逆向工程技術在金工實習教育體系下的教學改革探索

朱禹川

遼寧科技大學 遼寧鞍山 114051

1 概述

逆向工程技術是一種將現有復雜零件外形信息提取,優化處理并進行二次制造的技術[1]。掌握與認識這門技術,對于新工科背景下的當代工科類大學生具有十分重要的意義[2]。同時金工實習作為工科類大學生的通識課程,在其課程體系下加入相關逆向工程技術理論認識就顯得尤為重要[3]。而不同工科類大學生對于逆向工程技術的認識與掌握程度要求不同,因此針對不同專業的學生需要制定不同的教學方案與考核標準。本研究針對金工實習課程體系下的逆向工程技術制定了以學生為中心、突出專業特色的教學方案與考核標準,謀求更好的教學效果。

目前在新工科建設背景下的金工實習教育,其核心理念主要是以學生為中心,目標導向,持續改進[4],使逆向工程技術有機地結合新工科下金工實習教育的核心理念就非常具有實際意義。但目前逆向工程技術教學仍舊存在一些問題[5]:(1)逆向工程理論教學占比較大,缺乏與實際操作結合;(2)逆向工程教育模式單一,主要集中在軟件操作,學生無法提高學習興趣;(3)考核方式單一,基礎理論考核占比70%,平時過程考核占30%,且過程考核不包含采集設備的使用,無法使學生提高工程實踐能力。本文將針對以上問題制定新工科背景下逆向工程技術的相關教學方式與方法,同時制定合理的考核制度,用以鼓勵與提高課程的教學效果。

2 教學方法

在金工實習教育體系下逆向工程課程改革需針對不同專業學生對其學習要求的不同,根據不同的教學時長,制定具有專業特色的教學方案與方法。由于本研究基于金工實習課程體系下進行,因此不同專業的教學時長也進行了相應的改變。對于機械類重點專業如機械工程、機械設計、機械制造等專業,逆向工程技術的學習時長為6個學時,基礎理論知識介紹為1個學時,利用關節臂測量機進行數據采集為1個學時,采集數據處理為2個學時,模型制造為2個學時;對于非機械類重點專業如材料工程、化學工程、采礦工程等專業,逆向工程技術的學習時長為3個學時,基礎理論知識介紹為1學時,數據采集1學時,數據處理1學時;對于工科類其他專業如自動化、電子工程、土木工程等專業,逆向工程技術的學習時長為2學時,基礎理論知識介紹1學時,數據處理1學時。如圖1所示。

圖1 不同專業逆向工程教學學時分配

根據不同專業的教學時長,如何在有限時間內提高學習效果就顯得尤為重要。針對逆向工程技術基礎理論介紹不同專業的相關教學應具有專業特設,在機械工程相關專業的理論介紹中主要集中在對大型裝備關鍵零部件的逆向制造進行介紹,如發動機葉輪的逆向采集與制造。針對于數據采集的介紹應更加符合時代特點,從數據采集方式與方法就進行拓展講解,分析接觸式測量與非接觸式測量的優缺點,同時介紹其常用的相關設備。針對數據處理需集中在數據處理的相關方法進行介紹,分析基于邊界分割與區域分割的適用場景以及處理效果。最后針對加工手段進行相應的介紹,著重介紹快速成型技術在相關領域的應用,如圖2所示。

圖2 逆向工程教學流程

在完成理論學習后,進行相關數據采集設備的教學,通過演示七自由度關節臂測量機的相關采集方法,使同學進一步了解接觸式與非接觸式測量手段的區別,同時將學生分組對素材庫中的相關復雜零件進行選擇性測量,并將測量數據有效保存。

結束測量工作將文件保存后,學生進入機房對采集的點云文件進行數據處理。教師首先對學生采集數據過程中的問題進行總結,同時通過在教師機演示已準備好的點云文件處理過程,讓學生較好地了解數據處理的全過程。已準備好的點云文件需包含點云處理的常見問題,如點云缺失等情況如圖3所示。在結束處理工作后,教師進行快速成型機操作的相關演示與講解,使學生了解快速成型加工過程,將零件測量的相關另加加工成型。除機械類其他專業將不進行模型的制作過程,有興趣制作的學生在課余時間可進行相關模型的制作。

對于普通類工科學生,逆向工程技術課程只進行基礎知識學習與數據處理操作,其目的在于讓學生了解逆向工程技術的基本理論以及發展趨勢,同時通過對教師采集好的相關點云數據處理加深其對逆向工程理論的理解與認識,達到提高逆向工程教學效果的目的。

3 考核標準

考核標準是引領學生努力學習本課程相關內容的重要條件,是鼓勵學生養成良好學習習慣的重要基礎,是學生學習成果得以體現的重要機制,因此制定合理的課程考核標準是一門課程教學成果得以體現的重要保障。逆向工程技術課程作為一門新興技術,讓學生在認識技術先進性的基礎上,提高相關實踐能力是相關課程的關鍵,針對不同專業制定合理的考核標準就成為逆向工程課程的重要一環。

以遼寧科技大學創新創業學院逆向工程技術課程為例,針對機械類相關重點專業,逆向工程課程考核從形式上分為兩類:實習試題報告考核(占比40%)與現場操作考核(占比60%)。機械類專業對逆向工程課程的實踐能力要求較高,因此針對相關現場操作考核占比的比重較大,達到60%。

從課程流程上分為四個部分:基礎理論考核、數據采集考核、數據處理考核、模型制造考核,如圖4所示。逆向工程技術目前情況與未來的發展趨勢也是機械類學生必須掌握與了解的重要知識,因此基礎理論的考核尤為重要,其占比為20%,主要考核學生對逆向工程技術基本理論,主要數據處理與采集方式以及相關技術未來發展方向。針對于數據采集內容的考核,主要是提高學生操作關節臂測量機的技巧與熟練程度,為其走向工作崗位提供良好的實踐基礎能力,其占比為20%。針對數據處理相關內容的考核,主要目的是讓學生了解逆向工程重要環節的基本操作方法,提高學生相關技術能力,其占比為最高達40%。最后利用快速成型機制造出之前的目標工件,從理論結合實際的角度出發,通過制造加工成果,反向驗證其逆向工程技術的掌握程度,從而分析數據采集與處理中存在的問題,其占比為20%。

圖4 機械類學課逆向工程課程考核標準

針對非機械類重點專業的逆向工程課程考核標準同樣從考核形式上分為兩類:實習試題報告考核(占比50%)與現場操作考核(占比50%)。從課程流程考核上分為三個部分:基礎理論考核、數據采集考核以及數據處理考核。由于非機械類重點專業學生對于課程中基礎理論拓展內容的掌握對未來就業有著重要的影響,因此相較于機械類學生,本考核標準提高了基礎理論的考核占比,其比重為30%。由于非機械類學生課程學習的學時限制,因此對成型制造的考核進行了削減,課程將不進行成型訓練,成型相關訓練在快速成型課中進行。本課程只針對逆向數據的采集與處理進行考核,如圖5所示。

針對其他專業的逆向工程課程考核從形式上同樣分為兩類:實習試題報告考核(占比50%)與現場操作考核(占比50%)。但內容側重有所不同,對于重點專業其內容主要體現技術的實用性與理論性,而對于其他專業要體現技術的先進性與拓展性。因此試題考核中的相關試題將更加開放,可設定無標準答案的拓展性試題。從現場數據處理的相關目標工件可更加美觀與藝術。從課程流程上考核標準分為基礎理論考核與數據處理考核,數據處理的相關點云文件由教師提前準備,如圖6所示。

4 結論

通過以上逆向工程技術在金工實習課程教學體系下的改革,不同專業學生有效地掌握了逆向工程基礎理論知識與相關實踐操作技巧,解決了目前工程教育理論脫離實踐的問題,有效地培養了學生的工程意識,加深了學生對工程實踐工作的理解。

改革后的課程教學流程使逆向工程課程不再是單一性的軟件操作,而是集理論、采集、處理、設計與制造為一體的系統化課程,通過課程的推進,學生更加深入地理解逆向工程技術工業體系下的實現流程。

新指定的課程考核標準,有效地體現了課程的教學目標,提高了學生的學習熱情,加深了學生對相關知識的印象,有效地促進了學生對逆向工程技術的實踐操作能力,為學生在畢業后的就業與工作打下堅實的基礎。