工業工程專業情景教學平臺設計與實現

【摘要】從培養大學生創新實踐能力入手，基于Flexsim仿真系統，結合現代IE的特點，設計了工業工程專業情景教學平臺。這一平臺包括情景模擬與仿真系統、案例庫系統各功能模塊，具有可參與、可控制、可優化、可更新等特征。結合具體實驗教學項目，對這一平臺的實驗教學過程進行了詳細的描述。最后對基于該平臺的實踐教學效果進行評價。

【關鍵詞】創新實踐能力;工業工程;情景教學;Flexsim仿真實驗

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)08—0142—05

一 引言

高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，隨著知識經濟時代的到來，大學生實踐創新能力培養已成為我國高等教育教學改革的核心目標之一[1] [2]。自1919年陶行知先生提出將學的思想和方法放到“教學法”的重要位置以來，國內外關于教學模式和教學法的研究不斷走向深入，如前蘇聯教育家凱洛夫的“三中心”、比杜威的實用主義教育思想等，雖然這些理論對教育過程中智力開發和能力培養關注不足，但卻體現了現代教育的基本特色。20世紀80年代以來，心理學家斯金納(Skinner)的程序教學法、維果斯基的“最近發展區”理論、瓦根舍因的“范例方式教學論”、巴班斯基的“最優化教學理論”以及前蘇聯的蘇霍姆林斯基的“和諧教育”理論等，則集中反映了以學生為主體的現代教學觀。

目前，我國創新教學法研究主要強調課堂教學中師生互動、激發學生興趣和主動性等，還針對注入式教學的弊端，提出了新教學環境下的“感知—理解—深化”三階段教學理念。但總體而言，教學模式單一的問題仍較為普遍，教學實踐中的具體表現為:課堂教學理論講授多于互動、實踐教學形式多于內容、實踐教學經費投入不足等。工業工程是涉及人、物料、機器等要素的集成系統進行規劃、設計、改善、控制和創新的邊緣學科[3]，其相關基礎理論是機械設計、機械制造、控制工程、運籌學、系統工程、設施規劃設計、物流工程、質量工程、人因工程、生產運作管理、財務管理、供應鏈管理、信息管理等，主要研究對象是大規模工業生產及社會經濟系統，具有極強的實踐性，需要考察企業生產系統及物流管理各環節的運行、規劃及設計，其教學過程必須先建立生產現場及企業物流的物理概念和感性認知。近年來，隨著生產實習機會的減少，學生對企業生產物流及供應鏈運行缺乏真實感官，加上教材抽象的數理闡述，極大影響了工業工程相關課程的學習效果。

為此，本研究以Flexsim軟件為基礎，試圖通過工業工程專業情景教學平臺的建設，系統仿真企業物流及生產系統的運行，使學生置身于企業生產活動和供應鏈運行的虛擬環境中，并充分運用系統提供的設計方案與優化功能，引導教學環節的創新思維、教學互動過程，優化工業工程專業課及專業基礎課的教學效果，從而達到培養大學生實踐創新能力的目的。

二 工業工程專業情景教學平臺的內涵與功能

1 情景教學與情景教學平臺

情景教學是提煉了實際生產后將教學目標、內容及角色融為一體的教學方法，能夠刺激學生的真實感官，提供調動學生理性認識的基本線索，通過思維的內部整合，使學生產生新的認知結構，這是情景教學的基本機理。情景教學充分利用形象、創設場景，使學生通過觀察、實踐，理解和運用相關專業知識，符合人類由感性認識到理性認識的認識規律[4]，因此能較好發揮教師“教”與學生“學”的相互作用，培養學生創造性思維，提高學生分析和解決問題的能力。

情景教學平臺則以經典實例為實踐背景，將學生帶入特定場景和角色，通過調動多維感官，加速對知識的理解和記憶。從而實現從“靜態學習”到“動態學習”的飛越，從單調緊張的課堂教學環境中解脫出來，激發學習樂趣，提高學習效率，克服了常規教學中缺乏師生之間、學生之間的互動等弊端，并對學生在學習過程中充分發揮主體性提供了可能性，對培養學生情感、想象力、創造性思維，開發智力等方面具有獨到之處。

在工業工程及企業現場管理等專業課程教學的總體趨勢是，壓縮課堂教學課時，增加生產一線的現場教學。發達國家采用的雙導師聯合教學的兩階段模式，同時附以案例教學、實驗室模擬演練等，取得了較好的教學效果。從一定意義上說，情景教學平臺通過運用先進的信息技術創設教學情景和案例模擬，增強學生的動手能力，讓學生在“感知—理解—深化”的學習過程中，達到實踐教學的目的。從而改變學生技能培養中局限于的注釋與理論闡述的局面，突破有限課后上機實驗的離散性實踐約束。

2 工業工程專業情景教學平臺的功能要求

根據現代工業工程學科的特點，這一專業實踐教學應強調學生系統分析和解決問題能力的培養，重視企業生產系統方案設計和優化方法的掌握。情景教學平臺建設的基本目標是使學生更積極主動參與教學互動，培養學生良好的動手習慣、提出問題并解決問題的能力。從根本上強化工業工程專業本科教學的實踐特色。為此，工業工程專業情景教學平臺的設計主要體現:學生動手操作與情景分析相結合、演示性與研究創新性相結合、計算機仿真與案例相結合等三個基本原則。通過創設生動的生產物流和供應鏈情景，引導學生從系統工程的視角去觀察企業生產流程、思考企業生產現場供應鏈運行過程中可能存在的問題;以案例庫為載體引導學生進行自主探究性學習，Flexsim仿真系統則使學生置身于企業生產活動和供應鏈運行過程的虛擬環境中，參與供應鏈規劃與設計。根據情景教學平臺構建的指導思想，工業工程專業情景教學平臺的功能要求是:

● 可參與性

區別于以往工業工程教學法，本平臺首先強調學生參與的主動性，打破以往被動學習的局面，注重訓練學生基本技能，這一過程充滿了學生和平臺系統的信息交換過程。學生可以參與的環節主要表現在:參與實驗模擬和角色體驗場景，培養學生對生產現場的認知;參與Flexsim仿真實驗過程，培養學生的動手解決問題的能力;參與案例環節，為學生進一步自己動手優化方案打下基礎，培養學生思維的廣闊性。

● 可控制性

情景教學平臺盡可能模擬工業企業生產經營系統的設計和運行，為了保證平臺的正常運行和教學效果，整個實踐教學過程應當在教師嚴格控制之下，由任課教師引導運行。平臺的可控制性表現在:控制情景教學的進度，確保實驗過程順暢進行;控制訪問權限，提高教學平臺的安全性;以學生創新性學習為中心實行控制管理。實現整個教學平臺全面控制與仿真實驗重點控制相結合;嘗試實驗案例剛性控制與示范案例柔性控制相結合。

● 可優化性

本平臺通過機器分析，可輸出模擬系統本身的運行狀態，從而為系統參與主體反饋系統(方案)參數，設計仿真實驗和實施生產方案，引導學生對既定生產方案做出評價。其次，平臺在運行過程中，應根據學生提出的設計方案和仿真模擬結果，引導學生進一步優化方案，培養學生的創新性思維。

● 可更新性

隨著時間的推移和生產實踐等外部條件的變化，本平臺提供的情景庫、案例庫及方案優化方法等，應根據生產實踐和參數要求，可以進行相應的變化和更新，從而保證模擬教學平臺的廣泛適應性，為不同生產環境及系統要求，提供不同的方案庫、模擬案例庫、方法優化以及方案設計思路。

三 工業工程專業情景教學平臺的模塊結構

工業工程與管理涉及企業物流系統設計、診斷、優化和信息管理等過程。工業工程專業的主干課程(系統工程、物流工程、設施規劃與設計、生產運作管理等)均可以使用該情景教學平臺進行實踐教學。根據工業工程專業情景教學平臺的功能要求，情景教學平臺的核心系統包括以學生為主體的Flexsim情景模擬與仿真、以教師為主體的教師管理、師生共享的資源案例庫等基本功能模塊，還有方案優化與系統分析、學生考核、系統輸出等輔助功能模塊。(如圖1所示)

在情景教學平臺系統中，為了向學生直觀地展現現代企業生產管理系統，描述企業生產物流系統物理模型設計的全過程，系統設置了實物模擬場景、角色體驗場景、仿真實驗場景設計等三個依次遞進的過程，實物模擬場景能讓學生了解現代制造企業生產、物流等設施的布局。角色體驗場景讓學生積極主動地參與，進入企業生產物流系統的角色中，體驗情境。Flexsim仿真實驗場景設計是情景教學系統的重要內容，可根據生產環境具體要求，引導學生進行虛擬的實驗場景自主設計。

Flexsim軟件作為新一代離散事件系統仿真的有效工具，它可以建立集建模、仿真和可視化于一身的真實生產系統的3D模型，能快速進行企業生產物流系統建模并改進，從多個備選方案中找出最優方案;還可以用動畫演示的方式模擬生產系統的運行流程。操作簡便，易于學習，非常適用于實踐教學，學生可以根據生產系統的設計要求，通過設定和選擇生產系統參數對企業生產物流系統建模仿真，并在Flexsim中編制相應程序，模擬實際生產物流系統運行狀況，并統計和分析模擬結果。Flexsim仿真實驗的一般步驟為系統調研與問題分析、制定方案與目標、系統描述和假設、收集數據和信息初步處理、系統模型構建、確定仿真算法、建立仿真模型、運行驗證和確認模型、系統方案分析、修改系統參數、重復仿真運行和分析，直至輸出最優方案。(具體實驗過程如圖2所示)。

系統參數決定生產物流系統的運行狀態，建立的模型又制約生產及物流系統運行中的邏輯過程。通過查詢資料庫，引導學生修正系統參數;模型確認旨在判斷前期建模是否存在邏輯性錯誤;關于最優方案，通過優化及重新設計實現最優方案。

案例庫是情景教學的另一個重要內容，包括示范案例及實驗案例。示范案例用于初學者了解及掌握Flexsim仿真軟件，并熟悉仿真實驗的整個流程及操作，學生可隨時訪問。實驗案例根據課程教學內容編寫，對每一實驗均有標準模型、運行結果及系統分析，學生只有完成每次仿真實驗，才能查看案例運行的結果，他們可自行對照標準運行結果，分析自己的實驗結果，并提出改進模型及方案。案例庫的建立和情景教學系統兩者互為補充，情景教學系統幫助學生最大限度彌補生產實踐感性不足的缺陷，真正學會如何進行生產系統、生產物流設施規劃方案等的設計，而案例庫幫助學生理解和消化一定的內容，使情景教學的功能發揮得更加淋漓盡致。

教師管理系統設置教師訪問和更新指令，用于教師發布相關教學與案例資料、安排實驗內容等，指導學生參與實驗，同時監控實驗教學過程、并對實驗結果進行評價和檢查。

四 工業工程情景教學平臺的運行:企業生產與物流系統分析流程

1 現代企業生產與物流系統實物模擬場景

在工業工程實驗室建立一個柔性化的、可組合式的現代生產企業小型生產過程及物流模擬系統，按照生產及物流設施布局圖，裝配物流設備，包括生產企業原材料入庫、出庫、半成品加工、生產流水線裝配到成品入成品庫各個功能環節的物料搬運過程，真實模擬制造型企業物流與生產計劃控制的集成過程(如圖3所示)。

2 企業倉儲管理系統的角色體驗場景

企業倉儲管理系統的角色體驗場景的設計，是以真實的工業產品為對象，在對產品結構分析和BOM設計實驗的基礎上，利用Flexsim物流仿真系統開展貨位規劃與設計的技能訓練，設計立體化倉庫(如圖4所示)，使學生在親身體驗中理解貨位管理基本理論和方法。

3 企業流水生產線仿真模擬實驗

生產與物流系統實物模擬場景和企業倉儲管理系統的角色體驗場景，是從兩個不同角度，簡要說明模擬教學平臺的基本運行條件。當然，不論是實物模擬場景和系統角色體驗場景，均可以根據不同的教學需要進行有針對性的選擇(視系統情景庫的更新頻率而定)。工業工程情景教學平臺的仿真實驗采取個人單獨實驗，完成實驗后同學之間、師生之間可以相互探討設計的方案并進一步優化方案。以下以企業流水生產線方案設計與仿真模擬實驗為例，簡要描述工業工程情景教學平臺的運行過程。

● 企業生產線系統描述及仿真實驗目的

本模擬生產線系統是某生產車間的一條由簡單的3道工序組成的“流水生產線”。在仿真模型中，原材料被運入車間的生產線，原材料經過加工、包裝、檢驗三道工序，將加工好的成品通過運輸機運送至貨架。仿真實驗的目的是:①讓學生了解流水生產線的系統設計;②學會添加、設置、生成器Source、暫存區Queue、處理器Processor等常見實體;③利用Flexsim系統，運行流水生產線的設計，并設法優化流水生產線。

● 仿真實驗原理

通過模擬微型企業簡單的生產線設計過程，在完成產品結構分析及掌握相關理論知識基礎上，建立流水生產線的仿真模型，使學生在參與和體驗中理解生產線布局的基本方法。

● 仿真實驗的步驟及內容

首先通過Flexsim系統創建生成器Source、暫存區Queue、處理器Processor等實體，具體包括三道工序對應的三名操作員。其次，對各實體設置合理的運行參數。通過一個全局表來設定原材料到達時間，設平均每分鐘上流水線的原材料為20件，即每5秒到達一件，相應參數設置如圖5所示。

由于本生產線僅模擬一種產品的生產過程，因此，所用原料均相同，各道工序加工后形態均不同，最后它將被加工成為成品運送至貨架。本例中，利用發生器生成4種不同顏色的臨時實體來模擬各工序完成后的產品形態。紅色代表原料，黑色代表經第一次加工后的半成品，藍色代表第二次加工后的半成品，淺綠代表成品(參數設置如圖6所示)。最后，原料被加工成為成品后，由傳送帶傳送至成品暫存區，任務執行器運輸機將它們送至貨架。

整個實驗過程運行結果如圖7所示，此為工業工程情景教學平臺模擬運行中的某一時刻截圖。其中，紅色實體(原材料)經第一道工序加工轉變為黑色(在制品)，再經第二道工序加工轉變為藍色(半成品)，第三道工序加工后成為淺綠色(成品)，最后輸送機將它們從暫存區送至貨架。經過一段時間的運行，操作者會發現系統空閑時間分布以及生產線的均衡狀態。系統的運行過程同時也能引導學生進行優化方案的設計。

通過方案優化和調整，學生在設計、運行、操作自己設計的流水生產線并與原有方案對照，通過運行結果分析，不斷提出更加合理、優化的新方案。另一方面，在撰寫實驗報告并提交的基礎上，教師可引導學生查看實驗案例庫中關于流水生產線系統設計要求、參數和規范，對照學生自己設計的系統，總結設計經驗、分析教訓，加深相關專業知識的理解，提高實踐和創新能力。

五 情景教學平臺的使用的效果評價及結論

工業工程情景教學平臺充分利用計算機仿真技術、信息技術等，可以同時滿足工業工程專業多門課程的實踐教學需要，大幅度提高了學生的動手能力和創新能力。對于學生而言，利用工業工程情景教學平臺，工業工程專業將為更多學生提供完成實習、課程設計、畢業設計等實踐活動的機會。經過在西安電子科技大學等西安部分高校的推介，反映良好。特別是對于生產管理與企業物流設施規劃、生產運作管理等課程的教學，學生學習興趣有了明顯提高，學生動手能力也有所加強。應當說，工業工程情景教學平臺為探索工業工程專業課程教學改革邁出了堅實的第一步，也為我國高等院校工業工程專業相關實踐教學課程教學效果的提高、教學過程的規劃等，提供較為系統的借鑒。

從長遠看，經濟管理類專業的本科教學乃至研究生教學，都應該從物理模型的角度重視實踐教學環節和學生能力訓練，將更有利于學生加強對工業工程系統理論的理解，促使學生實踐創新能力的提高。同時，工業工程情景教學平臺也有利于在借鑒和引入西方的“兩階段教學”經驗的基礎上，使經濟管理類專業的所有實踐教學朝著更加系統化、柔性化的方向發展。一方面將更好幫助學生強化理論聯系實際能力，發揮學生的創造性思維，另一方面，則適應現代工業管理不斷發展的教學理念和信息化環境，完善、提高經濟管理類專業學生的感性認知水平。

參考文獻

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