“逆向工程与快速成型技术应用”开放课程建设之初探

孙春华

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

1 课程的开设情况

自20世纪80年代开始，为适应产品快速开发的市场需求，逆向工程(reverse engineering，RE)和快速成型(rapid prototype，RP)技术应运而生。这引起了各国工业界和学术界的高度重视，并取得了飞速发展。这一技术已成为CAD/CAM领域的一个研究热点，成为产品快速开发的一种重要手段。为适应企业对RE/RP知识及能力的高素质技术技能型人才的需求，苏州市职业大学自2007年开始，开设了“逆向工程与快速成型技术应用”课程。该课程是面向从事产品开发技术人员岗位的职业技术技能应用型课程，可为学生从事产品快速设计、快速制造等岗位工作奠定逆向工程和快速成形方面的理论和技能基础。

经过近10年的建设，该课程已形成以2名教授为核心的5名教学经验丰富的专职教师，以及三四名在一线从事技术的企业专家，组成的教学团队。在多次修改整编的基础上，团队编写并出版了“十二五”江苏省级高等学校重点教材和全国机械行业职业教育优质规划教材(高职高专)“逆向工程与快速成型技术应用”，在国内同行业中获得了好评[1]。学校建设有以江苏省现代制造技术实训基地、苏州市数字化设计与制造技术重点实验室为中心的专用实训基地。已有18台专用设备、Geomagic Studio专用逆向工程软件、UG、Pro/E等大型CAD/CAM软件。目前该课程已在苏州市职业大学的数控、模具、机械设计与制造等专业开设，所培养的学生已在各自的行业中担当产品设计工程师。

2 开放课程建设内容分析

随着学习观念的转变和网络技术的发展，开放共享成为课程教学的重要特征之一。课程的开放，不仅意味着网络访问的开放，更突出表现在内容来源、内容结构、教学理念与模式、学习过程、学习情境、学习评价等的开放[2]。开放课程的建设离不开平台的支持。超星泛雅网络教学平台是北京超星集团推出的基于MOOC理念的新一代网络教学平台，它集平台、资源和服务为一体，已被众多的学校选为开放课程建设的平台。为顺应时代变化和发展的需要，在借鉴国外百门开放课程建设经验的基础上[3]，本教学团队提出了基于超星泛雅教学平台进行“逆向工程与快速成型技术应用”开放课程建设的设想，并得到了本校教改项目的支持。由于“逆向工程与快速成型技术应用”是一门新技术应用方面的课程[4]。因此，在课程内容设计方面，以学生了解RE/RP基础知识和掌握基本技能为目标，将RE/RP技术所涉及的知识点和技能，按照RE/RP技术的工作流程，加以分析、整合、微型化，横向进行组织，以达到“颗粒度微小”与“逻辑关系完整”的有机结合。开放课程内容知识云的构成如图1所示。该开放课程所涉及的RE/RP技术知识云由数据扫描知识群、数模重构知识群、快速成型知识群构成。

图1 开放课程内容知识云的构成

2.1 数据扫描知识群

数据的获取是逆向工程的基础和关键。该知识群包含了数据扫描技术方面的主要知识元：①扫描设备的分类和特点。讲述扫描设备的分类和特点，为选择合适的扫描设备进行产品数据采集奠定基础。②扫描预处理。涉及扫描件的处理、扫描路径规划，为产品的扫描做好准备。③产品数据扫描。根据所给产品的特点，选择扫描设备，规划扫描路径，采集产品数据，为后续的数模重构获取产品数据。

2.2 数模重构知识群

数模重构的质量和速度，决定了产品逆向设计的质量和效率。该知识群将教学生如何使用专用的逆向工程软件Geomagic Studio，进行扫描数据的处理，重构出产品的CAD曲面模型。该知识群主要的知识元包括：①点阶段数据处理技能。对扫描获取的点云数据，利用手动注册、自动注册、采样、减少噪音、联合点对象、封装、合并等操作技能，使扫描数据变得完整、均匀，并封装成多边形模型，为多边形阶段的数据处理奠定基础。②多边形阶段数据处理技能。利用网格医生、去除特征、砂纸、减少噪音、简化、松弛多边形、填充孔等操作技能，使多边形模型更加光滑和完整。利用编辑边界、松弛边界、创建/拟合孔、延伸边界等操作技能，使边界符合原特征。而特征、模型偏置、雕刻等高级操作技能，将在该知识群中作为拓展部分的知识内容来呈现。③曲面阶段数据处理技能。在该知识元中，将讲述Geomagic Studio软件中常用的自动构面和手动构面两种主要的曲面建模方法。涉及探测轮廓线、探测曲率、编辑轮廓线、升级/约束、构建曲面片、移动面板、编辑曲面片、构建格栅、拟合曲面，以及构建曲面的精度分析和通用CAD数据文件格式转存等操作技能。在该群中，参数化曲面构建将作为拓展部分的知识内容来呈现。

2.3 快速成型知识群

在该知识群中，将涉及快速成形(即“3D打印”)的工艺原理、RP数据处理、产品快速成形知识元。学生通过该知识群的学习，将了解RP技术的特点，掌握RP数据的处理、RP设备的操作，以及成形件的制作。以上各知识群保持着知识的独立性。学生在学习的过程中，可以根据自己的兴趣爱好以及时间，选择知识群进行具体的安排。但各群之间，又依据产品的逆向设计与快速制造流程，有一定的关联性。数据扫描知识群所提供的产品扫描数据，可作为数模重构知识群所需的数据模型；数模重构知识群所构建的模型精度又可以反过来评价扫描数据的完整性和平滑性等技术指标。数模重构知识群可为快速成形知识群提供数模，而依据所提供数模快速成形出的成形件，又可以用来作为评价重构模型质量以及数据扫描质量好坏的实物依据。在开放课程的内容表征上，基本采用以10 min左右的微视频加以呈现，以符合认知特点和信息加工规律，同时也有助于学习者注意力和时间的分配[5]。

3 开放课程资源建设和实施

本开放课程提供了多种形式的课程资源，包括课程视频、PPT、教学文件、参考资料、在线测试、模型数据、学习工具、学习小贴士、知识加油站等，可供学习者自行下载。课程视频中以知识传授为主，但也内嵌了很多实际操作视频，包括扫描设备和快速成形设备的操作，以及Geomagic Studio软件各阶段数据处理实例的录屏。在线测试既有课后测试又有期末测试，并注重课后测试环节，以加强课程学习的过程管理。模型数据提供了模型重构知识群各知识元练习时所需的点云数据、多边形模型等；学习工具中包含了专用的逆向工程软件Geomagic Studio、大型的CAD/CAM软件UG等。在学习小贴士中，将为学习者提供一些经验之谈、操作技巧，以及主要关注点等。而在知识加油站中，将给学习者提供一些与RE/RP技术有关的专业英语词汇、前沿研究、相关网站，以及名人概况等。同时本开放课程也注重拓展资源的建设。在相应的资源库中，提供了拓展学习所需要的数据模型及PPT、教学文件等。学习者完全可以依据所提供的资料进行自学。

在课程的实施上，采用按照既定的课程标准，以教师为主导进行传递与复制预设性的视频教学。同时，还提供了录屏讲解和实景授课，以提高学习者的参与感和亲近感。本课程还开辟了课堂讨论区，为学习者交流互动提供空间，以增强学习者在线学习的积极性。并且设置了在线答疑，实现“学习者即时提问，教师即时回答”。

“逆向工程与快速成型技术应用”开放课程的评价方式采取了形成性评价和终结性评价相结合的方式。形成性评价包括电子学档记录、项目实践作品、教师评价、同伴评价和群知识测验。终结性评价方式采用期末考试。考试题采用选择题、填充题和论述题。其评价方式及分值见表1。

表1 评价方式及分值

4 结语

所搭建的开放课程基本满足了教学的需要，但鉴于项目实施时间较短及现有条件所限，还有一些可待改进的地方[4]。

1) 在开放课程的建设中，可运用虚拟仪器技术和虚拟现实技术，开发产品数据测量系统。学生在该系统中可以模拟扫描设备对产品实物进行测量，以便更好地掌握测量设备的使用，解决操作设备机台数少的问题。

2) 在开放课程的平台中，增加“访谈对话”。通过邀请相关领域的知名专家和企业家，围绕课程相关问题进行深度对话与交流，使学习者由被动接受转化为主动参与，加深对课程知识的感知和理解。

3) 由于逆向工程和快速成形都是较新的技术，其发展日新月异。因此，在课程平台的建设中，要考虑如何实时地将新技术、新工艺进行引入。

参考文献：

[1]陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2015.

[2]陈 敏，余胜泉.基于学习元平台的开放共享课设计与应用研究[J].开放教育研究，2013，19(2)：49-58.

[3]尹睿，刘路莎，张梦叶，等.国外百门大规模开放在线课程设计与开发特征的内容分析：课程视角[J].电化教育研究，2015(12)：30-37.

[4]孙春华，陈雪芳，杜建红.“逆向工程与快速成型技术应用”课程教学探讨[J].苏州市职业大学学报，2011，22(2)：56-58.

[5]- 78 -黄甫全.现代课程与教学论[M].3版.北京：人民教育出版社，2014.