正向與逆向三維建模相結合的實踐教學研究

胡碧康　周麗紅　陶錫麒

摘要：盡管正向三維建模的教學已經比較成熟，但大多數學生對掌握復雜的曲面三維正向建模還是比較困難，容易打消學生學習的積極性。而逆向工程已經在社會企業普及，高校的教育教學也應跟上時代，因此將正向與逆向三維建模相結合的教學很有必要。對比兩種建模方法，學生自主選擇建模方式，降低掌握三維建模技能的難度。

關鍵詞：三維建模；逆向工程；建模方式；實踐教學

中圖分類號：G423.31；TP391

三維建模技能是產品結構研發設計的基礎，構建形狀結構相對簡單的模型可采用正向建模的方法，然而對于結構復雜的三維模型采用正向建模所花費的時間長，有的甚至對三維建模工程師有較高要求。近年來隨著科學技術的發展，復雜三維模型可以通過三維掃描快速便捷的獲取，然后經過逆向建模來設計新的產品模型，有效縮短了產品的研制周期，提高了產品研發效率并降低了成本。這種建模方法對先進制造、工業設計、文化創意、制造業信息化工程等多個領域產生了較大的影響。現如今三維掃描逆向建模已經遍布全球，我們的高校教學工作也應與時俱進，開展三維逆向建模實驗教學對于拓展學生視野、培養學生設計和創新能力非常重要，因此高校開展逆向建模實驗課程已經迫在眉睫。

一、正向三維建模的教學現狀

三維建模軟件的學習一直以來深受高校機械類專業的重視，被規劃為必修課，要求學生掌握基本的三維建模方法，增強學生的機械制圖、計算機繪圖、產品設計與制造、空間想象等方面的能力。三維建模技術應用的特點是從根本性地改變產品的設計、工藝的新產品開發，是從無到有的創新設計。常用的三維建模軟件有Pro/E，Solid Works，CATIA，UG等，大多數高校選擇其中具有代表性的建模軟件Pro/E作為教學軟件。

三維建模軟件的教學方式近些年也有了很大的改進，由早期的填鴨式單一教育方式改革到課前的相關小視頻引入、課堂上的分小組討論建模方案等先進的教學方式來激發學生的自主學習性，還有部分老師以讓學生參加競賽的方式激勵學生自學相關三維建模軟件。通過查找資料及對湖北部分高校調查研究發現，正向三維建模的教學方式已經相對成熟，而逆向三維建模教學在高校還未全面推進。

二、逆向三維建模

逆向三維建模是近年興起的三維建模方式，它借助于三維掃描儀將復雜的實物樣品通過光柵測量的方式采集樣品各尺寸到電腦軟件內，然后經過后處理得到樣品的三維模型。

逆向建模特別適用于復雜自由曲面的逆向模型，主要應用于產品研發設計（RD）、逆向工程（RE）。逆向三維掃描操作簡單、輸出數據兼容性強，可與Geomagic、Polyworks、Rapidform、Im-ageware、UG、Pro/e、CATIA等軟件進行直接數據交換。這種三維建模方式可以降低成本并且高效率的制造出原型產品模型，進而研究開發新的產品，目前采用此技術進行開發新產品的企業已經遍布全球。

然而目前較少有高校給學生提出逆向三維建模的概念，開設逆向三維建模教學的學校更少。通過以武漢科技大學城市學院機械專業學生的三維實踐教學為基礎研究發現，學生們對于簡單的三維正向建模能較好的掌握，但復雜的正向三維模型設計會讓大部分學生有挫敗感，從而產生厭學傾向。而逆向三維建模學生可將復雜的三維模型通過三維掃描快速便捷的獲取，然后經過逆向三維建模來設計新的產品模型，以此提高學生學習三維建模的積極性，增強學生對于三維建模技能掌握的成就感，由此產生學習興趣，也能讓學生適應社會的快速發展。因此，為了讓學生能更好的掌握三維建模技能，適應社會企業快速開發、創新產品的工作速度，廣泛開設逆向建模實踐教學課程是很有必要的。

三、正向與逆向相結合的實踐教學

以機械創新設計大賽為契機，選擇八名機械專業本科大二的學生作為三維建模實踐教學對象。整體教學安排是首先教學三維軟件Pro/E的基本三維建模方法，給學生留出一定的時間消化吸收Pro/E的操作規律；然后開始教學復雜曲面的建模方法，讓學生畫一個哆啦A夢笑臉的模型，完成正像三維建模的教學工作；接著開始三維逆向建模教學，以笑臉哆啦A夢為例，首先用藍光三維掃描儀掃描實物模型哆啦A夢，得到點云數據；然后將點云數據用Geomagic Studio進行處理，得到哆啦A夢的三維模型；最后用Geomagic Design Direct或UG進行創新修改設計，如將笑臉哆啦A夢造型用UG修改為難過的哆啦A夢造型。整體教學流程如圖1所示。

經過對正向、逆向三維建模的整體實踐教學，學生們對三維建模有了更多的了解，對于建模方法的選擇有了清楚的認識。對比兩種建模方法的優缺點，學生課自主選擇建模方式，簡單的三維模型采用正向建模更省時，復雜的三維模型根據需要可以選擇逆向建模的方式，能有更多創新設計的時間與空間，學生們對未來機械設計工作的學習生活更有信心，對三維建模的學習更感興趣。

四、結語：

正向與逆向三維建模的結合不僅有利于增加學生學習三維建模的興趣，也開拓了學生的眼界。這種三維建模實踐教學方式讓學生自己認識到兩種不同的建模方法的優缺點，自主選擇不同的建模方式來達到相同的建模效果，有助于培養學生的創新能力，提高學生的創新設計水平，而不用傳統的單一教學模式去禁錮學生的創新思維。