基于逆向工程技术培养学生三维设计与创新能力的研究

摘 要：“中国制造2025”的关键环节是创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等，围绕这些关键环节阐述了“中国制造2025”在人才培养方面的要求。从三维数字化建模技术出发，分析并说明基于逆向工程技术的先进制造技术助力“中国制造2025”。结合高职机电类人才培养的要求，从课堂教学、技能大赛、培训服务等方面探讨了基于逆向建模技术的创新人才培养模式，旨在为高职机电类学生的人才培养模式提供一条有效的途径。

关键词：中国制造2025；三维数字化建模技术；逆向建模；三维设计；创新能力

一、“中国制造2025”与人才培养

新世纪以来，新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，全球科技创新呈现出新的发展态势和特征，这场变革是信息技术与制造业的深度融合，将给世界范围内的制造业带来深刻影响。这一变革恰与中国加快转变经济发展方式、建设制造强国形成历史性交汇，这对中国是极大的挑战，同时也是极大的机遇。

国务院总理李克强在十二届全国人大三次会议政府工作报告上提出的“中国制造2025”，提出了我国制造强国建设三个十年的“三步走”战略，是第一个十年的行动纲领。

“中国制造2025”围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节，以及先进制造、高端装备等重点领域，提出了加快制造业转型升级、提升增效的重大战略任务和重大政策举措，力争我国到2025年从制造大国迈入制造强国行列。

新型工业呼唤与之匹配的高技能人才，工业的内涵正在发生变化，工业所需要的人亦须随之而变。

产业转型升级中，需要不可或缺的两支人才大军：

一是富于创造性的创新型人才队伍；

二是具有高技能的技术技能型人才。

工业革命，教育先行，“中国制造2025”对高职教育提出了更新、更高的要求。

二、基于逆向工程技术的先进制造技术助力“中国制造2025”

工业产品的三维数字化技术是将构思或存在的实物转化为可编辑的三维电子数据的过程；分为正向设计（正向工程）和逆向工程。

正向工程是根据产品的功能和用途首先进行概念设计，然后通过CAD输出产品的设计图纸，经审查无误后，编制NC代码并输入CNC加工设备进行产品加工或者通过快速成形机制作样品。

逆向工程（也称反向工程或反求工程），是对已有的产品零件或原型进行CAD 模型重建，即对已有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确、快速地测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物模型的过程。

逆向工程不是简单地再现产品原型，而是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段，是产品快速创新开发的重要途径。

基于逆向工程技术的先进制造技术包括三维数据采集、三维检测、逆向建模、正向创新建模、3D打印、数控加工等。如图1所示，先进制造技术助力“中国制造2025”。

三、基于逆向建模技术培养创新人才的模式探索

目前，各行各业都急需熟悉逆向工程技术且具有创新思维的应用型人才。高等职业教育的培养目标是培养具有一定理论基础的高素质应用型人才，其培养方向和专业类型必须服务和服从经济建设的主战场，企业需要什么样的人才，就得培养什么样的人才。

高职学生不仅要掌握本专业的基本知识和基本技能，更要具备企业急需的三维设计与创新能力。高职机电类学生三维设计与创新能力的培养已迫在眉睫，在高职机电专业体系中融入三维造型技术和逆向工程技术势在必行。

（一）以课堂教学为主线，改革教学内容和教学方法。

高职院校的主要任务是培养社会企业需要的人才，作为学校，课堂教学依然为学生能力培养、知识传授的主战场，根据企业对专业技能型人才的要求，在教学内容设置上应在满足教学内容系统性的前提下，力求结合实际应用，使学生能够学以致用；在教学方法上要注重学生能力培养，充分应用现代先进的教学设计理念，提高学生的学习兴趣、激发学生的学习热情和学习的主动性。逆向建模课程是学生在学习了《机械制图》、《AutoCAD计算机绘图》、《机械设计基础》、《Creo绘图》等课程的基础上继续学习的一门课程，该课程不仅为后继毕业设计制作起支撑作用，也可进一步培养学生具有较强的综合应用能力。如图2所示为课程前后关联课程。

教学目标包括能力目标、知识目标和职业素质目标。

课程能力目标是：能够根据设计任务书要求，进行同类产品市场调研与分析，能从产品功能出发，进行功能分解和方案设计。具备一定的三维扫描仪操作和数据采集能力，掌握常见的逆向工程设备的数据采集原理以及造型软件。能够掌握一定点云数据处理和逆向造型还原的能力，能运用计算机辅助设计等手段，进行产品功能与结构设计。能够在充分理解产品功能与结构基础上，进行创新设计和优化设计。

课程知识目标是：能够利用三维扫描设备进行实物的三维扫描，获得点云数据。能够对获得的点云数据进行点云处理、多边形阶段处理、参数化曲面处理等过程操作。能够利用相关逆向建模软件对产品进行三维逆向建模与设计

课程职业素质目标是：通过产品结构分解、合理功能确定、工艺的合理选择、整体逆向设计方案的优化，以培养学生成本意识。通过各组学生设计效果的比较，奖优罚劣，培养学生积极进取、争优创先的意识，建立做工作首先具有质量意识。通过现场操作和案例分析，激发、培养学生的创新思维。通过项目训练，培养学生的专业执行能力、表现能力和综合素养。

根据逆向创新工作流程，课程主要内容包括：三维扫描、数据处理、三维逆向建模与设计。

（二）以参加各项技能大赛为辅线，提高学生实践能力。

近年来，在全国高职院校中掀起了一股技能大赛热，其中，全国职业技能大赛组委会举办的全国职业院校技能大赛高职组“三维建模数字化设计与制造”赛项就是针对高职机电类学生设置的。

通过大赛推动高职层次人才投身到“大众创业、万众创新”高科技智造新形势中，动手创新实践，或团队创新设计，或独立智造创业，施展自己的抱负，实现人生价值。

大赛推动专业间知识、技能交叉，引导高职院校，按职业岗位需求，培养具有创造思维、创新技能和团队协作意愿的复合型人才，让学生通过竞赛，体验数字化、智能化的产品开发和创新设计的完整岗位工作过程，激发学生对专业知识和职业技能的学习兴趣和热情。通过联合组队完成三维逆向扫描、逆向建模设计、正向建模创新设计、精密制造合检测等方面的能力，充分体现产业转型升级对技术技能人才能力的新需求，展现参赛对的先进金属应用水平、创新意识与设计表现、产品设计工艺性分析与实践、团队协作、现场问题的分析与处理、安全及文明生产等方面的能力和职业素养。引领全国职业院校专业建设和教学改革创新，促进专业教学内容更新与融合，开拓学生视野和知识面，鼓励专业间教学协作，选择现代先进企业成熟应用的新技术、新工艺、新方法，引进职业教育课堂，培养创新精神、团队协作意识，提升人才培养规格和质量，吸引学生投身到“中国制造2025”中去。

“以赛促教，以赛促学”，通过组织学生参加各类省级、国家级的相关比赛，培养学生的实际动手和综合应用的能力。将理论与实践相结合，可有效激发学生学习兴趣，培养学生创新思维能力。

（三）加强培训，提高创新设计技能。

1.学生培训

先进制造技术基地的建设目标，在于培养学生更深层次的了解现代先进制造技术，包含三维数据采集技术、三维数字化建模技术、快速成型技术、三维检测技术等整个工业产品设计加工流程。为培养专业创新型人才打造良好的教学基础，加强更多的专业知识学习与实训锻炼机会，為企业定向培养大量通晓行业流程的技术人才，从而提高在校学生的就业质量。专业知识的学习与技术应用有效的结合为企业和社会的发展提供动力。

2.师资培训

通过专业的师资培训过程，搭建专业教师与行业企业专家交流沟通的平台，促进先进制造技术应用；力求使学员及时学习、了解、掌握当今数字化设计制造技术应用知识、技能、方法和案例，增进对先进制造技术引入教学改革的认识，促进职业院校专业创新、实训基地创新建设，不断提高教师的知识水平和教学能力，有效服务于提高职业院校服务区域产业发展的能力。

3.社会培训

随着先进制造技术的推广与认知，希望了解与参加技术培训的人员逐渐增加，很多企业的管理者也逐渐意识到先进制造技术对企业发展提升的重要。实训基地已经为他们准备优质的培训环境，贴近用户需要的培训内容，满足人们对先进制造技术的渴求。

四、结束语

随着计算机、数控和激光测量技术的飞速发展，逆向工程已成为航空、航天、汽车、船舶和模具等工业领域最重要的产品设计方法，是工程技术人员通过实物样件、图样等快速获取工程设计概念和设计模型的重要技术手段。

实践证明，通过逆向工程技术的学习和应用，可以有效提高学生的创新设计与创新能力。

参考文献：

[1] 张学昌.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：北京大学出版社，2009.

[2] 王致刚，吴瑞凯.高职学生第二课堂创新学习探讨[J].当代职业教育，2015，（09）：30-31.

作者简介：郭艳艳，武汉铁路职业技术学院，副教授，研究方向：机械电子工程。

基金项目：湖北省2015年度“十二五”教育科学规划研究立项课题（课题编号：2015B257）