逆向设计:关于“逆向设计”

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1关于“逆向设计”

逆向设计”由美国哥伦比亚大学的教授格兰特•威金斯和杰伊•麦克泰 (Grant Wiggins & Jay MeTighe) 1998年在专著Understanding by Design(简称UbD)中提出,指运用倒推思维、逆向思维来设计课程,是一种新型的单元课程设计工具。 “逆向设计”帮助教师在改变教学设计流程的同时重新思考英语课程、教材与教学的关系,从而加深学生对学科核心内容和核心概念的理解,提升学生的理解能力。具体来说,就是围绕大概念(big idea)、基本问题(essential question)和核心任务提出了如何把教学单元放在一个更大、更连贯、更结构化的课程和项目框架中进行设计的思路和方法。 在进行“逆向设计”时,有三个关键步骤: 1.  目标:明确单元预期教学目标(Desired Results)。 2.  评价:确定达成预期目标的证据(Acceptable Evidence),而不是直接进行教学活动的设计。 3.  活动:围绕目标和评价安排学习和教学活动(Learning Plan)。 这三个步骤关注的是“学生最终学到什么”,指导学生对抽象的观念进行深层次的探寻、发现,使知识、观念内化为一个统一的有机整体,面向目标,使目标贯穿到整个教学过程中,确保目标的实现。

2什么是逆向教学设计

逆向教学设计与传统教学中的正向设计相对应,是当下教学实践中的一种新方法。

逆向设计:关于“逆向设计”

它来源于美国威金斯和麦克泰格所著的《追求理解的教学设计》一书。作者认为,逆向教学设计旨在避开传统教学设正搭计中的两大误区——基于活动的教学和基于灌输的教学。

“活动导向的教学设计”问题在于“只动手不动脑”,缺乏对存在于学习者脑中的重要概念和恰当的学习证据的明确关注;而“灌输式教学”则使学生淹没在无休止的事实、观点和阅读中,很少或根本感受不到能促进学习的总结性观点。

逆向设计:关于“逆向设计”

详细介绍:

逆向教学设计强调“以终为始”,即“从终点——想要的结果”开始,将教学设计的三个环节——确定学习结果、评量学习设计、制订学习计划有机统一起来,实现教、学、评一致性。

为了进一步帮助一线教师理解这一概念,更好地促使逆向教学设计的落地,我们特别推出了“逆向教学设计笔谈”栏目,先后推出了6组文章。在这个选题结束的时候,我们有轮槐必要回顾一下其中的核心观点。

逆向教学设计这一方法打破了过去举桐拿教学设计的“刻板印象”。它追求的是基于“理解”的教学,其关键和精髓是“建立知识间联系,并将知识迁移到新的环境和挑战中,而不仅仅是知识的回忆和再现”。

3谁有逆向设计的资料

逆向设计过程是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理),并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型(曲面模型重构),并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。逆向设计通常是应用于产品外观表面的设计。 早期设计师在进行产品的造型设计时,所采用的方法主要是正向设计法;这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程,产品造型设计的正向设计流程示意: 概念设计 → CAD/CAM系统 → 制造系统 → 新产品。 但对于复杂的产品,正向设计方法也显示出了他的不足,设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发,因为设计师无法完全预估产品在设计过程中会出现什么样的状况,如果每一次都因为一些局部的问题而导致整个产品推到重来,不管从时间上还是从成本上都是不可接受的。如果有方法改正在正向设计过程中所产生的局部问题自然是两全其美的事,正是在这样的背景下自然发展并形成了逆向设计的方法。 逆向设计通常是根据正向设计概念所产生的产品原始模型或者已有产品来进行改良,通过对产生问题的模型进行直接的修改、试验和分析得到相对理想的结果,然后再根据修正后的模型或样办通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。 采用逆向设计的方法所得到的产品模型,因为是有实际的模型参与各种试验因此得到的结果相对于概念化推算和电脑虚拟模拟更接近真实,从而能迅速找到并确定产品的正确形态缩短产品开发周期。 在实际的新产品开发中,通常都是正向设计和逆向设计结合使用的 编辑本段逆向设计的流程示意 逆向设计的一般流程: 产品样件 → 数据采集 → 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 → 制造系统 → 新产品。 而在逆向设计这些环节中,数据采集、数据处理、模型重构是产品造型设计逆向设计的三大关键环节。 数据采集 数据采集(样件的表面数字化)是进行产品逆向设计的第一步。一般而言。数据采集可由接触式与非接 典型的点云处理过程触式两种来实现。 接触式测量根据测头的不同,可分为触发式和连续式。应用最广泛的三座标测量机是20世纪60年代发展起来的新型高效精密测量仪器,是有很强柔性的大型测量设备。接触式测量对物体的表面的颜色和光照没有要求,因此物体边界的测量相对精确,但对软质材料适应差且速度慢; 非接触式测量根据原理的不同,可以分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MR测量法、超声波法和层析法[1]。通常使用非接触式测量在采集实物模型的表面资料时,采集速度快,可形成“点云”资料,缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。 数据处理 数据处理的结果将影响模型重构的质量。在此阶段一般应进行数据预处理、数据分块、数据光顺、三角化、数据优化、多视拼合、噪声滤波、拓扑建立、特征提取等工作。 模型重构 模型的重构也就是通常所说的逆向造型过程,重构的方案目前主要有三种,每一种都有不同的适用场合: 1)以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造法, 2)以三角Bezier曲面片为基础的曲面构造法; 3)以多面体面片为基础的曲面构造法。 编辑本段产品逆向设计的产生与应用 在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造中,通常是由复杂的自由曲面拼接而成,因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来在产品造型设计中逐渐走向成熟形成逆向设计法。 由于产品造型的逆向设计有起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的特性,自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。目前该技术在下面几方面得到了广泛应用: a.用于汽车、摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中; 摩托车逆向之油泥模型[2]b.用于设计与制造个性化的产品,如人体拟合、太空服装设计、假肢设计等; c.根据客户样件进行模具设计时,该项技术可使自动化程度大大提高; d.在样件缺少图形文件时,可用逆向设计来生成图形文件: e.在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模并进行重新设计。 f.用于对产品模型运行运动模拟和仿真,代表软件:cmosmotion works; h. 对产品模型的受力情况进行仿真,代表软件:cmosxpress; g. 对注塑件进行注塑分析,代表软件:Mouldflow Plastics Insight、Solidworks moldflow xpress; 2 产品逆向设计的过程及其关键问题 编辑本段几种用于逆向设计的应用软件 国际市场有很多产品逆向设计的应用软件,如美国Imageware公司的imageware、英国Renishaw公司的TRACE、英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction、英国DelCAM公司产品CopyCAD和美国Rain Drop公司的Geomagic;此外,一些CAD/CAM系统。如美国PTC公司的Pro/Engineer、德国Siemens PLM旗下的NX与法国达索公司的CATIA和Solidworks office premium等在其系统中也集成了可实现逆向三维造型设计的模块,但与专业的逆向设计软件比较在功能上有较大局限性。 例如:imageware逆向设计软件可方便的实现下面几项功能: 鼠标的imageware逆向造型[3]1)接受不同来源的扫描资料点的分析与处理。如CMM.Laser,sensors,Ultrasound等; 2)快速、准确地将扫描点转换成NURBS曲面; 3)对曲面模型的精度、品质进行评价; 4)对曲线、曲面的形状实现交互修改。在产品的曲面模型重建时。imageware不需经过建造曲线来构造曲面而是直接由扫描点来直接产生曲面;或采用建立周边曲线再用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面;也可首先在扫描点群中构造NURBS曲线,再由曲线来产生曲面。 显而易见,逆向设计和逆向工程是有区别的。 逆向设计是设计的一种高效的方法,在产品未成形之前对它进行模拟、分析,上文已经讲得很清楚,比如:你要设计一段桥梁,想知道它的受力情况可以用逆向设计软件来分析一下就知道了,这就是逆向设计; 逆向工程是对某一现有事物进行研究,找到实现它的方法。比如宝马7系的车子比较好,被外星人拿去研究看看怎么造出来的,这叫逆向工程;

4逆向设计的正向设计和逆向设计

早期设计师在进行产品的造型设计时,主要采用正向设计的方法;这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程。 产品造型设计的正向设计一般流程: 概念设计 →CAD/CAM系统 →制造系统→ 新产品。 但对于复杂的产品,正向设计的方法显示出了它的不足,设计过程难度系数大、周期较长、成本高、产品研制开发难。由于设计师无法完全预估产品在设计过程中会出现什么样的状况,如果每次因为一些局部的问题而推倒整个产品重来,不管从时间上还是从成本上都是不可接受的。如果有方法能改正在正向设计过程中所产生的局部问题自然是好的,正是在这样的背景下,自然发展并形成了逆向设计的方法。 逆向设计通常是根据正向设计概念所产生的产品原始模型或者已有产品来进行改良,通过对产生问题的模型进行直接的修改、试验和分析得到相对理想的结果,然后再根据修正后的模型或样件通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。 采用逆向设计的方法所得到的产品模型,因为是有实际的模型参与各种试验因此得到的结果相对于概念化推算和电脑虚拟模拟更接近真实,从而能迅速找到产品的优异形态并缩短产品开发周期。 在新产品开发中,通常采用正向设计和逆向设计结合使用。

逆向设计:关于“逆向设计”

5正向设计与逆向设计

传统以来,工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程,从功能与规格的预期指标确定开始,构思产品的零组件需求,再由各个元件的设计、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个元件都保留有原始的设计图,此设计图目前已广用CAD图档来保存。每个元件的加工也有所谓的工令图表,对复杂形状元件则以CAM软体产生NC加工档案来保存。每个元件的尺寸合格与否则以品管检验报告来记录。这些所记录的档案均属公司的智慧财产,一般通称机密 (Know - how)。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive model),此类开发工程亦通称为顺向工程(ForWard Engineering)。对每一元件来说,其顺向工程的流程。 然而,随著工业技术的提升以及经济环境的成长,任何通用性产品在消费者高品质要求之下,功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。在近代高功能CAE软体的带动下,『工业设计』(又称『产品设计』)的新兴领域已逐渐受到重视,任何产品不仅是功能上要求先进,其物件外观 (Object appearance)上也需要做造型设计,以吸引消费者的注意力。此造型设计多针对产品的外形美观化来处理,在顺向工程的流程中已不是传统训练下的机械工程师们所能胜任。一些具有美工背景的设计师们可利用CAE的技巧构想出创新的美观外型,再以手工方式塑造出模型,如木模、石膏模、黏土模、蜡模、工程塑胶模、玻璃纤维模等等,然而再以三维尺寸量测的方式建立出自由曲面模型的CAD图档。这个程序已有逆向工程的观念,但仍属顺向工程的一环,具物件导向(Object -oriented)的观念,公司仍保有设计图的智慧财产。此顺向工程中的造型设计流程如图2-2所示。 因此,顺向工程可归纳为:功能导向(Functionally-oriented)以及物件导向(Object-oriented)、预定模式 (Prescriptive model)、系统开发(System to-be)、以及所属权的系统 (Legacysystem)。 在还没有电脑绘图以前,工程图大多是由手绘制的,此时的工程图以2D草图为主要的施工图,组装部分则以爆炸图来描述3D的立体结构,在此时,2D与3D式分开独立绘制,因此还称不上所谓的正向工程。电脑科技在硬体与软体慢慢发展成熟后,利用电脑绘图来取代手工绘图,此过程中,由电脑所绘制的2D图档,经由适当的排列后,可以方便3D立体图的绘制,此种将概念与尺寸表达在2D平面图上(早期师傅大多只看得懂2D 的平面图),然后利用2D的图素与相关尺寸,绘制成3D立体图,此过程可以说是一种正向工程。 2D草图→3D立体图 l 2D平面图档:一般而言,在工业界最常用到的软体以AUTOCAD_XX为主要绘图软体如(FIG.1-1)。当然其他知名的软体有CADKEY,PRO_E,CATIA…等等。 l 转档:如果是由同一套软体在不同的模组间,分别绘制2D平面图(2D绘图模组),绘制完成后,继续进行3D立体图的建构,由於是在同一个软体的作业平台上,因此没有转档上的问题。很不幸的,没有一套软体在所有的专业应用上,有绝对的强大功能;例如在平面工程图的绘制,利用AUTOCAD来进行,专业的绘图员就可以将其用的相当好,虽然AUTOCAD也可以绘制较规则如机械零件3D的立体图,一但遇到较复杂的曲面变化,这时候可能使用专业的3D绘图软体会有更高的效率,我们就会遇到图档之间的转换问题,就 2D的图档交换格式,较通用的是副档名为DXF,DWG...等等,而3度空间的图形交换图档格式为IGES。 DXF: 在不同软体之间,2D的图形交换档。 DWG: 副档名为此的图档为AutoCad专属的图档。 IGES: (Initial Graphics Exchange Specification) 在不同软体之 间,2D与3D的图形交换档。 l 商业用的CAD/CAM软体:以应用的功能而言,一般我们可以将其区分为参数式与非参数式的CAD/CAM软体;SRUFACE架构与SOLID架构的CAD/CAM软体。 参数式CAD/CAM软体:PRO_E、UG、CATIA… 非参数式CAD/CAM软体:EUCLID、STRIM100… SRUFACE架构CAD/CAM软体:EUCLID、STRIM100…如图(FIG:1-2) SOLID架构CAD/CAM软体:PRO_E、UG、CATIA… 创意设计(原厂之产品设计) 标准机械元件设计 造形设计(运动鞋之绘制方法) 何谓逆向工程? l 缘由 逆向工程 (Reverse Engineering)通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往一件拟制作的产品没有原始设计图档,而是委托单位交付一件样品或模型,如木鞋模、高尔夫球头,请制作单位复制(Copy)出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具,如图2-3所示,再进行量产。这种方法属称类比式 (Analog type)复制,无法建立工件尺寸图档,也无法做任何的外形修改,已渐渐为新型式数位化的逆向工程系统所取代。 目前所称的逆向工程是针对一现有工件 (样品或模型)利用3D数位化量测仪器准确、快速的将轮廓座标量得,并加以建构曲面、编辑、修改后,传至一般的CAD/CAM系统,再由CAM所产生刀贝的NC加工路径送至CNC加工机制作所需模具,或者送到快速成型机(Rapid Prototyping)将样品模型制作出来,此一流程称为逆向工程,如图2-4所示。 因此,逆向工程可归纳为:功能导向 (Functionally-oriented)、描述模式(Descriptive mode)、系统仿造(System as-is)、以及非所属数系统 (Non-legacy system)。

6汽车逆向设计流程有哪些

汽车逆向设计第一阶段(测量): 1、熟悉参考样车,在样车准备阶段拍摄相关照片; 2、测量内、外表面各种装配间隙和段差,结构造型圆角,操纵件行程等; 3、然后进行车身外表面测量,整车状态下底盘点云测量; 4、进行门洞、开闭件开度、门内饰、座椅位置、发动机舱测量(右侧内饰测量轮廓、缝隙、非对称部位); 5、拆开闭件,测量门内饰; 6、测量座椅、方向盘、驾驶操纵机构、踏板; 7、拆门内饰,拆座椅,拆前风窗玻璃,测量门内板; 8、测量仪表板及车身其他内饰; 9、拆内饰、仪表板,测量装配状态下的车身附件、空调、电气件; 10、拆车内空调系统件、车身附件、电气件;上固定架,拆前后车轮,测量前后挡泥板护板、前后保险卡T; 11、拆前后挡泥板护困伍袜板、前后保险杠、前大灯。拆底盘件、发动机舱内空调系统件、电气件、测量配合; 12、测量底盘和空调的管路系统,拆卸底盘和空调的管路系统,各种涂胶、阻尼垫汪激拍照测量及铲胶; 13、车身(包括开闭件)孔位编号、拍照,人工测量焊接标准件及所有孔径,自车身所有安装孔的孔位、孔径用测量设备测量,拆解车身,测量配合,零部件测量及零部件拆解和散件测量; 14、将点云调整到车身坐标系下,对整车点云进行分块,对整车点云外表面、内饰件表而及外饰件表面进行划分,生成总布置控制面; 汽车逆向设计第二阶段(设计): 1、对运动部件进行运动学校核和相关部件设计; 2、车轮运动校核和轮罩设计、踏板总成运动校核、传动轴跳动校核、转向运动校核、悬架运动校核、转动车身件运动校核等; 3、发动机厢盖、行李箱盖运动学校核,车门、摇机、天窗运动学校核,雨刮器运动学校核等。另外还要进行轴荷分配计算与转弯半径凋整校核,最终确定设计硬点; 4、对发动机、悬置支架、附件进行逆向建模,对底盘系统零部件进行逆向建模,进行管路、管夹设计; 5、还需要对底盘系统进行悬架设计计算、制动设计计算、转向设计计算,以及冷却系统设计等。进行电器系统逆向设计; 6、包括电器件建模、原理图设计,以及电气系统匹配与计算等,然后进行样车功能分析。 7、对车身及附件进行逆向建模,进行车身主断面没汁; 8、车身逆向建模设计包括车身逆向建模、开闭件逆向建模、仪表台逆向建模、内饰件逆向建模、外饰件逆向建模、空调系统附件逆向建模等; 9、然后对运动件运动干涉校核,以及对相应问题进行修改; 11、对整车进行总体设计,总体没计方案细化和调整,对运动部件进行运动学细化校核; 12、检查设计硬点,对整车三维数模进行装配,包括车身三维数模装配、开闭件三维橘轮数模装配、仪表台三维数模装配、内饰三维数模装配、外饰件三维数模装配、空调系统附件三维; 13、数模装配,检查装配间隙及干涉情况,完善总布置设计图; 14、对底盘系统进行计算、细化设计,以及管路设计; 15、车身涂胶图设计,车身隔热、阻尼垫分布网设计,车三维焊点图设计,车身爆炸图设计,车身焊接流程图设计,车身附件、空调系统装置冈设计;

7正向设计与逆向设计

业设计师在进行产品的造型设计时,所采用的方法一种是正向设计法,这是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程,如图1所示。这一设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发。 产品造型设计的正向设计流程示意:概念设计 → CAD/CAM系统 → 制造系统 → 新产品 l 产品逆向设计的产生与应用

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