逆向工程技术在金工实习教育体系下的教学改革探索

朱禹川

辽宁科技大学 辽宁鞍山 114051

1 概述

逆向工程技术是一种将现有复杂零件外形信息提取,优化处理并进行二次制造的技术[1]。掌握与认识这门技术,对于新工科背景下的当代工科类大学生具有十分重要的意义[2]。同时金工实习作为工科类大学生的通识课程,在其课程体系下加入相关逆向工程技术理论认识就显得尤为重要[3]。而不同工科类大学生对于逆向工程技术的认识与掌握程度要求不同,因此针对不同专业的学生需要制定不同的教学方案与考核标准。本研究针对金工实习课程体系下的逆向工程技术制定了以学生为中心、突出专业特色的教学方案与考核标准,谋求更好的教学效果。

目前在新工科建设背景下的金工实习教育,其核心理念主要是以学生为中心,目标导向,持续改进[4],使逆向工程技术有机地结合新工科下金工实习教育的核心理念就非常具有实际意义。但目前逆向工程技术教学仍旧存在一些问题[5]:(1)逆向工程理论教学占比较大,缺乏与实际操作结合;(2)逆向工程教育模式单一,主要集中在软件操作,学生无法提高学习兴趣;(3)考核方式单一,基础理论考核占比70%,平时过程考核占30%,且过程考核不包含采集设备的使用,无法使学生提高工程实践能力。本文将针对以上问题制定新工科背景下逆向工程技术的相关教学方式与方法,同时制定合理的考核制度,用以鼓励与提高课程的教学效果。

2 教学方法

在金工实习教育体系下逆向工程课程改革需针对不同专业学生对其学习要求的不同,根据不同的教学时长,制定具有专业特色的教学方案与方法。由于本研究基于金工实习课程体系下进行,因此不同专业的教学时长也进行了相应的改变。对于机械类重点专业如机械工程、机械设计、机械制造等专业,逆向工程技术的学习时长为6个学时,基础理论知识介绍为1个学时,利用关节臂测量机进行数据采集为1个学时,采集数据处理为2个学时,模型制造为2个学时;对于非机械类重点专业如材料工程、化学工程、采矿工程等专业,逆向工程技术的学习时长为3个学时,基础理论知识介绍为1学时,数据采集1学时,数据处理1学时;对于工科类其他专业如自动化、电子工程、土木工程等专业,逆向工程技术的学习时长为2学时,基础理论知识介绍1学时,数据处理1学时。如图1所示。

图1 不同专业逆向工程教学学时分配

根据不同专业的教学时长,如何在有限时间内提高学习效果就显得尤为重要。针对逆向工程技术基础理论介绍不同专业的相关教学应具有专业特设,在机械工程相关专业的理论介绍中主要集中在对大型装备关键零部件的逆向制造进行介绍,如发动机叶轮的逆向采集与制造。针对于数据采集的介绍应更加符合时代特点,从数据采集方式与方法就进行拓展讲解,分析接触式测量与非接触式测量的优缺点,同时介绍其常用的相关设备。针对数据处理需集中在数据处理的相关方法进行介绍,分析基于边界分割与区域分割的适用场景以及处理效果。最后针对加工手段进行相应的介绍,着重介绍快速成型技术在相关领域的应用,如图2所示。

图2 逆向工程教学流程

在完成理论学习后,进行相关数据采集设备的教学,通过演示七自由度关节臂测量机的相关采集方法,使同学进一步了解接触式与非接触式测量手段的区别,同时将学生分组对素材库中的相关复杂零件进行选择性测量,并将测量数据有效保存。

结束测量工作将文件保存后,学生进入机房对采集的点云文件进行数据处理。教师首先对学生采集数据过程中的问题进行总结,同时通过在教师机演示已准备好的点云文件处理过程,让学生较好地了解数据处理的全过程。已准备好的点云文件需包含点云处理的常见问题,如点云缺失等情况如图3所示。在结束处理工作后,教师进行快速成型机操作的相关演示与讲解,使学生了解快速成型加工过程,将零件测量的相关另加加工成型。除机械类其他专业将不进行模型的制作过程,有兴趣制作的学生在课余时间可进行相关模型的制作。

对于普通类工科学生,逆向工程技术课程只进行基础知识学习与数据处理操作,其目的在于让学生了解逆向工程技术的基本理论以及发展趋势,同时通过对教师采集好的相关点云数据处理加深其对逆向工程理论的理解与认识,达到提高逆向工程教学效果的目的。

3 考核标准

考核标准是引领学生努力学习本课程相关内容的重要条件,是鼓励学生养成良好学习习惯的重要基础,是学生学习成果得以体现的重要机制,因此制定合理的课程考核标准是一门课程教学成果得以体现的重要保障。逆向工程技术课程作为一门新兴技术,让学生在认识技术先进性的基础上,提高相关实践能力是相关课程的关键,针对不同专业制定合理的考核标准就成为逆向工程课程的重要一环。

以辽宁科技大学创新创业学院逆向工程技术课程为例,针对机械类相关重点专业,逆向工程课程考核从形式上分为两类:实习试题报告考核(占比40%)与现场操作考核(占比60%)。机械类专业对逆向工程课程的实践能力要求较高,因此针对相关现场操作考核占比的比重较大,达到60%。

从课程流程上分为四个部分:基础理论考核、数据采集考核、数据处理考核、模型制造考核,如图4所示。逆向工程技术目前情况与未来的发展趋势也是机械类学生必须掌握与了解的重要知识,因此基础理论的考核尤为重要,其占比为20%,主要考核学生对逆向工程技术基本理论,主要数据处理与采集方式以及相关技术未来发展方向。针对于数据采集内容的考核,主要是提高学生操作关节臂测量机的技巧与熟练程度,为其走向工作岗位提供良好的实践基础能力,其占比为20%。针对数据处理相关内容的考核,主要目的是让学生了解逆向工程重要环节的基本操作方法,提高学生相关技术能力,其占比为最高达40%。最后利用快速成型机制造出之前的目标工件,从理论结合实际的角度出发,通过制造加工成果,反向验证其逆向工程技术的掌握程度,从而分析数据采集与处理中存在的问题,其占比为20%。

图4 机械类学课逆向工程课程考核标准

针对非机械类重点专业的逆向工程课程考核标准同样从考核形式上分为两类:实习试题报告考核(占比50%)与现场操作考核(占比50%)。从课程流程考核上分为三个部分:基础理论考核、数据采集考核以及数据处理考核。由于非机械类重点专业学生对于课程中基础理论拓展内容的掌握对未来就业有着重要的影响,因此相较于机械类学生,本考核标准提高了基础理论的考核占比,其比重为30%。由于非机械类学生课程学习的学时限制,因此对成型制造的考核进行了削减,课程将不进行成型训练,成型相关训练在快速成型课中进行。本课程只针对逆向数据的采集与处理进行考核,如图5所示。

针对其他专业的逆向工程课程考核从形式上同样分为两类:实习试题报告考核(占比50%)与现场操作考核(占比50%)。但内容侧重有所不同,对于重点专业其内容主要体现技术的实用性与理论性,而对于其他专业要体现技术的先进性与拓展性。因此试题考核中的相关试题将更加开放,可设定无标准答案的拓展性试题。从现场数据处理的相关目标工件可更加美观与艺术。从课程流程上考核标准分为基础理论考核与数据处理考核,数据处理的相关点云文件由教师提前准备,如图6所示。

4 结论

通过以上逆向工程技术在金工实习课程教学体系下的改革,不同专业学生有效地掌握了逆向工程基础理论知识与相关实践操作技巧,解决了目前工程教育理论脱离实践的问题,有效地培养了学生的工程意识,加深了学生对工程实践工作的理解。

改革后的课程教学流程使逆向工程课程不再是单一性的软件操作,而是集理论、采集、处理、设计与制造为一体的系统化课程,通过课程的推进,学生更加深入地理解逆向工程技术工业体系下的实现流程。

新指定的课程考核标准,有效地体现了课程的教学目标,提高了学生的学习热情,加深了学生对相关知识的印象,有效地促进了学生对逆向工程技术的实践操作能力,为学生在毕业后的就业与工作打下坚实的基础。