基于逆向工程技術培養學生三維設計與創新能力的研究

摘 要：“中國制造2025”的關鍵環節是創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等，圍繞這些關鍵環節闡述了“中國制造2025”在人才培養方面的要求。從三維數字化建模技術出發，分析并說明基于逆向工程技術的先進制造技術助力“中國制造2025”。結合高職機電類人才培養的要求，從課堂教學、技能大賽、培訓服務等方面探討了基于逆向建模技術的創新人才培養模式，旨在為高職機電類學生的人才培養模式提供一條有效的途徑。

關鍵詞：中國制造2025；三維數字化建模技術；逆向建模；三維設計；創新能力

一、“中國制造2025”與人才培養

新世紀以來，新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征，這場變革是信息技術與制造業的深度融合，將給世界范圍內的制造業帶來深刻影響。這一變革恰與中國加快轉變經濟發展方式、建設制造強國形成歷史性交匯，這對中國是極大的挑戰，同時也是極大的機遇。

國務院總理李克強在十二屆全國人大三次會議政府工作報告上提出的“中國制造2025”，提出了我國制造強國建設三個十年的“三步走”戰略，是第一個十年的行動綱領。

“中國制造2025”圍繞創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等關鍵環節，以及先進制造、高端裝備等重點領域，提出了加快制造業轉型升級、提升增效的重大戰略任務和重大政策舉措，力爭我國到2025年從制造大國邁入制造強國行列。

新型工業呼喚與之匹配的高技能人才，工業的內涵正在發生變化，工業所需要的人亦須隨之而變。

產業轉型升級中，需要不可或缺的兩支人才大軍：

一是富于創造性的創新型人才隊伍；

二是具有高技能的技術技能型人才。

工業革命，教育先行，“中國制造2025”對高職教育提出了更新、更高的要求。

二、基于逆向工程技術的先進制造技術助力“中國制造2025”

工業產品的三維數字化技術是將構思或存在的實物轉化為可編輯的三維電子數據的過程；分為正向設計（正向工程）和逆向工程。

正向工程是根據產品的功能和用途首先進行概念設計，然后通過CAD輸出產品的設計圖紙，經審查無誤后，編制NC代碼并輸入CNC加工設備進行產品加工或者通過快速成形機制作樣品。

逆向工程（也稱反向工程或反求工程），是對已有的產品零件或原型進行CAD 模型重建，即對已有的零件或實物原型，利用三維數字化測量設備準確、快速地測量出實物表面的三維坐標點，并根據這些坐標點通過三維幾何建模方法重建實物模型的過程。

逆向工程不是簡單地再現產品原型，而是技術消化、吸收，進一步改進、提高產品原型的重要技術手段，是產品快速創新開發的重要途徑。

基于逆向工程技術的先進制造技術包括三維數據采集、三維檢測、逆向建模、正向創新建模、3D打印、數控加工等。如圖1所示，先進制造技術助力“中國制造2025”。

三、基于逆向建模技術培養創新人才的模式探索

目前，各行各業都急需熟悉逆向工程技術且具有創新思維的應用型人才。高等職業教育的培養目標是培養具有一定理論基礎的高素質應用型人才，其培養方向和專業類型必須服務和服從經濟建設的主戰場，企業需要什么樣的人才，就得培養什么樣的人才。

高職學生不僅要掌握本專業的基本知識和基本技能，更要具備企業急需的三維設計與創新能力。高職機電類學生三維設計與創新能力的培養已迫在眉睫，在高職機電專業體系中融入三維造型技術和逆向工程技術勢在必行。

（一）以課堂教學為主線，改革教學內容和教學方法。

高職院校的主要任務是培養社會企業需要的人才，作為學校，課堂教學依然為學生能力培養、知識傳授的主戰場，根據企業對專業技能型人才的要求，在教學內容設置上應在滿足教學內容系統性的前提下，力求結合實際應用，使學生能夠學以致用；在教學方法上要注重學生能力培養，充分應用現代先進的教學設計理念，提高學生的學習興趣、激發學生的學習熱情和學習的主動性。逆向建模課程是學生在學習了《機械制圖》、《AutoCAD計算機繪圖》、《機械設計基礎》、《Creo繪圖》等課程的基礎上繼續學習的一門課程，該課程不僅為后繼畢業設計制作起支撐作用，也可進一步培養學生具有較強的綜合應用能力。如圖2所示為課程前后關聯課程。

教學目標包括能力目標、知識目標和職業素質目標。

課程能力目標是：能夠根據設計任務書要求，進行同類產品市場調研與分析，能從產品功能出發，進行功能分解和方案設計。具備一定的三維掃描儀操作和數據采集能力，掌握常見的逆向工程設備的數據采集原理以及造型軟件。能夠掌握一定點云數據處理和逆向造型還原的能力，能運用計算機輔助設計等手段，進行產品功能與結構設計。能夠在充分理解產品功能與結構基礎上，進行創新設計和優化設計。

課程知識目標是：能夠利用三維掃描設備進行實物的三維掃描，獲得點云數據。能夠對獲得的點云數據進行點云處理、多邊形階段處理、參數化曲面處理等過程操作。能夠利用相關逆向建模軟件對產品進行三維逆向建模與設計

課程職業素質目標是：通過產品結構分解、合理功能確定、工藝的合理選擇、整體逆向設計方案的優化，以培養學生成本意識。通過各組學生設計效果的比較，獎優罰劣，培養學生積極進取、爭優創先的意識，建立做工作首先具有質量意識。通過現場操作和案例分析，激發、培養學生的創新思維。通過項目訓練，培養學生的專業執行能力、表現能力和綜合素養。

根據逆向創新工作流程，課程主要內容包括：三維掃描、數據處理、三維逆向建模與設計。

（二）以參加各項技能大賽為輔線，提高學生實踐能力。

近年來，在全國高職院校中掀起了一股技能大賽熱，其中，全國職業技能大賽組委會舉辦的全國職業院校技能大賽高職組“三維建模數字化設計與制造”賽項就是針對高職機電類學生設置的。

通過大賽推動高職層次人才投身到“大眾創業、萬眾創新”高科技智造新形勢中，動手創新實踐，或團隊創新設計，或獨立智造創業，施展自己的抱負，實現人生價值。

大賽推動專業間知識、技能交叉，引導高職院校，按職業崗位需求，培養具有創造思維、創新技能和團隊協作意愿的復合型人才，讓學生通過競賽，體驗數字化、智能化的產品開發和創新設計的完整崗位工作過程，激發學生對專業知識和職業技能的學習興趣和熱情。通過聯合組隊完成三維逆向掃描、逆向建模設計、正向建模創新設計、精密制造合檢測等方面的能力，充分體現產業轉型升級對技術技能人才能力的新需求，展現參賽對的先進金屬應用水平、創新意識與設計表現、產品設計工藝性分析與實踐、團隊協作、現場問題的分析與處理、安全及文明生產等方面的能力和職業素養。引領全國職業院校專業建設和教學改革創新，促進專業教學內容更新與融合，開拓學生視野和知識面，鼓勵專業間教學協作，選擇現代先進企業成熟應用的新技術、新工藝、新方法，引進職業教育課堂，培養創新精神、團隊協作意識，提升人才培養規格和質量，吸引學生投身到“中國制造2025”中去。

“以賽促教，以賽促學”，通過組織學生參加各類省級、國家級的相關比賽，培養學生的實際動手和綜合應用的能力。將理論與實踐相結合，可有效激發學生學習興趣，培養學生創新思維能力。

（三）加強培訓，提高創新設計技能。

1.學生培訓

先進制造技術基地的建設目標，在于培養學生更深層次的了解現代先進制造技術，包含三維數據采集技術、三維數字化建模技術、快速成型技術、三維檢測技術等整個工業產品設計加工流程。為培養專業創新型人才打造良好的教學基礎，加強更多的專業知識學習與實訓鍛煉機會，為企業定向培養大量通曉行業流程的技術人才，從而提高在校學生的就業質量。專業知識的學習與技術應用有效的結合為企業和社會的發展提供動力。

2.師資培訓

通過專業的師資培訓過程，搭建專業教師與行業企業專家交流溝通的平臺，促進先進制造技術應用；力求使學員及時學習、了解、掌握當今數字化設計制造技術應用知識、技能、方法和案例，增進對先進制造技術引入教學改革的認識，促進職業院校專業創新、實訓基地創新建設，不斷提高教師的知識水平和教學能力，有效服務于提高職業院校服務區域產業發展的能力。

3.社會培訓

隨著先進制造技術的推廣與認知，希望了解與參加技術培訓的人員逐漸增加，很多企業的管理者也逐漸意識到先進制造技術對企業發展提升的重要。實訓基地已經為他們準備優質的培訓環境，貼近用戶需要的培訓內容，滿足人們對先進制造技術的渴求。

四、結束語

隨著計算機、數控和激光測量技術的飛速發展，逆向工程已成為航空、航天、汽車、船舶和模具等工業領域最重要的產品設計方法，是工程技術人員通過實物樣件、圖樣等快速獲取工程設計概念和設計模型的重要技術手段。

實踐證明，通過逆向工程技術的學習和應用，可以有效提高學生的創新設計與創新能力。

參考文獻：

[1] 張學昌.逆向建模技術與產品創新設計[M].北京：北京大學出版社，2009.

[2] 王致剛，吳瑞凱.高職學生第二課堂創新學習探討[J].當代職業教育，2015，（09）：30-31.

作者簡介：郭艷艷，武漢鐵路職業技術學院，副教授，研究方向：機械電子工程。

基金項目：湖北省2015年度“十二五”教育科學規劃研究立項課題（課題編號：2015B257）