基于OBE理念的“逆向工程”课程教学改革.pdf

工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2023年8 月刊基于OBE理念的“逆向工程”课程教学改革严金凤（南京理工大学工程训练中心，江苏南京2 1 0 0 9 4)【摘要】针对“逆向工程”课程理论性强、实践能力要求高的特点，提出了基于OBE理念的“逆向工程”课程教学改革。根据“逆向工程”教学内容，探讨了以学生为主体的教学目标和以目标成果为导向的教学模式。基于多学科交叉的项目式教学方法，以数字化测量、三维正逆向建模、3 D打印等教学内容为基础，探索了课程组织方式和课程评价体系。【关键词】OBE理念；逆向工程；教学改革【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 5-50 6 5（2 0 2 3）0 8-0 0 1 6-0 60引言高等工程教育不仅要传授系统的理论知识，还要包括足够的实践训练环节，这是工程教育的基本性质决定的-4。工程教育专业认证强调以目标成果为导向（Outcome-based Education，O BE）的教育理念，在工程教育全过程中坚持“学生中心、成果导向、持续改进”的工程教育模式，OBE理念既重视基础和专业能力培养，又重视与工程实践和实际应用的密切联系 5-0 。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，对于培养机械专业学生的产品开发能力和动手实践能力起着积极作用 7-9 。“逆向工程”课程是机械专业收稿日期：2 0 2 1-3-1 5修回日期：2 0 2 3-3-1 0作者简介：严金凤（1 9 9 0 一），女，江苏盐城人，硕士，实验师，研究方向为工程实践教学。基金项目：2 0 2 2 年教育部产学合作协同育人项目“激光加工工程训练实践教学基地升级建设”（项目编号：220904082284934）。16的一门重要专业课程，是数字化测量、计算机辅助设计和3 D打印技术等内容的综合实践和应用，具有理论性强、建模难度大、实践动手能力要求高的特点。在“逆向工程”课程教学过程中，为充分发挥学生的主体意识，提升学生的创新能力，提出以学生为主体的教学目标和目标成果为导向的教学模式，以数字化测量、三维正逆向建模和3 D打印的全流程教学内容为基础进行基于OBE理念的“逆向工程”课程教学改革。1基于OBE理念的课程目标与教学模式1.1以学生为主体的教学设计基于OBE理念教学的第一步是确定课程的教学目标。教学目标是教学活动的核心内容，是教学模式设计、教学内容选择、教学评价体系构建的核心。基于OBE理念的教学要以学生为主体进行制定，鼓励以学生为中心开展学生自主学习，专题：OBE理念探索2023年8 月刊Column培养学生的综合设计能力、研究开发能力、知识拓展能力和终身学习能力 1 0 。基于OBE理念的“逆向工程”课程以学生掌握逆向工程技术理论知识和提高创新实践能力为总教学目标。教师从传统的“逆向工程”教学过程中进行反思和内容提取，对教学大纲、理论知识点和相关技术进行分类整理，依据基于OBE理念的总教学目标，设计了多个“逆向工程”课程教学具体目标。逆向工程技术全流程如图1 所示，在这过程中运用了数字化测量、逆向建模、正向创新设计、3D打印等技术 。实物原型数字化实物三维原型逆向建模三维原型建模正向创新设计创新设计的三维模型3D打印创新实物图1 逆向工程技术全流程基于OBE理念的“逆向工程”课程的具体目标是：掌握逆向工程技术的基础理论、基本原理和技术发展现状；能根据逆向工程的实际工程问题，设计具体项目解决方案；运用数字化测量原理，选择合适的测量方法与设备进行精确测量；熟练掌握逆向建模软件，依据项目要求课程导人课程内容学习课程目标与成果制定教学模式兴趣激发与目标确定能力目标1.收集、分析信息、文献能力2.专业认同感实现模型的逆向建模；分析项目需求，掌握工业产品基本创新设计方法，熟练运用正向建模软件实现产品创新设计表达，实现产品迭代创新设计；掌握产品快速成型技术，选择合适的快速成型方法完成创新设计产品的制作。1.2以目标成果为导向的教学模式基于OBE理念教学的第二步是以学习目标和成果为导向，设计课程的教学模式。以目标成果为导向的教学模式如图2 所示，“逆向工程”课程教学模式采用以目标成果为导向的教学模式。该教学模式分为3 个阶段：第一阶段是通过逆向工程工业案例、企业参观等方式进行课程导数字化测量人，了解逆向工程技术的发展现状和应用前景，激发学生的学习兴趣，依据课程内容要求确定学习目标，该阶段主要是培养学生收集、分析信息文献能力和专业认同感；第二阶段是依据阶段一的目标进行具体课程内容学习，内容以数字化测量、三维正逆向建模、3 D打印的全流程教学为基础，学习方式的设计应是多样化、多层次的，包括理论知识学习、课程子项目实现、仿真实验、合作讨论交流等，该阶段主要是培养学生合作交流、创新设计、知识拓展等能力；第三阶段是对课程目标成果进行考核评价，包括课程综合性考核与达成度评价。综合性考核方式应是多样化的，既包括项目、实验设计完成情况，也包括阶段一、阶段二教学过程中学生的综合表现。课程目标达成度评价是反映学生达成课程目标的程度，以课程学习目标成果为依据设置课程评价指标点内容及其权重，对课程进行指标点的达成以目标成果为导向的教学模式综合性考核课程项目/实验设计与完成按目标实施内容学习1.合作交流能力2.创新设计能力3.知识拓展能力图2 以目标成果为导向的教学模式达成度评价工目标成果考核评价1.终身学习能力2.抗挫折能力3.反思能力17工业和信息化教育Industry and Information Technology Education度计算与评价，该阶段主要培养学生的终身学习、抗挫折和反思能力等。2课程教学内容改革2.1多学科交叉的项目式教学方法探索符合课程目标的教学方法和持续改进的教学内容。“逆向工程”课程是一门综合机械设计、计算机建模、光学及工业产品设计的新型交叉性学科，课程内容涉及数字化测量、计算机辅助设计和3 D打印技术等，课程内容具有理论性强、实践性要求高的特点。因此，课程采取多学科交叉的项目式教学方法，运用来自现实工程项目或模拟现实项目的案例，创造真实或接近真实的工程环境，以实现传授多学科交叉的工程知识、锻炼学生工程技能的目标 2 。多学科交叉的项目式教学方法如图3 所示，以“项目为主线、教师为主导、学生为主体、多学科交叉融合”的教学方式，将逆向工程技术理论联系实际，以一个完整的项目开发过程，将传统机械结构设计计算机辅助设计?3D打印技术工作原理1.任务下达，小组讨论，任务分析，资料查阅以逆向工程技术为载体构建学习情境2.学习三维扫描、正逆向建模和3 D打印技术3.制订项目计划，确定设计方案4.利用三维扫描仪等测量装置获取三维数据5.基于GeomagicDesignX软件进行逆向建模6.基于Creo等三维建模软件进行正向创新设计7.基于3 D打印技术实现产品加工和测试8.小组交流讨论，教师项目评价总结9.学生进行项目优化与任务完善，完成项目任务书图3 多学科交叉的项目式教学方法182023年8 月刊“逆向工程”课程中的知识转化为若干子教学项目，围绕项目运作过程开展教学 1 3 。学生在教师指导下完成项目的构思分析、方案制订、数字化测量、逆向建模、正向创新设计、产品加工与测试、产品评价等过程，实现逆向工程完整项目的运作。在此过程实现多学科交叉融合教学，学生需掌握机械结构设计、3 D打印技术、计算机辅助设计方法、光学扫描装置工作原理与设备使用方法、工业产品创新设计方法等。2.2逆向工程技术教学内容（1）基于结构光式三维扫描仪的数字化测量。利用数字化测量工具进行实物模型的数据采集是逆向工程中的关键技术。结构光式三维扫描仪作为一种重要的数字化测量工具，主要是通过非接触式光学扫描获取曲面物体的三维模型。结构光式三维扫描仪是利用投影光栅法获取实物模型的三维数据，其原理是通过结构光变形得到物体的表面信息。投影光栅法如图4所示，通过将光栅连续投射到物体表面，投影装置设置有特定编码的结构光，不同类型的结构光分别投射到被测物体上，2 个摄像头同步采集图像，然后对图像进行计算，并实现2 幅图像三维空间坐标（X、Y、Z）多学科交叉融合机械光学计算机光学扫描装置工业产品创新设计方法项目运作原理项目分析方案制订数字化测量逆向建模正向创新设计产品加工与测试产品评价工业设计基于项目驱动的教学方法专题：OBE理念探索2023年8 月刊Column投影装置F摄像头1数据图4投影光栅法的匹配，最终实现对物体表面三维轮廓的测量。结构光式三维扫描仪如图5所示，教学使用工业级结构光式三维扫描仪，摄像头1 和摄像头2 存在固定夹角，同时获取图像数据，对图像数据进行解码和相位运算得到相机坐标系内的三坐标，实现实物模型的三维测量。摄像头1，光栅发射器摄像头2图5结构光式三维扫描仪该结构光式三维扫描仪的基本操作流程如下。幅面调节：幅面指扫描仪单幅采集范围，幅面是衡量扫描仪扫描输出页面大小的指标，因此幅面尺寸的设置需要考虑物体的尺寸、细节、扫描要求等；光栅调节：调节光栅发射器使投射出的黑白条纹清晰且满足幅面大小要求；相机标定：机器视觉测量中，被测物体表面某一点的三维几何位置与其成像中的对应点之间的相互关系是由相机成像几何模型所决定，模型的参数就是相机参数，确定这些参数的过程被称为相机标定；表面处理：产品在扫描前须进行一定的表面处理，包括喷涂反差增强剂和贴标记点；扫描与数据处理：模型扫描过程通常需要经过多次扫描与拼接才能完成，点云数据获取后，可利用三维扫描软件的“处理点云”功能对点云数据进行初步的轻量化处理，点云处理包括去除噪点和重复点，从而达到模型轻量化的目的。（2）三维逆向建模。利用三维扫描仪获取实物的点云格式三维原型后，采用逆向建模技术构摄像头2建实体三维模型。基于Geomagic Design X软件的数据逆向建模过程如图6 所示。Y（3）正向创新设计。在进行工业产品创新设计过程中，需要融入先进的创新思想，充分考虑人机工程学理念，从功能创新、材料创新等方面指导学生进行正向创新设计。正向创新设计可以使用CATIA、C r e o、U G 等三维建模软件。基于CATIA的正向创新设计过程如图7 所示。（4）基于3 D打印的产品快速成型。在利用3D打印技术进行产品快速成型的过程中，如何减少CAD模型转化输出时的错误和缺陷，保证逐层累积时的制造精度是保证产品质量的技术关键。在产品成型过程中，要选择合适的3 D打印工艺和3D打印材料 1 4-1 5。如图8 所示是学生利用熔融沉积制造技术进行创新设计产品3 D打印。3课程组织与评价体系3.1课程组织方式在实际教学过程中，主要从以下两方面开展课程组织。（1）线上与线下教学相结合。“逆向工程”课程采用线上线下结合的教学方式，通过将课程实验、项目设计、课程交流讨论等环节实现网络教学，可满足学生不同学习场景的教学需求，激发学生的学习主观能动性。线上教学中，教师通过在线布置项目任务书和理论知识内容，指导学生在线进行课前预习与文献查阅。线下教师组织学生进行项目可行性分析和项目设计，掌握三维扫描仪、正逆向建模技术、3 D打印技术等内容。同时，教师在线上对学生的逆向建模过程和产品创新设计过程进行同步指导，组织学生推进项目19工业和信息化教育Industry and Information Technology Education2023年8 月刊点云处理操作：点云对齐点云的优化与合并目标：口组合点云口精简点云数据口点云模型光顺面片优化操作：面片优化修复孔、突起目标：口精简面片数据口获取高质量面片数据领域分割操作：自动分割领域手动编辑已分割领域目标：口自动识别三维规则特征口依据几何特征将面片数据拟合为不同领域坐标系对齐操作：手动坐标系对齐目标：口实现与用户自定义坐标系、世界坐标系和原始CAD数据进行对齐实体特征建模操作：创建草图与面片草图创建实体特征模型布尔运算目标：口创建较高精度实体模型曲面特征建模操作：提取轮廓曲线曲面拟合布尔运算目标：口创建较高精度曲面模型精度分析操作：AccuracyAnalyzer（T M）进行偏差分析偏差较大的部分进行修改目标：口创建高精度实体模型图6 基于Geomagic DesignX软件的逆向建模过程图7 基基于CATIA的正向创新设计过程图8创新设计产品3 D打印20模型输出操作：直接输出为通用格式，如.stl.iges导人正向建模软件目标：口获得所需格式模型顺利实施。课后，教师在线对学生进行辅导和答疑，指导学生提交项目报告和答辩PPT。（2）课程学习与学科竞赛相结合。通过“以赛促学”的方式积极引导学生参加全国大学生工程训练大赛、全国3 D设计大赛等学科竞赛。学生以团队形式参与此类竞赛，通过完成一个实际的工程实践项目，能够更加深刻理解课程知识，整合逆向工程技术相关零散知识与技能，培养团队合作精神。因此，课程学习与学科竞赛相结合的方式是提升学生学习达成度和实现课程教学目标的重要途径。3.2课程评价体系基于OBE理念的课程教学注重过程监督与评价体系构建。“逆向工程”课程评价体系的构建专题：OBE理念探索2023年8 月刊Column是基于“重过程、重能力、多元化”的原则，对学生掌握课程内容的达成度进行考核，包括课程评价考核指标与评价指标权重的设计。课程评价考核指标包括项目管理能力、团队合作能力、软硬件工具使用能力、文献查阅能力、创新能力、运用基础理论知识能力和文档撰写能力，具体评价指标权重与内容如表1 所示。4结语基于OBE理念探讨了“逆向工程”技术课程教学改革，通过基于多学科交叉的项目式教学，学生能够较好地掌握和理解数字化测量、逆向建模、正向创新设计、3 D打印等逆向工程技术，理解项目分析、方案设计、方案实现、项目运作方法。实践表明，该教学改革充分调动了学生的主观能动性，培养了学生的创新能力和团队合作能力。【参考文献】1吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设“新工科”主动适应和引领新经济 J.高等工程教育研究，2 0 1 7（1）：1-9.2赵继，谢寅波“新工科”建设与工程教育创新 J.高等工程教育研究，2 0 1 7（5）：1 3-1 7.3 李培根.未来工程教育中的实践意识 J.高等工程教育研究，2 0 1 0（6）：6-8.4成思源，张中宝，杨雪荣，等.面向产品创新设计的逆向工程技术实验教学 J.实验室研究与探索，评价指标项目管理能力团队合作能力软硬件工具使用能力文献查阅能力创新能力运用基础理论知识能力文档撰写能力2019,38（4)：1 6 1-1 6 4.5 刘亮元，师向群，袁海军.基于OBE理念的天线课程工程实践教学研究实验技术与管理，2 0 2 0，3 7（1 0）：1 9 7-2 0 0.6马双宝，游长莉，游青华，等.基于OBE理念的电力电子技术课程教学改革 .实验技术与管理，2 0 2 0，37(8):22-25.7杨雪荣，成思源，郭钟宁.基于自主式项目驱动的逆向工程技术教学改革与实践 .实验技术与管理，2016,33（1):1 7 9-1 8 2.8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，2 0 1 3，30（1 0）:1 52-1 54.9吕玮阁，郑晓东，林远芳，等.光学指纹仪逆向设计的项目研究案例 实验室研究与探索，2 0 1 6，3 5（6）：1 7 0-1 7 2.10】戴婷，朱海燕，张今朝，等.基于OBE理念进行目标细化的工程实践教学改革与实践 J.实验技术与管理，2 0 1 9，3 6（1 0）：2 1 1-2 1 4.11刘军华，曹明元.3 D打印扫描技术 M.北京：机械工业出版社，2 0 1 8.12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 .高等工程教育研究，2 0 1 1（3）：2 1-2 7.13】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，2014,33（8）：1 8 5-1 8 9.14俞彦勤，王新云，樊自田.增材制造综合教学实验研究 J.实验技术与管理，2 0 1 9，3 6（9）：1 6 4-1 6 8.15高奇，李卫民，曾红.逆向工程与3 D打印在大学生开放实验中的应用 J.实验室研究与探索，2 0 1 8，3 7(1):208-210.表1 评价指标权重与内容占比25%10%15%5%25%10%10%评价内容项目完成度，项目设计新颖性，项目完成质量项目运作过程中与组员交流沟通能力，解决实际问题的能力熟练掌握光学扫描仪、3 D打印机、建模软件等实验设备与软件的使用，掌握甘特图等项目运作分析工具的使用使用文献查阅软件查阅、分析、整理课程相关文献的能力设计作品的实用性、创新性逆向工程技术前沿理论知识在项目运作过程中的运用，学科竞赛参与度与竞赛成绩项目报告内容、格式规范性，项目报告PPT撰写能力，专利撰写能力，论文阅读和撰写能力21