逆向工程能力培養的實驗教學構建論文

【摘要】逆向工程具有設計過程的特殊性以及目標和評價的一致性等特點，據此提出基於逆向工程的實驗教學設計，構建三模組、三類別的實驗教學體系。這種實驗教學體系強調知識內容的關聯性、注重設計過程的連續性，爲學生工程能力的培養、創新能力的提高提供一種新思路。

【關鍵詞】逆向設計；能力培養；實驗教學體系

1引言

高校的主要任務是培養大批應用型和創新型人才，服務於國家建設。在“卓越工程師”培養工作和“大工程”教育的背景下，能力導向成爲當代社會對高等教育人才培養的共識[1，2]。工程素質是工程技術人員的基本素質，創新能力是一個優秀工程技術人才的基本特徵，更是各種層次和類型卓越工程師的核心能力[3]。從學生能力培養的視角，工程專業所有的教育教學活動，都應該圍繞着學生能力的培養而設定、安排和實施，以達到能力要求的目標。目前我國高等教育普遍存在着畢業生實踐和創新能力的不足的問題，爲解決這一問題，理論與工程實踐並重的“迴歸工程”的理念逐漸被工程教育界認可並推崇。這一理念下各國的工程教育越來越強調工科學生基於實驗和項目的學習方式[4，5]。

2實驗教學體系構建

隨着測量設備和技術的飛速發展以及計算機新技術的不斷應用，以測量技術爲基礎、曲面重構技術爲支撐的逆向工程技術在機械、汽車、航天、航空等各個領域得到了廣泛的應用[6]。逆向工程也稱反向設計，是根據已存在的產品或零件實物原型構造產品或零件的數字化模型，並在此基礎上對已有的產品進行分析、理解和改進，是對已有設計的再設計，能夠以較低的成本與更高的效率製造出原型產品，從而有力支援新產品的創新設計和快速開發，且已經成爲新產品快速開發過程中的核心技術之一。逆向工程是一種面向目標同時又確保目標實現的有效設計模式，基於此特點在機械設計製造與自動化等專業開展產品逆向工程實驗教學有助於增強學生學習的主動性和創造性，對於學生工程設計能力提升和創新能力提高是實用的方法[7]。目標是實驗教學活動的出發點。關於實驗教學目標的設定，西方學者們在上世紀七八十年代進行了認真探討。其中以克洛普弗（Klopfer）的研究最爲典型。1971年，克洛普弗提出理工科大學實驗教學要把重點放在五個方面：一是知識和理解能力；二是訓練動手能力；三是實踐科學的探索過程，包括觀察、測量分析數據、確定問題以及找出解決問題的方法；四是瞭解科學家的工作方法；五是培養對科學的興趣和科學態度[8]。逆向設計實驗把學生透過實驗活動在知識學習、科學態度、分析設計能力三個方面得到提升進而提高創新能力作爲目標。實驗體系的構建以重基礎、拓專業、注重知識的關聯延續爲基本原則，體現知識、態度和能力的培養，同時緊密結合現代科學技術的新發展，引進新技術和新工藝。按照以上指導原則，構建形成了“三模組、三類別”的實驗體系，並針對不同的目標要求設定了不同的實驗項目。

3模組設定

根據不同的知識內容設定三個實驗模組，分別爲曲面重構模組，產品成型模組，產品優化設計模組。曲面重構是逆向工程的基礎內容，也是核心內容。產品成型是設計的實物化過程，是曲面設計的延續，是將設計與製造技術和工藝的融合過程。產品優化設計是在曲面設計前提下，在對產品功能需求的充分理解下的產品結構優化過程，是一個設計創新過程。曲面重構過程是以實物作爲輸入，實物的曲面數字化模型作爲輸出的過程。曲面重構模組有利於學生掌握先進的測量技術，熟悉逆向工程設計的流程，掌握產品的快速設計方法。實驗中採用FARO七軸測量系統進行掃描，以便快速、大量、精確的獲得密集的零件表面點數據。FARO測量系統主要由柔性測量臂和激光測頭構成，具有七個自由度，能夠進行接觸或非接觸測量。測量臂在各關節處各有一個旋轉編碼器，記錄測頭工作時各關節臂的轉角信號，計算出探頭的座標值。激光測頭採用線狀激光，照射到被測物體表面，被測表面形成的漫反射光帶在接收器中成像，根據光源、物體表面反射點和成像點之間的關係，計算出被測表面測點的三維座標[9]。實驗時首先要對實物模型進行表面處理，清理乾淨表面，對反射效果強烈的表面和深色吸光表面噴施顯像劑以增強模型表面的'漫反射，然後將產品置於合適的位置對產品表面進行掃描獲取表面數據。數據處理是逆向設計的關鍵環節，數據處理的結果將直接影響重構曲面的形狀。使用GeomagicStudio軟件對採集的點雲數據進行點數據處理，點雲數據封裝形成多邊形面片，對多邊形面片編輯後根據產品表面特點構造精確曲面或參數曲面，最後應用軟件的分析功能將構造的曲面與採集的原始數據進行偏差分析。若對結果滿意則完成設計，輸出曲面的數字化模型，否則從原始點雲重新進行處理直至滿意。產品成型模組是構建設計與製造的橋樑，教學中利用這個模組一方面解決產品設計和生產製造中的具體問題，培養基本的工程能力；另一方面接觸技術前沿，培養創新思維。實驗的產品成型有兩個線程，一個是快速成型，一個是產品製造快速成型以一種數字模型檔案爲基礎，用特殊的蠟材、塑料、粉末狀金屬等可粘合材料，一層一層的打印粘合材料加工生產實體的增材製造技術，廣泛用於航空航天工業、汽車工業、建築、電子、珠寶、醫學等行業，並且和其他技術相結合形成具有廣闊發展前景的新的產業。實驗時將曲面數字化模型轉化爲stl格式檔案，使用ZPrinter快速成型機快速獲得模型，透過快速成型獲得實物。計算機輔助製造（CAM）技術改變了傳統的機械製造方式，提高了產品設計質量、節省了產品生產的開支、縮短了產品開發週期，是一門處於快速發展中的高新技術，是未來行業中的必備工具，也是新型產品的研發製造平臺。CAM是機制學生必須瞭解和掌握的基本技能，實驗中在逆向設計的基礎上應用UG軟件的CAM模組進行數控編程完成零件的虛擬加工或者使用UG軟件中的模具設計模組進行模具設計。這一流程作爲CAM理論教學和模具設計教學的進一步擴展和延伸，使學生透過這一解決產品設計和生產製造中的過程獲得基本的工程能力，並且在這一過程中對產品結構與製造的適應性有更深層次的理解，對產品的設計有新的認識。產品優化模組是先使用UG等正向設計軟件中的直接建模等功能對逆向設計所得曲面數字化模型進行編輯和再設計，獲得產品模型或將所得產品模型進行裝配，然後應用CAE軟件進行產品分析，據結果對產品做改進設計最終獲得最優設計方案。產品優化模組中的CAE分析包括有限元分析和運動分析。有限元分析可以對零部件模型進行力學分析、靜態模態、穩態熱傳導、分析和熱結構分析等工作；運動分析可以對裝配件模型進行機構運動分析或動力分析，分析產品的臨界位置、反作用力、速度和加速度等。透過CAE分析可以判斷設計結果的正確性、合理性，在這一實踐訓練，學生既可以全面瞭解和掌握機構系統的設計過程，又可以學到先進的分析和設計方法，提高分析問題和解決問題的能力，形成良好的工程意識，建立更完整的知識體系。這一流程在實驗中可應用Abaqus軟件進行有限元分析，使用S軟件進行運動分析。

4實驗類別設定

從學生能力的形成和提升過程看，能力的培養是一個逐漸形成、綜合作用和螺旋上升的過程。按照人類認知和學習規律，能力培養的逐漸形成過程要經歷從知識學習到初步能力形成再到目標能力形成這樣一個漸進的、動態的連續過程[10]。基於逆向工程實驗體系的設定根據知識的認知、積累和發展規律，定位於教學目標，按基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗三個類別對學生進行連續性訓練和遞進式培養。基礎性實驗是教學所必須的基本實驗，應用單一或少量知識、原理，使用基本實驗方法進行基本技術操作的就可完成的實驗，透過這類實驗訓練，要求學生了解、理解和應用實驗對應的基本原理或者知識點，掌握基本實驗方法和技能。在基於逆向設計的實驗體系中基礎性實驗項目選用表面造型簡單的零件，如玩具飛機、玩具汽車外殼，完成曲面重構模組。透過這一過程學習非接觸測量技術，學習點雲數據的處理方法，掌握逆向設計的基本過程，學習逆向工程的知識。這種類型的實驗可在《機械創新設計》課程中對整個專業的學生中作爲實驗教學內容。綜合性實驗由一項複雜任務或者多項簡單任務組成，這類實驗具有知識深化或者多重知識交融的特徵，要求學生在基礎實驗的基礎上採取更靈活更綜合的方法去解決問題，在這個實驗過程中使學生解決複雜工程問題的能力和綜合思維方法得到提升。基於逆向工程的綜合性實驗項目分爲二大類：一類爲提高型項目，項目內容爲複雜零件的曲面重構；另一類是任務組合型項目，內容爲零件的逆向設計與成型。提高型綜合實驗項目一般選取表面複雜的零件，這類零件數據採集時有一定的難度並需要一些經驗，對測量技術有深度的訓練，同時在點雲數據處理和曲面重構過程也需要更多操作和技巧，如方向盤的逆向設計。透過這類項目學生的逆向設計能力得到深層次的訓練，基本能適應工程需要。這一類實驗適用於實驗室開放，對逆向設計有興趣的同學。任務組合型實驗一般是選取簡單零件完成曲面重構和產品成型兩個模組。這一項目選取的零件一種是基礎性實驗時零件完成曲面重構後繼續完成快速成型，目的是訓練逆向設計的基本能力並熟悉快速成型增材製造技術相關知識，這類實驗可以在《先進製造技術》課程中分組完成。另一種是選取規則幾何結構的零件完成參數曲面重構，進行簡單的編輯後進行模具設計或者數控編程，這主要涉及《模具製造工藝》《機械製造基礎》《數控機牀》《機械CAM》等課程的知識，這類實驗可以在這些課程中作爲實驗內容開設。設計性實驗就是以培養學生設計、分析能力和創新能力爲核心目的的教學實驗，是知識、能力、素質形成的綜合訓練與培養[11]。這種實驗以一個清晰的、需要解決的設計問題作爲起點，進行技術性、可行性設計，並進行測試與驗證以解決問題，產出相應設計成果作爲終點。實驗性設計既是教學過程，更是設計、分析和創新過程。設計性實驗項目產品選取一般爲設計中的主要受力件或者裝配中的關鍵件，要求完成曲面重構模組和產品優化模組。在實驗中注重的是培養學生的設計思路、流程和獲得較優解的方法，設計性實驗要求的不僅僅是設計成果，更要求的是設計思想。學生透過查閱資料，對最優的設計方案先有預期，利用CAE分析結果做出改造創新性設計，最終獲得最優的設計方案。這一實驗過程主要培養學生工程分析能力及問題的求解能力，這類實驗注重自主性、探索性、過程性、和學科性。運動分析項目適用於《機械原理》《機械設計》課程設計，有限元分析可以實驗於《材料力學》《有限元分析》等課程的課外作業，這兩種實驗項目亦可作爲大學生創新項目。

5結束語

每一種能力的培養都不是一個單獨的教育教學活動可以能夠完成的，它需要多門課程或教學活動的綜合作用，需要這些課程漸進累積、強化、相互作用甚至循環反覆才能夠實現。本文探討了基於逆向工程的實驗體系的構建，這一體系強調了知識內容的關聯性、設計的連續性，這一體系是從單一的逆向設計技術到設計與製造結合、設計與分析相結合的漸進過程，爲學生工程能力的培養和創新能力的提升提供了一種新思路。

參考文獻

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