新工科背景下“逆向工程”課程教學改革與探索＊

夏會芳，湯 劍，吳 嬌

（武漢華夏理工學院智能制造學院，湖北 武漢 430223）

隨著“中國制造2025”推進，制造業全面轉型升級，中國涌現一批多媒體、動畫、醫學、文物與藝術品的仿制和破損零件修復企業，因此對逆向工程相關人才的需求越來越多。2017年教育部多次召開會議，研究新形勢適應新技術發展的工科建設路徑，旨在培養滿足當前社會對高素質應用型人才的需求[1]。

武漢華夏理工學院是一所地方性、應用型本科高校，根據辦學定位和行業發展需求，將原機電工程學院的機自、機電、材料成型專業和汽車學院車輛、汽服專業整合設立智能制造學院，組建機械類特色專業集群，培養能在機械制造行業或科研單位等從事產品設計、制造、科技開發、應用研究和運行管理等方面工作的高級應用技術型人才。“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集群的核心拓展課程，與工程實踐緊密結合，對于培養高校學生的實踐動手能力、創新能力和工程應用能力具有十分重要的意義[3]，它是將已有產品或實物轉化為工程設計模型和概論模型，并在此基礎上解剖、深化和再創造的一系列分析方法和應用技術的組合[4]。

1 “逆向工程”課程的教學現狀

武漢華夏理工學院“逆向工程”教學過程中存在以下幾方面的問題。

1.1 相關教學資料匱乏

目前缺少很成熟的“逆向工程”課程資源，網上大多是逆向相關軟件的操作視頻，很少有從數據采集、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，因此學生很難系統了解和掌握“逆向工程”的全過程，不利于學生自主學習。

1.2 教學內容多學時少

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

1.3 教學模式單一

“逆向工程”課程需要學習各種相關軟件，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。由于學時有限，大多數課堂教學多采用滿堂灌模式，教師講授軟件的操作，學生被動接受，學生練習時間少，教學效果不理想。

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、考勤、實驗，學生只要按部就班完成教師布置的作業練習和課程實驗，基本能及格，所以這種考核方式不利于激發學生創新能力和工程應用能力培養。

上述教學問題不利于激發學生的學習興趣和調動學生學習積極性，制約了學生創造力的發揮，嚴重影響課程的教學效果。

2 “逆向工程”課程的教學改革

2.1 建立網上課程學習資源

在超星平臺創建“逆向工程”教學資源，通過布置一些任務點和作業，讓學生按時完成。學生通過PPT、軟件操作視頻，可提高操作應用軟件的水平，從而提高課程學習效果。

2.2 梳理教學內容

根據確定的教學內容制定規范的教學大綱，構建以實用性內容為主、培養學生工程應用能力的課程內容體系，從“逆向工程”的基本概念、數據采集技術、逆向建模軟件到快速成型技術，形成系統的知識結構體系，讓學生掌握逆向工程的全過程，加深對先進制造技術的了解和掌握。

2.3 改進教學方法

課堂上通過案例來輔助教學。課堂上結合具體的案例，從點云數據采集、點云數據處理、逆向建模、三維檢測到3D 打印給學生操作演練一遍逆向工程的關鍵技術，如吹風機的逆向建模及3D 打印案例。具體內容包括：①吹風機的點云數據采集。通過分析吹風機的具體結構，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點云數據，如圖1所示。②點云數據處理。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建模有影響，需要對獲取到的點云數據進行處理，采用Geomagic Wrap軟件對點云進行數據精簡、孔填充、光順處理后，封裝成STL 格式的三角面片。吹風機封裝模型如圖2所示。③逆向建模。將STL 格式的三角面片導入到正逆向建模軟件Geomagic Design X 中，通過領域劃分、面片擬合、剪切、倒圓角后完成吹風機的逆向建模，吹風機模型如圖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據為依據進行的曲面建模，或多或少會存在一些誤差，所以需要通過相關的數據檢測對比兩者之間的偏差，用以判斷是否在誤差允許的區間內，如果誤差較大，需重新修改模型，直到誤差在允許范圍之內。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創新設計。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，或導入UG 或Solidworks 等軟件中對吹風機進行創新設計，例如對把柄部分進行優化設計，更加滿足人體學設計等。⑥吹風機3D 打印。將CAD 數據裝換成STL 三角形面片導入切片軟件中進行切片處理，最后保存為GCoad代碼導入3D 打印設備進行打印，完成吹風機模型制作。

圖1 吹風機點云數據

圖2 吹風機封裝模型

圖3 吹風機模型

圖4 模型三維檢測對比

通過教學過程，使學生真正理解“逆向工程”不僅僅是對實物的再現或還原，而是在基于原型的基礎上進行改進、創新。同時授課過程中，教師精講，把時間還給學生，在機房講授一節課，學生練習一節課，課后通過布置作業讓學生鞏固對軟件不熟練的操作，通過超星平臺學習和網絡資源的學習鞏固知識。在教學過程中還提供一些案例，如肥皂盒、汽車模型、存錢罐等模型，教師指導關鍵步驟，學生自主完成，鍛煉學生的自主學習能力。

2.4 組建教學團隊

“逆向工程”課題組組建理論和實踐結合的教學團隊。積極組織相關教師參加相關行業組織的培訓工作，如國家制造業信息化培訓中心3D 辦組織的逆向工程實操課程，學院多名逆向工程相關教師都積極參加，并取得相關職業資格證書，獲得3D 打印檢測應用工程師資格、3D 打印培訓講師資格等，并安排教師暑假到相關企業培訓，提高教師的專業綜合素質及實踐應用和科研開發能力。

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，學院成立“逆向工程”實驗中心，建立三坐標測量實驗室，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。圖5 為學生在三維激光掃描實驗室進行實物掃描操作。通過開設課程項目和實驗，實現“以學生為主體、教師為主導”的學習方式，培養學生的實踐動手能力和綜合素質。

圖5 學生掃描

2.6 優化課程考試

采用大作業考核方式考核學生掌握面向實物樣件的數據采集、數據處理、模型重建、計算機輔助檢測及3D 打印技術。開課初就下達任務，可供選擇的題目有肥皂盒逆向建模及3D 打印、鼠標逆向建模及3D 打印、汽車模型逆向建模及3D 打印、吹風機逆向建模及3D 打印、遙控器逆向建模及3D 打印等。學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內容，實驗室提供設備上的支持，教師提供理論指導及過程監控。課程結束時，學生要完成所選題目的大作業報告，包括PPT、逆向建模的CAD 模型文件、3D 打印實物及大作業成果報告（說明書），并參與答辯。教師根據完成情況給出相應等級。考核內容包括通過測量設備獲取的實物點云數據是否完整，設備操作是否熟練；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。具體評分標準如表1所示。

表1 “逆向工程”課程考核評分標準

這種大作業考核方式能客觀、合理評價學生理解逆向工程關鍵技術的情況。學生掌握了逆向工程所用測量設備的操作方式，掌握結合正逆向三維軟件對點云數據的優化處理能力；完成對實物的逆向造型和創新；并結合3D 打印技術完成零件的快速制造。通過小組協作模式，鍛煉學生的合作能力、表達能力，鍛煉學生檢測、設計、創新、制造能力，為后續相關學科競賽和畢業設計奠定基礎。

3 結語

針對新工科對應用型人才培養要求，在“逆向工程”教學資源、教學內容、教學方法、實驗室、教學團隊及考核方法等方面進行改革和探討。經過近2年的實踐，改革效果顯著。多名學生憑借大作業作品參加相關學科競賽并獲獎多項。如參加三維數字化創新設計大賽獲省級特等獎2 項、一等獎1 項、二等獎2項等，學生評教效果好，課程學習效果好，真正培養了符合時代要求的能夠適應和支撐產業發展的的機械工程專業創新應用型人才。