基于PBL的“生產運作管理”課程實驗教學探究

蔣南云， 方葉祥， 樊樹海

(南京工業大學工業工程系，江蘇 南京 210009)

0 引言

“生產運作管理”課程是工業工程、工商管理、信息管理與信息系統、電子商務等專業的專業基礎核心主干課程，課程開設的目的是通過學習生產運作系統的戰略決策、設計管理、運行與維護三方面內容[1]，將其應用于企業實際生產運營管理中，從而幫助企業高效、靈活、準時、清潔的生產合格產品和提供滿意服務。該課程在整個課程體系中承上啟下，地位重要，實驗環節占課程教學內容的比重較大，對培養學生工程設計能力、現場管理能力、綜合知識應用能力具有十分重要的作用，學生普遍反應該課程對后續課程及工作就業有很大的幫助。因此對“生產運作管理”課程設計良好的實驗教學環節、提高學生綜合能力，意義重大。

1 “生產運作管理”教學現狀分析

筆者從事“生產運作管理”系列課程教學多年，發現在教學過程中存在以下幾個問題:

(1)學生對生產實際缺乏感性認識[2]。由于開設本課程的專業大多設立在經濟與管理學院，學生缺乏相關工程背景，對制造企業現場沒有感性認識，因此課程需花費大量時間在描述解釋企業情況，但仍然事倍功半，學生對生產運作管理的一些方法和理論理解較困難。

(2)學生只會做題不會實際應用分析解決問題?！吧a運作管理”課程教學過程一般是先講述理論方法然后舉例題解答，中間穿插錄像或案例幫助學生理解，課后做作業鞏固。但多年實踐發現學生作業考試答題情況良好，但大四畢業設計中碰到現實企業的類似情況仍不知如何解決。究其原因，課堂講授或習題中都是教師已從現實情況中提煉出需要的已知數據，然后要求學生按照相關理論方法進行求解，而企業實際管理中出現的是紛繁復雜的現象，不是問題相關的“已知數據”。如何從企業實際運營情況中尋找提取出“已知數據”恰恰是企業生產管理的難點，但并不是課程的重點。因此學生學完課程后，只能解決書本上的難題，難以解決實際生產中的難題。

(3)教學內容難以與其他相關課程內容融會貫通?！吧a運作管理”課程內容很多，從生產運作系統的產生(設計)到生產運作系統的運行(計劃與控制)，再到生產運作系統的維護與改進，其內容與運籌學、基礎工業工程、人類工效學、預測與決策、物流系統設計、質量管理與可靠性等其它專業課程內容相交叉，教學過程中涉及其他課程內容的，只能點到為止，否則就重復授課了。但是在實際解決企業現場問題時，往往要求管理者從多個角度聯系多門課程的多個知識點共同解決同一問題，而學生在課程學習結束后掌握的往往只是該門課程的單個知識點，綜合應用各個知識點的能力較弱，很難達到企業需要的、結合各課程內容融會貫通的解決同一問題的較高層次。

(4)教學過程學生被動接受。由于學生普遍缺乏工程背景和實際工廠經驗，因此在教學過程中，很難使用小組討論、課題研究等方式讓學生直接參與討論、發現解決方法、發表自己的觀點，只能是教師結合案例或錄像講授知識，難以調動學生的學習主動性和參與積極性，也很難培養學生運用理論解決實際問題和改善的能力。

(5)實驗內容缺乏聯系不夠全面。以往實驗環節多采取軟件模擬仿真、沙盤演示、錄像播放等方式[3-5]，對理論教學內容進行補充和完善，但實驗內容一般只涉及課程內容的某一部分，不夠全面，且各實驗內容相互獨立，缺乏必要的銜接，沒有連貫性和一致性，不利于學生多方位了解問題實質，與實際企業情況也存在一定差別。尤其在實際企業管理中，現場情況復雜，人員與設備管理會出現很多干擾和突發情況，這些都是軟硬件仿真實驗或沙盤演示難以涉及的[6-7]。

2 基于問題導向學習的實驗教學設計原則

問題導向學習[8-9](Problem Based Learning，PBL)是以學生為主體，通過問題或情景引導學生思考，并建立學習目標，使學生進行自我導向型學習及實驗操作的一種教學方法。PBL能克服傳統主題導向法僅強調理論、知識點分割、學生被動接受講課內容等種種弊端，通過引入實際問題，引發學生分析問題，并鼓勵學生主動通過各種途徑搜集信息解決實際問題，從而借助整個過程，學生主動搜尋信息而學到知識[10-11]。在PBL模式下學生學到的知識印象深刻，在未來的工作中如果面臨類似的問題，學生也可以模仿該方法解決實際問題，使得知識能迅速轉化為實際應用。

為了解決“生產運作管理”課程教學存在的問題，我們將PBL應用到課程實驗環節，情景模擬出實際車間生產線，并按照實際企業的建設過程及管理模式安排順序，由教師提出導引問題，引導學生關注生產系統的設計、運行、管理到維護與改進的每一個環節，由學生自主設計實驗內容，解決每一環節存在的問題。每一環節實驗背景一致、銜接緊密，內容高度連貫統一，通過不斷解決每一環節老師提出的問題，完成整個實驗，培養學生成為活用理論的實踐家，以及具備反思能力的決策者。

3 基于PBL的實驗教學改革具體方案

3.1 問題導入式的工作現場布置

我們首先給學生設置的問題是:在一個10 m×7 m場地內，設計一條具有10個工位、包含分揀臺和質檢臺的玩具裝配流水線。由于場地面積限制與工作臺尺寸要求，學生需結合已學的“人類工效學”及本課程生產布局設計方面的相關知識進行設計。布局結果可能有多種，最合理的應是一條U型流水線。

3.2 學生轉變角色參與生產線現場運行管理

事實上，這里給出的尺寸就是實驗室場地的尺寸，我們已經在實驗室搭建好了這樣的一個U型流水線。這里教師提出:學生自行分組完成裝配由多個零部件構成的金屬直升機玩具，目標是在固定的時間內裝配完成最多數量合格產品。要達到這樣的目標，一般15名學生一組，其中10名同學分別在10個工位上進行裝配作業、2名同學進行分揀及質檢作業、3名同學作為生產經理進行現場管理，15名學生共同討論協作完成任務，涉及的實驗內容有:

(1)通過拆裝直升機完成BOM表，并熟練裝配直升機每一個零部件;

(2)測試裝配一個直升機所需的總時間，通過流程分析將動作盡量均勻分配到每一個工位上，給出產品裝配的工藝流程圖;

(3)試運行流水線，找出瓶頸工位，調整工序分配情況，消除瓶頸;

(4)對每個工位進行動作分析，利用MOD法消除冗余動作，制定標準作業;

(5)進行現場調度，結合操作人員的能力將適合的崗位分配給適當的人員;

(6)設定強制節拍，在固定時長內運行流水線，利用秒表測時法計算工位負荷、流水線平衡率及日產量，分析影響產能的主要因素;

(7)當管理者與各操作人員意見不統一時，管理人員要能及時處理并將設計與改善意圖落實到每個操作人員的裝配過程中。

整個實驗過程完全模擬企業生產現場場景，實驗內容步驟均可交給學生自行設計操作完成，教師僅布置任務、觀察完成情況及總結點評，讓學生擔任決策者、生產管理者及裝配人員的角色，充分運用已學生產線平衡設計、流程設計、MOD法、秒表測時法等知識，探索設計過程，及時發現和解決生產現場發生的各種問題，提高學生現場管理的能力。

3.3 利用仿真軟件對流水線設計進行評價及優化

通過實驗過程，學生對生產線裝配已有了一定的感性認識，此時教師又提出:人工進行流水線平衡設計計算出的生產節拍是否是最優，能否使用仿真軟件進行設計得到工位分配結果，尋找流水線進一步優化的途徑呢?這里我們為學生提供了Proplanner仿真軟件，其中的Line Balance模塊可以對玩具直升機裝配過程進行仿真設計，學生可以自主學習Proplanner仿真軟件[12]，將實驗過程中測試的動作時間、裝配流程、工位數、設備要求等數據輸入仿真軟件，應用軟件設計得到工位分配結果，并對比實驗和軟件仿真結果的優劣，最后使用Flexsim軟件[13]對玩具裝配過程進行3D模擬仿真。實驗獲得的實踐經驗歸納上升到理論，鞏固了實驗效果。

3.4 制定裝配直升機玩具的生產計劃

由裝配直升機玩具過程，我們已經得到裝配BOM表、生產節拍、日產量等信息，這樣教師可以提出:將這些信息作為已知條件，能否制定出玩具加工的主生產計劃、物料需求計劃、外購件采購計劃、安全庫存等生產計劃，以保證企業生產的有序完成。學生可以利用Excel軟件進行列表計算，學習制作企業生產計劃，鞏固“生產運作管理”課程中的生產計劃與控制內容。

3.5 編制整個實驗過程的項目計劃

整個實驗過程內容較多，各個小實驗之間聯系緊密而又前后有序，因此我們可以將整個實驗過程看作是一個項目，將每節實驗課程作為一個活動，提出問題:能否應用本課程中項目管理的方法，討論縮短實驗周期的方法。這里學生可以手工繪制網絡圖或者用Project軟件[14]做出WBS圖及甘特圖來解決，強化學生項目管理與優化的思想。

4 實踐教學內容改革的實施效果

基于以上5個實驗部分，我們構建了“生產運作管理”實驗教學體系，如表1所示。

該實驗體系已在南京工業大學工業工程及相關專業三屆學生中進行應用，教學效果顯著。

(1)在模擬企業現場場景下進行問題導向型學習，教師提出問題，讓學生設計實驗內容并操作解決問題，變被動接受為主動探索，調動學生學習主動性和積極性，學以致用，也提高了學生的學習興趣和成就感，培養學生成為活用理論的實踐家，以及具備反思能力的決策者。

(2)該實驗變孤立的小實驗為完整的實驗體系。從生產線設計、運行到軟件仿真，5個小實驗完全在同一實驗背景下展開，前后關聯，環環相扣。將實驗環境模擬成一個企業，實驗涉及企業企劃、生產、計劃等多個部門[15]，有利于學生從多角度多角色了解真實企業的生產運作管理情況，以便走上工作崗位能迅速適應不同的崗位。

(3)完成實驗需結合其他課程內容如“人類工效學”中的動作分析[16]、“基礎工業工程”中的流程優化[17]、“物流系統設計”的選址布局[18]等，強化了本課程與其他課程內容的銜接和融會貫通。

(4)實驗環境既有模擬企業現場的硬件設備，也有虛擬現實的仿真軟件，需要學生既要動手裝配操作又需要使用軟件建模仿真，還需要團隊溝通、齊心協力共同聯合使用各種方法，解決企業出現的各種問題，全面提高了學生的綜合素質和團隊協作能力。

(5)實驗內容較全面，與理論教學各章節內容聯系緊密，一一對應，重點突出，有效的鞏固了各章節的理論知識，強調應用。

表1 生產運作管理實驗教學體系

5 結語

“生產運作管理”課程實驗引入PBL法，以導引問題為切入點，以項目任務為目標，模擬企業實際建設及運營情況，啟發學生對項目任務進行探索，在探索過程中學習并解決實際問題。實踐證明，PBL法通過環環相扣的設置提問，讓學生在真實的企業場景中理解和應用生產運作管理的基本概念、基本方法和基本原理，培養了學生動手能力、分析和解決問題的能力、探索能力、團隊協作能力等綜合素質，幫助學生更好地完成從學校到工作崗位的轉換，提高我國制造企業競爭力。

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