經管院校工業工程實驗教學平臺規劃與建設

李文川， 馮良清

（南昌航空大學經濟管理學院，江西南昌 330063）

0 引言

工業工程（Industry Engineering，IE）起源于20世紀之初的美國，是在工業化大生產背景下伴隨著“專業化和勞動分工”理論以及泰勒“科學管理”思想逐步演化而來的一門學科。IE強調利用系統工程的思想，綜合數學、運籌學、自然科學、人文社會科學等多學科領域知識與技術對由人、設備、物料、信息、能源等組成的系統進行整體規劃、設計、評價和創新，提升企業的生產效率和社會經濟效益［1-2］。在IE理論發展的100多年里，其理念和應用范圍從最初的生產制造業拓展到工商業、服務業、政府機構、軍事部門等諸多領域。可以說，IE學科的發展對于國民經濟的發展、企業管理理念的提升、工業技術的升級以及裝備自動化具有重要的推動作用［3-4］。

由于IE是一門管理與技術相結合，實踐性很強的應用學科，所以對高校來說，如何培養出具有扎實理論基礎和較強實際問題解決能力的綜合性應用型人才是一項長期而艱巨的任務。IE實驗通過對所學專業知識的驗證、綜合和創新設計，有利于鞏固基本理論知識，提升學生的操作和創造能力。因此，科學合理地進行IE實驗室的規劃和建設可為IE學科育人目標的實現提供切實可行的途徑。

我國IE學科發展和人才培養雖然還不到20年的歷史，但截止2011年底有近180所高校開設有IE專業。其中：在人才培養模式方面，大約50%高校采用機械類培養模式，40%高校采用管理類培養模式，10%高校采用特定類型培養模式［5-6］;在實驗室規劃和建設方面，絕大部分高校都已建成IE實驗室或正在規劃籌備之中［7］。就高校實驗室的長遠規劃來說，促進學科融合、資源整合，推進開放性實驗教學平臺的建設將是總體趨勢。特別是對于管理類工業工程培養模式，由于IE專業與學院其他管理類專業在課程設置上具有一定交叉和互補性，以IE實驗室為核心構建開放的公共實驗教學平臺將極大促進經管院校的學科建設和育人質量。現結合我校IE實驗室的建設情況就經管院校IE實驗教學平臺的建設進行探討，期望能給類似院校IE實驗室的建設提供一定參考經驗。

1 IE實驗教學平臺建設依據和原則

1.1 建設依據

（1）IE專業學科特點及培養目標。IE實驗室的建設是IE實驗教學平臺建設的核心，而IE專業的學科特點及培養目標又是IE實驗室建設的基礎。

從IE專業學科特點及發展趨勢看，IE專業的發展經歷了兩個階段：傳統IE和現代IE。傳統IE通過時間、動作研究、廠房布置、物料搬運、生產計劃和日程安排等對生產系統進行局部優化，以提升生產效率為主要目標;同傳統IE相比，現代IE在研究對象、方法和目標等方面都得到了極大擴展，強調以系統工程和運籌學為理論基礎，綜合運用多種學科知識、方法和高新技術對各種生產、運營及服務系統進行整體規劃、設計、評價和創新，實現多方面綜合效益的提升。

從培養目標看，主要培養具備現代工業工程和系統管理等知識、素質和能力，富有開拓和創新精神，能在企業從事生產、經營、服務等管理系統規劃、設計、評價和創新工作的復合型應用型人才［8］。

（2）現有IE實驗室建設及其不足。目前我國IE實驗室的建設按照人才培養模式的不同，其建設思路主要分為以下幾種類型：①以硬件為主。主要包括流水生產線系統、電子分揀系統、立體倉庫系統、人因工程實驗設備、生產制造系統等，代表院校有合肥工業大學、上海海事大學、首都經貿大學、華東交通大學等。硬件為主的IE實驗室能讓學生對生產系統具有較為直觀的認識，不足之處在于設備投入大，運行效率較低，維護難度大，多為驗證性實驗且實驗內容單一。②以軟件為主。主要包括ERP軟件、工業工程基礎軟件、物流系統規劃設計軟件、系統建模仿真軟件等，代表院校有上海交通大學、重慶大學、中國礦業大學、南昌大學等。該類實驗室占用空間小、投入成本較低、實驗內容較為豐富，不足之處在于缺乏對生產運營系統的直觀認識，通過軟件模擬企業生產運營過程，模擬結果與企業實際情況具有一定差距。③ 軟硬件集成。通過軟硬件集成彌補上述兩類實驗室的不足，代表院校有清華大學、山東大學等。該類實驗室通過軟硬件集成的方式圍繞一個統一的實驗對象來進行各教學環節的實驗設計，整個IE實驗體系能夠模擬企業從設施規劃與布局、物流系統設計、生產計劃與控制、質量管理、流程改進、人因工程等大部分IE活動，有利于提升學生的實際動手能力和創新能力［9-10］。

此外，現有IE實驗室還存在以下不足［11-13］：大部分高校未建成專門的IE實驗室，實驗類型以驗證型實驗為主，實驗內容、實驗形式和實驗手段也很單一;面向學生能力培養的綜合型、設計型實驗較少;實驗方式單調，實驗效果不佳;實驗教學資源未有效集成，無法復用等問題。

1.2 建設原則

（1）體現學校特色，發揮學科優勢。雖然眾多高校都開設有IE專業，但IE實驗教學平臺的建設并非千篇一律，應在保證IE人才培養目標的前提下，充分發揮各學校、學院自身特色及學科優勢，立足于某一行業背景，依托學科團隊的專長領域進行實驗項目、實驗內容和實驗手段的選擇和設計，提升實驗效果。

（2）理論與實踐相結合，培養創新能力。IE專業的產生背景和學科特點決定了IE實驗教學平臺的建設必須堅持理論與實踐相結合的路線。IE實驗教學平臺的建設不僅要使學生了解、掌握某些單一知識點，還要培養學生綜合運用一系列知識和方法解決某些問題的系統思維，最終能獨立和協作進行創新設計，這也充分體現了高校人才培養模式的多層遞進特性。

（3）服務教學，兼顧科研。IE實驗教學平臺的服務對象既包括學生還包括老師。其中，學生層次包括本科生和研究生，本科生偏重于實際操作能力的培養，研究生偏重于科學領域的探究。IE實驗教學平臺應首先保證學校的實驗教學工作，其次還需考慮教師以及研究生的科研需要，通過教師的科學研究成果和科研水平帶動研究生以及本科生能力的提升，充分體現教學育人和科研育人的雙重育人理念。

（4）資源整合，開放多樣。由于IE學科涉及企業生產運營的整個過程，特別是經管院校的IE專業同其他管理類專業在課程設置方面具有一定交叉，因此IE實驗教學平臺建設要注重相近學科間實驗教學資源的整合，避免“實驗資源孤島”現象。此外，為提高實驗資源的利用率，應遵循開放多樣的原則，向相近專業或有培訓需要的企業或社會人員開放，體現高等院校服務社會的責任。

（5）總體規劃，分步建設。IE實驗教學平臺的建設投入大，周期長，需做好總體規劃，分步實施。具體來講，應根據專業發展規劃逐步完善，不斷積累經驗。在資金有限條件下以滿足基本實驗教學為目標，兼顧科研實，同時考慮可擴展性，以適應分期建設的需求。此外，還需追蹤IE學科的發展趨勢，注重平臺建設的長期性和可持續性。

2 經管院校IE實驗教學平臺規劃

根據IE實驗教學平臺的建設依據和建設原則，結合經管院校IE實驗教學平臺的實際需求，提出經管院校IE實驗教學平臺的體系結構，如圖1所示。

圖1 經管院校IE實驗教學平臺體系結構

2.1 實驗目的

根據高校的人才培養目標，IE實驗教學平臺系列實驗的目的在于深化基礎理論知識，培養分析和解決問題的系統思維，提升學生綜合能力。

2.2 實驗內容

經管院校IE專業及其他管理類專業涉及實驗實踐環節的課程主要包括基礎工業工程、人因工程、質量管理、企業資源計劃、生產運作管理、設施規劃與物流系統設計、供應鏈管理、系統建模與仿真等。除前兩門課程為IE專業特有的核心主干課程，其他課程都面向IE專業及其他管理類專業開設，如工商管理、市場營銷、電子商務、信息系統與信息管理等，不同之處在于各專業在教學目標、實驗內容和實驗要求上各有側重。此外，以上專業的部分課程設計、綜合課程設計和畢業設計都極大依賴于IE實驗教學平臺的軟硬件資源。

2.3 實驗手段

傳統的實驗手段主要包括現場認知和計算機仿真兩種方式。受成本和場地制約，實驗室不可能采購所有與課程內容相關的設施設備和實驗儀器。為讓學生更加全面地了解當前企業生產運營的現場情況和把握學科前沿動態，可通過錄像和3D虛擬現實軟件等方式擴充傳統實驗手段，再現企業生產場景，提高學生的學習興趣［14］。

2.4 實驗類型

根據實驗目的和學生層次的不同，實驗類型可分為認知型、綜合型和創新設計型三類形式。其中：認知型實驗主要面向低年級學生，使其對專業課程所涉及的內容具有一定感性認識;綜合型實驗面向中高年級學生，通過對各門專業課程的學習，綜合所學知識分析目標系統面臨的問題并提出解決思路;創新設計型實驗主要面向大四學生和研究生，使其具備規劃和設計新系統的能力。

2.5 實驗方式

傳統的實驗方式主要在實驗室進行，學生在老師的要求下，依據實驗大綱進行套路式實驗操作，實驗內容陳舊，學生實驗興趣較低，實驗效果較差。針對傳統實驗方式的不足，應充分發揮教師的引導性和學生的積極性，具體來說就是通過教師的引導，利用開放式命題，讓學生在課余期間進行實驗方案的設計并到實驗室進行方案驗證和優化。此外，各教學實驗機構應充分開展校企合作，建立一批成熟的實踐教學基地，讓學生到實踐基地或企業的生產現場進行調研和數據采集，收集的數據再拿到實驗室進行仿真和優化，完成“實驗室—現場—實驗室”的整個循環過程［15］。

3 IE實驗教學平臺應用實踐

南昌航空大學經濟管理學院目前有經濟學、會計學、工商管理、市場營銷、電子商務、信息管理與信息系統、工業工程7個本科專業以及管理科學與工程一級學科碩士點。工業工程專業于2006年獲批，2009年9月開始招收本科生。為滿足IE專業大三學生實驗實踐環節和課程設計的需要，急需建立IE實驗教學平臺，使其既能滿足學院其他專業開設相關實驗，又可輻射兄弟院系相關專業，還為教師提供科研平臺，促進學科間的協調發展。

3.1 IE實驗教學平臺建設

在實地考察、借鑒清華大學等高校IE實驗室建設經驗的基礎上，結合我校工科優勢與航空特色以及IE專業的培養方案，提出IE實驗教學平臺的建設目標為“服務實驗教學，兼顧科學研究，資源集約利用，軟硬件系統集成”，IE實驗教學平臺的基本功能為“現場模擬、創新設計、情景再現、前沿探究”。建成后的IE實驗教學平臺場景如圖2所示。IE實驗教學平臺主要由四大實驗系統組成：

圖2 IE實驗教學平臺組成

（1）航空產品生產線系統。以航空產品零部件及飛機模型為實驗對象，模擬其生產裝配過程，主要由生產線硬件系統和生產管理系統兩部分構成。其中，生產線硬件系統由生產材料存放區、塑膠工作臺、產品傳送帶、裝配線物流車、電氣控制系統組成;生產管理系統由生產線狀態監控計算機、RFID軟硬件系統、生產線工位電子看板、制造執行系統等組成。

系統的主要特點在于：①硬件系統所用設備在工業現場已廣泛采用，使學生清楚地了解工業現場中生產設備的結構形式和特點;②將計算機管理監控系統應用于實驗系統，使學生充分了解和掌握工業現場中計算機軟件技術和自動控制技術;③將RFID技術、電子看板等新進技術引入實驗系統，擴充了傳統生產管理系統的功能。其中，電子看板對生產過程進行全面的監控，以直觀、形象的方式呈現物料需求、質量檢測、設備運行、工位工時、任務進度、在制品狀態等的實時信息，實現對在線庫存的精準控制和生產物料的準時供應;RFID技術通過在實時數據采集上的優勢，實現對生產過程中的在制品監控和人員、物料的全過程跟蹤，提高管理水平和效益。

該系統作為IE實驗教學平臺的重要組成部分，通過對生產線的真實模擬，滿足“生產運作管理”、“基礎工業工程”、“質量管理”、“人因工程”等課程的實驗實踐教學環節。

（2）物流分揀系統。系統由流力式貨架、電子標簽系統和電子標簽輔助揀選信息管理系統等組成，可進行摘果式、播種式等多種物流分揀系統的實驗設計和分析。該系統可使學生了解電子標簽系統在分揀系統中的各種應用，掌握摘果式、播種式電子標簽分揀系統的實現原理，并能進行電子標簽分揀系統的設計。

（3）生產系統規劃設計、優化與仿真系統。以軟件集成平臺建設為主，實現生產系統規劃設計、運行優化等仿真功能。主要由生產系統規劃設計仿真軟件、生產系統分析優化軟件、復雜系統仿真軟件等組成。

其中，生產系統規劃設計仿真軟件具有裝配設備、操作員、機器人、輸送機、貨架、升降機、起重機、轉車臺、托車等豐富的資源對象類型，可對一般生產工藝流程進行快速建模并進行相應的數據分析，適合生產系統、物流系統的實驗教學和科學研究。學生對模擬企業或實驗室系統的參數進行調研后，利用該軟件對生產系統的日常作業、各類資源的配置、業務過程的規劃、系統性能和計劃結果的評價、風險預測等進行優化分析，找出系統性能不匹配的地方，提出改進方案，并動手加以實踐，提高學生分析問題、解決方案的能力。

生產系統分析優化軟件可進行車間布局、生產線平衡和動作研究方面的實驗教學及科學研究，主要包括車間路徑流計算、車間布局規劃、生產線平衡、動作時間評估等功能模塊。學生利用該軟件對所設計的方案布局進行分析，找出該方案中的瓶頸所在，發現方案物流路徑的瓶頸并進行改進，可加深學生對工廠企業物流分析和設施選址及評價方法的理解。

復雜系統仿真軟件通過系統動力學、多智能體、離散事件建模方法，過程流圖、狀態圖、方程系統等模塊對離散，連續和混合制造系統進行建模和仿真，并以可交互的二維、三維動畫進行顯示和數據分析。該系統主要面向研究生及教師的實驗實踐、科學研究。

（4）3D仿真展示平臺。通過引進先進的3D仿真軟件taraVRbuilder，并配置3D偏光眼鏡，使學生能運用虛擬現實技術進行三維建模、可視化管理和數據分析。該平臺的主要功能包括機場模塊3D展示、制造車間物流3D展示、出入庫作業、自動分揀、倉儲貨架管理、包裝及捆扎、打包機拆包仿真等。

該系統通過豐富的模型庫和三維動畫生動再現企業生產運營現實場景，極大節省了實驗室硬件設備的購置成本。

3.2 IE實驗教學平臺建設效果

（1）滿足IE專業核心課程實驗教學。滿足了IE專業的實驗教學及課程設計的需求。其中“生產運作管理”實驗包括航空零部件產品結構分析、裝配工藝規劃、生產線平衡、混流裝配生產實驗等;“設施規劃與物流系統設計”實驗包括摘果式電子標簽分揀系統設計、播種式電子標簽分揀系統設計、航空制造車間物流規劃設計等;“基礎工業工程”實驗包括工藝程序分析、動作分析、秒表測時與工時評價、模特排時法等;“質量管理”實驗包括質流程分析與量數據測定、質量數據分析與質量控制等;“人因工程”實驗包括流水線環境照明與生產率關系測定、環境噪聲與簡單反應時測定;“生產運作管理”課程設計和“工業工程專業綜合課程設計”。

（2）輻射學院其他本科專業及相關學院實驗教學。滿足了工商管理、市場營銷、電子商務、信息管理與信息系統等開設的“生產運作管理”、“質量管理”實驗教學;電子商務、信息管理與信息系統等開設的“設施規劃與物流系統設計”實驗教學;航空學院、飛行器學院等學院開設的“基礎工業工程”實驗教學;還可為“物流與供應鏈管理”、“物流設施與設備”、“供應鏈管理”“非線性復雜系統分析”等課程提供實驗與研究平臺;此外，本平臺的軟件系統可為管理科學與工程碩士點、航空工程及控制工程等碩士點的研究生提供實驗教學平臺。

（3）促進學科團隊科研水平提升。充分發揮IE實驗教學平臺的軟硬件優勢，為科研團隊提供研究平臺，開展科學研究和教學研究。

（4）服務地方經濟。為企業相關部門和人員提供咨詢、培訓、指導和科研成果產業化等服務，直接為地方經濟建設作貢獻。此外，積極面向社會，接受大專院校教師進修并向全省中職學校和社會提供開放服務。

4 結語

根據IE專業學科特點及培養目標、我國現有IE實驗室建設的不足進行了IE實驗教學平臺體系結構的規劃，并應用于我校IE實驗教學平臺的建設之中。經管院校IE實驗教學平臺的建設有利于資源集約，提高人才培養質量，但其建設過程具有長期性和復雜性，需要與學校的辦學理念，IE學科的發展動向、學科團隊優勢以及大學生的認知和學習規律等相適應才能發揮其最大優勢。

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