工業(yè)工程專業(yè)研究性教學方式的研究與實踐

朱海平

［摘要］針對工業(yè)工程專業(yè)的特點，指出了進行研究性教學的重要意義，從課程設(shè)置、項目選擇、團隊組建、過程管理和效果評價等方面探討了研究性教學的實施流程，并以制造物聯(lián)網(wǎng)教學為例，介紹了研究性教學實踐的具體過程和效果。

［關(guān)鍵詞］工業(yè)工程研究性教學教學實踐

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）10-0049-03一、工業(yè)工程研究性教學的意義

工業(yè)工程（IE）是研究工業(yè)系統(tǒng)的效率與發(fā)展的一門工程學科，IE的許多重要的技術(shù)和理論方法都來源于生產(chǎn)實際，并最終應(yīng)用于制造企業(yè)來提升效率，因此是實踐性極強的專業(yè)。

研究性教學是教師通過指導學生從自然、社會和生活中選擇和確定與學科相關(guān)的專題進行研究，使學生在獨立的主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，吸收知識、應(yīng)用知識、解決問題、獲取新穎的經(jīng)驗和表現(xiàn)具有個性特征的行為，從而提高學生的各方面素質(zhì)，培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神的一種實踐活動。

在工業(yè)工程專業(yè)實施和推廣研究性教學方式，具有以下重要意義：

（一）有利于學生更加直觀透徹地掌握課程知識

以“計算機集成制造（CIMS）”課程為例，該課程主要講授信息技術(shù)和自動化技術(shù)在先進制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，在以往課堂教學過程中，學生因缺乏工程實踐背景，往往對ERP、MES、PDM等信息系統(tǒng)難以理解，通過實施研究性教學，讓學生參與科研項目，分組學習和實際操作這些軟件，并分析企業(yè)對它的需求，就能相對容易地了解這些信息化軟件。

（二）有利于培養(yǎng)學生的主動實踐能力

相比較傳統(tǒng)的實踐教學環(huán)節(jié)，研究性教學方式由于分組更小、目標更明確、教師（或研究生）對學生的指導更多更具體、學生思考的空間更大，因此有利于發(fā)揮學生的主觀能動性，提高其主動實踐能力，以“運籌學”的研究性教學為例，教師結(jié)合自身的科研項目，先安排幾個專題，讓學生查閱文獻、進行研討，建立數(shù)學模型，學習Matlab等數(shù)學軟件，實現(xiàn)算法并進行結(jié)果分析，在整個流程中，學生的主動實踐將發(fā)揮主要作用。

（三）有利于培養(yǎng)學生的協(xié)作精神

研究性教學方式多采取分組形式，每個小組3-5人，圍繞一個主題來開展，每人都有任務(wù)分工，最后的結(jié)果形成需要大家通力協(xié)作，通過這種方式，學生們能充分認識到分工協(xié)作的重要性。

（四）有利于激發(fā)優(yōu)秀學生的創(chuàng)新精神

通過研究性教學，一些優(yōu)秀學生能夠較快地脫穎而出，取得一些創(chuàng)新成果，或發(fā)表科研論文，或申請發(fā)明專利，或在教師的科研項目中取得不俗的成績。

（五）有利于教師獲得科研和教學的靈感

研究性教學強調(diào)教學內(nèi)容、教學方法的重構(gòu)，提倡用“研究”的觀點和方法改造傳統(tǒng)教學，使教學活動由單向知識傳授為主向?qū)W生和教師一起發(fā)現(xiàn)知識的過程轉(zhuǎn)變。在研究性教學過程中，學生實際參與教師的科研項目，雖然還無法取代研究生的作用，但時常也有一些不錯的想法，這些思路對于教師的科學研究不無裨益。

二、工業(yè)工程研究性教學的實施流程

研究性教學方式能否在工業(yè)工程專業(yè)成功實施，取決于兩方面的因素，首先是外部環(huán)境能否支持這種教學改革，包括課程體系設(shè)置情況、教師的科研項目情況、教師的研究團隊情況、實驗室的軟硬件條件、學生的基本素質(zhì)等；其次是研究性教學的實施流程是否合理，包括課程的選擇、學習團隊的組建、教學目標的設(shè)置、教學過程的管理、教學效果的評價等，可以歸納為“體系支持、項目牽引、團隊保障、嚴格管理、公平評價”，下面針對其中幾個關(guān)鍵問題進行探討。

（一）課程設(shè)置的調(diào)整

為了在工業(yè)工程專業(yè)推行研究性教學實踐，首先需要對現(xiàn)有的課程體系設(shè)置進行適當?shù)恼{(diào)整，目前有條件開展研究性教學實踐的課程包括部分專業(yè)課程、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設(shè)計等等，具體改革措施如下：

1.壓縮專業(yè)課程的課堂教學時間，增加課外學習時間。課堂教學約占總課時的75%，主要傳授基本的理論知識，課外學習時間分成兩部分，一部分是課時規(guī)定內(nèi)的時間，占總課時的25%，主要進行題目選擇及分組安排、科研項目介紹、分組討論、方案指導、成果匯報等工作；另一部分是課時外時間，要求學生利用課外時間進行資料查閱、工具軟件學習、操作實踐和匯報材料準備工作。為了不增加學生的負擔，應(yīng)注意課程的選擇，條件具備的課程才能開展研究性教學活動。

2.鼓勵有指導的小組分散實習，取代傳統(tǒng)的大團隊生產(chǎn)實習方式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實習往往由一、兩個教師帶隊，去一家制造企業(yè)開展為期三周左右的生產(chǎn)實習，實習的方式以參觀和授課為主，學生基本沒有動手實踐的機會。而采用分散實習后，每個教師只帶5-8個學生，實習時間可以更長（比如1~2個月，利用大三結(jié)束后的暑假），教師安排學生進入自己的科研項目團隊，讓研究生協(xié)助指導，甚至可安排學生去企業(yè)參與項目調(diào)研和方案設(shè)計工作，實踐表明，這種實習方式非常受學生歡迎。

3.鼓勵教師依托科研項目安排畢業(yè)設(shè)計題目，并進行雙向選擇。以前的畢業(yè)設(shè)計是單向?qū)W生安排給指導教師后再確定題目，每年題目的變化不大，學生有可能選擇不了感興趣的方向，因而積極性也不高。通過雙向選擇方式，可以讓教師結(jié)合自己的科研項目需要，安排具有吸引力的題目，提高學生開展畢業(yè)設(shè)計的興趣。

4.設(shè)置課外學分及其他獎勵。可以規(guī)定如果學生積極參加研究性教學實踐活動，并獲得可以考核的不俗成績（比如發(fā)表科研論文，申請發(fā)明專利等），則給予課外學分，同時在保研時進行加分獎勵，這樣就可以大大提高學生參與這些活動的積極性。

（二）科研項目的選擇

進行研究性教學實踐活動，離不開教師所承擔的科研項目的支持，科研項目包括企業(yè)合作項目、預(yù)研項目等，進行項目選擇時需要遵循以下原則：首先是要難易適中，適合本科生參與學習；其次是項目與課程相符，便于學生更好的掌握本門課程的知識；然后是科研項目實施過程中需要一定的動手實踐能力，而非純粹的理論研究。如果是分散實習，則一般應(yīng)要求該項目是企業(yè)合作項目，能提供學生去企業(yè)調(diào)研的機會。

（三）教學團隊的組建

按照課程性質(zhì)來組建研究性教學團隊：

1.專業(yè)課程教學

通常包括教師1-2名，研究生3-4名，本科生50-60名，學生分為10組，每組5-6名學生，安排5個左右的研究主題，以“決策分析”課程為例，安排了5個題目：“隨機性決策方法”、“設(shè)備維修決策”、“隱馬爾科夫決策方法及應(yīng)用”、“模糊決策方法及應(yīng)用”、“博弈論應(yīng)用”。學生分組選擇題目，進行研究，最后完成研究報告并進行匯報，研究報告和匯報作為學生成績評價的重要依據(jù)。

2.分散生產(chǎn)實習

通常包括教師5-8名，每位教師安排3個研究生進行協(xié)助指導，每位教師指導學生不超過8名。在分散實習過程中，教師安排學生參與科研項目，去相關(guān)企業(yè)進行調(diào)研，完成需求分析報告，并學習相關(guān)理論知識，在研究生的指導下協(xié)助完成項目的方案設(shè)計。

3.畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計的時間較長，每位教師指導的學生一般不超過5名，研究生也協(xié)助進行指導。學生可以較為系統(tǒng)地了解教師所負責的一個科研項目，并以其中一項關(guān)鍵技術(shù)為題開展專題研究，最終完成畢業(yè)設(shè)計論文。

（四）教學過程管理

與課堂科學及傳統(tǒng)的程序式生產(chǎn)實習和畢業(yè)設(shè)計相比，研究生教學實踐的方式較為靈活，時間較長，如果管理不好也會流于形式，經(jīng)過一段時間的實踐后，總結(jié)了如下過程管理方式：嚴格要求學生按時到實驗室進行學習，進行考勤；定期召開Seminar，進行進展匯報交流；研究生和本科生之間建立1對2或1對3的聯(lián)系方式，監(jiān)督學生的學習和研究進程；提供學生可以操作的實驗環(huán)境，充分激發(fā)學生的動手實踐興趣。

（五）教學實踐效果的考核評價

研究性教學與傳統(tǒng)課堂教學在形式上存在很大差異，為了對學生的學習效果進行評價，必須引入新的評價方式。評價指標包括選題的難易程度、文獻閱讀及綜述情況、研究過程中的紀律表現(xiàn)、在小組中發(fā)揮的作用、總結(jié)報告的完成情況、匯報答辯情況等6項。指標權(quán)重可根據(jù)實際情況來確定。

三、工業(yè)工程研究性教學實踐案例

下面以工業(yè)工程的“計算機集成制造系統(tǒng)CIMS”課程中的制造物聯(lián)網(wǎng)教學為例，介紹研究性教學實踐的基本過程。

（一）研究性教學實踐的目的

通過現(xiàn)場參觀、系統(tǒng)演示和介紹、交流討論、動手實驗、工作匯報等方式，讓學生對制造車間的物理結(jié)構(gòu)、裝配生產(chǎn)線的運行方式、物流配送模式和工作流程、物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及工業(yè)應(yīng)用、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用、生產(chǎn)過程質(zhì)量檢測與過程控制等有直觀和較為深入的了解，并能夠設(shè)計一些簡單的實驗，結(jié)合企業(yè)項目完成一定的應(yīng)用驗證。

（二）研究性教學實踐的軟硬件條件

硬件設(shè)施包括裝配生產(chǎn)線、多套高頻/超高頻RFID讀寫器、天線和標簽、Zigbee無線傳感網(wǎng)開發(fā)和測試套件、PLC/RFID集成試驗臺、條碼槍和條碼打印機、手持式RFID/條碼數(shù)據(jù)采集終端、ARM開發(fā)工具、手持平板電腦、常用傳感器等等；軟件設(shè)施包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、物流仿真軟件Tecnomatix、生產(chǎn)線控制軟件、RFID讀寫軟件、物流分析軟件、質(zhì)量分析軟件等。以上條件為開展物聯(lián)網(wǎng)研究性教學提供了基礎(chǔ)環(huán)境。

（三）研究性教學實踐的主要過程

將本專業(yè)學生分為10個小組，每組5人，安排5個專題：

專題1：了解PLC的基本原理和開發(fā)過程，參與設(shè)計并實現(xiàn)一些實驗；

專題2：了解RFID的讀寫過程，參與開發(fā)RFID的讀寫操作；

專題3：了解Zigbee的基本原理，利用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的自動采集和遠程傳輸；

專題4：了解裝配生產(chǎn)線的工作流程和控制方式，集成PLC/RFID/Zigbee技術(shù)設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)實驗，用于生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控；

專題5：了解制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的基本功能，設(shè)計出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在MES中的應(yīng)用場景。

學生選擇專題后，就著手開始相關(guān)理論和應(yīng)用開發(fā)知識的學習，利用實驗室提供的軟硬件設(shè)施，在教師和研究生的指導下，設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)實驗，進行軟件開發(fā)，并完成實驗驗證，最后，總結(jié)實驗成果，撰寫研究報告，通過PPT進行匯報。

（四）研究性教學實踐的效果

通過研究性教學實踐，學生不但掌握了物聯(lián)網(wǎng)的基本理論知識，更對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造車間的應(yīng)用有了比較直觀的認識，知道如何設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，以及進行軟硬件開發(fā)的基本流程，部分優(yōu)秀學生還完成了物聯(lián)網(wǎng)實驗的開發(fā)，可以通過PLC和RFID的集成實現(xiàn)換刀控制，通過Zigbee實現(xiàn)數(shù)顯卡尺測量數(shù)據(jù)的遠程采集等。

研究性教學是現(xiàn)代教育理念的集中體現(xiàn)。本文結(jié)合工業(yè)工程學科的特點，探討在本科生階段開設(shè)研究性學習課程的意義和實施流程，并以一門課程為例，實踐了研究性教學，取得了不錯的效果。

當然，研究性教學過程中也遇到很多困難，它需要有較多的教學和科研資源投入，包括實驗設(shè)備投入和人員投入等，如何實現(xiàn)常態(tài)化健康運行還需要進一步進行研究和實踐。

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［責任編輯：碧瑤］