“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”開放課程建設(shè)之初探

孫春華

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

1 課程的開設(shè)情況

自20世紀(jì)80年代開始，為適應(yīng)產(chǎn)品快速開發(fā)的市場(chǎng)需求，逆向工程(reverse engineering，RE)和快速成型(rapid prototype，RP)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這引起了各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，并取得了飛速發(fā)展。這一技術(shù)已成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，成為產(chǎn)品快速開發(fā)的一種重要手段。為適應(yīng)企業(yè)對(duì)RE/RP知識(shí)及能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的需求，蘇州市職業(yè)大學(xué)自2007年開始，開設(shè)了“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”課程。該課程是面向從事產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)人員崗位的職業(yè)技術(shù)技能應(yīng)用型課程，可為學(xué)生從事產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、快速制造等崗位工作奠定逆向工程和快速成形方面的理論和技能基礎(chǔ)。

經(jīng)過近10年的建設(shè)，該課程已形成以2名教授為核心的5名教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的專職教師，以及三四名在一線從事技術(shù)的企業(yè)專家，組成的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。在多次修改整編的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)編寫并出版了“十二五”江蘇省級(jí)高等學(xué)校重點(diǎn)教材和全國(guó)機(jī)械行業(yè)職業(yè)教育優(yōu)質(zhì)規(guī)劃教材(高職高專)“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”，在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中獲得了好評(píng)[1]。學(xué)校建設(shè)有以江蘇省現(xiàn)代制造技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地、蘇州市數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為中心的專用實(shí)訓(xùn)基地。已有18臺(tái)專用設(shè)備、Geomagic Studio專用逆向工程軟件、UG、Pro/E等大型CAD/CAM軟件。目前該課程已在蘇州市職業(yè)大學(xué)的數(shù)控、模具、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等專業(yè)開設(shè)，所培養(yǎng)的學(xué)生已在各自的行業(yè)中擔(dān)當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師。

2 開放課程建設(shè)內(nèi)容分析

隨著學(xué)習(xí)觀念的轉(zhuǎn)變和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開放共享成為課程教學(xué)的重要特征之一。課程的開放，不僅意味著網(wǎng)絡(luò)訪問的開放，更突出表現(xiàn)在內(nèi)容來源、內(nèi)容結(jié)構(gòu)、教學(xué)理念與模式、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)情境、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等的開放[2]。開放課程的建設(shè)離不開平臺(tái)的支持。超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)是北京超星集團(tuán)推出的基于MOOC理念的新一代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，它集平臺(tái)、資源和服務(wù)為一體，已被眾多的學(xué)校選為開放課程建設(shè)的平臺(tái)。為順應(yīng)時(shí)代變化和發(fā)展的需要，在借鑒國(guó)外百門開放課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[3]，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了基于超星泛雅教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”開放課程建設(shè)的設(shè)想，并得到了本校教改項(xiàng)目的支持。由于“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”是一門新技術(shù)應(yīng)用方面的課程[4]。因此，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，以學(xué)生了解RE/RP基礎(chǔ)知識(shí)和掌握基本技能為目標(biāo)，將RE/RP技術(shù)所涉及的知識(shí)點(diǎn)和技能，按照RE/RP技術(shù)的工作流程，加以分析、整合、微型化，橫向進(jìn)行組織，以達(dá)到“顆粒度微小”與“邏輯關(guān)系完整”的有機(jī)結(jié)合。開放課程內(nèi)容知識(shí)云的構(gòu)成如圖1所示。該開放課程所涉及的RE/RP技術(shù)知識(shí)云由數(shù)據(jù)掃描知識(shí)群、數(shù)模重構(gòu)知識(shí)群、快速成型知識(shí)群構(gòu)成。

圖1 開放課程內(nèi)容知識(shí)云的構(gòu)成

2.1 數(shù)據(jù)掃描知識(shí)群

數(shù)據(jù)的獲取是逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。該知識(shí)群包含了數(shù)據(jù)掃描技術(shù)方面的主要知識(shí)元：①掃描設(shè)備的分類和特點(diǎn)。講述掃描設(shè)備的分類和特點(diǎn)，為選擇合適的掃描設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)。②掃描預(yù)處理。涉及掃描件的處理、掃描路徑規(guī)劃，為產(chǎn)品的掃描做好準(zhǔn)備。③產(chǎn)品數(shù)據(jù)掃描。根據(jù)所給產(chǎn)品的特點(diǎn)，選擇掃描設(shè)備，規(guī)劃掃描路徑，采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)模重構(gòu)獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)模重構(gòu)知識(shí)群

數(shù)模重構(gòu)的質(zhì)量和速度，決定了產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。該知識(shí)群將教學(xué)生如何使用專用的逆向工程軟件Geomagic Studio，進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的處理，重構(gòu)出產(chǎn)品的CAD曲面模型。該知識(shí)群主要的知識(shí)元包括：①點(diǎn)階段數(shù)據(jù)處理技能。對(duì)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用手動(dòng)注冊(cè)、自動(dòng)注冊(cè)、采樣、減少噪音、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象、封裝、合并等操作技能，使掃描數(shù)據(jù)變得完整、均勻，并封裝成多邊形模型，為多邊形階段的數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。②多邊形階段數(shù)據(jù)處理技能。利用網(wǎng)格醫(yī)生、去除特征、砂紙、減少噪音、簡(jiǎn)化、松弛多邊形、填充孔等操作技能，使多邊形模型更加光滑和完整。利用編輯邊界、松弛邊界、創(chuàng)建/擬合孔、延伸邊界等操作技能，使邊界符合原特征。而特征、模型偏置、雕刻等高級(jí)操作技能，將在該知識(shí)群中作為拓展部分的知識(shí)內(nèi)容來呈現(xiàn)。③曲面階段數(shù)據(jù)處理技能。在該知識(shí)元中，將講述Geomagic Studio軟件中常用的自動(dòng)構(gòu)面和手動(dòng)構(gòu)面兩種主要的曲面建模方法。涉及探測(cè)輪廓線、探測(cè)曲率、編輯輪廓線、升級(jí)/約束、構(gòu)建曲面片、移動(dòng)面板、編輯曲面片、構(gòu)建格柵、擬合曲面，以及構(gòu)建曲面的精度分析和通用CAD數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)存等操作技能。在該群中，參數(shù)化曲面構(gòu)建將作為拓展部分的知識(shí)內(nèi)容來呈現(xiàn)。

2.3 快速成型知識(shí)群

在該知識(shí)群中，將涉及快速成形(即“3D打印”)的工藝原理、RP數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品快速成形知識(shí)元。學(xué)生通過該知識(shí)群的學(xué)習(xí)，將了解RP技術(shù)的特點(diǎn)，掌握RP數(shù)據(jù)的處理、RP設(shè)備的操作，以及成形件的制作。以上各知識(shí)群保持著知識(shí)的獨(dú)立性。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，可以根據(jù)自己的興趣愛好以及時(shí)間，選擇知識(shí)群進(jìn)行具體的安排。但各群之間，又依據(jù)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)與快速制造流程，有一定的關(guān)聯(lián)性。數(shù)據(jù)掃描知識(shí)群所提供的產(chǎn)品掃描數(shù)據(jù)，可作為數(shù)模重構(gòu)知識(shí)群所需的數(shù)據(jù)模型；數(shù)模重構(gòu)知識(shí)群所構(gòu)建的模型精度又可以反過來評(píng)價(jià)掃描數(shù)據(jù)的完整性和平滑性等技術(shù)指標(biāo)。數(shù)模重構(gòu)知識(shí)群可為快速成形知識(shí)群提供數(shù)模，而依據(jù)所提供數(shù)模快速成形出的成形件，又可以用來作為評(píng)價(jià)重構(gòu)模型質(zhì)量以及數(shù)據(jù)掃描質(zhì)量好壞的實(shí)物依據(jù)。在開放課程的內(nèi)容表征上，基本采用以10 min左右的微視頻加以呈現(xiàn)，以符合認(rèn)知特點(diǎn)和信息加工規(guī)律，同時(shí)也有助于學(xué)習(xí)者注意力和時(shí)間的分配[5]。

3 開放課程資源建設(shè)和實(shí)施

本開放課程提供了多種形式的課程資源，包括課程視頻、PPT、教學(xué)文件、參考資料、在線測(cè)試、模型數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)小貼士、知識(shí)加油站等，可供學(xué)習(xí)者自行下載。課程視頻中以知識(shí)傳授為主，但也內(nèi)嵌了很多實(shí)際操作視頻，包括掃描設(shè)備和快速成形設(shè)備的操作，以及Geomagic Studio軟件各階段數(shù)據(jù)處理實(shí)例的錄屏。在線測(cè)試既有課后測(cè)試又有期末測(cè)試，并注重課后測(cè)試環(huán)節(jié)，以加強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的過程管理。模型數(shù)據(jù)提供了模型重構(gòu)知識(shí)群各知識(shí)元練習(xí)時(shí)所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、多邊形模型等；學(xué)習(xí)工具中包含了專用的逆向工程軟件Geomagic Studio、大型的CAD/CAM軟件UG等。在學(xué)習(xí)小貼士中，將為學(xué)習(xí)者提供一些經(jīng)驗(yàn)之談、操作技巧，以及主要關(guān)注點(diǎn)等。而在知識(shí)加油站中，將給學(xué)習(xí)者提供一些與RE/RP技術(shù)有關(guān)的專業(yè)英語(yǔ)詞匯、前沿研究、相關(guān)網(wǎng)站，以及名人概況等。同時(shí)本開放課程也注重拓展資源的建設(shè)。在相應(yīng)的資源庫(kù)中，提供了拓展學(xué)習(xí)所需要的數(shù)據(jù)模型及PPT、教學(xué)文件等。學(xué)習(xí)者完全可以依據(jù)所提供的資料進(jìn)行自學(xué)。

在課程的實(shí)施上，采用按照既定的課程標(biāo)準(zhǔn)，以教師為主導(dǎo)進(jìn)行傳遞與復(fù)制預(yù)設(shè)性的視頻教學(xué)。同時(shí)，還提供了錄屏講解和實(shí)景授課，以提高學(xué)習(xí)者的參與感和親近感。本課程還開辟了課堂討論區(qū)，為學(xué)習(xí)者交流互動(dòng)提供空間，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)的積極性。并且設(shè)置了在線答疑，實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)者即時(shí)提問，教師即時(shí)回答”。

“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”開放課程的評(píng)價(jià)方式采取了形成性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。形成性評(píng)價(jià)包括電子學(xué)檔記錄、項(xiàng)目實(shí)踐作品、教師評(píng)價(jià)、同伴評(píng)價(jià)和群知識(shí)測(cè)驗(yàn)。終結(jié)性評(píng)價(jià)方式采用期末考試。考試題采用選擇題、填充題和論述題。其評(píng)價(jià)方式及分值見表1。

表1 評(píng)價(jià)方式及分值

4 結(jié)語(yǔ)

所搭建的開放課程基本滿足了教學(xué)的需要，但鑒于項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間較短及現(xiàn)有條件所限，還有一些可待改進(jìn)的地方[4]。

1) 在開放課程的建設(shè)中，可運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)。學(xué)生在該系統(tǒng)中可以模擬掃描設(shè)備對(duì)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，以便更好地掌握測(cè)量設(shè)備的使用，解決操作設(shè)備機(jī)臺(tái)數(shù)少的問題。

2) 在開放課程的平臺(tái)中，增加“訪談對(duì)話”。通過邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的知名專家和企業(yè)家，圍繞課程相關(guān)問題進(jìn)行深度對(duì)話與交流，使學(xué)習(xí)者由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)化為主動(dòng)參與，加深對(duì)課程知識(shí)的感知和理解。

3) 由于逆向工程和快速成形都是較新的技術(shù)，其發(fā)展日新月異。因此，在課程平臺(tái)的建設(shè)中，要考慮如何實(shí)時(shí)地將新技術(shù)、新工藝進(jìn)行引入。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]陳 敏，余勝泉.基于學(xué)習(xí)元平臺(tái)的開放共享課設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].開放教育研究，2013，19(2)：49-58.

[3]尹睿，劉路莎，張夢(mèng)葉，等.國(guó)外百門大規(guī)模開放在線課程設(shè)計(jì)與開發(fā)特征的內(nèi)容分析：課程視角[J].電化教育研究，2015(12)：30-37.

[4]孫春華，陳雪芳，杜建紅.“逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用”課程教學(xué)探討[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，22(2)：56-58.

[5]- 78 -黃甫全.現(xiàn)代課程與教學(xué)論[M].3版.北京：人民教育出版社，2014.