工業(yè)工程專業(yè)《系統(tǒng)建模與仿真》課程教學(xué)探討

摘要：《系統(tǒng)建模與仿真》是工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，筆者總結(jié)了幾年來的教學(xué)經(jīng)驗，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、平時作業(yè)和實踐環(huán)節(jié)、考評方法四個方面探討如何改進(jìn)教學(xué)，以期提高教學(xué)效果，增強學(xué)生的仿真應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)工程；系統(tǒng)建模與仿真；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）52-0262-02

工業(yè)工程（Industrial Engineering，簡稱IE）起源于20世紀(jì)初的美國，它以現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)為背景，在發(fā)達(dá)國家得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)工程專業(yè)培養(yǎng)具備現(xiàn)代工業(yè)工程和系統(tǒng)管理等方面的知識、素質(zhì)和能力，能在企業(yè)從事生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)等管理系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、評價和創(chuàng)新工作的高級專門人才。我國最早于1993年招收工業(yè)工程專業(yè)的本科生，目前已有70余所院校設(shè)有工業(yè)工程系或?qū)I(yè)。國內(nèi)工業(yè)工程專業(yè)的培養(yǎng)模式主要有兩種：一種是管理類本科，授予管理學(xué)學(xué)士學(xué)位；一種是機(jī)械類本科，授予工學(xué)學(xué)士學(xué)位。我校于2006年獲得工業(yè)工程專業(yè)辦學(xué)資格，開設(shè)在經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院（后改為商學(xué)院），2006年招收了第一屆本科生。《系統(tǒng)建模與仿真》是工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它是一種基于模型實驗的系統(tǒng)建模與分析工具，是對運籌學(xué)等理論優(yōu)化方法的有力補充。事實上，現(xiàn)實中的系統(tǒng)大多是復(fù)雜系統(tǒng)，理論分析方法往往無能為力，因此系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)對分析、設(shè)計和改進(jìn)實際系統(tǒng)是非常有用的。然而，在四屆學(xué)生的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)這門課程的教學(xué)存在著很多問題。本文總結(jié)了教學(xué)中的經(jīng)驗教訓(xùn)，對今后的教學(xué)提出了一些改進(jìn)建議。

一、教學(xué)方法的改進(jìn)

“興趣是最好的老師”，培養(yǎng)學(xué)生對該課程的興趣是非常重要的。上好第一堂課是至關(guān)重要的第一步，在第一堂課中不僅要讓學(xué)生了解本門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而且要介紹仿真在實踐中的重要作用，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。所以第一堂課中可以介紹一些實際案例，包括往屆學(xué)生的畢業(yè)論文案例；還可以運行仿真軟件，讓學(xué)生對仿真形成一些感性的認(rèn)識。該課程的理論教學(xué)內(nèi)容比較多，包括離散事件系統(tǒng)仿真的基本原理、輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析理論等。學(xué)生往往迷失在理論公式當(dāng)中，覺得學(xué)習(xí)起來比較困難，另一方面也覺得比較枯燥，喪失了學(xué)習(xí)興趣。所以理論教學(xué)應(yīng)該回歸到這門課程的教學(xué)目標(biāo)上來，也就是以培養(yǎng)學(xué)生的能力為導(dǎo)向。首先應(yīng)選擇難度深度適中的教材，我們選用的教材是衛(wèi)強、陳國青主編的《管理系統(tǒng)模擬》，實驗課教材選用的是施於人等編著的《eM-Plant仿真技術(shù)教程》；其次在理論教學(xué)過程中，應(yīng)盡量避免艱深的理論以及對公式的推導(dǎo)；最后講解理論時多結(jié)合實例或案例，幫助學(xué)生理解相關(guān)的理論，培養(yǎng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力。

二、教學(xué)內(nèi)容的安排

本課程分為理論課和實驗課兩部分，其中理論課時為48，實驗課時為52（連續(xù)兩周時間）。實驗課安排在學(xué)期末進(jìn)行，主要是讓學(xué)生學(xué)習(xí)Plant Simulation（原名為eM-Plant）仿真軟件，并能夠運用該軟件完成一個案例的建模和仿真分析。應(yīng)該說，這樣的課時安排是非常充裕的。雖然有獨立的實驗課程，理論課程的教學(xué)內(nèi)容仍然應(yīng)該與實踐結(jié)合起來。理論與實踐的結(jié)合有兩方面：一是把課本中講理論知識的部分與講操作實踐的部分結(jié)合起來；二是將理論知識與相關(guān)的仿真案例結(jié)合起來。對于前者，可以講解Excel和Plant Simulation仿真軟件如何來實現(xiàn)相應(yīng)的理論。例如：講解蒙特卡羅模擬時，用Excel演示講解報童問題的仿真；講輸入數(shù)據(jù)分析時，演示如何運用Plant Simulation軟件中的DataFit對象將采集到的數(shù)據(jù)擬合為理論分布。對于后者，可以在理論知識講完后及時舉一個相關(guān)的案例。比如講解第一章管理系統(tǒng)模擬概述時，可以舉一個面包店經(jīng)營仿真的例子，這個例子比較簡單卻非常具有代表性：小李想自己開家面包店，如果日均利潤超過50元，他就決定實施這個方案，如果利潤并沒有預(yù)期的好就放棄。如何運用仿真技術(shù)幫助小李做出決策？解決這個問題涉及到仿真的各個環(huán)節(jié)，包括仿真目標(biāo)的確定、相關(guān)因素分析、數(shù)據(jù)采集、仿真建模、仿真實驗及結(jié)果分析。由于問題比較簡單，可以用Excel進(jìn)行仿真，所以技術(shù)上并不復(fù)雜，可以更好地讓學(xué)生了解仿真的作用、仿真的建模方法以及仿真結(jié)果的處理和分析，由此對本門課程的內(nèi)容有一個整體的把握，更好地理解了前面所講的仿真理論。

三、平時作業(yè)和實踐環(huán)節(jié)

要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果還必須給學(xué)生布置適當(dāng)?shù)恼n后作業(yè)，督促他們復(fù)習(xí)消化課堂上所學(xué)的知識。作業(yè)可以是獨立完成的習(xí)題或者是用Excel完成一個小仿真，也可以是小組合作完成一份調(diào)查報告或者合作收集數(shù)據(jù)資料等。作業(yè)的考評也計入期末的總評成績中，從而督促學(xué)生認(rèn)真完成作業(yè)。實驗課作為一門獨立的課程放在學(xué)期末進(jìn)行。如果說理論課是一種教師主動教、學(xué)生被動學(xué)的教學(xué)方式，那么實驗課則相反，學(xué)生主動尋找解決問題的方法，教師只在必要的時候進(jìn)行指導(dǎo)和點撥。實驗課上學(xué)生以小組為單位完成老師布置的仿真任務(wù)，任務(wù)具有一定挑戰(zhàn)性，是學(xué)生以前沒有做過、教師也沒有講過的某個生產(chǎn)或物流系統(tǒng)的仿真；另外任務(wù)的難度適中，保證學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)能夠完成。實驗完成后以小組為單位演示仿真模型并進(jìn)行答辯，教師根據(jù)答辯情況給小組打分，并根據(jù)每個成員的工作內(nèi)容給出個人成績。這樣既考慮了小組的整體成果又兼顧了個人表現(xiàn)，避免了某些學(xué)生“搭便車”的心理。實驗不僅有助于學(xué)生加深對仿真理論的認(rèn)識，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊合作精神，所以很多學(xué)生表示在實驗課上有很大收獲。

四、考評方法

期末考試作為綜合全面考核學(xué)生的基本知識掌握程度和能力水平的一種方式是必不可少的。除此之外，總評成績還將學(xué)生的平時表現(xiàn)（作業(yè)成績和出勤情況）納入考核范圍。目前我們對各部分的分值比例設(shè)置為出勤10%，作業(yè)20%，期末考試成績占70%。今后也可適當(dāng)提高平時作業(yè)成績的比例，以加強學(xué)生對作業(yè)的重視程度。

以上是對本課程教學(xué)的一些經(jīng)驗總結(jié)和探討。俗話說“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個人”。如果把仿真領(lǐng)域看作一片森林，那么課堂教學(xué)只是帶學(xué)生來到這片森林邊沿，對這片森林更深入的了解需要學(xué)生自己出發(fā)去跋涉、去游歷、去探索、去欣賞。如何才能讓學(xué)生對這片森林有準(zhǔn)確的了解并迅速喜歡上這片森林，需要帶領(lǐng)者對這片森林有整體的認(rèn)知和更準(zhǔn)確的了解。令人欣慰的是，已經(jīng)有學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)和論文中自覺地運用仿真方法對實際系統(tǒng)進(jìn)行分析和改進(jìn)，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。相信隨著教學(xué)方法的不斷改善，會有越來越多的學(xué)生能夠熟練掌握仿真這一工具，為我國的IE事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

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基金項目：本文受到2012年上海市教委085內(nèi)涵建設(shè)項目1-4-4資助

作者簡介：嚴(yán)浩云（1975-），女，副教授，博士，專業(yè)方向為工業(yè)工程。