基于自主式項目驅動的逆向工程技術教學改革與實踐

楊雪榮， 成思源， 郭鐘寧

(廣東工業大學 機電工程學院， 廣東 廣州　510006)

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基于自主式項目驅動的逆向工程技術教學改革與實踐

楊雪榮， 成思源， 郭鐘寧

(廣東工業大學 機電工程學院， 廣東 廣州510006)

在常規項目式教學的基礎上，針對逆向工程技術課程特點開展基于自主式項目驅動的教學方法改革及探索。根據教學內容，開發了多種類型及可自由組合式的綜合實踐項目。從項目對象的選取、方案制定、具體實施及項目的匯報、總結都由學生自主完成，從真正意義上實現了以學生為主體的教學模式，能夠有效地培養學生的自主學習、工程實踐及創新能力。

項目驅動； 逆向工程； 教學改革； 創新能力

逆向工程技術作為數字化與快速響應制造大趨勢下的一項重要的產品創新設計技術，已在制造業各領域得到了廣泛應用[1]。針對市場需求，在機械專業開展面向學生能力培養的逆向工程技術教學顯得越來越重要。逆向工程技術作為一種產品建模的手段，需要學生掌握一定的曲線曲面及造型理論知識，同時在技術應用過程中又要求學生具有較強的動手實踐能力，能夠熟練操作常用的實物表面數字化設備及數據處理軟件。所以逆向工程技術是一門理論與實踐緊密結合的課程，對拓寬學生的知識面和產品開發思路，增加產品開發的手段，提高分析問題與解決問題的能力，培養學生的創新能力，都有著積極的作用[2]。

1　基于自主式項目驅動的教學方法

傳統的課堂教學模式以教師為中心、以教材為中心，忽視了學生積極性、主動性的發揮；在教學方法上常采用“滿堂灌”，教學進度上齊步走，這與當今社會強調工程實踐、強調知識創新等素質教育不能同步，難以適應社會發展的需要，尤其對實踐性較強的工科應用型技術課程來說，傳統教學模式遠不能達到本應有的教學目的[3-5]。

項目教學法作為一種行動導向的實用型教學方法，將傳統的學科體系中的知識內容轉化為若干個教學項目，然后圍繞著這些項目組織和展開教學，使學生直接參與項目全過程的一種教學方法[6-8]。項目教學法以“項目為主線、教師為主導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”的被動的教學模式。

目前我國教學中多采用常規的項目式教學流程，教師布置項目，學生按照一定的流程實施項目。在項目的設計、實施方案等方面學生的自主性不大。教學組深入研究了如何在項目式教學中更大程度地發揮學生的自主性，提出基于自主式項目驅動的逆向工程技術教學方法。根據教學內容，開發了多種類型的子項目及可自由組合式的綜合實踐項目，學生可以自主選擇項目實施對象、自主制定項目實施方案、實施項目及總結匯報。激發學生的學習興趣，盡可能地挖掘學生的創造力。

2　教學內容

教學內容以工作任務為依托，突破傳統的學科界限，以項目為核心，以一個完整的開發項目貫穿整個教學過程，以項目的開發過程安排教學內容。逆向工程技術由實物表面數字化、點云數據處理及模型重建、產品創新設計和產品快速成型4個部分組成。每部分內容相對獨立，如圖1所示，可單獨開發相應的子項目進行理論與實踐教學。如單獨進行實物表面數字化實驗，學生可分別選擇用三坐標測量機、手持式激光掃描儀、關節臂測量機和光柵掃描儀進行實驗，以學習不同掃描設備的原理、特點，掌握各種設備的操作。掃描設備如圖2所示。

圖1　逆向工程技術流程及子項目內容

圖2　實物表面數字化設備

除了進行逆向工程技術流程中的獨立環節的實驗外，還開設了基于實物模型的逆向工程產品創新設計綜合項目訓練，要求學生以組為單位完成一個完整的由實物模型到新產品開發的綜合項目。由于逆向工程技術每個環節的技術手段具有多樣性，根據應用不同的技術手段，按照A+B+C+D的應用流程，可開發出72種不同技術流程的綜合項目類型。從模型的選取、掃描設備的選擇、點云處理軟件的選擇、創新方案的設計及最終創新模型的快速成型，每個環節都需要學生進行思考，設計實驗方案。教師在項目實施中教授知識與技能,強調以學生為主體,教師是項目實施的幫助者和促進者,學生在教師的指導下開展探索式的主動學習。學生通過自己的探索活動在教師的指導下獲取理論知識。

項目的實施流程如圖3所示。學生自由組成3～5人的項目小組后，進入項目的啟動階段，按照逆向工程技術施行的流程進行項目方案的設計，指導項目計劃表，然后進行具體的實施操作，最后進行項目匯報總結。項目的總結除了對成果進行評價，還要對過程進行評價。項目的評價讓學生參與，由教師與學生共同完成。學生在完成項目之后進行自述和互評。教師引導學生盡量客觀地從正面進行自述和互評，在評價過程中要充分發揮學生的評價能力，適時引導學生通過自我反思和相互評價了解自己的優勢和不足，學習別人的特長和優點，以評價促進學習，讓學生在互評中相互學習、相互促進、共同提高。

圖3　項目的實施流程

3　綜合項目訓練實例

學生自由組成項目小組后，其中一組計劃設計健康鞋墊，即應用逆向工程技術設計一款可以保護足弓、預防或減緩扁平足癥狀的健康鞋墊。項目方案如圖4所示。先以真人的腳底面印蓋黏土上制作腳模模型，用手持式掃描儀對模型表面進行數據采集，將采集所得的三維點云數據導入逆向軟件Geomagic Studio中進行曲面處理，構造出CAD模型，完成數據處理；將得到的CAD模型導入Freeform系統軟件中根據健康足弓參數進行模型變形處理，進行重建模型的再設計，獲得預想中符合標準的足弓，進而得到理想的健康鞋墊模型。最后用3D打印機快速制作出所設計的健康鞋墊的實物模型。

圖4　健康鞋墊的設計方案

3.1腳模的制作

由于數據采集的對象是人腳底面，受限于采集數據過程中需要的定位和噴涂著色劑、粘貼定位點等因素，需要將腳底面的形狀固定下來。所以使用遇水易定型、風干后易固化的黏土，由腳底面踩踏黏土制作腳模，如圖5所示。

圖5　制作腳模

3.2實物表面數字化

逆向工程技術中實物表面數字化的設備主要分為接觸式和非接觸式2種。其中三坐標測量儀為接觸式設備，測量精度高但效率低。手持式激光掃描儀、關節臂測量機和光柵掃描儀屬于基于光學測量的非接觸式設備。每一設備的精度、特點及用法不同。因為鞋墊屬于生活用品，掃描精度要求不高，所以選用手持式掃描儀進行腳模的數字化。將REVscan手持式激光掃描儀及其配件組配好，啟動相關的VX軟件，設定好參數，對腳模的模型進行掃描，如圖6(a)所示，得到點云數據，如圖6(b)所示。

圖6　腳模的數字化

3.3點云數據處理

Geomagic Studio逆向軟件進行數據處理的過程可以分為點處理階段、多邊形處理階段和造型處理階段[9-10]。

點階段的主要作用是對各種格式導入的點云數據進行預處理，以去除腳模上多余的黏土部分以及降噪。經過多邊形階段的處理使得模型表面和邊界光順。曲面階段則是根據多邊形階段的三角形網格進一步生成NURBS曲面，對輪廓線進行編輯，擬合各曲面，重建后的CAD模型，如圖7所示。

圖7　點云數據的處理

3.4重建模型再設計

以上獲取的只是普通的鞋墊模型，要將其設計成能夠預防、緩解扁平足或者保護足弓的健康鞋墊，還需要結合對足部和足弓進行人機工程學分析，計算出健康的足弓高度和形狀跨度的數據[11]。參考第四軍醫大學羅卓荊教授的《國人足弓指數的測定》[12]中正常足、扁平足和高弓足足弓系數的定義及足弓和足底長的對應關系，如公式(1)所示：

測量腳模的長度為250 mm，選取正常足足弓系數的上下限平均值，根據公式(1)計算得到足弓高度為36.875 mm。

完成對足弓的運算之后，使用Freeform進行變形設計。首先將Geomagic Studio處理好的CAD模型導入Solidworks中進行一定的加厚處理，進行曲線放樣和縫合，生成一個有厚度的模型，如圖8(a)所示。模型上表面是人腳底面的大體輪廓，而下表面是平面。然后根據計算的足弓使用Freeform對黏土模式的鞋墊模型進行主要變形和細節修改，結果如圖8(b)所示。

圖8　freeform變形設計結果

3.53D打印

新產品設計出來后，可應用快速成型技術制作出新產品實物樣件。由于健康鞋墊屬生活用品，精度要求不高，項目組選取3D打印機進行新產品樣件的制作，結果如圖9所示。對樣件進行實際應用測試，然后進行項目的匯報及總結。

圖9　3D打印設備及結果

4　結語

在常規項目式教學的基礎上，根據逆向工程技術的教學內容，開發了多種類型的子項目及可自由組合式的綜合實踐項目。以項目為核心，開展基于自主式項目驅動的逆向工程技術教學改革與實踐。學生可以自主選擇項目實施對象、自主制定項目實施方案、實施項目及總結匯報。該教學模型從教學方法、教學內容、實施方法上克服了傳統教學方法的弊端，可極大地發揮學生的自主性，激發學生的學習興趣，提高學生的創新素質和工程實踐能力。

References)

[1] 梁珣，周興.基于產品數字化設計的CAID實驗室架構研究[J].實驗技術與管理，2009,26(8):152-154.

[2] 楊雪榮，何佳樂，成思源，等.基于逆向工程技術的產品創新設計實驗教學[J].實驗技術與管理，2013,30(10):152-154.

[3] 孫海明，朱梅，朱偉華.支架式教學模式與傳統教學模式的比較研究[J].吉林化工學院學報，2014(12):31-344.

[4] 李夢琪.傳統教學模式與網絡教學模式的比較研究[J]. 現代教育論叢,2011(9):39-41.

[5] 盧曉勇,揭敏,劉曉強. 改革傳統教學模式 培養創新性軟件人才[J].中國高教研究,2007(4):81-82.

[6] 李勝強,雷環,高國華,等. 以項目為基礎的教學方法對提高大學生工程實踐自我效能的影響研究[J].高等工程教育研究,2011(3):21-27.

[7] 張其亮,王愛春,陳永生.能力遞進式項目教學法在嵌入式系統課程中的實踐[J].實驗室研究與探索,2014,31(8):185-189.

[8] 貢雪梅.項目教學法在單片機原理課程設計中的應用[J].實驗技術與管理，2011,28(2):164-167.

[9] 蔡敏，成思源，楊雪榮，等.基于Geomagic Studio的特征建模技術研究[J].機床與液壓，2014,42(21):142-145.

[10] 成思源，吳問霆, 楊雪榮,等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].現代制造工程，2011(1):8-12.

[11] 王亭，王繼松，李靜，等.無癥狀扁平足與正常足的足底壓力和足弓形態對比[J].中國臨床解剖學雜志，2011,29(2):217-221.

[12] 羅卓荊，唐農軒.國人足弓指數的測定[J].頸腰痛雜志，1994,15(1):16-19.

Reform and practice of technoloical teaching in reverse engineering based on autonomous project-driven

Yang Xuerong， Cheng Siyuan， Guo Zhongning

(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

On the basis of conventional project education and the characteristics of reverse engineering, the autonomous project-driven teaching reform and exploration are carried out .According to the teaching content, various types of comprehensive practice projects which can be combined together have been developed. The students themselves can independently select objects of projects and fulfil the program development, project implementation, reporting and summary. It can realize the teaching mode that takes the student as the main body. It could cultivate the students’ self-learning ability, engineering practice ability and innovation ability.

project-driven; reverse engineering；teaching reform; innovation ability

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.047

2015- 06- 01修改日期：2015- 07- 18

廣東省高等教育教學改革項目(2012143，JGXM025)

楊雪榮(1978—)，女，寧夏石嘴山，博士，副教授，從事逆向工程技術和計算機視覺技術的教學與研究.

E-mail：yxrlyl@163.com

TP391；G642.0

B

1002-4956(2016)1- 0179- 04