基于CDIO理念的設施規(guī)劃與物流分析課程教學改革

周 蓉，沈維蕾，王 雁

（1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心，安徽 合肥 230009）

1 課程教學現狀及改革內容

1.1 課程教學現狀分析

《設施規(guī)劃與物流分析》（有的學校稱為物流工程）是工業(yè)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，目標是培養(yǎng)學生具備解決企業(yè)生產與管理過程中設施的空間組織與物料搬運的系統設計和改善的綜合技術能力[1]。該課程是學生從管理學、機械制造技術基礎、運籌學等純理論知識轉向實際應用的綜合學習及實踐的重要課程[2-3]，也是培養(yǎng)學生綜合分析能力、解決工程實際問題能力和創(chuàng)新設計能力的專業(yè)主干課程，是學生了解和掌握專業(yè)領域工程問題的實際設計分析的開端[4]，所以該課程的教學質量會直接影響學生的專業(yè)技術技能。

《設施規(guī)劃與物流分析》課程具有很強的理論性、工程性、綜合性和設計性[5]，單純依靠課堂理論教學并不能滿足教學要求，必須適當增加綜合性實踐教學環(huán)節(jié)比重來提高學生對該課程的感性認識[6]。各高?，F有教學主要由理論教學、實驗教學和課程設計三個環(huán)節(jié)組成[7]。然而，由于受到教材、方式、經濟、現場條件和指導力量等多方面的限制，這些教學環(huán)節(jié)并不能真正激發(fā)學生創(chuàng)新意識?？v觀各高校《設施規(guī)劃與物流分析》教學現狀，主要存在以下四個方面的問題：

（1）現有教材內容陳舊，沒能及時更新。各高校所用教材版本較老[2-3]，知識內容體系創(chuàng)新性不夠，教學內容偏重理論推導，沒有體現教學目標要求的“創(chuàng)新和實踐能力”，與實踐實際要求的課程內容或知識點的編排存在一定的差距[2-4]。

（2）教學方法和實施措施不利于學生創(chuàng)新和設計能力培養(yǎng)。教師在知識點的選擇和安排上沒有脫離傳統的教學理念，所采取的教學方法和教學手段比較單一，課程教學中只是理論知識的簡單講解，沒有結合工程實際進行教學，因而不利于學生學習主動性和積極性的充分發(fā)揮，學生應用所學的知識解決實際問題的能力較差。

（3）課程設計題目多年不變，陳舊老套，缺乏創(chuàng)新性。課程設計是《設施規(guī)劃與物流分析》課程體系中一個重要的實踐教學環(huán)節(jié)，也是高等院校工業(yè)工程專業(yè)學生進行的第一次較為全面的設施規(guī)劃與物流分析訓練[8-9]。長期以來，各高校將機械制造廠總平面布置設計作為課程設計題目，設計內容簡單且變化不大，缺乏拓展和創(chuàng)新的空間，激發(fā)不了學生的積極性，同時也容易埋沒了優(yōu)秀學生的創(chuàng)造力。

（4）實驗教學定位不明確，不利于學生實踐動手能力的培養(yǎng)。傳統教學過于注重理論教學，忽視實驗教學，多數高校將實驗教學當作理論教學的輔助手段，加上條件有限或實驗軟硬件設備陳舊，實驗項目多是單一、簡單的驗證性實驗項目，基本停留在理論驗證、加深理解和現象演示等較低層次上，缺少綜合性、創(chuàng)新設計性實驗，缺乏系統性和邏輯性，沒有形成一個完整的有機實驗體系，不利于學生實踐動手和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[10]。

1.2 基于CDIO的改革內容

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構思—設計—實現—運行）是由美國麻省理工大學和瑞典皇家工學院等四所大學聯合探索創(chuàng)立的工程教育理念和全新的國際工程教育與人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，它強調工程教育應當關注實踐并以科技為基礎，以工程項目（包括產品、生產流程和系統）的生命周期為載體，讓學生在有機聯系的集成化課程群中，以主動學習和實踐的方式學習工程技術，達到培養(yǎng)具有綜合創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型工程人才之目標[11]。國外經驗表明CDIO“做中學”的理念和方法是先進可行的，適合工科教育教學過程各個環(huán)節(jié)的改革。華南農業(yè)大學[12]、大連海洋大學[13]等已著手建立基于CDIO的工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式，很多高校也開始在體系下就具體的工程課程展開相應的CDIO教學改革[14-16]。

為此，本文提出一種基于CDIO理念的《設施規(guī)劃與物流分析》課程教學改革模式，以項目為驅動，將理論教學、實踐教學和科學研究有機結合起來，以期取得良好的教學效果。CDIO改革要求遵守《CDIO教學大綱》，明確創(chuàng)新型工程師應學習具備的全部知識和形成的能力、素質，以及掌握水平的程度等。因此，對于《設施規(guī)劃與物流分析》課程的CDIO改革，首先要完全摒棄傳統按教材章節(jié)的順序逐一授課的形式，根據課程知識、能力和素質要求重組知識體系。為確保該課程的全面教學質量，基于CDIO的改革內容應涉及課程計劃、教學內容、教學方法、教學手段、考核評價方式等多方面全方位的變革。

2 基于CDIO的課程知識體系

CDIO工程教育理念強調面向實際工程問題，以主動探索掌握技術知識的方式進行工程學習，能在簡單扎實的知識架構上靈活運用并形成專業(yè)技能。本文借鑒和學習汕頭大學機械設計制造及其自動化專業(yè)的EIP-CDIO教育模式經驗，在原有教學資源基礎上，融合當代物流發(fā)展的“互聯網+”背景，增加新內容，結合實際案例，對《設施規(guī)劃與物流分析》課程知識體系進行重構，著眼于知識與能力培養(yǎng)，將課程內容統一于“構思”、“設計”、“實現”、“運行”四個過程，實現知識與能力培養(yǎng)的一體化。

《設施規(guī)劃與物流分析》課程知識結構主要涵蓋了設施規(guī)劃與物流分析概論、設施規(guī)劃與物流分析工程項目設計、設施規(guī)劃與物流分析設計實踐、物流設施規(guī)劃設計過程管理，始于基本概念及理論體系，終于應用，重點進行學生設施規(guī)劃與物流分析工程問題識別與表述、建模與分析、求解與優(yōu)化、實踐應用等能力的培養(yǎng)?！对O施規(guī)劃與物流分析》課程知識結構如圖1所示。

圖1 基于CDIO理念的《設施規(guī)劃與物流分析》課程知識結構圖

由圖1可以看出，基于CDIO課程的基本點是貫穿于整個教學過程的基于項目的學習?？紤]到知識、能力與素質的一致性，以及課堂教學與實踐教學的關聯性，工程項目的選擇標準應體現關聯性，并具有一定的綜合性和系統性。

2.1 設施規(guī)劃與物流分析概論

CDIO采用建構主義教育理論，認為“構思”（CConceive）即在社會和企業(yè)環(huán)境下，設立系統目標與需求，定義系統功能、概念和結構，系統建模確保項目實現，進行開發(fā)項目管理等內容[17]。對于《設施規(guī)劃與物流分析》課程的CDIO構思，就是要確定該課程的基礎概念需求及理論體系，即給出課程內容總覽，介紹基礎概念。該部分主要設置基本概念、發(fā)展、理論體系、設施與設備等內容，具體包括：設施規(guī)劃設計、物流、物流系統、供應鏈及供應鏈管理等的概念及發(fā)展；設施規(guī)劃的研究對象、研究目標及關鍵技術等；物流系統分析與設計的研究對象、研究目標及關鍵技術等；物流系統設施與設備等，如圖2所示。旨在明確設施規(guī)劃與物流分析概念目標、體系、目標與對象的基礎上，為后續(xù)的設計、實現和運作過程奠定基礎，重點培養(yǎng)學生需求分析的能力。

圖2 設施規(guī)劃與物流分析概論內容設置

2.2 設施規(guī)劃與物流分析工程項目設計

CDIO教學大綱指出“設計過程就是學生通過一個產品、過程或系統的設計而進行學習的一系列活動”，涵蓋設計過程階段與方法、在設計中應用知識、學科性設計、多學科設計及多目標設計等內容[17]。《設施規(guī)劃與物流分析》課程在設計過程中，以工程項目案例為驅動，進行企業(yè)物流系統分析與設計、設施選址、系統布置設計、物料搬運系統設計、物流倉儲與配送系統設計等教學內容，旨在培養(yǎng)學生設施規(guī)劃與設計問題識別與表述、建模與分析、求解與優(yōu)化等方面的能力，具體內容設置如圖3所示。

圖3 設施規(guī)劃與物流分析工程項目設計內容設置

針對《設施規(guī)劃與物流分析》課程工程性強的特點，以及工業(yè)工程學生將來畢業(yè)后工作領域多為制造業(yè)，本文選擇汽車制造企業(yè)或車間工程問題作為基本研究對象，對典型汽車零部件生產或裝配車間的設計或改進中存在的各類實際工程問題進行分析，發(fā)掘若干具有典型性、實用性和系統性的工程項目，結合課程的基本知識體系，針對四大類工程問題進行項目規(guī)劃：設施選址類項目、系統布置設計類項目、企業(yè)物流系統或物料搬運系統的分析與設計類項目、物流倉儲與配送系統設計類項目。

對設施選址類項目，以整個工廠為范圍對某個車間的位置確定，或者以整個車間為范圍對某個生產作業(yè)區(qū)域的位置確定為案例背景，進行課堂教學和問題分析的工程項目規(guī)劃與設計，涵蓋設施選址應考慮的因素、定性定量分析與評價方法等知識點。對系統布置設計類項目，以實際企業(yè)為案例，對工廠總平面或某車間生產作業(yè)區(qū)域進行布置設計的工程項目規(guī)劃與設計，涵蓋設施布置原則與形式、常用方法等知識，著重于系統化布置規(guī)劃方法（SLP）的應用過程。對企業(yè)物流系統或物料搬運系統的分析與設計類項目，以企業(yè)車間為案例，對其生產物流系統進行工程項目規(guī)劃與設計，加強學生對物流合理化原則與方法、物料搬運設備、搬運單元化等概念的理解、對系統化搬運分析方法（SHA）的掌握。對物流倉儲與配送系統設計類項目，以某配送中心為案例，對自動化立體倉庫的倉儲系統進行工程項目的規(guī)劃與設計，涵蓋自動化立體倉庫、配送中心等的規(guī)劃與設計方法，以及倉儲系統、配送系統的分析與設計等知識點。

2.3 設施規(guī)劃與物流分析設計實踐

為達到實踐性和創(chuàng)新性培養(yǎng)目標，CDIO要求學生通過基于工程項目的學習，掌握能夠進行實際問題的分析和規(guī)劃解決問題的方法，實現對軟、硬件的集成、測試、驗證、認證以及對實施過程的管理等[17]。對應于《設施規(guī)劃與物流分析》課程則是實驗、課程設計等實踐環(huán)節(jié)的設置，重點在于針對特定實際項目對象，進行規(guī)劃設計方法的設計、實現、優(yōu)化與驗證，解決設施規(guī)劃與物流實際工程問題，具體內容設置如圖4所示。

圖4 設施規(guī)劃與物流分析設計實踐內容設置

本著“做中學”原則，課程的實驗及課程設計規(guī)劃主要以四大類工程項目為基礎，為學生進行設計性創(chuàng)新性實驗及課程設計提供自行設計的環(huán)境。考慮實驗環(huán)節(jié)與課程設計環(huán)節(jié)的關聯性及差異性，該課程實驗及課程設計的規(guī)劃內容如下：

（1）設計性創(chuàng)新性實驗設計規(guī)劃：某汽車零部件制造車間設施布置與物料搬運系統分析的實驗著重于組件及產品生產線及物料搬運系統、物料配送系統的重要參數影響分析。

汽車零部件制造車間是一種多產品制造、多流動模式車間，其產品及組件的生產流程及物料的搬運配送較為復雜。實驗設計規(guī)劃可以包括以下四個實驗：汽車零部件制造車間設施布置設計實驗、汽車零部件制造車間設施選址實驗、汽車零部件制造車間物料搬運系統分析與設計實驗、汽車零部件制造車間配送系統分析與設計實驗。

此處考慮微觀類設施選址實驗，即確定汽車零部件制造車間內重要生產作業(yè)單位位置，并分析不同位置對整個車間設施布置方案的影響，從而為設施布置設計實驗提供前期規(guī)劃方案。汽車零部件制造車間設施布置設計實驗主要分析不同物料流動模式、關鍵設備出現故障對產品生產線布置的影響，實驗結果可為物料搬運系統分析與設計實驗提供分析基礎。汽車零部件制造車間物料搬運系統分析與設計實驗以設施布置設計方案為基礎，分析不同的物料搬運設備、搬運路線及搬運方法之間的組合影響，并針對選定的產品生產流程設計合適的物料搬運系統方案。汽車零部件制造車間配送系統分析與設計實驗基于物料搬運系統方案，結合當前物流發(fā)展背景，以“互聯網+”為技術基礎，為所選產品生產系統所需物料進行配送分析，包括配送路線、配送工具、配送時間、配送數量等的分析，并設計基于“互聯網+”的車間物料配送系統。

對此類項目，采取由學生自主選擇合適的產品對象，自行分析產品生產流程，并根據專業(yè)實驗室現有條件，設計各個實驗。整個項目的實施通過緊密關聯的、展現項目全生命周期的四個實驗的實施，可以有效鍛煉學生系統分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其規(guī)劃、設計、計算、分析和實施的綜合應用能力；使學生深入理解并掌握硬軟件的應用，鍛煉其系統把握能力；同時，各實驗分組進行，可以增強學生的團隊協作溝通能力。

（2）課程設計項目規(guī)劃：汽車零部件制造車間布局及物流系統的規(guī)劃設計，著重于產品生產車間設施布置、物料搬運系統的分析與設計全過程。

課程設計項目以設計性創(chuàng)新性實驗設計項目為基礎，通過各實驗的參數影響分析，逐步展開各階段設計內容。對此類項目，采取由學生自主選擇合適的產品對象，自行分析產品的種類及生產流程，進行車間設施布置設計；根據所需物料的種類、數量、批次，以及搬運設備的種類、數量、載重量等基礎數據，進行車間物料搬運系統分析與設計；進一步對所得車間布局方案、物料搬運設計方案，借助仿真平臺建立車間布局的三維模型及其物流仿真模型，通過仿真分析找出生產瓶頸，修改車間布局方案，并再次建立車間改進布局的物流仿真模型，對改進布局方案進行修正，最終得到車間布局設計方案和物料搬運系統設計方案。

課程設計項目以車間靜態(tài)布局設計、物流系統動態(tài)分析與設計及方案的仿真驗證分析、優(yōu)化的全過程實施，檢驗學生對理論知識的掌握程度，鍛煉學生的設施空間組織及物流系統分析與規(guī)劃的專業(yè)技能，同時培養(yǎng)學生實踐應用的能力、團隊協作能力、撰寫與表達能力等。

2.4 物流設施規(guī)劃設計過程管理

CDIO的運作階段則注重運行的設計和優(yōu)化，培訓操作，改進和演變，棄置和運行管理等內容[17]。《設施規(guī)劃與物流分析》課程的內容設置為物流設施規(guī)劃設計過程管理，主要包括：物流設施規(guī)劃設計的組織、可行性研究等內容，旨在培養(yǎng)學生物流設施規(guī)劃設計過程管理的能力，如圖5所示。

圖5 物流設施規(guī)劃設計過程管理內容設置

3 基于CDIO的教學活動實施

基于CDIO的教學活動開展要充分體現學生在“做中學”的知識、能力、素質的綜合培養(yǎng)，必須做好課堂內外教學安排，并使二者有機結合。目前我?！对O施規(guī)劃與物流分析》課程的課內學時設置為40學時，共計2.5學分，講授與討論設置為32學時，課內實驗學時為8學時，以及為期3周的課程設計。初步建議課堂課時安排為：設施規(guī)劃與物流分析概論部分2學時、物流設施規(guī)劃設計過程管理部分2學時、工程項目規(guī)劃與設計部分28學時，其中四個項目各7學時。此外，建議設置課外學時48學時，要求學生在課下完成必要的調研、閱讀、案例分析報告、實驗設計報告等。課程教學內容、教學方式、學時分配、平時考核方式、學生組織方式以及能力培養(yǎng)等與CDIO模式的對應關系見表1。

表1 CDIO課程教學活動開展方式

課程教學采用“講授（T）”、“應用（U）”相結合的教學方式展開。其中“講授（T）”是指教師將知識點以課堂講解的方式展開，“應用（U）”是指學生根據教師布置的任務以一定的形式（如調研、項目實施、實驗及課程設計等）展開學習與實踐，并最終完成任務。

對各工程項目進行講解前，教師應先編制各章知識要點并提前分發(fā)給學生，并請學生在課前做好預習工作。講授時，教師應首先簡明扼要地對理論知識進行串講，幫助學生快速理解本章項目；然后以每組8人左右將學生分組，由學生自主選擇感興趣的項目形成多個討論小組；并指導各組學生進行項目思考、任務分解，并選擇任務，作為下次課討論、答辯的主體。在教學過程中，學生按小組選擇項目案例，利用課內外時間采用查閱、調查、計算等多種方式對項目案例中的問題進行推測分析，形成小組見解；在此基礎上進行各項目的小組內答辯；各小組互為答辯主持和答辯應對；在每個小組都闡述了各自的完整見解后，小組之間互相交流，互相啟發(fā)，形成對設施規(guī)劃與物流分析理論知識的深刻理解。在項目討論期間，教師明確自身的任務定位為控制案例分析方向不偏離，并表明立場只旁觀、主持，不參與項目討論。在項目結束后，教師與學生應對此次參與的經驗和教訓進行總結，為該課程教學過程持續(xù)改革提供建議與參考。

4 結論

CDIO是一個新的教育模式，強調工程教育應關注工程實踐，突出培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力、自學能力、溝通能力、團隊合作精神和大系統適應與調控能力，為綜合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了有效可行的方法。本文基于CDIO理念明確了課程定位和人才培養(yǎng)目標，以知識、能力和素質為導向，重組課程教學知識結構、改善傳統教學實施和考核評價方式，為應用型物流設施規(guī)劃設計人才培養(yǎng)過程中的《設施規(guī)劃與物流分析》相關課程建設提供了借鑒。

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