工業工程專業生產系統建模與仿真課程教學改革探究

沈振輝，賈磊

(福建江夏學院 工程學院，福州 350108)

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工業工程專業生產系統建模與仿真課程教學改革探究

沈振輝，賈磊

(福建江夏學院 工程學院，福州 350108)

生產系統建模與仿真課程是工業工程專業重要的專業核心課程，該課程的理論性和實踐性都很強，涉及知識內容廣泛，學習難度大。針對課程學習問題，分析了現有工業工程專業生產系統建模與仿真課程的特點和改革現狀，探討了課程教學中在先修課程教學、課時設置、內容設置、實踐教學和考核形式等方面存在的問題，從基礎課教學、教學流程、教材選擇、師資培養和考核方式等方面提出了課程的改革思路。

生產系統建模與仿真；工業工程；教學；改革

“中國制造2025”這一國家戰略規劃的推出，對國內制造企業的生產能力提出了更高要求。目前，國內對于現代制造模式的理論與應用研究已經取得顯著成果，但是國內制造企業內部基礎能力薄弱，主要表現為工業工程(Industrial Engineering，IE)基礎累計不夠,企業實踐中重技術、輕管理，缺乏管理與技術集成創新的能力等。大力推廣IE的實踐與創新，通過IE 理論改善企業生產過程，是推動中國邁向世界制造強國的有效路徑[1]。因此，在中國制造業的轉型與升級階段，對深化高等教育教學改革，優化人才培養方案，全面提高IE專業人才培養質量，也應提出更高要求。

目前，針對生產系統建模與仿真課程的教學研究已取得了一系列成果，但仍存在以下不足：其一，部分研究從工業工程專業人才培養方案的角度對生產系統建模與仿真課程的地位與作用、教學目標、教學大綱內容進行了深入分析，但對教學內容的組織、教學過程實施的改革研究依然較少[2-5]；其二，部分研究基于人才培養方案和教學大綱，從各生產系統建模與仿真課程教學內容的角度探討課程的教學環節設計和教學過程組織改革，但主要以教學子內容為研究對象，課程知識體系不夠完整，知識點之間相對獨立，理論學習和實際應用聯系不夠密切[6-8]。

綜合上述分析，結合學校及學生實際情況，深入開展生產系統建模與仿真課程的教學改革研究，具有重大理論現實意義。

1 生產系統建模與仿真課程特點

生產系統建模與仿真課程是在學生學習了高等數學、概率論與數理統計、C語言程序設計、系統工程導論等先修課程之后學習的一門專業核心課程，其教學目標是培養學生的設計能力、創新能力和工程意識。旨在通過課堂教育和上機實踐，使學生了解計算機仿真的基本步驟，熟悉和掌握計算機仿真軟件的基本操作和運用計算機仿真技術模擬生產系統的布置與調度管理。

基于上述分析，生產系統建模與仿真課程的教學具有以下特點：①具有較強的理論性，知識體系具有其獨特性和完整性；②知識具有綜合性特征，涉及多個學科，尤其涉及計算機科學、軟件工程、信息工程、控制工程、系統工程、管理工程等學科；③具有較強的實踐性和應用性，強調理論知識與實踐知識相結合，是一門技術性、實用性強的學科。

2 生產系統建模與仿真課程教學現狀

由于不同學校的專業背景及工業工程專業所授學位不同，所制定的專業人才培養方案不盡相同，因此生產系統建模與仿真課程的內容安排、學時安排、理論課與實踐課的課時比例也有所差別。但總體而言，現有生產系統建模與仿真課程的教學組織過程中主要存在以下問題：

(1)先修課程側重通識教育，與專業結合較少。生產系統建模與仿真課程是一門涉及多學科的綜合性課程，知識點涵蓋多門先修課程，尤其涵蓋多門校級公共基礎課程，如高等數學、概率論與數理統計、C語言程序設計等。由于這類課程側重講授通識教育內容，在授課過程中，課程知識點與專業知識的融合較少，加上開課時間一般設在大一、大二學年，時間間隔較長，在生產系統建模與仿真課程授課過程中，學生對相關知識點的理解較為困難，容易影響課程進度。

(2)課時少但內容多，矛盾難以協調。生產系統建模與仿真課程的教學內容不僅包括仿真概述、離散事件系統仿真、隨機數和隨機變數的生成、輸入數據采集與分析、系統仿真算法、仿真輸出分析、排隊系統仿真、庫存系統和生產系統仿真等理論知識，而且包括仿真的建模、參數設置、仿真、結果輸出及分析等實踐應用，課程涵蓋內容繁多。目前國內高校的課程體系里面，生產系統建模與仿真課程的學分設置為2～3個學分，課時為32～48個課時，相對其他專業核心課程，課時量依然較少。

(3)內容抽象應用性強，學生認知不足興趣低。生產系統建模與仿真技術課程內容涉及高等數學、概率論與數理統計、系統工程導論等多門基礎學科，具有原理性強、公式繁多、內容抽象等特點，導致學生理解較為困難，容易使學生喪失學習本課程的興趣，降低主動學習的積極性。

(4)仿真操作性技術性強，學生實現阻力大挫敗感強。對生產系統的仿真必須在對現實生產系統進行抽象后，借助仿真工具來實現。現有的仿真工具主要是從國外引入的軟件，如Flexsim、Witness、Em-plant等。在現有工具的基礎上，簡單系統工作流程的仿真直接通過交互式菜單操作就能進行建模與仿真，但對大部分的生產系統而言，很多的工作流程依然必須通過編程實現，而且主要是基于面向對象的編程進行開發。但在先修課程中只有C語言程序設計這門課程涉及計算機編程，且主要學習的是基于過程的C語言編程，實際編程經驗較少。因此，學生編程過程中容易出現邏輯錯誤和語法錯誤。由于軟件的編譯錯誤以英文的形式呈現，英語基礎較差的學生往往不知所措，時間長了極易產生挫敗感，從而降低對本課程的學習興趣。

(5)課程內容形式多樣，全面考核困難。生產系統建模與仿真課程包括理論部分和實踐部分，不僅要考查學生對仿真基本理論、實際生產系統的抽象、輸入數據的采集與分析、仿真的輸出分析等理論內容，而且需考核學生的實際建模操作和仿真能力。因此，通過傳統的卷面考試、上機考試或課程報告，不僅難以進行全面的考核，而且無法在真正意義上激發學生學習的主動性和積極性。

3 生產系統建模與仿真課程教學改革方案

針對上述生產系統建模與仿真課程教學現狀，基于循序漸進、理論聯系實際、可操作性等原則，提出如下教學改革思路：

(1)融合專業特點，強化基礎學習。現有先修基礎課程的教學過程中，主要側重一般性理論的講解，較少將授課內容與學生所學專業進行融合，導致學生在基礎課程學習的時候較為茫然，沒有針對性，對所學理論的實際應用知之較少。進入專業課和專業基礎課的學習階段，一方面基礎課階段學生沒有針對性的學習容易導致知識點的遺忘，另一方面學生對相關理論的理解和應用較為困難。因此，如果能在先修課程中，融合專業特色，將生產系統建模與仿真的實際應用跟基礎課的相關理論有機結合，不僅能夠增強學生在基礎課學習中的針對性，提高基礎課的授課效果，而且能夠在生產系統建模與仿真等專業課的學習中提高學生學習效率，提高學生學習的主動性和積極性。

(2)遵循認知規律，優化教學流程。教學過程應該符合學生的認知規律，由容易到困難、由特殊到一般、由直觀到抽象。同時，還必須注重知識環節之間的內在邏輯性，激發學生的積極思維。生產系統建模與仿真是一門實踐性較強的課程，對現實生產系統的建模與仿真包括模型抽象、輸入數據采集與分析、建模、仿真和仿真輸出分析等，每個操作環節之間有緊密的內在聯系，且各個環節之間穿插著課程的基本理論。因此，生產系統建模與仿真課程的教學過程應當有序化，兼顧學生的認知規律和知識結構的內在聯系。將知識點與操作環節有機結合起來，形成知識脈絡，突出重點，幫助學生對所學知識進行領會、疏理、提取與遷移運用。為實現這一目標，在課程教學過程中綜合運用案例教學、問題導向式教學、項目驅動式教學等教學模式和手段。案例和項目的進度與課程知識脈絡之間的對應關系如圖1所示。通過案例和項目，將課程知識融入案例實施或項目實施的各個環節，提高學生的實踐能力、學習興趣和積極主動性。通過問題導向，激發學生的主動思維，提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

圖2 課程考核的3個層次

(3)優選參考教材，加強師資培養。教材是學生學習的主要參考書。不合適的參考教材容易降低學生的學習積極性。根據課程需要，優選課程的參考教材是提升課程教學效果的保證。目前，關于生產系統建模與仿真的教材依然較少，而不同的學校、學科背景，課程設置不同，對教材內容的要求也各不相同，可供教師選擇的教材較少。

(4)結合課程特點，改革考核方式。針對課程內容形式多樣、考核困難的特點，采用多元化的考核方式，進行全面、公正的課程考核，引導學生不僅要重視基礎理論學習，還應注重對所學理論的深層理解、分析、比較和融會貫通，掌握發現問題、分析問題、解決問題的能力，同時培養獨立思考和自主創新的能力。因此，將課程的考核分成理論考核、操作考核和項目考核等3個層次，如圖2所示。在理論知識學習階段，通過傳統的卷面考核形式考核學生的理論水平；在實踐操作學習階段，以考核學生的軟件操作能力和仿真效果為主；在項目考核階段，以項目的形式，通過項目總結報告和答辯對學生的綜合能力進行全面考核，包括理論水平、時間操作、團隊組織、分析問題和解決問題的能力等。

4 結語

(1)探討了中國制造業轉型與升級背景下培養工業工程專業人才的重要性，分析了作為專業核心課程的生產系統建模與仿真課程的改革現狀，指出了現有研究中存在的教學內容組織和教學過程改革較少、課程理論知識和實際應用聯系不夠密切等問題，同時探討了課程具有的若干特點。

(2)基于生產系統建模與仿真課程的特點，從先修課程與專業之間的融合度、課時設置與教學內容量之間的矛盾、抽象的課程內容與學生認知之間的差距落差、實踐操作能力要求與學生技能水平之間的不協調、多樣性教學內容考核存在的問題等方面探討了課程的教學現狀。

(3)針對生產系統建模與仿真課程教學現狀存在的問題，從基礎課教學融合專業特點、課程教學流程遵循認知規律、教材優選并加強師資培養和考核方式根據課程特點全面化等4個方面提出課程的改革思路。

[1] 黃毅敏, 齊二石. 工業工程視角下中國制造業發展困境與路徑[J].科學與科學技術管理, 2015, 36(4): 85-94.

[2] 王行仁, 龔光紅, 劉藻珍，等. “仿真科學與技術”學科知識體系與課程體系的探討[J]. 系統仿真學報, 2009, 21(17): 5275-5280.

[3] 查靚, 杜軒, 趙美云. “生產系統建模與仿真”課程教學改革探索[J]. 科教文匯, 2015(5): 77-78.

[4] 付景枝. 《系統建模與仿真》課程教學與實踐[J]. 科技視界, 2015(2):171.

[5] 李俊, 陳雷雷. 工業工程專業系統建模與仿真課程教學探索[J]. 科技信息, 2013(35):10-19.

[6] 劉云, 田斌, 龔小軍，等. 工業工程專業生產系統建模與仿真課程教學探究[J]. 大學教育, 2015(6):141-143.

[7] 嚴浩云. 工業工程專業《系統建模與仿真》課程教學探討[J]. 教育教學論壇, 2013(52):262-263.

[8] 陳雷雷, 李俊, 沈妙妙. 建模與仿真課程設計的教學實踐與探索[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(7): 210-213.

[9] 李丹丹，張志偉，韓偉.軟件仿真平臺在大學教學中的應用研究[J].內蒙古民族大學學報(自然科學版)，2015(6)：245-247.

責任編輯：劉 琳

Research on Production System Modeling and Simulation Course Teaching Reform for Industrial Engineering Major

SHEN Zhenhui， JIA Lei

(School of Engineering，Fujian Jiangxia University，Fuzhou 350108，China)

Production system modeling and simulation course with strong theoretical and practical features is one of the most important core curriculums in industrial engineering major, which involves much knowledge and is difficult to learn. In view of the course learning, this paper analyzes the characteristics and reform situation of the present production system modeling and simulation course in industrial engineering major, discusses the problems existing in course teaching such as prerequisite course teaching, class hours setting, curriculum content setting, practice teaching, testing method and so on, and gives the reform tactics from fundamental courses teaching, teaching process, teaching material selection and testing methods, etc.

production system modeling and simulation; industrial engineering; teaching; reform

2016-04-06

福建省中青年教師教育科研項目(JAS14574)

沈振輝(1985-)，男，福建詔安人，講師，碩士研究生，主要從事工業工程方面的教學與研究。

TP31

A

1009-3907(2016)10-0112-04