué)評價

項(xiàng)目教學(xué)和多學(xué)科融合模式的教學(xué)評價較為復(fù)雜，在評價目標(biāo)、評價標(biāo)準(zhǔn)、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(xué)生的個體差異，將這種差異與學(xué)生的興趣、未來發(fā)展相結(jié)合，注重學(xué)生未來的專業(yè)發(fā)展空間，體現(xiàn)學(xué)生的未來價值，促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)為是正確的，在這過程中，筆者尤其強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)新”“生產(chǎn)知識”，而不是傳統(tǒng)教學(xué)中給定的標(biāo)準(zhǔn)答案。再次，教學(xué)目標(biāo)和職業(yè)要求相結(jié)合，以職業(yè)崗位的要求作為評價標(biāo)準(zhǔn)，將教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接軌，課程標(biāo)準(zhǔn)與職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)接軌，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展的協(xié)調(diào)，合理調(diào)控學(xué)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(xué)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(diǎn)評，各組組長展示小組成果而形成小組點(diǎn)評，學(xué)習(xí)委員展示整個班的項(xiàng)目的最后成果，形成整體點(diǎn)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(shí)踐中，筆者充分尊重和重視學(xué)生間的個體差異，并極力鼓勵學(xué)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(xué)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(shí)踐，提升學(xué)生的獨(dú)立思考和實(shí)操能力，成為不斷學(xué)習(xí)的終身學(xué)習(xí)者。評價方式上，以項(xiàng)目為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和跨學(xué)科思維，考核方式上側(cè)重學(xué)生自學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新思維，提高工程實(shí)踐能力等。通過項(xiàng)目教學(xué)，加強(qiáng)了三維建模應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程對學(xué)生自學(xué)實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的提升，學(xué)生更具團(tuán)隊(duì)合作意識，在相互交流和合作中，不斷成長。

但目前該項(xiàng)目教學(xué)的主要形式還是停留在以老師擬定項(xiàng)目，這與行業(yè)、企業(yè)的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目建立起合作平臺，將相關(guān)企業(yè)項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)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(jìn)行指導(dǎo)，甚至建立校外實(shí)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]。