工業工程實驗教學體系的研究

王 巍，楊一楠，肖生苓

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

工業工程 (industrial engineering，IE)研究的是工業領域的效率與發展，在我國起步比較晚。20世紀90年代，我國為了適應社會進步和經濟發展的需要，開始在高校設立工業工程專業。經過幾十年的發展，工業工程已經成為工科中比較熱門的專業。但是，由于起步較晚，我國的IE的發展現在還處在一個比較遲緩的階段，專業建設相對基礎比較弱，因而IE的教學實踐方面還需要大大提高。

IE的技術和理論知識很多來自社會生產實踐，專業的落腳點是實際生產。因此，工業工程人員必須具備很強的實踐經驗和分析問題解決問題的能力，并善于改善和優化生產系統。顯然在IE教學中實踐教學的作用非同小可。那么，如何改變目前這種比較落后的IE實踐教學的現狀成為各高校關注的熱點問題。

1 工業工程的含義與教學實驗的關聯性。

工業工程 (industrial engineering，IE)是對人、物料、設備、能源和信息等所組成的集成系統，進行設計、改善和實施的一門學科，它綜合運用數學、物理和社會科學的專門知識和技術，結合工程分析和設計的原理與方法，對該系統所取得的成果進行確認、預測和評價。工業工程作為一門技術與管理相交叉的學科，其生命就在于實踐。IE的發展離不開其實驗體系的完善和創新，因此IE實驗室的建設不容忽視，工業工程專業人才培養與實踐教學關聯情況如圖1所示。

2 國內IE實踐教學體系存在的問題

目前工業工程專業實踐教學存在的主要問題表現為:

(1)各實踐教學環節獨立，多為具體的課程服務，缺少銜接紐帶，沒有形成一個有序的整體體系。

(2)實踐教學體系缺乏先進性、實用性、創新性和有效性，主要原因是設備條件有限或實驗設備陳舊，很多實踐教學內容脫離科技發展和企業的需要。

(3)教學模式比較單一，缺乏綜合實踐教學環節使得學生主動性和創造性難以發揮，只能局限于課堂的理論講述。

(4)實驗以驗證性為主，缺少綜合性、設計性和開放性實驗，這樣對于學生的動手能力和創造 力的培養極為不利。

圖1 工業工程專業人才培養與實踐教學關聯圖Fig.1 Relationships between talents and teaching experiment of industrial engineering major

另一方面，從工業工程本身的特點看，該領域是綜合運用數學、物理學和社會科學等很多方面的知識和技術，以及工程分析和設計的原理與方法，對人員、物料、設備、能源和信息等進行設計、設置、評價和改善的一門系統工程學科。那么，在設計教學實驗時，必須強調現代IE的作為一個系統的特點，除考慮對學生的基本技能訓練外，還必須注意知識的系統性、連續性以及綜合運用所學知識和技能來解決復雜問題的能力的培養。東北林業大學工業工程專業在近幾年的發展中，已經在實驗教學體系中取得了一定的成就，比如倉儲實驗室的布置和設置，與工廠中實際生產的布置很相近，有生產監控設備，有AVG小車，有模擬倉庫和模擬的流水線等等。但還存在一些問題，例如，在流水線上做實驗時，是在靜止狀態下，上面沒有實際可操作的加工零件;理論上AVG小車是用于搬運倉庫的貨物，但是，實驗室中AVG小車只能實現一個水平高度的移動而不能實現倉庫高處的貨物的搬運。很多工廠中的倉庫搬運車的搬運爪是可以上下升降的，這與生產實際還有一定的距離。

3 IE實驗教學體系的目標

為了改變IE教學實驗體系的現狀，需調整IE教學實驗體系的目標:

(1)培養學生的動手能力;

(2)提高學生的分析問題解決問題的能力;

(3)為學生在今后的工作學習中打下扎實的理論基礎;

(4)理論與實驗、實踐有機融合，為學生將來成為工業工程師創造條件。

通過提出一個新的教學實驗體系，目的就是達到上面的目標。新體系是一個囊括了開發設計型實驗和復雜綜合型實驗的整體系統。該系統中包括設置新的實驗項目，改善舊的實驗儀器，用由網絡和計算機組成的平臺進行交互型教學實驗等。

首先，從設置新的實驗項目的角度來說，可以在原有一些實驗基礎上，加入學生實際動手操作流水線的內容;加入人機工程類實驗，例如設計人機工程關于用戶界面的實驗，這里可以用到計算機類的知識和設計類知識，同時，鍛煉了學生系統思維的能力;還可以加入人因工程的工作地微氣候測定實驗，這樣也增加了實驗本身的趣味性;增加測噪聲的專業實驗室;增加測定勞動強度的實驗等等。

4 實驗體系基本結構

實驗需包括認知型實驗、綜合型和開發設計型。這三種實驗是基于為學生走入社會，為今后的實際工作的需要考慮，課堂理論與實驗緊密結合，并且與實踐工作內容緊密相關的實驗類型。實驗的目的是培養學生的動手能力，提高發現問題、解決生產實際問題的能力。

4.1 實驗類型

為了達到前面所述目的與要求，將體系分成幾個模塊，通過實驗的不同方式和不同類型來體現IE系統規劃，設計，評價和改進功能。這也是對IE基本知識的驗證和基本技能的訓練。具體將教學實驗體系分為以下幾類

(1)認知型實驗。該類實驗室對某類理論進行驗證的實驗。如工作抽樣，勞動強度等等一些實驗。

(2)綜合型實驗。指綜合運用多種知識和技能的較復雜的實驗。如工序質量控制，工時定額分析等一系列實驗。

(3)開發設計型實驗。此類實驗運用到多門專業知識，需要多種技能的大型實驗。此類實驗需要參與人員的創新思維和具備多領域知識。人機開發設計實驗，簡單的用戶界面設計或者是根據一個特定的用戶和一個特定的產品的交互進行設計的實驗，如MRP系統設計、產線平衡設計、流水線設計等。

以上3種體現了不同的復雜程度和實驗層次，它們均是獨立開設但同時又是互相聯系的。一個綜合實驗可能包含幾個單項認知型實驗機器結果，而開發設計型實驗又同時包含多個綜合型或認知型單項實驗及其結果。

總的來說，加入了復雜的開發設計型實驗會使實驗的系統性大大增加，不再是單獨的無聯系的一些簡單實驗，而是將多個小的實驗聯系在一起，互相制約地形成了一個整體。如人機設計實驗中，在對用戶界面設計時，需要運用仿真的一些實驗，還要參照企業的實際案例等各個方面。

4.2 工業工程實驗體系基本結構

工業工程實驗體系基本結構如圖2所示。

圖2 工業工程實驗體系框架Fig.2 Framework of IE laboratory system

5 IE教學實驗體系的實施

5.1 實驗方案與計劃

根據不同對象，設定不同的實驗方案與計劃如圖3所示。

圖3 企業戰略與IE實驗教學方案表Fig.3 Program table of corporation strategy and IE teaching experiment

5.2 小型工廠化的設備配置

工廠化配備實驗設施可以模擬實際生產的過程。配備工廠化的設備，使得實驗室成為小型化、微型化的工廠。東北林業大學的物流倉儲實驗室的設施配備就是遵循了工廠化配置的基本要求，模擬了工廠中實際倉儲的結構和流程，從入庫到出庫，再到運輸和流水線都模擬了實際的工廠生產過程。

同時，小型工廠化配置設備也是實驗室的定位和趨勢。除了流水線和倉庫之外，還需要微型化的加工車間，教學型的裝配車間和裝配線，培訓專用的數控加工中心和柔性加工系統等等。具體的實例有:先進制造的實驗可以用CIMS子系統進行生產的調度和計劃的模擬;或者以一個具體的工業產品的制造為對象，如保溫杯的制造過程，產品的質量可靠性實驗 (工序能力調查，質量控制，抽樣檢驗)，生產計劃與控制實驗 (開發的方案實驗，多品種小批量生產)，ERP實驗等等。這些實驗的開發也體現了實驗整體的內在綜合性和連貫性。

5.3 IE實驗教學軟硬件的共同發展

隨然IE實驗室硬件配置實現了綜合性，但實驗室在開放性和開發性方面還有待提高。綜合型也反過來體現了實驗室的經濟型。另外，現在國內比較缺乏仿真類軟件，決策分析軟件等等。上海一些高校的IE管理在數字IE技術與管理平臺安裝了witness生產與服務系統運作仿真系統，ProModel生產系統建模與仿真軟件包;運籌學計算機軟件包Storm，CPN/Design色彩Petri網絡建模軟件包。但以大多數院校的實際情況而言，企業資源計劃類軟件，物流仿真軟件，生產計劃與控制仿真的軟件還是相對缺乏的。

6 結束語

國內工業工程實驗教學體系需要從實驗的種類和內容上增加，由過去的驗證性實驗占絕大多數的局面轉變為多種實驗類型相結合。新的教學實驗體系要從形式上發生一定變化。將傳統的實驗轉變為學生真正體驗到工廠生產情景的實驗，發揮便捷的網絡資源和計算機資源優勢，在形式上變得靈活起來，增強趣味性，激發學生自主學習熱情。

我國IE人才的培養不僅要借鑒國外先進的教學實驗經驗，也要結合國內的實際情況和各高校的條件，通過不斷調整使理論課程和實驗環節聯系更加緊密，設置更加合理，為工業工程人才建設添磚加瓦。

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