杨雪荣， 成思源， 郭钟宁

(广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州　510006)



基于自主式项目驱动的逆向工程技术教学改革与实践

杨雪荣， 成思源， 郭钟宁

(广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州510006)

在常规项目式教学的基础上，针对逆向工程技术课程特点开展基于自主式项目驱动的教学方法改革及探索。根据教学内容，开发了多种类型及可自由组合式的综合实践项目。从项目对象的选取、方案制定、具体实施及项目的汇报、总结都由学生自主完成，从真正意义上实现了以学生为主体的教学模式，能够有效地培养学生的自主学习、工程实践及创新能力。

项目驱动； 逆向工程； 教学改革； 创新能力

逆向工程技术作为数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要的产品创新设计技术，已在制造业各领域得到了广泛应用[1]。针对市场需求，在机械专业开展面向学生能力培养的逆向工程技术教学显得越来越重要。逆向工程技术作为一种产品建模的手段，需要学生掌握一定的曲线曲面及造型理论知识，同时在技术应用过程中又要求学生具有较强的动手实践能力，能够熟练操作常用的实物表面数字化设备及数据处理软件。所以逆向工程技术是一门理论与实践紧密结合的课程，对拓宽学生的知识面和产品开发思路，增加产品开发的手段，提高分析问题与解决问题的能力，培养学生的创新能力，都有着积极的作用[2]。

1　基于自主式项目驱动的教学方法

传统的课堂教学模式以教师为中心、以教材为中心，忽视了学生积极性、主动性的发挥；在教学方法上常采用“满堂灌”，教学进度上齐步走，这与当今社会强调工程实践、强调知识创新等素质教育不能同步，难以适应社会发展的需要，尤其对实践性较强的工科应用型技术课程来说，传统教学模式远不能达到本应有的教学目的[3-5]。

项目教学法作为一种行动导向的实用型教学方法，将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个教学项目，然后围绕着这些项目组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程的一种教学方法[6-8]。项目教学法以“项目为主线、教师为主导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”的被动的教学模式。

目前我国教学中多采用常规的项目式教学流程，教师布置项目，学生按照一定的流程实施项目。在项目的设计、实施方案等方面学生的自主性不大。教学组深入研究了如何在项目式教学中更大程度地发挥学生的自主性，提出基于自主式项目驱动的逆向工程技术教学方法。根据教学内容，开发了多种类型的子项目及可自由组合式的综合实践项目，学生可以自主选择项目实施对象、自主制定项目实施方案、实施项目及总结汇报。激发学生的学习兴趣，尽可能地挖掘学生的创造力。

2　教学内容

教学内容以工作任务为依托，突破传统的学科界限，以项目为核心，以一个完整的开发项目贯穿整个教学过程，以项目的开发过程安排教学内容。逆向工程技术由实物表面数字化、点云数据处理及模型重建、产品创新设计和产品快速成型4个部分组成。每部分内容相对独立，如图1所示，可单独开发相应的子项目进行理论与实践教学。如单独进行实物表面数字化实验，学生可分别选择用三坐标测量机、手持式激光扫描仪、关节臂测量机和光栅扫描仪进行实验，以学习不同扫描设备的原理、特点，掌握各种设备的操作。扫描设备如图2所示。

图1　逆向工程技术流程及子项目内容

图2　实物表面数字化设备

除了进行逆向工程技术流程中的独立环节的实验外，还开设了基于实物模型的逆向工程产品创新设计综合项目训练，要求学生以组为单位完成一个完整的由实物模型到新产品开发的综合项目。由于逆向工程技术每个环节的技术手段具有多样性，根据应用不同的技术手段，按照A+B+C+D的应用流程，可开发出72种不同技术流程的综合项目类型。从模型的选取、扫描设备的选择、点云处理软件的选择、创新方案的设计及最终创新模型的快速成型，每个环节都需要学生进行思考，设计实验方案。教师在项目实施中教授知识与技能,强调以学生为主体,教师是项目实施的帮助者和促进者,学生在教师的指导下开展探索式的主动学习。学生通过自己的探索活动在教师的指导下获取理论知识。

项目的实施流程如图3所示。学生自由组成3～5人的项目小组后，进入项目的启动阶段，按照逆向工程技术施行的流程进行项目方案的设计，指导项目计划表，然后进行具体的实施操作，最后进行项目汇报总结。项目的总结除了对成果进行评价，还要对过程进行评价。项目的评价让学生参与，由教师与学生共同完成。学生在完成项目之后进行自述和互评。教师引导学生尽量客观地从正面进行自述和互评，在评价过程中要充分发挥学生的评价能力，适时引导学生通过自我反思和相互评价了解自己的优势和不足，学习别人的特长和优点，以评价促进学习，让学生在互评中相互学习、相互促进、共同提高。

图3　项目的实施流程

3　综合项目训练实例

学生自由组成项目小组后，其中一组计划设计健康鞋垫，即应用逆向工程技术设计一款可以保护足弓、预防或减缓扁平足症状的健康鞋垫。项目方案如图4所示。先以真人的脚底面印盖黏土上制作脚模模型，用手持式扫描仪对模型表面进行数据采集，将采集所得的三维点云数据导入逆向软件Geomagic Studio中进行曲面处理，构造出CAD模型，完成数据处理；将得到的CAD模型导入Freeform系统软件中根据健康足弓参数进行模型变形处理，进行重建模型的再设计，获得预想中符合标准的足弓，进而得到理想的健康鞋垫模型。最后用3D打印机快速制作出所设计的健康鞋垫的实物模型。

图4　健康鞋垫的设计方案

3.1脚模的制作

由于数据采集的对象是人脚底面，受限于采集数据过程中需要的定位和喷涂着色剂、粘贴定位点等因素，需要将脚底面的形状固定下来。所以使用遇水易定型、风干后易固化的黏土，由脚底面踩踏黏土制作脚模，如图5所示。

图5　制作脚模

3.2实物表面数字化

逆向工程技术中实物表面数字化的设备主要分为接触式和非接触式2种。其中三坐标测量仪为接触式设备，测量精度高但效率低。手持式激光扫描仪、关节臂测量机和光栅扫描仪属于基于光学测量的非接触式设备。每一设备的精度、特点及用法不同。因为鞋垫属于生活用品，扫描精度要求不高，所以选用手持式扫描仪进行脚模的数字化。将REVscan手持式激光扫描仪及其配件组配好，启动相关的VX软件，设定好参数，对脚模的模型进行扫描，如图6(a)所示，得到点云数据，如图6(b)所示。

图6　脚模的数字化

3.3点云数据处理

Geomagic Studio逆向软件进行数据处理的过程可以分为点处理阶段、多边形处理阶段和造型处理阶段[9-10]。

点阶段的主要作用是对各种格式导入的点云数据进行预处理，以去除脚模上多余的黏土部分以及降噪。经过多边形阶段的处理使得模型表面和边界光顺。曲面阶段则是根据多边形阶段的三角形网格进一步生成NURBS曲面，对轮廓线进行编辑，拟合各曲面，重建后的CAD模型，如图7所示。

图7　点云数据的处理

3.4重建模型再设计

以上获取的只是普通的鞋垫模型，要将其设计成能够预防、缓解扁平足或者保护足弓的健康鞋垫，还需要结合对足部和足弓进行人机工程学分析，计算出健康的足弓高度和形状跨度的数据[11]。参考第四军医大学罗卓荆教授的《国人足弓指数的测定》[12]中正常足、扁平足和高弓足足弓系数的定义及足弓和足底长的对应关系，如公式(1)所示：

测量脚模的长度为250 mm，选取正常足足弓系数的上下限平均值，根据公式(1)计算得到足弓高度为36.875 mm。

完成对足弓的运算之后，使用Freeform进行变形设计。首先将Geomagic Studio处理好的CAD模型导入Solidworks中进行一定的加厚处理，进行曲线放样和缝合，生成一个有厚度的模型，如图8(a)所示。模型上表面是人脚底面的大体轮廓，而下表面是平面。然后根据计算的足弓使用Freeform对黏土模式的鞋垫模型进行主要变形和细节修改，结果如图8(b)所示。

图8　freeform变形设计结果

3.53D打印

新产品设计出来后，可应用快速成型技术制作出新产品实物样件。由于健康鞋垫属生活用品，精度要求不高，项目组选取3D打印机进行新产品样件的制作，结果如图9所示。对样件进行实际应用测试，然后进行项目的汇报及总结。

图9　3D打印设备及结果

4　结语

在常规项目式教学的基础上，根据逆向工程技术的教学内容，开发了多种类型的子项目及可自由组合式的综合实践项目。以项目为核心，开展基于自主式项目驱动的逆向工程技术教学改革与实践。学生可以自主选择项目实施对象、自主制定项目实施方案、实施项目及总结汇报。该教学模型从教学方法、教学内容、实施方法上克服了传统教学方法的弊端，可极大地发挥学生的自主性，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新素质和工程实践能力。

References)

[1] 梁珣，周兴.基于产品数字化设计的CAID实验室架构研究[J].实验技术与管理，2009,26(8):152-154.

[2] 杨雪荣，何佳乐，成思源，等.基于逆向工程技术的产品创新设计实验教学[J].实验技术与管理，2013,30(10):152-154.

[3] 孙海明，朱梅，朱伟华.支架式教学模式与传统教学模式的比较研究[J].吉林化工学院学报，2014(12):31-344.

[4] 李梦琪.传统教学模式与网络教学模式的比较研究[J]. 现代教育论丛,2011(9):39-41.

[5] 卢晓勇,揭敏,刘晓强. 改革传统教学模式 培养创新性软件人才[J].中国高教研究,2007(4):81-82.

[6] 李胜强,雷环,高国华,等. 以项目为基础的教学方法对提高大学生工程实践自我效能的影响研究[J].高等工程教育研究,2011(3):21-27.

[7] 张其亮,王爱春,陈永生.能力递进式项目教学法在嵌入式系统课程中的实践[J].实验室研究与探索,2014,31(8):185-189.

[8] 贡雪梅.项目教学法在单片机原理课程设计中的应用[J].实验技术与管理，2011,28(2):164-167.

[9] 蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于Geomagic Studio的特征建模技术研究[J].机床与液压，2014,42(21):142-145.

[10] 成思源，吴问霆, 杨雪荣,等.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].现代制造工程，2011(1):8-12.

[11] 王亭，王继松，李静，等.无症状扁平足与正常足的足底压力和足弓形态对比[J].中国临床解剖学杂志，2011,29(2):217-221.

[12] 罗卓荆，唐农轩.国人足弓指数的测定[J].颈腰痛杂志，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

广东省高等教育教学改革项目(2012143，JGXM025)

杨雪荣(1978—)，女，宁夏石嘴山，博士，副教授，从事逆向工程技术和计算机视觉技术的教学与研究.

E-mail：yxrlyl@163.com

TP391；G642.0

B

1002-4956(2016)1- 0179- 04