新工科背景下“逆向工程”课程教学改革与探索＊

夏会芳，汤 剑，吴 娇

（武汉华夏理工学院智能制造学院，湖北 武汉 430223）

随着“中国制造2025”推进，制造业全面转型升级，中国涌现一批多媒体、动画、医学、文物与艺术品的仿制和破损零件修复企业，因此对逆向工程相关人才的需求越来越多。2017年教育部多次召开会议，研究新形势适应新技术发展的工科建设路径，旨在培养满足当前社会对高素质应用型人才的需求[1]。

武汉华夏理工学院是一所地方性、应用型本科高校，根据办学定位和行业发展需求，将原机电工程学院的机自、机电、材料成型专业和汽车学院车辆、汽服专业整合设立智能制造学院，组建机械类特色专业集群，培养能在机械制造行业或科研单位等从事产品设计、制造、科技开发、应用研究和运行管理等方面工作的高级应用技术型人才。“逆向工程”也被称为“反求工程”“反向工程”等[2]，该课程是机械类特色专业集群的核心拓展课程，与工程实践紧密结合，对于培养高校学生的实践动手能力、创新能力和工程应用能力具有十分重要的意义[3]，它是将已有产品或实物转化为工程设计模型和概论模型，并在此基础上解剖、深化和再创造的一系列分析方法和应用技术的组合[4]。

1 “逆向工程”课程的教学现状

武汉华夏理工学院“逆向工程”教学过程中存在以下几方面的问题。

1.1 相关教学资料匮乏

目前缺少很成熟的“逆向工程”课程资源，网上大多是逆向相关软件的操作视频，很少有从数据采集、点云处理、逆向建模、三维对比检测到快速成型整个逆向全过程的案例，因此学生很难系统了解和掌握“逆向工程”的全过程，不利于学生自主学习。

1.2 教学内容多学时少

按人才培养计划，“逆向工程”课程总共32个学时，其中理论教学24个学时、实验学时8个学时。24个理论学时需要讲述逆向工程的基本概念、逆向工程各种相关软件操作及3D 打印相关知识。因此教学中一直存在课程内容多学生少的矛盾，课上很难深入讲解软件操作，学生也很难熟练掌握软件操作。

1.3 教学模式单一

“逆向工程”课程需要学习各种相关软件，如点运处理软件Geomagic Wrap、正逆向建模软件Geomagic DesignX 、 计算机辅助检测Geomagic controlX 软件等。由于学时有限，大多数课堂教学多采用满堂灌模式，教师讲授软件的操作，学生被动接受，学生练习时间少，教学效果不理想。

1.4 考核方式单一

“逆向工程”课程考核方式是闭卷考试，其中终结性考核占比70%，平时过程考核占比30%，过程考核包括平时作业、考勤、实验，学生只要按部就班完成教师布置的作业练习和课程实验，基本能及格，所以这种考核方式不利于激发学生创新能力和工程应用能力培养。

上述教学问题不利于激发学生的学习兴趣和调动学生学习积极性，制约了学生创造力的发挥，严重影响课程的教学效果。

2 “逆向工程”课程的教学改革

2.1 建立网上课程学习资源

在超星平台创建“逆向工程”教学资源，通过布置一些任务点和作业，让学生按时完成。学生通过PPT、软件操作视频，可提高操作应用软件的水平，从而提高课程学习效果。

2.2 梳理教学内容

根据确定的教学内容制定规范的教学大纲，构建以实用性内容为主、培养学生工程应用能力的课程内容体系，从“逆向工程”的基本概念、数据采集技术、逆向建模软件到快速成型技术，形成系统的知识结构体系，让学生掌握逆向工程的全过程，加深对先进制造技术的了解和掌握。

2.3 改进教学方法

课堂上通过案例来辅助教学。课堂上结合具体的案例，从点云数据采集、点云数据处理、逆向建模、三维检测到3D 打印给学生操作演练一遍逆向工程的关键技术，如吹风机的逆向建模及3D 打印案例。具体内容包括：①吹风机的点云数据采集。通过分析吹风机的具体结构，确定合适的点云采集方法。本案例通过分析采用非接触式扫描仪获取吹风点云数据，如图1所示。②点云数据处理。由于在三维扫描过程中会得到一些噪点，这些噪点的存在会对后续建模有影响，需要对获取到的点云数据进行处理，采用Geomagic Wrap软件对点云进行数据精简、孔填充、光顺处理后，封装成STL 格式的三角面片。吹风机封装模型如图2所示。③逆向建模。将STL 格式的三角面片导入到正逆向建模软件Geomagic Design X 中，通过领域划分、面片拟合、剪切、倒圆角后完成吹风机的逆向建模，吹风机模型如图3所示。④模型计算机辅助检测。在逆向建模的过程中，由于是以采集到的点云数据为依据进行的曲面建模，或多或少会存在一些误差，所以需要通过相关的数据检测对比两者之间的偏差，用以判断是否在误差允许的区间内，如果误差较大，需重新修改模型，直到误差在允许范围之内。本案例采用Geomagic Control X 软件进行三维检测，模型三维检测对比如图4所示。⑤创新设计。重建模型进行精度分析后满足要求，可以直接在正逆向建模软件Geomagic DesignX 中进行其他特征建立，或导入UG 或Solidworks 等软件中对吹风机进行创新设计，例如对把柄部分进行优化设计，更加满足人体学设计等。⑥吹风机3D 打印。将CAD 数据装换成STL 三角形面片导入切片软件中进行切片处理，最后保存为GCoad代码导入3D 打印设备进行打印，完成吹风机模型制作。

图1 吹风机点云数据

图2 吹风机封装模型

图3 吹风机模型

图4 模型三维检测对比

通过教学过程，使学生真正理解“逆向工程”不仅仅是对实物的再现或还原，而是在基于原型的基础上进行改进、创新。同时授课过程中，教师精讲，把时间还给学生，在机房讲授一节课，学生练习一节课，课后通过布置作业让学生巩固对软件不熟练的操作，通过超星平台学习和网络资源的学习巩固知识。在教学过程中还提供一些案例，如肥皂盒、汽车模型、存钱罐等模型，教师指导关键步骤，学生自主完成，锻炼学生的自主学习能力。

2.4 组建教学团队

“逆向工程”课题组组建理论和实践结合的教学团队。积极组织相关教师参加相关行业组织的培训工作，如国家制造业信息化培训中心3D 办组织的逆向工程实操课程，学院多名逆向工程相关教师都积极参加，并取得相关职业资格证书，获得3D 打印检测应用工程师资格、3D 打印培训讲师资格等，并安排教师暑假到相关企业培训，提高教师的专业综合素质及实践应用和科研开发能力。

2.5 成立“逆向工程”实验中心

“逆向工程”是一门实践性很强的课程，需要很多实验辅助教学，学院成立“逆向工程”实验中心，建立三坐标测量实验室，三维激光扫描实验室及3D 打印实验室，支持“逆向工程”课程教学。图5 为学生在三维激光扫描实验室进行实物扫描操作。通过开设课程项目和实验，实现“以学生为主体、教师为主导”的学习方式，培养学生的实践动手能力和综合素质。

图5 学生扫描

2.6 优化课程考试

采用大作业考核方式考核学生掌握面向实物样件的数据采集、数据处理、模型重建、计算机辅助检测及3D 打印技术。开课初就下达任务，可供选择的题目有肥皂盒逆向建模及3D 打印、鼠标逆向建模及3D 打印、汽车模型逆向建模及3D 打印、吹风机逆向建模及3D 打印、遥控器逆向建模及3D 打印等。学生按感兴趣的题目分组，每个班以4～5人为一组分成若干小组，各小组成员分工合作完成大作业内容，实验室提供设备上的支持，教师提供理论指导及过程监控。课程结束时，学生要完成所选题目的大作业报告，包括PPT、逆向建模的CAD 模型文件、3D 打印实物及大作业成果报告（说明书），并参与答辩。教师根据完成情况给出相应等级。考核内容包括通过测量设备获取的实物点云数据是否完整，设备操作是否熟练；利用Geomagic Wrap 软件对点云的处理效果；利用Geomagic DesignX软件建立的模型效果；利用Geomagic Control X 软件完成三维检测报告；3D 打印实物。每部分分别给分，最后汇总作为课程成绩。具体评分标准如表1所示。

表1 “逆向工程”课程考核评分标准

这种大作业考核方式能客观、合理评价学生理解逆向工程关键技术的情况。学生掌握了逆向工程所用测量设备的操作方式，掌握结合正逆向三维软件对点云数据的优化处理能力；完成对实物的逆向造型和创新；并结合3D 打印技术完成零件的快速制造。通过小组协作模式，锻炼学生的合作能力、表达能力，锻炼学生检测、设计、创新、制造能力，为后续相关学科竞赛和毕业设计奠定基础。

3 结语

针对新工科对应用型人才培养要求，在“逆向工程”教学资源、教学内容、教学方法、实验室、教学团队及考核方法等方面进行改革和探讨。经过近2年的实践，改革效果显著。多名学生凭借大作业作品参加相关学科竞赛并获奖多项。如参加三维数字化创新设计大赛获省级特等奖2 项、一等奖1 项、二等奖2项等，学生评教效果好，课程学习效果好，真正培养了符合时代要求的能够适应和支撑产业发展的的机械工程专业创新应用型人才。