“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”雙軌式教學(xué)探索與實踐

王峻峰+李世其+付艷+劉世平

摘要：“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”是工業(yè)工程專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，與實際應(yīng)用結(jié)合緊密。本文結(jié)合講授學(xué)習(xí)法和問題學(xué)習(xí)法的優(yōu)缺點，在課程中采用將兩者融合的雙軌式教學(xué)方法，設(shè)計了用于課堂講授和小組團隊協(xié)同工作的問題庫，描述了根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容和進度分別實施講授學(xué)習(xí)和問題學(xué)習(xí)的教學(xué)過程，對雙軌式教學(xué)效果進行了問卷調(diào)查評價和學(xué)生成績評價，給出了改進該課程雙軌式教學(xué)的措施。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真；講授學(xué)習(xí)法；問題學(xué)習(xí)法；教學(xué)評價

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）39-0145-04

“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”是工業(yè)工程、物流工程、系統(tǒng)工程等專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程要求理論與實踐必須緊密結(jié)合，學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)后，在掌握建模與仿真理論知識的同時，必須熟悉生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真基本技術(shù)和方法，并了解建模與仿真軟件的使用，具有一定解決實際生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真問題的能力[1]。目前，絕大部分高校該課程的學(xué)習(xí)采用傳統(tǒng)講授學(xué)習(xí)法（LBL，Lecture-Based Learning），即以教師為主體、以課堂講課為中心、采取大班全程灌輸?shù)慕虒W(xué)模式[2]。LBL具有節(jié)省教學(xué)資源、傳授知識具有準確性、系統(tǒng)性和連貫性等優(yōu)點，又具有不利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和學(xué)生對知識的運用能力較差等缺點[3，4]，不能完全滿足教學(xué)目標對學(xué)生能力的要求。

問題學(xué)習(xí)法（PBL，Problem-Based Learning）是以實際問題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為主體、在教師的參與下，采用小組討論的形式對課程內(nèi)容涉及的一系列問題進行學(xué)習(xí)的過程[5]。PBL是以實際問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，近半個世紀以來，PBL模式的應(yīng)用已由醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸向其他學(xué)科領(lǐng)域延伸，取得了顯著的教學(xué)成果[6-8]。特別是在應(yīng)用性較強的學(xué)科中，PBL在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、自我學(xué)習(xí)能力以及團隊協(xié)作能力方面具有明顯的優(yōu)勢[9，10]。

LBL和PBL學(xué)習(xí)法各有利弊，兩種教學(xué)方法的混合應(yīng)用越來越多的受到關(guān)注。依據(jù)我國高校實際，針對不學(xué)生科、不同課程的具體特點，在不完全打亂以LBL為主體的學(xué)習(xí)模式下，將PBL有效和有機地融合到LBL教學(xué)過程中，形成雙軌式教學(xué)模式，在充分挖掘?qū)W生學(xué)習(xí)主動性和能動性、增強學(xué)生理論聯(lián)系實際能力的同時，穿插基礎(chǔ)理論知識的系統(tǒng)講授，是既符合國情又能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的合理選擇[11]。本文介紹了“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程綜合采用LBL和PBL進行雙軌式教學(xué)的實踐，并對教學(xué)效果進行了評價，對同類課程教學(xué)具有參考價值。

一、建模仿真問題設(shè)計

問題是PBL學(xué)習(xí)的出發(fā)點，也是實施PBL學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。問題設(shè)計的質(zhì)量直接影響了PBL學(xué)習(xí)的開展、教師的引導(dǎo)、學(xué)生的興趣和教學(xué)目的。問題的設(shè)計應(yīng)遵從真實或逼真原則，必須結(jié)合教學(xué)重點和難點具有明確的目的性和針對性，同時，問題要具有開放性和適度的復(fù)雜性，以便在有限的課程學(xué)習(xí)時間給出問題的合適解答[12]。

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程具有完整的知識體系結(jié)構(gòu)，解決實際的建模與仿真問題遵循一定的步驟，每個步驟需要特定的知識，知識體系具有較強的層次性。為了滿足生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程需要，我們把問題分為兩個層次，一個層次是實際的、描述完整的建模與仿真大問題，該問題類似于一個完整項目，詳細描述了問題的場景與相關(guān)數(shù)據(jù)，提出問題的解決目標；另一個層次是配合解決問題過程中每個步驟所需要的、若干局部的小問題，如到達數(shù)據(jù)的分布擬合與假設(shè)檢驗、系統(tǒng)建模方法、仿真輸出數(shù)據(jù)分析等問題。建模與仿真小問題用于教師的課堂講授和小組的討論交流，作為知識的獲取途徑，大問題用于小組的課后協(xié)同工作，作為知識應(yīng)用的檢驗，從而將LBL和PBL有機地結(jié)合起來。

依據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真教學(xué)大綱，本文從國內(nèi)外數(shù)十本教材和各類仿真競賽中收集整理并設(shè)計了8個課堂小問題和26個建模與仿真大問題，同時，從國內(nèi)外數(shù)十本教材和各類仿真競賽中收集整理了制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和醫(yī)療業(yè)三類建模和仿真大問題，其中制造業(yè)問題有加工系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、物流人流系統(tǒng)等，服務(wù)業(yè)包括了游樂場、銀行、超市、庫存、交通系統(tǒng)等問題，醫(yī)療業(yè)則涵蓋了門診、急診和住院等系統(tǒng)。問題的多樣性使學(xué)生能夠根據(jù)自己的興趣選擇不同的對象，提高了學(xué)生參與的積極性。

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真問題的描述語言盡量結(jié)合生產(chǎn)和生活實際，通俗易懂，使問題有一定的代入感，容易讓學(xué)生對場景進行聯(lián)想，提高學(xué)生的興趣并方便學(xué)生對于問題的理解，問題的描述同時具有建模與仿真學(xué)科的嚴謹性，避免學(xué)生對問題的理解產(chǎn)生偏差，在問題描述中采用“最優(yōu)化”、“最小化”等表述則表明仿真問題的劣構(gòu)性，從而充分啟發(fā)學(xué)生探索不同的解決方案。

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真問題的難度既決定在課程期間學(xué)生能否完成，又是不同層次學(xué)生選擇問題需要考慮的方面。有些學(xué)生希望可以比較輕松地完成任務(wù)，想要選擇一些比較簡單的問題；而有些學(xué)生則希望可以得到盡量多的學(xué)習(xí)和鍛煉，想要選擇一些比較有挑戰(zhàn)性的問題。學(xué)生從問題的描述中可能無法充分地了解問題的難度，我們將問題從易到難分別用難度等級1—5表示，方便了學(xué)生的選擇。

二、教學(xué)過程實施

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程共安排了32個課堂學(xué)時，傳統(tǒng)的教學(xué)采用教師課堂講授、學(xué)生課后作業(yè)的方式。教學(xué)改革嘗試采用LBL和PBL相結(jié)合的方式，根據(jù)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標采用不同的教學(xué)方式。

基本概念類知識完全采用LBL方式講授（8學(xué)時），在課堂上，教師通過引入日常生活場景，使學(xué)生對生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程基本理論知識進行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，充分利用LBL模式傳授信息量大，進展速度易于掌握等優(yōu)點，使學(xué)生在相對短的時間內(nèi)理解和熟悉大量的理論知識，為后續(xù)的小組PBL學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

方法技術(shù)類知識采用課堂小問題的LBL和PBL相結(jié)合模式（12學(xué)時），首先由教師提出需要解決的問題后，教師簡單介紹相應(yīng)的方法和技術(shù)，課堂上留一部分時間，學(xué)生按照小組對選擇的建模與仿真大問題進行討論和交流。通過作業(yè)的方式，加強學(xué)生課后對方法和技術(shù)的練習(xí)，學(xué)生小組在課堂上進行階段性匯報（4個學(xué)時），教師提出建議給予指導(dǎo)，避免出現(xiàn)建模與仿真的方向性偏差。endprint

應(yīng)用實踐大問題采用小組協(xié)作的PBL學(xué)習(xí)方式，各個小組共同查閱文獻、學(xué)習(xí)仿真軟件，在交流中提出問題并共同分析解決。大部分工作由各個小組在課余時間完成，安排集體上機一次（4學(xué)時），解決軟件學(xué)習(xí)中的共性問題。在課堂學(xué)時中進行問題解決成果的匯報和展示（4個學(xué)時），每個小組匯報結(jié)束后，其他小組學(xué)生和教師可針對其匯報內(nèi)容進行質(zhì)疑，由組內(nèi)學(xué)生回答。同時，由教師就該小組建模與仿真細節(jié)中表現(xiàn)出的優(yōu)點和不足進行歸納總結(jié)，以鞏固學(xué)生通過實踐后所獲得的實際應(yīng)用知識。按照教師提供的打分標準，小組之間相互打分進行評價。通過成果匯報，既展現(xiàn)了學(xué)生在解決生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真問題過程中積累的經(jīng)驗、獲得的知識和技能，而且也加強了小組之間的互動學(xué)習(xí)，進一步促使學(xué)生構(gòu)建和完善了建模與仿真的知識體系。

三、教學(xué)效果評價

在2015—2016學(xué)年秋季學(xué)期，我校工業(yè)工程專業(yè)本科2013級學(xué)生采用了該教學(xué)方式。該年級學(xué)生共52人，其中男40人，女12人；年齡19—22歲，平均20.5±0.82歲。學(xué)生通過自由組合，共分為13個小組，每個小組3—5人，設(shè)小組長1人負責小組的工作開展。在課程結(jié)束后對全體學(xué)生進行了問卷調(diào)查和課程閉卷考試，獲得了雙軌式教學(xué)方式調(diào)查數(shù)據(jù)和成績，并據(jù)此對教學(xué)效果進行評價。

1.問卷調(diào)查評價。課程結(jié)束后發(fā)放教學(xué)調(diào)查問卷，問卷由班長進行發(fā)放與收回，采用不記名形式，利于學(xué)生進行客觀評價。問卷分為條目的選擇評價和個人的描述評價兩大部分，選擇評價包括5個“總體評價”條目（1—5），4個“教學(xué)材料準備”條目（6—9），5個“課堂教學(xué)”條目（10—14），4個“問題學(xué)習(xí)”條目（15—18），條目的回答選擇分為“滿意”、“比較滿意”、“不太滿意”、“很不滿意”4個等級，分值采用4、3、2、1表示。個人描述評價讓學(xué)生給出自己的收獲和對課程的建議。本次調(diào)查共向?qū)W生發(fā)放調(diào)查表52份，回收有效問卷51份，有效回收率為98.07%。

表1給出了51份調(diào)查問卷的選擇評價統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，總體滿意率（打分為“滿意”和“比較滿意”的人數(shù)之和）最低為78.43%，最高為98.04%。滿意率最低的是問題的難度，說明建模與仿真問題庫設(shè)計的難度不夠，學(xué)生認為應(yīng)該有更具挑戰(zhàn)性的題目；滿意率最高的是課程進度安排和課堂氛圍，說明教學(xué)過程的設(shè)計很好的結(jié)合了LBL和PBL不同的教學(xué)模式。表1中18個評價細則的平均分都在3.0以上，說明雙軌式教學(xué)方式得到學(xué)生認可。

在描述性評價的課程收獲部分，39位學(xué)生給出了自己的描述。在“課堂學(xué)習(xí)”方面，5位學(xué)生表示對建模與仿真課程有了自己的理解；在“團隊協(xié)作”方面，18位學(xué)生對于團隊完成建模與仿真問題表示了認可，有7位學(xué)生對于團隊協(xié)作提出了異議，主要包括對于小組分工不滿意和喜歡獨立工作兩個方面；在“仿真軟件”方面，20位學(xué)生對于仿真軟件有一定的認識和會進行基本的建模操作，8位學(xué)生希望有更多軟件操作方面的具體指導(dǎo)等。在描述性評價的課程建議部分，41位學(xué)生給出了個人的建議。在“課堂學(xué)習(xí)”方面，7位學(xué)生希望給予更多建模實例方面的指導(dǎo)；在“軟件學(xué)習(xí)”方面，14位學(xué)生認為在仿真軟件使用的教學(xué)中應(yīng)該結(jié)合案例，5位學(xué)生認為需要教師提供更多的軟件學(xué)習(xí)資料。從這些描述中，可以看出學(xué)生還需要進一步培養(yǎng)團隊合作意識和能力，由于長期課堂灌輸式教學(xué)形成的惰性，學(xué)生對教師的依賴性還比較嚴重，希望教師提供更多直接的示范，缺乏自主學(xué)習(xí)和搜索學(xué)習(xí)資料的主動性，這也是深入應(yīng)用問題學(xué)習(xí)法可能存在的最大障礙，也說明了雙軌教學(xué)方式的必要性。

2.課程成績評價。以2013級為實驗組，以采用傳統(tǒng)教學(xué)方式的2012級工業(yè)工程專業(yè)本科生為對照組，2012級共有學(xué)生52人，年齡為20.4±0.88歲，其中42位男生，10位女生。①卷面成績分析。課程閉卷考試中的題目主要分為基本概念類和方法應(yīng)用類?；靖拍铑悅?cè)重于概念的理解和記憶，方法應(yīng)用類側(cè)重于建模與仿真問題的分析。表2為實驗組和對照組的卷面成績統(tǒng)計。兩組成績的獨立樣本t檢驗大于0.05，說明兩組數(shù)據(jù)的平均值沒有顯著性差異，即雙軌教學(xué)方式和傳統(tǒng)教學(xué)方式對于學(xué)生的卷面成績沒有明顯的影響。上述結(jié)論和醫(yī)學(xué)類課程截然不同，考慮到建模與仿真課程考試內(nèi)容絕大部分是基本概念類題目，需要學(xué)生花費一定時間去記憶，考試成績的高低一定程度上與學(xué)生的記憶有關(guān)；而PBL教學(xué)中進行的建模與仿真問題實踐，則鍛煉了學(xué)生對建模與仿真建模問題的整體認知能力、系統(tǒng)建模能力、仿真建模能力，這些能力的考核在考卷中體現(xiàn)不足。正如Perrenet等提到，這種工科實際應(yīng)用能力無法用試卷考核，需要在學(xué)生后續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展中進行跟蹤評估。②匯報互評分析。成果匯報展示成績按照總體思路、展示效果、系統(tǒng)建模、仿真建模、分析改進、小組協(xié)作等六個方面進行打分，每個小組由3—5個其他小組學(xué)生（匯報小組不知道那個學(xué)生在給自己打分）進行評分，圖1顯示了13個學(xué)習(xí)小組單向盲評的結(jié)果，并給出了小組選擇問題的難度等級和小組學(xué)生考試卷面成績的平均分。我們將每個小組匯報成績平均得分與小組選擇問題的難度等級進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明匯報展示成績與問題難度相關(guān)性不大。另外，對各個小組匯報成績和小組成員卷面成績的平均值進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩者的相關(guān)性同樣不大。上述分析結(jié)果進一步說明卷面考試成績無法全面反映學(xué)生在課程中得到的實際能力鍛煉，小組問題的難度也沒有直接影響小組的匯報成績，這與調(diào)查問卷中（第18個條目）96.08%的學(xué)生認為比較好的完成了問題解答相符合；同時，這些分析結(jié)果也對改進書面考試試卷題目的組成和對實際操作能力進行考核提出了新的要求。

表3顯示了全部小組在匯報展示六個方面成績的得分率?？梢钥闯?，總體思路的得分率最高，說明學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，通過教師的引導(dǎo)，學(xué)術(shù)對于建模與仿真總體思路的把握比較充分；仿真建模得分率最低，說明學(xué)生對仿真軟件的學(xué)習(xí)和運用不滿意，沒有達到學(xué)生的心理預(yù)期，這也和前面調(diào)查得到的分析結(jié)果一致，處理好仿真軟件的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和鼓勵學(xué)生自學(xué)軟件間矛盾是協(xié)調(diào)LBL與PBL雙軌制教學(xué)的重要內(nèi)容。endprint

四、結(jié)束語

高等院校工科的技術(shù)基礎(chǔ)課程一般要求學(xué)生完成后具有一定的實際應(yīng)用能力，灌輸式的課堂教學(xué)方式缺乏鍛煉學(xué)生解決實際問題培養(yǎng)能力的環(huán)境，不能滿足日益增長的實用性創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。本文以“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程為對象，將講授學(xué)習(xí)法和問題學(xué)習(xí)法相結(jié)合形成雙軌式教學(xué)法進行了探索和實踐。通過對該雙軌式教學(xué)效果的評價，分析了改進雙軌式教學(xué)方法的努力方向，說明了從傳統(tǒng)教學(xué)模式向新型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變過程中，需要從教學(xué)內(nèi)容、進度規(guī)劃、考核方式、學(xué)生意識等各方面進行有效的改革，才能達到培養(yǎng)實用性人才的目標。

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