正向与逆向三维建模相结合的实践教学研究

胡碧康　周丽红　陶锡麒

摘要：尽管正向三维建模的教学已经比较成熟，但大多数学生对掌握复杂的曲面三维正向建模还是比较困难，容易打消学生学习的积极性。而逆向工程已经在社会企业普及，高校的教育教学也应跟上时代，因此将正向与逆向三维建模相结合的教学很有必要。对比两种建模方法，学生自主选择建模方式，降低掌握三维建模技能的难度。

关键词：三维建模；逆向工程；建模方式；实践教学

中图分类号：G423.31；TP391

三维建模技能是产品结构研发设计的基础，构建形状结构相对简单的模型可采用正向建模的方法，然而对于结构复杂的三维模型采用正向建模所花费的时间长，有的甚至对三维建模工程师有较高要求。近年来随着科学技术的发展，复杂三维模型可以通过三维扫描快速便捷的获取，然后经过逆向建模来设计新的产品模型，有效缩短了产品的研制周期，提高了产品研发效率并降低了成本。这种建模方法对先进制造、工业设计、文化创意、制造业信息化工程等多个领域产生了较大的影响。现如今三维扫描逆向建模已经遍布全球，我们的高校教学工作也应与时俱进，开展三维逆向建模实验教学对于拓展学生视野、培养学生设计和创新能力非常重要，因此高校开展逆向建模实验课程已经迫在眉睫。

一、正向三维建模的教学现状

三维建模软件的学习一直以来深受高校机械类专业的重视，被规划为必修课，要求学生掌握基本的三维建模方法，增强学生的机械制图、计算机绘图、产品设计与制造、空间想象等方面的能力。三维建模技术应用的特点是从根本性地改变产品的设计、工艺的新产品开发，是从无到有的创新设计。常用的三维建模软件有Pro/E，Solid Works，CATIA，UG等，大多数高校选择其中具有代表性的建模软件Pro/E作为教学软件。

三维建模软件的教学方式近些年也有了很大的改进，由早期的填鸭式单一教育方式改革到课前的相关小视频引入、课堂上的分小组讨论建模方案等先进的教学方式来激发学生的自主学习性，还有部分老师以让学生参加竞赛的方式激励学生自学相关三维建模软件。通过查找资料及对湖北部分高校调查研究发现，正向三维建模的教学方式已经相对成熟，而逆向三维建模教学在高校还未全面推进。

二、逆向三维建模

逆向三维建模是近年兴起的三维建模方式，它借助于三维扫描仪将复杂的实物样品通过光栅测量的方式采集样品各尺寸到电脑软件内，然后经过后处理得到样品的三维模型。

逆向建模特别适用于复杂自由曲面的逆向模型，主要应用于产品研发设计（RD）、逆向工程（RE）。逆向三维扫描操作简单、输出数据兼容性强，可与Geomagic、Polyworks、Rapidform、Im-ageware、UG、Pro/e、CATIA等软件进行直接数据交换。这种三维建模方式可以降低成本并且高效率的制造出原型产品模型，进而研究开发新的产品，目前采用此技术进行开发新产品的企业已经遍布全球。

然而目前较少有高校给学生提出逆向三维建模的概念，开设逆向三维建模教学的学校更少。通过以武汉科技大学城市学院机械专业学生的三维实践教学为基础研究发现，学生们对于简单的三维正向建模能较好的掌握，但复杂的正向三维模型设计会让大部分学生有挫败感，从而产生厌学倾向。而逆向三维建模学生可将复杂的三维模型通过三维扫描快速便捷的获取，然后经过逆向三维建模来设计新的产品模型，以此提高学生学习三维建模的积极性，增强学生对于三维建模技能掌握的成就感，由此产生学习兴趣，也能让学生适应社会的快速发展。因此，为了让学生能更好的掌握三维建模技能，适应社会企业快速开发、创新产品的工作速度，广泛开设逆向建模实践教学课程是很有必要的。

三、正向与逆向相结合的实践教学

以机械创新设计大赛为契机，选择八名机械专业本科大二的学生作为三维建模实践教学对象。整体教学安排是首先教学三维软件Pro/E的基本三维建模方法，给学生留出一定的时间消化吸收Pro/E的操作规律；然后开始教学复杂曲面的建模方法，让学生画一个哆啦A梦笑脸的模型，完成正像三维建模的教学工作；接着开始三维逆向建模教学，以笑脸哆啦A梦为例，首先用蓝光三维扫描仪扫描实物模型哆啦A梦，得到点云数据；然后将点云数据用Geomagic Studio进行处理，得到哆啦A梦的三维模型；最后用Geomagic Design Direct或UG进行创新修改设计，如将笑脸哆啦A梦造型用UG修改为难过的哆啦A梦造型。整体教学流程如图1所示。

经过对正向、逆向三维建模的整体实践教学，学生们对三维建模有了更多的了解，对于建模方法的选择有了清楚的认识。对比两种建模方法的优缺点，学生课自主选择建模方式，简单的三维模型采用正向建模更省时，复杂的三维模型根据需要可以选择逆向建模的方式，能有更多创新设计的时间与空间，学生们对未来机械设计工作的学习生活更有信心，对三维建模的学习更感兴趣。

四、结语：

正向与逆向三维建模的结合不仅有利于增加学生学习三维建模的兴趣，也开拓了学生的眼界。这种三维建模实践教学方式让学生自己认识到两种不同的建模方法的优缺点，自主选择不同的建模方式来达到相同的建模效果，有助于培养学生的创新能力，提高学生的创新设计水平，而不用传統的单一教学模式去禁锢学生的创新思维。