建模與仿真課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐與探索

陳雷雷, 李 俊, 沈妙妙

(1. 上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院； 2. 上海電機(jī)學(xué)院 商學(xué)院， 上海 201306)

0 引 言

系統(tǒng)建模與仿真主要指離散事件系統(tǒng)仿真相關(guān)理論和方法，是工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)和科研的重要手段。通過(guò)系統(tǒng)建模與仿真的方法，人們可以進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，可以在計(jì)算機(jī)中對(duì)現(xiàn)實(shí)中存在或不存在的企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。它已成為人們認(rèn)識(shí)和研究復(fù)雜系統(tǒng)的重要途徑。在美國(guó)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的所有課程中，系統(tǒng)建模與仿真課程的開(kāi)設(shè)熱度排名第二[1-2]，大多數(shù)的美國(guó)院校的工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)有該課程。

建模與仿真課程設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)建模與仿真理論課程的延伸和應(yīng)用，是學(xué)生在掌握了系統(tǒng)建模與仿真的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，綜合運(yùn)用該課程及相關(guān)課程的知識(shí)完成相應(yīng)的實(shí)踐課題的過(guò)程，目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用建模與仿真手段解決問(wèn)題的能力和意識(shí)。實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著根本性的影響[3-5]，作為應(yīng)用性很強(qiáng)專(zhuān)業(yè)——工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)更是如此[6]。文獻(xiàn)[1-2]通過(guò)中外工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置的對(duì)比，論證了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，而文獻(xiàn)[7-9]則分別從成都理工大學(xué)、三峽大學(xué)和鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院的工業(yè)工程辦學(xué)實(shí)踐中總結(jié)了實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)于該專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的重要性并對(duì)各自學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。文獻(xiàn)[10]提出以仿真手段支持工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)理論和實(shí)踐教學(xué)的設(shè)想，文獻(xiàn)[11]研究了仿真軟件對(duì)生產(chǎn)管理學(xué)課程教學(xué)的促進(jìn)作用，文獻(xiàn)[12]則以廣西工學(xué)院管理系為例，探討管理仿真軟件對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的作用。 總而言之，建模與仿真課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量對(duì)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)水平有顯著的影響，可體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：① 讓學(xué)生掌握某一類(lèi)或一種仿真建模軟件和方法；② 使學(xué)生學(xué)會(huì)靈活應(yīng)用系統(tǒng)建模與仿真的相關(guān)理論和技術(shù)；③ 給學(xué)生思考與實(shí)踐的平臺(tái)，用以應(yīng)用和試驗(yàn)其他相關(guān)理論和知識(shí)，提升實(shí)踐意識(shí)。

但目前關(guān)于如何提高建模與仿真課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量研究和討論還比較少，文獻(xiàn)[13]簡(jiǎn)述了生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程在理論和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面遇到的問(wèn)題，并給出了一些改進(jìn)的想法，但未進(jìn)行具體過(guò)程和效果的分析，文獻(xiàn)[14-15]則介紹其虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)境，并簡(jiǎn)要描述了其教學(xué)過(guò)程。本文從專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和課程結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析建模與仿真課程設(shè)計(jì)的支撐體系及存在問(wèn)題，并闡述在該課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行的改革實(shí)踐，進(jìn)而提出該課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式的進(jìn)一步改革和探索。

1 課程設(shè)計(jì)支撐體系及問(wèn)題分析

目前，在全國(guó)已有近200所高校開(kāi)設(shè)有工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，建模與仿真相關(guān)的課程設(shè)計(jì)也是國(guó)內(nèi)高校開(kāi)設(shè)較多的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。開(kāi)設(shè)方式有獨(dú)立實(shí)踐和隨課實(shí)踐兩種方式，隨課實(shí)踐對(duì)于加強(qiáng)建模與仿真理論課程學(xué)習(xí)有較大的幫助作用，獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)則更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)的綜合性。我校以獨(dú)立實(shí)踐方式開(kāi)展建模與仿真課程設(shè)計(jì)的教學(xué)工作，開(kāi)設(shè)高質(zhì)量的獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)有較大的促進(jìn)作用。作為獨(dú)立課程設(shè)計(jì)，它引導(dǎo)學(xué)生將系統(tǒng)建模與仿真課程相關(guān)的理論和方法作為工具，結(jié)合相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的理論知識(shí)研究生產(chǎn)實(shí)踐中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，就工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系而言，建模與仿真課程設(shè)計(jì)的支撐體系見(jiàn)圖1所示。以生產(chǎn)管理學(xué)為例，課程設(shè)計(jì)中學(xué)生可以就生產(chǎn)管理學(xué)中的生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題、作業(yè)排序問(wèn)題及生產(chǎn)線(xiàn)平衡問(wèn)題等展開(kāi)建模和仿真，通過(guò)程課程設(shè)計(jì)不僅能夠加深建模與仿真的相關(guān)知識(shí)，更重要的是鍛煉學(xué)生應(yīng)用生產(chǎn)管理學(xué)相關(guān)方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力[11]。其他課程也是如此。

圖1 建模與仿真課程設(shè)計(jì)支撐體系

建模與仿真課程設(shè)計(jì)獨(dú)立實(shí)踐環(huán)節(jié)，一般安排2周左右時(shí)間集中進(jìn)行，圍繞某一仿真軟件平臺(tái)，由教師集中進(jìn)行軟件教學(xué)后，學(xué)生利用軟件進(jìn)行仿真建模。這種安排模式，學(xué)生能在較短時(shí)間內(nèi)集中學(xué)會(huì)仿真軟件，但長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中也暴露出了一些困難和問(wèn)題：

(1) 時(shí)間短、內(nèi)容多，教師教學(xué)與學(xué)生建模難以權(quán)衡。由于整體教學(xué)時(shí)間較短，且仿真軟件一般只能在專(zhuān)業(yè)機(jī)房使用，若仿真軟件教學(xué)安排過(guò)多，課程設(shè)計(jì)常常淪為軟件培訓(xùn)，學(xué)生掌握了軟件的基本功能，卻沒(méi)有時(shí)間自行進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題的抽象和建模。若用較少的時(shí)間安排軟件教學(xué)或安排軟件由學(xué)生自學(xué)，學(xué)生有較充足的時(shí)間研究和抽象問(wèn)題，但卻無(wú)法在軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

(2) 重實(shí)現(xiàn)、輕分析，學(xué)生專(zhuān)業(yè)意識(shí)培養(yǎng)效果不佳。為期兩周的課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生在建模與實(shí)現(xiàn)時(shí)，學(xué)生往往對(duì)在仿真軟件進(jìn)行模型的實(shí)現(xiàn)比較感興趣，而所實(shí)現(xiàn)模型是否與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)吻合則關(guān)心較少；在仿真分析時(shí)，往往只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，很少分析數(shù)據(jù)背后的理論原因；在仿真改善時(shí)，往往只對(duì)某幾個(gè)甚至是一仿真參數(shù)進(jìn)行修改，很少關(guān)心參數(shù)調(diào)整背后的實(shí)際意義。

(3) 考技能、視效果、兼深度，全面考核存在困難。課程設(shè)計(jì)作為有軟件操作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，既要考察學(xué)生軟件操作的專(zhuān)業(yè)技能，又要通過(guò)效果評(píng)判學(xué)生仿真抽像和建模的水平，同時(shí)，還要核實(shí)學(xué)生結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析的程度。因此，傳統(tǒng)的課程考試和簡(jiǎn)單的課程報(bào)告難以進(jìn)行全面考核，沒(méi)有全面、公正地考核方式就難以真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 課程設(shè)計(jì)教學(xué)的改革實(shí)踐

當(dāng)前流行的離散事件系統(tǒng)仿真軟件很多，有ProModel、eM-plant、Witness、AutoMod等，我校選用了ProModel軟件。其原因主要有：① 易學(xué)性較好，1周的教學(xué)課時(shí)可以較好地完成軟件全部功能的教學(xué)；② 易用性較好，學(xué)會(huì)基本功能后，比較容易通過(guò)圖片化的手段實(shí)現(xiàn)一般離散事件系統(tǒng)的仿真建模。而且在國(guó)內(nèi)外企業(yè)中也有一定的應(yīng)用面，比較適合工業(yè)工程本科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)。

2006年以來(lái)，根據(jù)教學(xué)效果及存在的問(wèn)題進(jìn)行了一系列的調(diào)整和嘗試。如：為了保證課程設(shè)計(jì)能覆蓋所有重要的專(zhuān)業(yè)課程，以及避免和學(xué)生考研、實(shí)習(xí)等沖突，將課程設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)整到了第7學(xué)期初進(jìn)行；為了讓學(xué)生能有足夠多時(shí)間自行進(jìn)行建模與分析，將以往完成軟件教學(xué)后才展開(kāi)學(xué)生考核項(xiàng)目建模，改成并行模式，即軟件教學(xué)到一定程度就開(kāi)始布置學(xué)生考核項(xiàng)目，使得學(xué)生自主完成項(xiàng)目的時(shí)間大大延長(zhǎng)，也延長(zhǎng)了考核時(shí)間，能更全面考核學(xué)生完成情況(見(jiàn)圖2)。 這些教學(xué)調(diào)整均到達(dá)較好的教學(xué)效果，尤其是教學(xué)考核并行模式很多程度上緩解了教師教學(xué)與學(xué)生完成項(xiàng)目時(shí)間上的沖突。

圖2 并行模式與傳統(tǒng)模式對(duì)比

與此同時(shí)，也對(duì)教學(xué)內(nèi)容也進(jìn)行了充實(shí)：

(1) 根據(jù)社會(huì)需求更新了大綱和內(nèi)容。根據(jù)社會(huì)對(duì)于人才的最新需求，在教學(xué)內(nèi)容上增設(shè)了MTO仿真實(shí)現(xiàn)、拉動(dòng)式生產(chǎn)仿真實(shí)現(xiàn)等教學(xué)內(nèi)容。

(2) 編寫(xiě)了同時(shí)適合教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)的課程設(shè)計(jì)教程。為了防止學(xué)生機(jī)械式學(xué)習(xí)軟件操作，在教程中的每一部分都穿插了要求學(xué)生舉一反三式思考的練習(xí)要求。

(3) 廣泛進(jìn)行文獻(xiàn)和企業(yè)調(diào)研。整理了覆蓋面相對(duì)較全的仿真案例庫(kù)。案例庫(kù)在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中起到了兩個(gè)作用：① 難度較低的案例可以供學(xué)生輔助學(xué)習(xí)，② 難度合適的則可以充當(dāng)課程設(shè)計(jì)考核項(xiàng)目。

通過(guò)近8年的教學(xué)實(shí)踐，這些逐步展開(kāi)的改革工作都取得了很好的成效，學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)的認(rèn)可度越來(lái)越高，同時(shí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇與仿真建模相關(guān)課題的學(xué)生也逐年增多，甚至有學(xué)生畢業(yè)工作后仍回到學(xué)校借用仿真軟件解決實(shí)際問(wèn)題。

3 教學(xué)模式的探索

建模與仿真課程設(shè)計(jì)由于要將抽象的理論與軟件的實(shí)際操作結(jié)合，其教與學(xué)都比較困難，再加之學(xué)時(shí)上的限制，要在短時(shí)間內(nèi)較好地完成該教學(xué)環(huán)節(jié)，僅靠以上教學(xué)安排的調(diào)整和內(nèi)容地充實(shí)還是不夠的，教學(xué)模式的創(chuàng)新更為重要，為此，我們也進(jìn)行了一些探索，以期達(dá)到整體教學(xué)—個(gè)人學(xué)習(xí)—團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)三位一體、相互促進(jìn)的教學(xué)效果。

(1) 側(cè)重點(diǎn)由教師“教”到學(xué)生“學(xué)”的轉(zhuǎn)變。比起教師“教得精彩”，我們更重視學(xué)生“學(xué)得踏實(shí)”。以往課程設(shè)計(jì)的軟件教學(xué)階段，主要以培訓(xùn)式的教學(xué)為主，老師講的內(nèi)容多也很充實(shí)，但學(xué)生學(xué)習(xí)效果往往很差。經(jīng)常是跟著操作沒(méi)問(wèn)題，但不知道為何如此操作，到自己動(dòng)手更是不知如何操作，更別提將相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)融合進(jìn)去。為此，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的合理安排和精心設(shè)計(jì)，將培訓(xùn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式教學(xué)，具體的做法是：只講解軟件最基本的操作，教學(xué)案例模型則是在老師輔導(dǎo)下由學(xué)生自行完成，提高部分以思考題的形式完成，并通過(guò)學(xué)生模型與教師模型仿真結(jié)果的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的正確性和討論問(wèn)題所在。通過(guò)這樣的方法，可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)延伸到課堂之外，課堂上未能完成的內(nèi)容學(xué)生可以選擇在課后自行完成。當(dāng)然，為此也做了精心的準(zhǔn)備工作：首先，學(xué)生課后要學(xué)習(xí)，仿真軟件就必須突破實(shí)驗(yàn)室的限制，通過(guò)架設(shè)服務(wù)器使得在校園網(wǎng)范圍內(nèi)，仿真軟件均能接入并正常使用；其次，課程設(shè)計(jì)教材要做大量的改變，使之適應(yīng)于這種模式。

(2) 學(xué)習(xí)方式實(shí)現(xiàn)個(gè)人學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的結(jié)合。實(shí)踐環(huán)節(jié)能較好地提升和培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，同時(shí)，團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)也有助于提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果。在建模與仿真課程設(shè)計(jì)的歷年教學(xué)實(shí)踐中，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于仿真理論的認(rèn)知，對(duì)于仿真軟件操作的學(xué)習(xí)，學(xué)生中總有一些人學(xué)習(xí)速度特別快，而另有一些人則掌握速度特別慢，水平參差不齊。純粹的整體教學(xué)常常使得教師疲于應(yīng)付，輔導(dǎo)中經(jīng)常重復(fù)較基礎(chǔ)的問(wèn)題，教學(xué)效果大打折扣。因此，利用學(xué)生水平參差不齊，通過(guò)分組學(xué)習(xí)，分組考核，學(xué)生小組內(nèi)能構(gòu)成較為融洽的自組織式的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，不僅減輕了教學(xué)壓力，避免了基礎(chǔ)問(wèn)題的重復(fù)解答，而且提升了教學(xué)效果。另外，學(xué)生在分組學(xué)習(xí)和完成項(xiàng)目的過(guò)程中還能夠促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的提升和團(tuán)隊(duì)意思的增強(qiáng)。

(3) 考核從“單一”向“全面”改變。考核是建模與仿真課程設(shè)計(jì)教學(xué)的最大難點(diǎn)之一，單一考核建模效果往往難以全面、公正地考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。為了能夠較公正、全面地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的考核，我們將考核劃分為3個(gè)階段：① 軟件學(xué)習(xí)時(shí)，以考察軟件學(xué)習(xí)態(tài)度和效果為主；② 自行完成項(xiàng)目時(shí)，以考察學(xué)生團(tuán)隊(duì)組織及團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)效果為主；③ 結(jié)束時(shí)，要求學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，演示其仿真模型并答辯，主要考核學(xué)生仿真建模的效果、操作熟練度、分析能力以及報(bào)告撰寫(xiě)和展示能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的研究對(duì)象大多為制造、物流或服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)于這些大型系統(tǒng)管理和運(yùn)作的研究，仿真是重要的手段和工具，有時(shí)甚至是唯一的手段。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化，在未來(lái)，這一技術(shù)手段還會(huì)越來(lái)越重要。為此，建模與仿真課程設(shè)計(jì)的開(kāi)展與教學(xué)質(zhì)量的提升，對(duì)于工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升有著較長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。自開(kāi)設(shè)建模與仿真課程設(shè)計(jì)以來(lái)，我們一直在學(xué)時(shí)受限的前提下，進(jìn)行教學(xué)的改革與探索，教學(xué)安排上日臻成熟，內(nèi)容上也日漸充實(shí)，教學(xué)模式上也在不斷汲取相關(guān)領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)也取得一定的效果，學(xué)生對(duì)課程認(rèn)可度逐年提高；選擇仿真為基礎(chǔ)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生也逐年增多，至2013屆已有20%多的學(xué)生選擇了仿真相關(guān)的課題；所培養(yǎng)的學(xué)生也受到了相關(guān)企業(yè)的認(rèn)可。當(dāng)然，我們還會(huì)對(duì)教學(xué)改革的效果進(jìn)行進(jìn)一步的追蹤，也會(huì)為提升課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行更深層次的研究和探索。

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