新工科背景下“逆向工程”課程教學(xué)改革與探索＊

夏會芳，湯 劍，吳 嬌

（武漢華夏理工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430223）

隨著“中國制造2025”推進，制造業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級，中國涌現(xiàn)一批多媒體、動畫、醫(yī)學(xué)、文物與藝術(shù)品的仿制和破損零件修復(fù)企業(yè)，因此對逆向工程相關(guān)人才的需求越來越多。2017年教育部多次召開會議，研究新形勢適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的工科建設(shè)路徑，旨在培養(yǎng)滿足當(dāng)前社會對高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求[1]。

武漢華夏理工學(xué)院是一所地方性、應(yīng)用型本科高校，根據(jù)辦學(xué)定位和行業(yè)發(fā)展需求，將原機電工程學(xué)院的機自、機電、材料成型專業(yè)和汽車學(xué)院車輛、汽服專業(yè)整合設(shè)立智能制造學(xué)院，組建機械類特色專業(yè)集群，培養(yǎng)能在機械制造行業(yè)或科研單位等從事產(chǎn)品設(shè)計、制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究和運行管理等方面工作的高級應(yīng)用技術(shù)型人才。“逆向工程”也被稱為“反求工程”“反向工程”等[2]，該課程是機械類特色專業(yè)集群的核心拓展課程，與工程實踐緊密結(jié)合，對于培養(yǎng)高校學(xué)生的實踐動手能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力具有十分重要的意義[3]，它是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨镛D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概論模型，并在此基礎(chǔ)上解剖、深化和再創(chuàng)造的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合[4]。

1 “逆向工程”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

武漢華夏理工學(xué)院“逆向工程”教學(xué)過程中存在以下幾方面的問題。

1.1 相關(guān)教學(xué)資料匱乏

目前缺少很成熟的“逆向工程”課程資源，網(wǎng)上大多是逆向相關(guān)軟件的操作視頻，很少有從數(shù)據(jù)采集、點云處理、逆向建模、三維對比檢測到快速成型整個逆向全過程的案例，因此學(xué)生很難系統(tǒng)了解和掌握“逆向工程”的全過程，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容多學(xué)時少

按人才培養(yǎng)計劃，“逆向工程”課程總共32個學(xué)時，其中理論教學(xué)24個學(xué)時、實驗學(xué)時8個學(xué)時。24個理論學(xué)時需要講述逆向工程的基本概念、逆向工程各種相關(guān)軟件操作及3D 打印相關(guān)知識。因此教學(xué)中一直存在課程內(nèi)容多學(xué)生少的矛盾，課上很難深入講解軟件操作，學(xué)生也很難熟練掌握軟件操作。

1.3 教學(xué)模式單一

“逆向工程”課程需要學(xué)習(xí)各種相關(guān)軟件，如點運處理軟件Geomagic Wrap、正逆向建模軟件Geomagic DesignX 、 計算機輔助檢測Geomagic controlX 軟件等。由于學(xué)時有限，大多數(shù)課堂教學(xué)多采用滿堂灌模式，教師講授軟件的操作，學(xué)生被動接受，學(xué)生練習(xí)時間少，教學(xué)效果不理想。

1.4 考核方式單一

“逆向工程”課程考核方式是閉卷考試，其中終結(jié)性考核占比70%，平時過程考核占比30%，過程考核包括平時作業(yè)、考勤、實驗，學(xué)生只要按部就班完成教師布置的作業(yè)練習(xí)和課程實驗，基本能及格，所以這種考核方式不利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力培養(yǎng)。

上述教學(xué)問題不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，制約了學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮，嚴(yán)重影響課程的教學(xué)效果。

2 “逆向工程”課程的教學(xué)改革

2.1 建立網(wǎng)上課程學(xué)習(xí)資源

在超星平臺創(chuàng)建“逆向工程”教學(xué)資源，通過布置一些任務(wù)點和作業(yè)，讓學(xué)生按時完成。學(xué)生通過PPT、軟件操作視頻，可提高操作應(yīng)用軟件的水平，從而提高課程學(xué)習(xí)效果。

2.2 梳理教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)確定的教學(xué)內(nèi)容制定規(guī)范的教學(xué)大綱，構(gòu)建以實用性內(nèi)容為主、培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的課程內(nèi)容體系，從“逆向工程”的基本概念、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、逆向建模軟件到快速成型技術(shù)，形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)體系，讓學(xué)生掌握逆向工程的全過程，加深對先進制造技術(shù)的了解和掌握。

2.3 改進教學(xué)方法

課堂上通過案例來輔助教學(xué)。課堂上結(jié)合具體的案例，從點云數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、逆向建模、三維檢測到3D 打印給學(xué)生操作演練一遍逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，如吹風(fēng)機的逆向建模及3D 打印案例。具體內(nèi)容包括：①吹風(fēng)機的點云數(shù)據(jù)采集。通過分析吹風(fēng)機的具體結(jié)構(gòu)，確定合適的點云采集方法。本案例通過分析采用非接觸式掃描儀獲取吹風(fēng)點云數(shù)據(jù)，如圖1所示。②點云數(shù)據(jù)處理。由于在三維掃描過程中會得到一些噪點，這些噪點的存在會對后續(xù)建模有影響，需要對獲取到的點云數(shù)據(jù)進行處理，采用Geomagic Wrap軟件對點云進行數(shù)據(jù)精簡、孔填充、光順處理后，封裝成STL 格式的三角面片。吹風(fēng)機封裝模型如圖2所示。③逆向建模。將STL 格式的三角面片導(dǎo)入到正逆向建模軟件Geomagic Design X 中，通過領(lǐng)域劃分、面片擬合、剪切、倒圓角后完成吹風(fēng)機的逆向建模，吹風(fēng)機模型如圖3所示。④模型計算機輔助檢測。在逆向建模的過程中，由于是以采集到的點云數(shù)據(jù)為依據(jù)進行的曲面建模，或多或少會存在一些誤差，所以需要通過相關(guān)的數(shù)據(jù)檢測對比兩者之間的偏差，用以判斷是否在誤差允許的區(qū)間內(nèi)，如果誤差較大，需重新修改模型，直到誤差在允許范圍之內(nèi)。本案例采用Geomagic Control X 軟件進行三維檢測，模型三維檢測對比如圖4所示。⑤創(chuàng)新設(shè)計。重建模型進行精度分析后滿足要求，可以直接在正逆向建模軟件Geomagic DesignX 中進行其他特征建立，或?qū)險G 或Solidworks 等軟件中對吹風(fēng)機進行創(chuàng)新設(shè)計，例如對把柄部分進行優(yōu)化設(shè)計，更加滿足人體學(xué)設(shè)計等。⑥吹風(fēng)機3D 打印。將CAD 數(shù)據(jù)裝換成STL 三角形面片導(dǎo)入切片軟件中進行切片處理，最后保存為GCoad代碼導(dǎo)入3D 打印設(shè)備進行打印，完成吹風(fēng)機模型制作。

圖1 吹風(fēng)機點云數(shù)據(jù)

圖2 吹風(fēng)機封裝模型

圖3 吹風(fēng)機模型

圖4 模型三維檢測對比

通過教學(xué)過程，使學(xué)生真正理解“逆向工程”不僅僅是對實物的再現(xiàn)或還原，而是在基于原型的基礎(chǔ)上進行改進、創(chuàng)新。同時授課過程中，教師精講，把時間還給學(xué)生，在機房講授一節(jié)課，學(xué)生練習(xí)一節(jié)課，課后通過布置作業(yè)讓學(xué)生鞏固對軟件不熟練的操作，通過超星平臺學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)資源的學(xué)習(xí)鞏固知識。在教學(xué)過程中還提供一些案例，如肥皂盒、汽車模型、存錢罐等模型，教師指導(dǎo)關(guān)鍵步驟，學(xué)生自主完成，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

2.4 組建教學(xué)團隊

“逆向工程”課題組組建理論和實踐結(jié)合的教學(xué)團隊。積極組織相關(guān)教師參加相關(guān)行業(yè)組織的培訓(xùn)工作，如國家制造業(yè)信息化培訓(xùn)中心3D 辦組織的逆向工程實操課程，學(xué)院多名逆向工程相關(guān)教師都積極參加，并取得相關(guān)職業(yè)資格證書，獲得3D 打印檢測應(yīng)用工程師資格、3D 打印培訓(xùn)講師資格等，并安排教師暑假到相關(guān)企業(yè)培訓(xùn)，提高教師的專業(yè)綜合素質(zhì)及實踐應(yīng)用和科研開發(fā)能力。

2.5 成立“逆向工程”實驗中心

“逆向工程”是一門實踐性很強的課程，需要很多實驗輔助教學(xué)，學(xué)院成立“逆向工程”實驗中心，建立三坐標(biāo)測量實驗室，三維激光掃描實驗室及3D 打印實驗室，支持“逆向工程”課程教學(xué)。圖5 為學(xué)生在三維激光掃描實驗室進行實物掃描操作。通過開設(shè)課程項目和實驗，實現(xiàn)“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和綜合素質(zhì)。

圖5 學(xué)生掃描

2.6 優(yōu)化課程考試

采用大作業(yè)考核方式考核學(xué)生掌握面向?qū)嵨飿蛹臄?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重建、計算機輔助檢測及3D 打印技術(shù)。開課初就下達任務(wù)，可供選擇的題目有肥皂盒逆向建模及3D 打印、鼠標(biāo)逆向建模及3D 打印、汽車模型逆向建模及3D 打印、吹風(fēng)機逆向建模及3D 打印、遙控器逆向建模及3D 打印等。學(xué)生按感興趣的題目分組，每個班以4～5人為一組分成若干小組，各小組成員分工合作完成大作業(yè)內(nèi)容，實驗室提供設(shè)備上的支持，教師提供理論指導(dǎo)及過程監(jiān)控。課程結(jié)束時，學(xué)生要完成所選題目的大作業(yè)報告，包括PPT、逆向建模的CAD 模型文件、3D 打印實物及大作業(yè)成果報告（說明書），并參與答辯。教師根據(jù)完成情況給出相應(yīng)等級?？己藘?nèi)容包括通過測量設(shè)備獲取的實物點云數(shù)據(jù)是否完整，設(shè)備操作是否熟練；利用Geomagic Wrap 軟件對點云的處理效果；利用Geomagic DesignX軟件建立的模型效果；利用Geomagic Control X 軟件完成三維檢測報告；3D 打印實物。每部分分別給分，最后匯總作為課程成績。具體評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 “逆向工程”課程考核評分標(biāo)準(zhǔn)

這種大作業(yè)考核方式能客觀、合理評價學(xué)生理解逆向工程關(guān)鍵技術(shù)的情況。學(xué)生掌握了逆向工程所用測量設(shè)備的操作方式，掌握結(jié)合正逆向三維軟件對點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理能力；完成對實物的逆向造型和創(chuàng)新；并結(jié)合3D 打印技術(shù)完成零件的快速制造。通過小組協(xié)作模式，鍛煉學(xué)生的合作能力、表達能力，鍛煉學(xué)生檢測、設(shè)計、創(chuàng)新、制造能力，為后續(xù)相關(guān)學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

針對新工科對應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，在“逆向工程”教學(xué)資源、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗室、教學(xué)團隊及考核方法等方面進行改革和探討。經(jīng)過近2年的實踐，改革效果顯著。多名學(xué)生憑借大作業(yè)作品參加相關(guān)學(xué)科競賽并獲獎多項。如參加三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽獲省級特等獎2 項、一等獎1 項、二等獎2項等，學(xué)生評教效果好，課程學(xué)習(xí)效果好，真正培養(yǎng)了符合時代要求的能夠適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的的機械工程專業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用型人才。