工業(yè)工程專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革探究

沈振輝，賈磊

(福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福州 350108)

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工業(yè)工程專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革探究

沈振輝，賈磊

(福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福州 350108)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是工業(yè)工程專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，該課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，涉及知識(shí)內(nèi)容廣泛，學(xué)習(xí)難度大。針對(duì)課程學(xué)習(xí)問題，分析了現(xiàn)有工業(yè)工程專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的特點(diǎn)和改革現(xiàn)狀，探討了課程教學(xué)中在先修課程教學(xué)、課時(shí)設(shè)置、內(nèi)容設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)和考核形式等方面存在的問題，從基礎(chǔ)課教學(xué)、教學(xué)流程、教材選擇、師資培養(yǎng)和考核方式等方面提出了課程的改革思路。

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真；工業(yè)工程；教學(xué)；改革

“中國制造2025”這一國家戰(zhàn)略規(guī)劃的推出，對(duì)國內(nèi)制造企業(yè)的生產(chǎn)能力提出了更高要求。目前，國內(nèi)對(duì)于現(xiàn)代制造模式的理論與應(yīng)用研究已經(jīng)取得顯著成果，但是國內(nèi)制造企業(yè)內(nèi)部基礎(chǔ)能力薄弱，主要表現(xiàn)為工業(yè)工程(Industrial Engineering，IE)基礎(chǔ)累計(jì)不夠,企業(yè)實(shí)踐中重技術(shù)、輕管理，缺乏管理與技術(shù)集成創(chuàng)新的能力等。大力推廣IE的實(shí)踐與創(chuàng)新，通過IE 理論改善企業(yè)生產(chǎn)過程，是推動(dòng)中國邁向世界制造強(qiáng)國的有效路徑[1]。因此，在中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)階段，對(duì)深化高等教育教學(xué)改革，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，全面提高IE專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，也應(yīng)提出更高要求。

目前，針對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)研究已取得了一系列成果，但仍存在以下不足：其一，部分研究從工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的角度對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的地位與作用、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱內(nèi)容進(jìn)行了深入分析，但對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)過程實(shí)施的改革研究依然較少[2-5]；其二，部分研究基于人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，從各生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容的角度探討課程的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程組織改革，但主要以教學(xué)子內(nèi)容為研究對(duì)象，課程知識(shí)體系不夠完整，知識(shí)點(diǎn)之間相對(duì)獨(dú)立，理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠密切[6-8]。

綜合上述分析，結(jié)合學(xué)校及學(xué)生實(shí)際情況，深入開展生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)改革研究，具有重大理論現(xiàn)實(shí)意義。

1 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程特點(diǎn)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是在學(xué)生學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、C語言程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程導(dǎo)論等先修課程之后學(xué)習(xí)的一門專業(yè)核心課程，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程意識(shí)。旨在通過課堂教育和上機(jī)實(shí)踐，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)仿真的基本步驟，熟悉和掌握計(jì)算機(jī)仿真軟件的基本操作和運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的布置與調(diào)度管理。

基于上述分析，生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)具有以下特點(diǎn)：①具有較強(qiáng)的理論性，知識(shí)體系具有其獨(dú)特性和完整性；②知識(shí)具有綜合性特征，涉及多個(gè)學(xué)科，尤其涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件工程、信息工程、控制工程、系統(tǒng)工程、管理工程等學(xué)科；③具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，是一門技術(shù)性、實(shí)用性強(qiáng)的學(xué)科。

2 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)現(xiàn)狀

由于不同學(xué)校的專業(yè)背景及工業(yè)工程專業(yè)所授學(xué)位不同，所制定的專業(yè)人才培養(yǎng)方案不盡相同，因此生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的內(nèi)容安排、學(xué)時(shí)安排、理論課與實(shí)踐課的課時(shí)比例也有所差別。但總體而言，現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)組織過程中主要存在以下問題：

(1)先修課程側(cè)重通識(shí)教育，與專業(yè)結(jié)合較少。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是一門涉及多學(xué)科的綜合性課程，知識(shí)點(diǎn)涵蓋多門先修課程，尤其涵蓋多門校級(jí)公共基礎(chǔ)課程，如高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、C語言程序設(shè)計(jì)等。由于這類課程側(cè)重講授通識(shí)教育內(nèi)容，在授課過程中，課程知識(shí)點(diǎn)與專業(yè)知識(shí)的融合較少，加上開課時(shí)間一般設(shè)在大一、大二學(xué)年，時(shí)間間隔較長，在生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程授課過程中，學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解較為困難，容易影響課程進(jìn)度。

(2)課時(shí)少但內(nèi)容多，矛盾難以協(xié)調(diào)。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)內(nèi)容不僅包括仿真概述、離散事件系統(tǒng)仿真、隨機(jī)數(shù)和隨機(jī)變數(shù)的生成、輸入數(shù)據(jù)采集與分析、系統(tǒng)仿真算法、仿真輸出分析、排隊(duì)系統(tǒng)仿真、庫存系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真等理論知識(shí)，而且包括仿真的建模、參數(shù)設(shè)置、仿真、結(jié)果輸出及分析等實(shí)踐應(yīng)用，課程涵蓋內(nèi)容繁多。目前國內(nèi)高校的課程體系里面，生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的學(xué)分設(shè)置為2～3個(gè)學(xué)分，課時(shí)為32～48個(gè)課時(shí)，相對(duì)其他專業(yè)核心課程，課時(shí)量依然較少。

(3)內(nèi)容抽象應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生認(rèn)知不足興趣低。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)課程內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)工程導(dǎo)論等多門基礎(chǔ)學(xué)科，具有原理性強(qiáng)、公式繁多、內(nèi)容抽象等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生理解較為困難，容易使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)本課程的興趣，降低主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

(4)仿真操作性技術(shù)性強(qiáng)，學(xué)生實(shí)現(xiàn)阻力大挫敗感強(qiáng)。對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真必須在對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行抽象后，借助仿真工具來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的仿真工具主要是從國外引入的軟件，如Flexsim、Witness、Em-plant等。在現(xiàn)有工具的基礎(chǔ)上，簡單系統(tǒng)工作流程的仿真直接通過交互式菜單操作就能進(jìn)行建模與仿真，但對(duì)大部分的生產(chǎn)系統(tǒng)而言，很多的工作流程依然必須通過編程實(shí)現(xiàn)，而且主要是基于面向?qū)ο蟮木幊踢M(jìn)行開發(fā)。但在先修課程中只有C語言程序設(shè)計(jì)這門課程涉及計(jì)算機(jī)編程，且主要學(xué)習(xí)的是基于過程的C語言編程，實(shí)際編程經(jīng)驗(yàn)較少。因此，學(xué)生編程過程中容易出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤和語法錯(cuò)誤。由于軟件的編譯錯(cuò)誤以英文的形式呈現(xiàn)，英語基礎(chǔ)較差的學(xué)生往往不知所措，時(shí)間長了極易產(chǎn)生挫敗感，從而降低對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

(5)課程內(nèi)容形式多樣，全面考核困難。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程包括理論部分和實(shí)踐部分，不僅要考查學(xué)生對(duì)仿真基本理論、實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的抽象、輸入數(shù)據(jù)的采集與分析、仿真的輸出分析等理論內(nèi)容，而且需考核學(xué)生的實(shí)際建模操作和仿真能力。因此，通過傳統(tǒng)的卷面考試、上機(jī)考試或課程報(bào)告，不僅難以進(jìn)行全面的考核，而且無法在真正意義上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革方案

針對(duì)上述生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)現(xiàn)狀，基于循序漸進(jìn)、理論聯(lián)系實(shí)際、可操作性等原則，提出如下教學(xué)改革思路：

(1)融合專業(yè)特點(diǎn)，強(qiáng)化基礎(chǔ)學(xué)習(xí)?，F(xiàn)有先修基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中，主要側(cè)重一般性理論的講解，較少將授課內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)專業(yè)進(jìn)行融合，導(dǎo)致學(xué)生在基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的時(shí)候較為茫然，沒有針對(duì)性，對(duì)所學(xué)理論的實(shí)際應(yīng)用知之較少。進(jìn)入專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)階段，一方面基礎(chǔ)課階段學(xué)生沒有針對(duì)性的學(xué)習(xí)容易導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)的遺忘，另一方面學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解和應(yīng)用較為困難。因此，如果能在先修課程中，融合專業(yè)特色，將生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的實(shí)際應(yīng)用跟基礎(chǔ)課的相關(guān)理論有機(jī)結(jié)合，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生在基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)中的針對(duì)性，提高基礎(chǔ)課的授課效果，而且能夠在生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真等專業(yè)課的學(xué)習(xí)中提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

(2)遵循認(rèn)知規(guī)律，優(yōu)化教學(xué)流程。教學(xué)過程應(yīng)該符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，由容易到困難、由特殊到一般、由直觀到抽象。同時(shí)，還必須注重知識(shí)環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在邏輯性，激發(fā)學(xué)生的積極思維。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的建模與仿真包括模型抽象、輸入數(shù)據(jù)采集與分析、建模、仿真和仿真輸出分析等，每個(gè)操作環(huán)節(jié)之間有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，且各個(gè)環(huán)節(jié)之間穿插著課程的基本理論。因此，生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)過程應(yīng)當(dāng)有序化，兼顧學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和知識(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。將知識(shí)點(diǎn)與操作環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，形成知識(shí)脈絡(luò)，突出重點(diǎn)，幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行領(lǐng)會(huì)、疏理、提取與遷移運(yùn)用。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在課程教學(xué)過程中綜合運(yùn)用案例教學(xué)、問題導(dǎo)向式教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)等教學(xué)模式和手段。案例和項(xiàng)目的進(jìn)度與課程知識(shí)脈絡(luò)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。通過案例和項(xiàng)目，將課程知識(shí)融入案例實(shí)施或項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力、學(xué)習(xí)興趣和積極主動(dòng)性。通過問題導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)思維，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

圖2 課程考核的3個(gè)層次

(3)優(yōu)選參考教材，加強(qiáng)師資培養(yǎng)。教材是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要參考書。不合適的參考教材容易降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。根據(jù)課程需要，優(yōu)選課程的參考教材是提升課程教學(xué)效果的保證。目前，關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的教材依然較少，而不同的學(xué)校、學(xué)科背景，課程設(shè)置不同，對(duì)教材內(nèi)容的要求也各不相同，可供教師選擇的教材較少。

(4)結(jié)合課程特點(diǎn)，改革考核方式。針對(duì)課程內(nèi)容形式多樣、考核困難的特點(diǎn)，采用多元化的考核方式，進(jìn)行全面、公正的課程考核，引導(dǎo)學(xué)生不僅要重視基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，還應(yīng)注重對(duì)所學(xué)理論的深層理解、分析、比較和融會(huì)貫通，掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新的能力。因此，將課程的考核分成理論考核、操作考核和項(xiàng)目考核等3個(gè)層次，如圖2所示。在理論知識(shí)學(xué)習(xí)階段，通過傳統(tǒng)的卷面考核形式考核學(xué)生的理論水平；在實(shí)踐操作學(xué)習(xí)階段，以考核學(xué)生的軟件操作能力和仿真效果為主；在項(xiàng)目考核階段，以項(xiàng)目的形式，通過項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告和答辯對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行全面考核，包括理論水平、時(shí)間操作、團(tuán)隊(duì)組織、分析問題和解決問題的能力等。

4 結(jié)語

(1)探討了中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)背景下培養(yǎng)工業(yè)工程專業(yè)人才的重要性，分析了作為專業(yè)核心課程的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的改革現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究中存在的教學(xué)內(nèi)容組織和教學(xué)過程改革較少、課程理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠密切等問題，同時(shí)探討了課程具有的若干特點(diǎn)。

(2)基于生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的特點(diǎn)，從先修課程與專業(yè)之間的融合度、課時(shí)設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容量之間的矛盾、抽象的課程內(nèi)容與學(xué)生認(rèn)知之間的差距落差、實(shí)踐操作能力要求與學(xué)生技能水平之間的不協(xié)調(diào)、多樣性教學(xué)內(nèi)容考核存在的問題等方面探討了課程的教學(xué)現(xiàn)狀。

(3)針對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)現(xiàn)狀存在的問題，從基礎(chǔ)課教學(xué)融合專業(yè)特點(diǎn)、課程教學(xué)流程遵循認(rèn)知規(guī)律、教材優(yōu)選并加強(qiáng)師資培養(yǎng)和考核方式根據(jù)課程特點(diǎn)全面化等4個(gè)方面提出課程的改革思路。

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責(zé)任編輯：劉 琳

Research on Production System Modeling and Simulation Course Teaching Reform for Industrial Engineering Major

SHEN Zhenhui， JIA Lei

(School of Engineering，F(xiàn)ujian Jiangxia University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Production system modeling and simulation course with strong theoretical and practical features is one of the most important core curriculums in industrial engineering major, which involves much knowledge and is difficult to learn. In view of the course learning, this paper analyzes the characteristics and reform situation of the present production system modeling and simulation course in industrial engineering major, discusses the problems existing in course teaching such as prerequisite course teaching, class hours setting, curriculum content setting, practice teaching, testing method and so on, and gives the reform tactics from fundamental courses teaching, teaching process, teaching material selection and testing methods, etc.

production system modeling and simulation; industrial engineering; teaching; reform

2016-04-06

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAS14574)

沈振輝(1985-)，男，福建詔安人，講師，碩士研究生，主要從事工業(yè)工程方面的教學(xué)與研究。

TP31

A

1009-3907(2016)10-0112-04