“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程教學改革

趙倩倩 周艷杰

［摘 要］ “生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”是工業(yè)工程專業(yè)的一門核心課程，要求學生于理論、技術(shù)、問題分析以及優(yōu)化設計等方面的綜合能力，課程的最終效果呈現(xiàn)對學生有著很大的挑戰(zhàn)。首先，分析了該課程內(nèi)容現(xiàn)階段的特征以及與工程教育需求所存在的差異。其次，針對課程目標、教學內(nèi)容設計，以及教學成果評價等方面所存在的不足，結(jié)合CDIO工程教育12項標準提出了具體的改革方案。最后，對改革前后的教學成果進行了對比分析和評價。通過思考新工程教育理念對工業(yè)工程專業(yè)“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程的指導作用和教育目的，為工程教育者對新型工業(yè)化背景下的課程建設提供了參考和應用實踐經(jīng)驗。

［關(guān)鍵詞］ 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真；CDIO工程教育；教學改革

［基金項目］ 2022年度中國博士后科學基金面上資助“基于混合檢測策略的貯存可用度建模與分析”（2022M712860）；2022年度鄭州大學教學改革項目“大類招生背景下管理科學與工程學科人才培養(yǎng)模式優(yōu)化與實施路徑——以鄭州大學為例”（2022ZZUJGLX097）

［作者簡介］ 趙倩倩（1989—），女，河南三門峽人，博士，鄭州大學管理學院講師，主要從事維護優(yōu)化、建模與仿真研究；周艷杰（1988—），男，河南周口人，博士，鄭州大學管理學院副教授（通信作者），主要從事物流與仿真算法研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-05［收稿日期］ 2022-10-08

隨著我國經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型與科學技術(shù)發(fā)展，我國正在快速完成由傳統(tǒng)工業(yè)、制造業(yè)向數(shù)字化、智能化制造新模式的轉(zhuǎn)型，工業(yè)工程（Industrial Engineering）學科也因此面臨難得的機遇與全新的挑戰(zhàn)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心技術(shù)聚焦于面向制造全過程的全流程仿真、智能制造系統(tǒng)規(guī)劃設計分析優(yōu)化等內(nèi)容，尤其是生產(chǎn)設備的全壽命周期以及生產(chǎn)線全過程的多維智能感知與監(jiān)控、數(shù)字化孿生技術(shù)、ERP與MES無縫集成，實現(xiàn)高度柔性生產(chǎn)和離散性制造的流水化配置。由此可見，建模與仿真技術(shù)對于生產(chǎn)系統(tǒng)與數(shù)字化經(jīng)濟緊密結(jié)合的當下，發(fā)揮著更加重要的作用。

工業(yè)工程作為一門應用性工程專業(yè)技術(shù)，兼容并蘊含了諸多新學科和理論技術(shù)，特別是如何以大數(shù)據(jù)為驅(qū)動、工程技術(shù)為基礎(chǔ)，配合科學管理的技巧發(fā)現(xiàn)、解決并預防問題［1］。其中，“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”作為工業(yè)工程專業(yè)承上啟下的核心課程，是“編程語言”“概率與數(shù)理統(tǒng)計”“系統(tǒng)工程”等課程內(nèi)容的綜合輸出，同時，也是后續(xù)工業(yè)工程軟件與應用、畢業(yè)設計等課程的輸入。學生除了需要具備系統(tǒng)分析、問題定義、數(shù)據(jù)處理、隨機變量生成、仿真VV&A等理論知識，還需具備仿真邏輯設計和借助軟件或編程語言進行實踐的能力，最后通過算法設計完成優(yōu)化模型。如何能讓學生在有限的時間內(nèi)融會貫通所有的理論知識，提高學生對現(xiàn)實問題的分析和解決能力，從而讓課堂更有效果，是一線工程教育者的重點研究課題。COID工程教育課程體系作為國際工程教育改革的重要理論成果，以產(chǎn)品全壽命周期理念培養(yǎng)學生從方案設計、實施到最終評估的一系列過程［2］。作為注重實踐的工程教育模式，旨在讓學生將理論技術(shù)與實踐完美結(jié)合，全程參與、主動發(fā)現(xiàn)和分析實際生產(chǎn)中存在的問題，探索隱含在問題背后的科學知識，形成自主學習與合作解決問題的技能。因此，面對制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的巨大變化與科學技術(shù)的不斷更新，學校的相應課程也需要根據(jù)工程需要進行相應的改革探索。

我國CDIO的試點教學少有在工業(yè)工程專業(yè)中展開，主要集中在土木、機械、化工、電器等領(lǐng)域［3］。經(jīng)分析，“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程目前在教學模式上主要存在著以下問題：（1）仿真技術(shù)性強，學生能力兩極化嚴重。系統(tǒng)仿真的成果呈現(xiàn)是借助商用仿真軟件或利用編程語言實現(xiàn)面向?qū)ο蟪绦蛟O計實現(xiàn)，對學生的軟件實操以及編程能力要求略高。目前，針對一種商用仿真軟件或者一種編程語言的教學設計會導致編程能力稍差的學生因挫敗感而對課程失去興趣，而碎片化的實操教學難以滿足編程能力較強學生的需求。（2）課程知識和工程需求存在差距。教學內(nèi)容偏重經(jīng)典傳統(tǒng)理論，缺乏前沿動態(tài)的介紹，比如在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，傳統(tǒng)的基于仿真的系統(tǒng)設計如何快速發(fā)展并應用于“數(shù)字孿生”技術(shù)；仿真技術(shù)如何成為制造系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，實現(xiàn)仿真工藝段，完成工藝驗證，發(fā)現(xiàn)整個生產(chǎn)流程中可能存在的問題。（3）課程內(nèi)容多樣化，全面考核困難。“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程包括了系統(tǒng)的抽象分析、建模理論和實踐部分，需要綜合考查學生對仿真機理、數(shù)據(jù)分析、概念模型構(gòu)建、仿真的VV&A以及軟件的操作能力和編程能力?，F(xiàn)階段單從卷面測試和上機考試兩個方面很難全面考查上述課程所要求的綜合能力。

一、基于CDIO模式的課程目標設計

CDIO模式是一種系統(tǒng)的、全面的工程教育改革方法，其12項標準給出了工程教育改革實施和系統(tǒng)發(fā)展的評價維度：以CDIO為基本環(huán)境、學習目標、一體化教學計劃、工程導論、設計—實現(xiàn)經(jīng)驗、工程實踐場所、綜合性學習經(jīng)驗、主動學習、教師能力的提升、教師教學能力的提高、學生考核、專業(yè)評估［4］。而引入CDIO工程教育模式是我國高等教育數(shù)字化專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢。Vu［2］探討了CDIO框架對工業(yè)4.0背景下工程課程設計的指導作用，表明工業(yè)4.0帶來的新知識可以被納入CDIO標準，而不改變其框架。CDIO教學大綱和標準依舊可以作為指導工程教育重新設計的參考。趙海峰和王婷［5］對CDIO標準和“中國制造2025”進行了關(guān)聯(lián)性分析和比較，提出了CDIO需要從系統(tǒng)的角度理解系統(tǒng)的工作以應對“中國制造2025”設計的建模仿真等新范式、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的修正和具體措施建議。

因此，本文擬通過引入CDIO標準對本課程教學目標設計進行改革探索，以達到本課程的教學要求并將前沿科技成果融入課堂教學，利用信息技術(shù)提升課程質(zhì)量，培養(yǎng)具有創(chuàng)新與實踐能力的新型工程技術(shù)人才。本課程的教學目標除了原課程教學目標的5項基本內(nèi)容外，依據(jù)CDIO標準1增加了培養(yǎng)學生獨立思考、團隊合作發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題等能力；引導團隊利用身邊生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)案例，強化系統(tǒng)生產(chǎn)周期實際工程問題的認知以及解決方案的構(gòu)思和設計；了解課程關(guān)聯(lián)前沿科技發(fā)展和應用。

二、基于CDIO理念的教學內(nèi)容設計

依據(jù)筆者所在院校專業(yè)課程設計，包含理論16課時及實驗24課時。在理論教學環(huán)節(jié)采用教師為主導的理論學習方式，而實驗教學環(huán)節(jié)采用以學生為主導的小組項目形式。

（一）理論教學

本課程在理論部分的學習包括了解生產(chǎn)系統(tǒng)，理解仿真原理、掌握建模、隨機數(shù)生成、輸入/輸出數(shù)據(jù)分析、試驗設計，以及仿真模型的校核、驗證與確認等方法。因此，在理論課程擬采用理論與軟件應用相結(jié)合的方式，使學生對知識的理解不再停留在理論。例如，在講解利用反變換法生成隨機變量知識點，首先講解概率積分定理和反函數(shù)定理，然后給出仿真過程采用的相應的算法的編程實現(xiàn)過程，如圖1所示。

考慮現(xiàn)有的商業(yè)軟件多調(diào)用內(nèi)置函數(shù)的方式生成隨機變量，進而帶領(lǐng)學生利用MATLAB數(shù)學軟件完成內(nèi)置函數(shù)與算法試驗的結(jié)果比較，逐步加深學生對課程知識的領(lǐng)悟和應用。并且，除了在課程內(nèi)容上加入最新前沿科技發(fā)展和應用狀況的介紹外，利用課程前設置“3分鐘演講”環(huán)節(jié)，由學生依據(jù)當天課程內(nèi)容查詢最新關(guān)聯(lián)科技新聞準備3分鐘的演講。

（二）實驗教學

實驗教學依據(jù)工程項目實踐全壽命周期的教育理念，以小組項目的形式開展。在初期首先給出問題范圍，例如以生產(chǎn)系統(tǒng)為對象，學生可以利用調(diào)研過的實際企業(yè)為案例、教育部、各企業(yè)的公開競賽題目或者已發(fā)表的期刊論文確定研究對象，并確定相對應的研究目的（標準2）。

將CDIO工程教育理念整體融入整個教學過程，分為構(gòu)思（Conceive，C）、設計（Design，D）、實現(xiàn)（Implement，I）和運作（Operate，O）四個階段［6］，依據(jù)CDIO理念對課程的每一階段進行改進，培養(yǎng)學生獨立思考、團隊合作的能力。以案例作為導向，使整個課程的理論知識融入整個過程，培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力，學生能更好地理解課程在工業(yè)上的應用方向和方式。教師在小組項目進行的整個過程因材施教，根據(jù)每組成員的能力優(yōu)勢，推薦合適的方法。例如，在概念模型構(gòu)建部分，數(shù)學能力較強的組可嘗試Markov模型或者Petri-net，而編程能力較強的組可嘗試面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，如UML等。最終使每個組的成果完整并各具特色，最大化的呈現(xiàn)本課程的教學成果，其具體實施方案如圖2所示。

特別在實施部分，依據(jù)團隊特長及研究的問題內(nèi)容以不同的方式實現(xiàn)仿真。針對有編程基礎(chǔ)的團隊，幫助學生利用UML建模方法，梳理所要解決問題的離散事件仿真邏輯，然后引導學生依據(jù)所建模型，利用圖3a所示編程語言實現(xiàn)，而對于小組成員編程基礎(chǔ)稍弱的組，則可使用Flexsim軟件實現(xiàn)仿真（圖3b）。

三、教學成果評價與分析

教學成果須與課程目標一致，包括個人技能、生產(chǎn)、過程和系統(tǒng)開發(fā)以及學科知識（標準3）。依據(jù)俞佳君等［7］提出的課程考核與評價體系設計思路，本課程考慮將課程評價由個人練習、期中開卷測試、小組課題、期末閉卷測試四部分構(gòu)成，分別占比10%、20%、30%、40%。結(jié)合課程內(nèi)容，將課程目標和課程目標內(nèi)容分別對應到各部分。

個人作業(yè)均要求在相應知識學習后的一周內(nèi)提交，學生充分根據(jù)課堂練習材料，進行舉一反三，90%以上的學生均得到了較高的評價。期中開卷部分內(nèi)容偏難，70%的學生可以完成基本要求。小組課題分別從課堂展示和討論、實驗報告進行綜合評價。課堂展示環(huán)節(jié)分兩次進行，第一次在課程進度中間進行，主要關(guān)于問題的定義、概念模型構(gòu)建和后續(xù)計劃時間的發(fā)表。教師依據(jù)各組的問題對其后期的仿真建模計劃和后續(xù)實驗設計給出指導性的方向與建議，為后面的綜合實驗奠定基礎(chǔ)，而第二次的仿真結(jié)果呈現(xiàn)和分析討論則在課程結(jié)束前進行。最后，對于小組綜合報告，需要提交仿真模型以及論文。自此，學生以小組為單位完成了從發(fā)現(xiàn)問題、概念模型構(gòu)建、仿真實現(xiàn)、優(yōu)化設計，以及數(shù)據(jù)分析的全過程實驗，為之后的畢業(yè)設計完成也積累了經(jīng)驗。整個課程的評分環(huán)節(jié)、個人作業(yè)、期中開卷及期末閉卷以個體單位為主，而小組課題則以團隊單位為主。

在學校開展的課程期中評價和期末綜合評價中，基于問卷模板與本課程的考核目標分別設計了從課程目標、課程內(nèi)容和知識掌握等8個指標維度的問卷，以對學生的個人技能、團隊合作技能、工程技能和技術(shù)知識技能等方面學習成果進行驗證。課程指標維度與其所對應內(nèi)容如表3表示。問卷是一份三頁的電子調(diào)查表格，首頁有13個問題，頁面背面有個人評論的主觀性問題。為了簡化學生的答案，并能夠量化答案，答案從非常好（積極5）到非常差（消極1）進行排序。

根據(jù)對筆者所在院校工業(yè)工程專業(yè)“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程分別于2021年與教改實施后的2022年的教學效果情況的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果（圖4），共有65名學生進行了問卷回饋。可看出整體各個維度的課程指標數(shù)值均呈現(xiàn)正向增長，特別是學生均認為基于CDIO理念的課程內(nèi)容設計更加有助于對理論知識和方法的理解（知識掌握），并產(chǎn)生從工程問題出發(fā)的系統(tǒng)工程思想，激發(fā)了學習的熱情（啟發(fā)式教學）并提升了自主思考、分析和解決問題的能力（能力提升）。

知識掌握、啟發(fā)式教學和能力提升三個方面從90%之下增長到95%之上，說明問題驅(qū)動教學法和項目為基礎(chǔ)的課程設計方法對學生的知識獲取和能力培養(yǎng)都有很好的促進效果。從學生的角度來看，基于CDIO的軟件工程教學的培養(yǎng)方法和模式是可行和有效的。其中95.8%的學生對問題驅(qū)動理論教學法滿意，96.7%的學生認為課程設計提高了合作能力，96.0%的學生認為課程設計大大提高了學生的綜合編程能力，但在主觀問答的課程建議中出現(xiàn)前沿知識介紹過少，以及仿真實現(xiàn)部分希望集中于一個軟件講解的建議。

結(jié)語

“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程要求以生產(chǎn)系統(tǒng)為對象，以實際應用案例為背景，以啟發(fā)式仿真建模為手段，培養(yǎng)仿真實踐技能為目的。對系統(tǒng)建模與仿真的基本原理、技術(shù)進行全面的論述，注重激發(fā)學生的探索意識和創(chuàng)新意識，并注重對學生實踐及應用能力的培養(yǎng)，契合于CDIO所倡導的工程教育改革方向。這門課程理論部分基于整體—碎片—整體的學習方法降低了學生從理論到實踐的跨越難度，基于課題的實驗教學部分和從問題出發(fā)的基于課題的學習方式激發(fā)了學習仿真的興趣。本文在課程目標及內(nèi)容設計方面根據(jù)制造業(yè)數(shù)字化和智能化的迅速發(fā)展的現(xiàn)狀和工程教育專業(yè)認證的需求進行了多方面的改革，強化了學生主體性和積極性，有利于學生獨立思考、實踐動手、創(chuàng)新、分析應用等能力的培養(yǎng)和提升。在實驗部分教學方面，加大教師的介入程度，教師可以準備一部分的產(chǎn)業(yè)實際數(shù)據(jù)用于課程實踐，而對于存在的問題仍需進一步的思考和改進。

參考文獻

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［7］俞佳君，袁尚會，黃知榮，等.基于OBE的課程考核與評價體系的設計與實踐［J］.湖北科技學院學報，2022，42（4）：127-134.

Abstract：Production system modeling and simulation is a core course in the major of industrial engineering. Students have difficult learning outcomes since they must possess a broad range of skills， including fundamental theory， major technology， problem analysis， optimization design， etc. This paper first analyzes the characteristics of this course and the differences in the needs of engineering education at the current stage， and then puts forward specific reform plans in terms of the course objectives， content design， and teaching implementation process， combined with the 12 standards of CDIO. Finally， the teaching outcomes are analyzed and evaluated systematically. This paper reconsiders the guiding role and instructional aim of the engineering education concept in the course of production system modeling and simulation of industrial engineering specialty. It provides reference and application practice for engineering educators to develop curriculum construction under the background of new industrialization.

Key words： production system modeling and simulation; CDIO engineering education; instructional reform