工業工程專業生產與物流類課程群改革研究

張智聰，胡開順，李 帥，黃輝宇，趙少勇

（東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523808）

0 引言

生產與物流管理是工業工程專業的重要研究對象，是工業工程專業知識與技能的主要內容。生產與物流類課程群包括運籌學、工業工程基礎、生產計劃與控制、生產運作管理、物流與設施規劃、供應鏈管理、ERP原理與應用等多門課程。如圖1所示，運籌學和工業工程基礎是重要的學科基礎課程，工業工程基礎介紹工業工程的基本原理，運籌學介紹優化與決策的知識，它們是生產與物流類專業課程重要的先修基礎課程。由于運籌學研究的數學工具囊括了工業工程專業的常用數學模型及其求解方法，因此該課程在工業工程的課程體系里占據舉足輕重的地位。生產與物流類課程群全面介紹了生產過程、物流活動各個領域的管理問題，該課程群所包含課程的數量占了工業工程專業課程相當大的比例，是工業工程最重要的專業核心課程群。由于工業工程學科在國內的發展歷史較短，因此目前工業工程專業課程的教材尚不是很完善，專業核心課程內容與教學方式的規劃建設與改革是工業工程專業在未來較長時間內需要面臨的艱巨任務。目前工業工程專業的教學研究主要針對某一門課程的具體教學內容或教學方法展開研究，如關于生產計劃與控制課程的研究[1]、關于生產運作管理課程的研究[2-3]、關于物流與設施規劃課程的研究[4-6]、關于供應鏈管理課程的研究[7-8]等等。本文從生產與物流類課程群整體改革的角度出發展開研究。

圖1 生產與物流類課程群各課程的關聯示意圖

生產與物流類課程部分問題的傳統教學方法存在可執行性差、過程繁瑣、效率低、求解效果差等缺點，而這些問題有一部分在本質上是運籌優化問題，采用運籌優化技能可以有效解決。近年的主流商用運籌優化軟件功能齊全，性能強大，而且界面友好，具備很強的可用性，這為將運籌優化技能引入生產與物流管理的教學提供了基礎條件。在實際產業應用中，對生產與物流管理問題的求解精度和求解效率的要求越來越高。因此，借助計算機工具，把生產與物流管理教學與運籌優化技能相融合，以運籌優化工具促進生產與物流管理教學內涵的提升是未來的發展趨勢。此外，能適應實際產業環境的運籌優化技能是目前社會所迫需的專業技能，強調運籌優化在生產與物流管理教學中的應用能使運籌優化技能的教學更符合實際需要。

1 生產與物流類課程群教學中存在的主要問題

目前本專業生產與物流類課程群的教學內容存在如下主要問題：

（1）課程群包含的各門課程的主流教材內容之間有重復之處。比如生產計劃與控制和ERP原理與應用這兩門課程都重點介紹生產計劃的體系、層次與方法，只是講解的側重點有所差異；物流與設施規劃和供應鏈管理這兩門課程都有一部分內容介紹物流與供應鏈的基本知識與概念；精益生產的概念在多門課程都有所提及，然而在這些課程里都只是泛泛而談，并沒有哪一門課程能詳細介紹其精髓。不同課程的教材之間的重復性使得教學工作的部分重點模糊化，導致學生難以把握這些重復的內容在工業工程學科體系里的定位。

（2）各門課程的內容在本質上有很強的內在聯系，但是在目前的課程體系里并沒有充分體現不同課程內容之間的邏輯關系，沒有形成一個完整的體系結構把各課程內容捏合成一個有機整體，因此沒有很好體現基礎課程、先修課程的作用，不利于學生對工業工程各領域知識的整體把握和融會貫通。

（3）重理論，輕實踐。過于注重理論的傳授，設置的題目和列舉的例子過于理想化，缺乏和產業應用實踐的結合分析，案例的說服力和實驗環節的合理性仍有很大的提高空間。工業工程是結合管理與工程性質的學科，強調實踐性和應用性，目前的教學與高標準的要求相比還有差距。

（4）各門課程的許多典型問題都采用啟發式方法或試驗法來求解，并沒有運用運籌優化的技能來求解，因此難以求得全局最優的解決方案。啟發式方法是一類基于經驗或直覺的方法，它一般由一系列步驟或規則組成，依照這些步驟或規則可以求得解決方案。試驗法是一種嘗試性、摸索性的方法，它提供一套定性描述的流程，學生根據這套流程通過不斷的試驗以求生成較優的方案。無論是啟發式方法還是試驗法都是短視的，不能在全局范圍內尋找最優解決方案。

綜上所述，傳統教學內容與方法已成為進一步提升學生學習興趣、提高學習效率、改善教學效果的瓶頸。有鑒于此，本專業對生產與物流類課程群的各門課程進行系統的調整與改革，重新梳理該課程群的體系結構與教學內容，加強各課程教學內容之間的聯系；基于運籌優化技術對生產過程管理相關課程的教學方式進行改良，獲得一種在解決問題初期就綜合考慮實際限制條件和預設約束的方法。

2 生產與物流類課程群教學的改革內容與目標

生產與物流管理各領域都存在大量優化問題，求解優化問題最有效方法是建立運籌優化模型來求解，而目前相關的課程與教材很少使用這種方法，即使采用這種方法也只是泛泛而談，只給出一個粗略的模型，并沒有寫出詳細的建模思路、布置以及編程求解的方法。因此，本研究把這一點作為主要抓手，主要工作是基于運籌優化技術（主要在運籌學課程里面講述）對生產與物流管理各領域關鍵問題的教學環節進行改革，具體改革內容主要包括：（1）分析生產與物流類課程群內各門課程的重要內容模塊，在課程群的宏觀層面理清各重要內容模塊之間的內在聯系，精簡各門課程的冗余內容，調整側重點的分布，并從各門課程中提煉出生產過程管理各領域的一系列有一定關聯性的典型問題。（2）篩選生產過程管理的若干典型問題，根據學生的接受能力對其進行合理化的抽象，根據實際情況確定復雜程度適中的考慮因素和限制條件，并選擇合適的運籌學模型（整數規劃、0-1規劃、目標規劃、動態規劃或二次規劃等數學規劃模型）對典型問題進行建模。（3）基于以上運籌優化模型，根據學生的實際情況構造情景引導式的教學案例和上機實驗指導書，循序漸進地引導學生學習運籌優化模型的設計理論及其建模過程，引導學生透過這些模型理解生產過程管理問題的本質，并通過采用運籌優化軟件求解模型來獲得生產過程管理問題的最優解決方案。（4）通過行業應用案例加深學生對問題與方法的理解，設計開放式的綜合作業，鼓勵學生選擇生產過程管理的實際問題，綜合運用本研究提出的方法進行建模并編程求解，鞏固教學改革的效果。

生產與物流類課程群教學的改革目標是：（1）研究生產與物流類課程群內各課程之間的融合方法與機制，促進課程之間的交叉滲透，以生產過程管理系列典型問題的定量最優化模型為范例進一步完善運籌優化技能的培養體系。（2）通過生產過程管理系列典型問題的教學方法改革來培養學生運用運籌優化技術求解最優方案的能力，包括運籌優化模型的選擇能力、建模技巧與建模能力、求解能力和分析能力。（3）調整生產與物流類課程群理論環節和實踐環節的層次結構與比例關系，培養學生運用主流商用運籌優化軟件（比如ILOG OPL或Xpress）求解生產過程管理典型問題的運籌優化模型的能力，通過上機實驗培養集合化思維方式和編程求解實際專業問題的能力。（4）使學生全面掌握生產與物流類課程知識點之間的邏輯關系，增強理論聯系實際的能力，為達到培養復合應用型人才的目標探索新途徑。

3 實施方案

本研究主要依托生產與物流類課程群的核心教學環節，結合畢業設計等教學環節，沿用理論分析、模型提煉與編程實驗相結合的方法展開研究。實施方案主要分為以下幾個階段：

3.1 理清生產與物流類課程群各課程的重點問題之間的層次結構和邏輯關系。生產與物流類課程群各課程以運籌學為基礎，其他課程都有部分內容與運籌學相關，而這些課程相互之間又有或多或少的聯系。因此，有必要分析生產與物流類課程群各課程之間的具體聯系，找出課程之間重復部分的內容，理清各課程的各部分重要內容之間的層次結構和緊密關系，對各課程的教學重點重新進行系統的規劃、調整。

3.2 提煉生產與物流管理各領域的典型問題并建立運籌優化模型。總結生產與物流管理相關專業課程中所涉及的重要生產過程管理問題（如圖2所示），把它們分門別類，劃分其知識層次、學習階段，并提煉其本質的運籌優化問題，再根據運籌優化問題的特點選擇最合適的運籌優化模型進行建模。以物流與設施規劃教學為例，選擇物流流程優化、基于作業單位相互關系的生產設施布局這兩類核心問題進行抽象建模，改革教學方法。物流流程優化采用線圖、多產品工藝過程圖、從至表等圖表化工具進行描述，優化的本質目標都是對不同工序、設備的順序進行安排，其實質是運籌學的排序問題；因此借助定量的運籌學數學規劃模型對這類問題進行抽象并建模描述。基于作業單位相互關系的生產設施布局包括基于物流量的生產設施布局、基于非物流關系的生產設施布局以及基于綜合關系的生產設施布局等典型問題，其本質是對多個作業單位在給定范圍內進行布局，安排它們的位置，使整個系統的物流成本最小化或者密切關系程度高的作業單位之間的距離盡量縮小。這類問題的實質是運籌學的二次分配問題，因此借助運籌學的二次規劃模型對其進行抽象并建模描述。

圖2 生產與物流管理各領域的典型問題及其建模示意圖

把生產與物流管理相關問題轉化為定量模型，這是一個從文字語義描述到數學公式的轉化過程，此環節是教學的重點，也是解決問題的基礎。在教學設計中注重針對問題的具體形式選擇合適的規劃模型表示形式進行建模（包括定義變量、構造約束和目標函數等環節），避免選擇太難太復雜的規劃模型導致學生有心理負擔，喪失學習興趣。

3.3 運用運籌優化軟件求解典型問題所對應的模型，積累教學案例與實驗素材。由于建立的模型通常規模不小，因此需要使用專業軟件求解。選擇OPL專業運籌優化軟件來求解模型。運籌優化軟件編程是從數學模型到專業的計算機程序代碼的轉化過程。商用運籌優化軟件的建模語言是解釋性、描述性語言，雖然它們的語法沒有C++等高級語言復雜，但是其編程邏輯比較獨特，采用集合化編程思維，因此在設計教案時要突出這一點，刻意培養學生“集合化”的編程思維方式和使用習慣。結合生產與物流管理典型問題的圖文描述、運籌優化模型、程序及運行結果綜合編制理論教學與實驗教學案例。與常用高級語言編程相比，運籌優化軟件編程的一個顯著特點是采用集合化運算。集合化運算對學生而言是一種全新的編程方式，因此應充分利用軟件使用手冊的例子并有針對性地設計例子引導學生循序漸進地適應集合化運算的思維方式和編程方式。集合化運算是商用優化軟件解決大規模優化問題的技術手段，因此學習時要習慣用集合的思想來定義數據、變量和約束。統籌考慮整個模型的所有組成部分，定義若干個底層的基本集合，其他集合均由這些基本集合運算、衍生得到，再利用這些集合來編寫業務邏輯模型。

3.4 與傳統解決方法進行詳細對比分析，改善模型。對基于運籌優化模型的方法與傳統的生產與物流管理問題解決方法從求解步驟、求解效果、運算時間效率、適用范圍等多個角度進行對比。通過對比結果進一步優化模型，減少變量和約束的數量，縮短求解時間，降低模型的時間復雜度和空間復雜度。通過大量案例與傳統解決方法作對比，充分突出基于運籌優化模型方法的優勢。

3.5 教學實踐與持續改進。在教學中嘗試結合基于運籌優化模型的方法設置理論介紹、案例討論和實驗環節。在教學實踐中注重培養學生把實際問題抽象為數學問題的能力，增強學生的建模與分析能力，力圖使學生在掌握生產過程管理問題求解技能的同時鞏固“運用運籌優化技能”的觀念，鼓勵學生自主提出并解決由生產過程管理基本問題所衍生的相關問題，促進學生從理論到實踐的全面學習。在采用新的教學方式教學的過程中，遵循工業工程學科提倡的P.D.C.A.方法和基本步驟，即Plan（計劃）、Do（實施）、Check（檢查）、Action（改善），根據新發現的問題進行持續的調整、改進、完善。

4 實施結果

在課程群教學改革過程中設計生產與物流管理應用問題與運籌優化技術的結合方法，由淺入深地設置多層次教學體系，引導學生接受、適應這種融合運籌優化技能的教學方式，掌握生產計劃與調度、物流流程優化、生產設施布局等典型問題的建模、求解及分析方法，并主動采用這種思維方式去解決生產過程管理領域的其他優化問題。教學的關鍵是針對大部分學生的實際情況因材施教，控制好建模的難度和復雜度，在培養解決問題能力的同時注重培養思維方式和思維品質；同時面向學習能力強的學生有針對性地設計開放性的行業實際案例，發掘他們的潛力，給予他們自由發揮、創新的空間。

教學改革方案通過長期的實施，獲得一定的成果：（1）為生產與物流類課程的核心環節教學提供創新性的支撐材料，為改進物流與設施規劃、運籌學等課程的實踐教學環節提供重要案例，為學生學習運籌優化技術提供合適的學習資料，并為工業工程專業調整運籌優化技能的教學內容提供參考依據。（2）由于運籌優化應用技能是工業工程教學中日益重要的一類新興技能，因此本研究為工業工程乃至管理科學工程學科其他專業課程和畢業設計等實踐環節與運籌優化技能的融合提供范例，使學生培養模式更適合產業發展和地方經濟向集約化轉型的實際需求。（3）項目研究成果可在地方性院校的工業工程教學中交流、推廣，也可供各類普通工科院校借鑒，具有一定的實踐推廣價值和示范作用。

5 結束語

本研究加強運籌學這一專業基礎課程與工業工程基礎、生產計劃與控制、物流與設施規劃、供應鏈管理、ERP原理與應用等工業工程核心課程之間的聯系，培養學生運用運籌優化技術解決工業工程實際問題的能力，培養學生牢牢樹立解決工業工程問題追求最優化的精益思想觀念。本研究提出融合運籌優化技術于生產過程管理全過程的全新理念，把運籌優化技術的應用貫穿于整個課程群的教學，采用產業實際需求迫切的新型運籌優化技能來革新傳統的生產過程管理教學，打破一些典型問題采用傳統的以啟發式方法、試驗法為主的教學方式，改善問題求解效果；突出運籌優化技能的應用性及其與工業工程專業課程的深度結合，力圖從全局優化的視角運用運籌優化技能解決工業工程的典型問題，彌補傳統教學中部分工業工程經典問題解決方案優化程度低的不足；強調多學科知識融合、學科知識與產業實際的融合，借助運籌優化技術應用性很強的特點來強化實踐環節，有助于復合應用型人才的培養，從而滿足快速增長的運籌優化技能人才的市場需求，突出應用型工業工程工程師培養的特色。

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