DOI:１０．１ ６７ ９ １/j．cnki．sjg．２０１ ６．０１．０４７

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)

摘　要: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.

关键词:项目驱动;逆向工程;教学改革;创新能力

中图分类号:TP３９ １;G６４２．０　　文献标志码:B　　文章编号:１ ００２-４９ ５ ６(２０１ ６)１-０１ ７ ９-０４

Reform and practice of technoloical teaching in reverse engineeringbased on autonomous project-drivenYang Xuerong,Cheng Siyuan,Guo Zhongning

(Faculty of Electromechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou ５ １ ０００６,China)

Abstract:On the basis of conventional proj ect education and the characteristics of reverse engineering,theautonomous proj ect-driven teaching reform and exploration are carried out ．According to the teachingcontent,various types of comprehensive practice proj ects which can be combined together have beendeveloped．The students themselves can independently select obj ects of proj ects and fulfil the programdevelopment,proj ect implementation,reporting and summary．It can realize the teaching mode that takesthe student as the main body．It could cultivate the students’self-learning ability,engineering practiceability and innovation ability．Key words:proj ect-driven;reverse engineering;teaching reform;innovation ability

收稿日期:２０ １ ５-０６-０１　修改日期:２０ １ ５-０７-１８基金项目:广东省高等教育教学改革项目(２０１ ２ １ ４３,JGXM０２５)

作者简介: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＠１ ６ ３．com

　　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.

ISSN １００２－４９ ５ ６CN１ １－２０３４/T 　　　　　　　　 　　　

实　验　技　术　与　管　理Experimental Technology and Management　　　　　　

第 ３ ３ 卷　第 １ 期　２０１ ６ 年 １ 月Vol．３３　No．１　Jan．２０ １ ６

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

０８１ 实　验　技　术　与　管　理

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.

１８１杨雪荣,等:基于自主式项目驱动的逆向工程技术教学改革与实践

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[１ １].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:

足高 ＝足底半长×足弓系数

１ ００　　测量脚模的长度为 ２ ５０ 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

３ ６．８７５ 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

３．５　３D 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.

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