开设逆向工程实训课程的探索

【摘要】通过近年在本科高年级学生中进行的教学尝试，文章探索了将逆向工程实训系列课程引入专业教育的可行性，分析了需要解决的关键问题，有针对性地提出了相关建议。教学试验表明，这一过程对推动学生学习能力和应用能力的提升具有积极作用。

【关键词】逆向工程；实训；系列课程；自学能力；应用能力

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2011）05―0145―04

一 引言

传统的正向产品设计，是由市场或客户需求出发，通过对产品功能的定位、技术实现方案的选择、产品原始模型的设计、样机制作以及设计方案调整与优化等一系列过程来完成的。其核心是“初创”，是由需求直接驱动的全新产品的开发模式。我们今天为本科生开设的课程体系，主要也是围绕着正向设计的指导思想来设置的。如“机械设计”、“创新设计”等课程，均是为培养学生的正向设计能力而开设的。

在现今产品更新换代迅速、要求企业快速响应市场需求的大环境中，真正“从无到有”的初创全新产品只占极小部分，绝大部分的“新”产品，实质上都是对已有产品进行改进和局部创新。就产品整体而言，它是一种“更新”而不是“创新”。本科生在未来工作中可能更多的是要面对产品更新的问题。因此，如何有效地利用前人的知识积累，学习和消化已有产品的设计思想，了解并掌握其结构原理和设计参数，在此基础上进行产品更新和局部创新，已成为今天快速开发新产品的关键。

随着其它支撑技术，如计算机技术、精密测量技术、快速原型技术等的快速发展，逆向工程技术近年已迅速进入实际工业生产领域并引起越来越多企业的重视。让学生学习和了解逆向工程的基本思想和方法，熟悉和掌握一些常用的逆向设备和软件，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，提高解决问题的能力，增强对未来工作的适应能力和信心，都有着积极的作用。

国内一些高校已经认识到逆向工程的重要性，开始为本科生开设相应的课程或设置相应的实践环节[1][2][3][4]。但这样的高校目前为数不多，而且基本上都是以一门课程的形式，内容不够全面深入。通过这样的课程，学生只能对什么是逆向工程有一个初步的了解，离真正应用还有相当距离。在培养企业所需的、懂技术会操作的实用型逆向工程人才方面，目前的课程设置还存在不足。

本科2~3年级学生，已具备了学习逆向工程技术的基础知识（如力学知识、产品结构设计知识、制造工艺知识等等），接受和理解逆向工程的基本思想并不难，难点是逆向工程所需技术手段(如逆向设备操作、逆向软件使用等)的掌握。只有掌握了逆向工程所需的技术手段，才能真正运用到实践中实现产品的逆向开发。为学生开设系统的逆向工程系列课程，并以实际训练为重点，将其作为高年级学生的一个专业方向或实际技能训练，应当是培养逆向工程实用型人才的一个较好的选择。

本文作者曾任中英联合办学中方教师多年，对如何通过实训教学培养学生的自主学习能力和知识运用能力有较深入的体会。借助于国外大学一些常规的教学方法和手段，作者近年在本科高年级学生中开展了逆向工程实训的教学尝试，得到了一些启示和收获，在此提出与老师们探讨，诚望能对高校开展逆向工程教学有所帮助。

二 逆向工程实训包含的内容

利用逆向工程思想开发新产品，是一种由已有产品（原型机）驱动的产品开发模式。它首先通过对原型机的测量，获取原型机的各种参数，然后由设计人员通过对原型机结构、功能等的分析，还原出原型机的设计思想。在此基础上，对原型机进行局部改进和创新，设计出既保留原型机已为市场认可的优秀功能和结构、又在局部有所改进和创新的新产品，以满足不断变化的市场对产品提出的新的需求。完整的逆向工程应包含三方面的内容，即：逆向测量、逆向设计和逆向制造。

逆向测量是逆向工程的基础，逆向测量为设计人员了解原型机创造了条件。逆向测量常用设备包括3D扫描仪、三坐标测量机、数字影像测量仪等，更先进的设备还包括工业CT等大型设备。目前，国内大多数高校由于各种原因（如设备不足、课时限制等），尚未开设逆向工程课程，介绍逆向设备以及相应的实验环节还相对短缺，学生失去了一个了解这些先进设备的机会。一些高校可能已在某些课程（如精度设计）中介绍到这些设备并开设了相应的实验，但也仅仅是将其作为长度测量设备而不是逆向工程设备来介绍，这样做虽然拓宽了学生的知识面，但同时也失去了一个让学生了解这些设备更广泛用途的机会。这将会导致学生在未来工作中面对这些设备时缺乏应用能力，而这些设备在企业中已逐渐得到较为普遍的应用。通过为学生开设逆向工程系列实训课程，可以集中介绍这些设备，帮助学生快速系统地掌握这些设备的操作技能，增强在未来工作中的适应能力。

逆向设计是在获得产品结构数据的基础上，还原出产品的几何模型，由此分析和还原产品的原始设计思想，进而对已有产品进行改进和创新，设计出新产品。这一方面需要学生具有扎实的产品设计基础知识，另一方面也需要学生能正确使用常用的逆向软件。产品设计的基础知识，学生可以通过现有的课程来学习和掌握，但逆向软件却只能在逆向工程课程中加以介绍，目前的课程并不包括这部分内容。逆向软件中，处理3D点云数据的软件，如Imageware、RapidForm，一般都较难掌握，除了教师在课堂上讲解演示之外，更重要的是需要学生通过实际操作来熟悉它们的使用。这样，逆向工程的实训课程就变得尤为重要。面对一个实际的逆向设计问题，通过实际操作来熟悉软件的基本功能，是一个收效较好和较快的途径。

逆向制造是利用逆向设计阶段所建立的产品3D计算机模型制造出实际样机或产品的过程。逆向制造包括常规的数控制造技术和先进的快速成形技术等。常规的数控制造技术，现有课程一般都有所涉及，而快速成形技术及一些先进的加工设备（如，不同的快速成形技术，它们的原理、所使用的设备、操作的技能；快速成形技术与其它加工技术（如铸造技术）的联合使用；先进的激光加工技术及设备（如作为快速2D制造设备的激光切割打标机），等等），现有课程中的介绍还存在较大的欠缺。在逆向工程实训课程中加入对这些设备的介绍和操作技能的训练，不仅可以丰富学生的知识和提高学生使用先进设备的能力，同时也为学生未来工作中实现快速产品开发提供了许多新的技术手段。

三 开展逆向工程实训的情况

近3年来，我们每年面向大三学生，采取自愿报名与教师挑选相结合的方式，吸收少量学生来参加逆向工程实训。这也是一个教学试验，希望从中能找到适合学生的教学方式，选择合适的教学内容，以及发现存在的问题。目标是形成一套面向高年级学生开设的选修课程模块，将来作为一个专业方向或作为一种技能训练纳入教学计划之中。

我们设定的目标是，学生在教师的指导下，完成一件机械零件或一个小型机电产品从逆向测量到制造出最终样件或样机的全过程。逆向的产品由学生在教师的指导下自主进行选择。对于完成这一产品所需要的各种知识和技能，教师在进行必要的基础知识讲授之后，主要由学生通过自学以及实践获得。对这一过程中学生遇到的问题，大多数情况下都要求学生独立解决，教师仅给予技术的指导和方向的指引。如，知识和软件学习过程中教师进行答疑，通过实验室开放的机会教会学生设备的使用后让学生自行操作，为学生提供一些可以进行技术交流或产品加工的企业让学生自己去联系，要求学生做好工作计划并与教师讨论，要求学生对做过的各种工作记录详细的工作日志，等等。

时间安排上，学生利用课余时间，持续期在1年到1年半左右。其中，前半年时间主要用于逆向工程相关知识、逆向测量设备和逆向软件的学习，后半年到1年时间则用于逆向产品设计与制造。

从开展的情况看，能够坚持完成这一过程的学生，不仅加深巩固了所学的各种知识，对知识的应用有了更深刻的理解，也学到了许多常规课程所没有涉及到的知识，提高了实践应用能力。更重要的是，学生通过这一过程，在很大程度上提高了解决设计制造过程中各种实际问题的能力，掌握了从事逆向设计和制造所必须的基本知识和技能，基本能独立完成从原型机到最终制造出样机的全过程，对未来工作也有了更多的信心。图1是学生完成的逆向产品。

四 逆向工程实训的关键问题

在对学生进行逆向工程实训的过程中，关键和需要着力解决的问题包括：

1 教学方式和要求的转变。

大多数学生基本上都已习惯于教师讲学生学这样一种被动的学习方式，而逆向工程实训课程以实际训练为主，要求学生要有更多的自主性。学生必须自己面向问题，自己学习解决问题所需要的知识，很多时候还需要自己去探索解决问题的途径和方法。这是从将来学生实际工作需要出发所设置的要求，也是开设实训课程的初衷和希望达到的目的。但由过去已经习惯的被动学习方式，转变为将来工作需要的主动学习方式，由面向知识的学习，转变为面向应用和面向问题的学习，对学生来说无疑是一个较大的挑战。从我们这几年经历的情况看，大部分学生开始时并不适应，一些学生在遇到困难时放弃了，而另一些能够理解这种训练能帮助他们为将来工作提早做好准备的学生，则能在教师的指引下，克服困难最终完成训练的要求。这提示我们，应尽量让学生理解这种训练的意义，当学生遇到困难时应及时给与指导和引导，教师应有较深厚的积累，同时也需要付出比常规授课更多的时间和精力。

2 逆向软件的学习和掌握。

自学逆向软件对学生而言是一个困难较多的环节，如，样条曲线曲面这样的基础知识过去没有接触过；软件功能太多，记不住，容易混淆；对许多软件的功能理解不透，用不好，等等。针对这样的问题，我们一方面给学生补一些必要的基础知识，另一方面简化问题，从一些形状简单的样件入手，逐步深入。同时，缩短单纯学习软件的时间，在了解了软件基本功能后，及早针对要逆向的产品，面向需要解决的问题，学习软件相应的功能。这样做，学生的兴趣增加了，同时也避免了一些繁杂和暂时用不到的功能不容易掌握而打击学生学习的信心。

3 逆向设备的操作。

我们采用教师先手把手教，然后利用实验室开放的有利条件给学生更多的动手机会，让学生自己从亲历的实验操作中真正学会和掌握设备的操作技能。3D扫描仪、影像测量仪等设备的操作相对容易掌握，我们要求学生能完全掌握并能自己进行需要的测量，如自己扫描自选的样件获取点云数据。三坐标测量机的掌握相对较为困难，我们仅要求学生能在教师的帮助下进行常规的测量，如用三坐标测量机来对最终获得的逆向产品进行测量和精度分析。此外，在逆向制造时，由于教师在科研过程中试制了多台各种不同原理的快速成形设备，学生可以同熟悉这些设备的研究生们密切交流，学习各种快速成形设备的操作，制作出他们自己的逆向的产品。在这样的过程中，学生学会和掌握了许多设备的操作，学会了许多解决实际问题的方法，同时也提高了与人沟通的技巧和能力。

4 逆向设计和制造中的问题。

学生由于缺乏实践经验，还不能将已学过的各种知识很好地应用于产品设计和制造，因此，在设计和制造过程中往往会出现精度设计不合理、对快速成形件的收缩变形等估计不足等等各种问题，致使初次设计制造的产品误差过大、装配不上、在试用过程中出现变形甚至破坏等情况。对学生来说这是一件好事，通过反复修正设计和多次制造，在实践中了提高了知识的应用能力，学会了解决问题的方法，丰富和积累了实践经验。教师也在这样的过程中逐渐清楚了学生可能出现的问题，进而可在后续的授课和实训过程中加以注意和改进。

5 时间安排的问题。

前期的实训，我们完全是利用学生的课余时间来进行的，时间上经常无法保证。另一方面，由于目前的实训仅仅相当于一种课外活动，没有给学生硬性的学习要求。由于学生们在大三还有许多必修课要上，学习一繁忙加上实训前期软件的学习是一个难关，因此容易产生放弃的念头。从这几年最终完成全部实训内容的学生情况看，让学生掌握逆向工程的实际操作完全是可行的。但这需要时间上的保证，同时也需要对学生提出明确的要求。因此，为感兴趣的学生开设一套供选修的实训课程，将其作为一个专业方向纳入整体教学计划，对学生提出明确的教学要求，可能是一种较好的选择。

五 逆向工程实训课程的安排

将逆向工程作为高年级学生的一个专业方向或作为一种技能培训手段，需要设置一套选修课程。根据学生未来从事实际工作的需要，可考虑开设的课程包括：

1 《逆向工程操作实训》――该课程是实训的核心课程，持续期为1年至1年半，主要任务是完成一件产品的逆向制作全过程。课程初期，教师先简要介绍逆向工程的基本思想和方法，所涉及到的知识和技能等内容，然后由学生在教师的指导下自主选择一个需要进行逆向的产品。学生进行分组，每组选不同的产品。学生在完成实训过程中所需要的各种知识和技能，则通过一系列紧紧围绕实训需要所设立的各种单独的课程（见下面所列的课程）来获得。本课程中，学生需要通过经历自选原型样机（或样件），3D扫描获取点云数据，用逆向软件进行数据处理，在3D设计软件中进行逆向设计，直至最终制造出产品并比照原型机进行精度分析等环节。应为每组学生配备一个专任的指导教师负责该课程的教学、辅导、进度检查监督、定期考核、以及及时解决学生遇到的各种问题。

下列课程是为配合本核心课程所开设的单独课程。每门课程开课时间一般为1学期，开课时间应配合核心课程的进度，由一名教师负责。先是对每组学生所需要的共通基础知识进行集中讲解，后面更多时间则是学生针对自己特定的任务自学相关内容，每组学生学习的内容可能各不相同，教师分别对每组学生进行有针对性的指导、讲解和答疑。考核分组进行，看学生是否掌握了自己该了解的内容。

2 《逆向软件与3D建模》――教师集中讲授的内容：以逆向软件的基本使用操作为重点，通过一些具体的实例，介绍点云处理、曲线曲面建立、与3D设计软件的数据交换、3D模型的建立等内容。不同任务组的学生还需要根据自己的任务深入学习软件需要用到的一些功能。

3 《逆向测量设备及操作》――教师集中讲授的内容：以3D扫描仪为重点，包括激光3D扫描仪和白光3D扫描仪，同时，影像测量仪、精密高度仪、三坐标测量机等设备，也作基本的介绍。不同任务组的学生可根据自己的具体任务深入学习某种或某些设备的操作，直至熟练掌握，可以自行使用。

4 《逆向制造设备及操作》――教师集中讲授的内容：以多种快速成形设备为主，介绍其基本原理和基本的操作技能，同时对其它设备，如激光切割打标机、激光内雕机、水射流切割机等做简要介绍。对前期课程中未涉及到的各种数控加工设备（如数控冲床等），也可纳入其中。学生完成逆向制造可以直接用快速成形设备制作样件，图1（a）是一个这样的例子。也可用快速成形设备加上其它设备制作出批量产品。如，先用SLS或3DP快速成形机制造铸造形壳，通过铸造获得毛坯，再用数控切削机床制造出金属零件产品或模具，如果是模具，最后再通过注塑或压铸、冲压等方式获得最终产品。图1（b）是一个这样的例子。学生需要根据自己制造的需要学习和掌握相关的设备操作。

5 《逆向工程中的精度分析》――学生之前可能已经学习过如《精度设计》这样的课程，对精度的相关知识已有所了解。本课程以此为基础，教师主要分析讲解逆向过程中可能对精度造成影响的环节和因素，如何在逆向过程中减少测量和制造误差，提高逆向产品的精度，以及如何对最终的逆向样机比对原型机进行精度分析，找出误差来源等内容。

这套课程应偏重于实际操作，强调解决整个逆向过程中面对的实际问题，提高学生的自学能力和应用能力。通过这套课程的学习，应能让学生基本掌握逆向工程的相关知识和各种实际操作技能，基本上能够独立完成整个逆向过程，由原型机制作出最终样机或产品。

六 小结

经过近年在部分学生中开展逆向工程实训的尝试，我们认为，为高年级学生开设一套逆向工程实训课程，将其纳入教学计划是完全可行的。通过实训，不仅可提高学生知识应用能力和解决实际问题的能力，同时也能增强学生面对困难时的信心，并可为学生未来就业奠定良好的基础。

参考文献

[1] 谭昌柏.《逆向工程技术》课程教学探讨[J].中国科技信息,2008,(10):276-277.

[2] 张海英,郭光立,刘万强.《逆向工程技术》课程设置的教学改革探索与实践[J].中国科教创新导刊,2009,22:177-178.

[3] 张渝,安治国,胡启国.基于NetOp School的《逆向工程》课程教学优化[J].中国科技信息,2010,(2):251-252.

[4] 江征风,徐瑾.车模反求设计与加工的教学实践[J].机械制造与自动化,2006,35(3):27-30.

Exploring on Setting-up Practical Training Courses on Reverse Engineering

LUO Feng

（College of Mechatronics and Control Engineering Shenzhen University ,Shenzhen,Guangdong 518060 ,China）

Abstract: The feasibility on setting-up series practical training courses for reverse engineering is explored by teaching trying in senior students in recent years. Some key matters needed to be solved on the training process are pointed out and analyzed. Relevant proposals are put forward appropriately. It is indicated that there is positive function on upgrading self-learning ability and knowledge-applying ability of students by the process.

Keywords: reverse engineering; practical training; series courses; self-learning ability; knowledge-applying ability

收稿日期：2011年3月7日