“中國(guó)制造2025”背景下生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)改革

吳斌

摘要：“中國(guó)制造2025”的提出，對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。在此背景下，本文就工業(yè)工程專業(yè)的核心課程——生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行闡述，分析現(xiàn)存的問題，結(jié)合“中國(guó)制造2025”要求，提出了一些改革舉措。

關(guān)鍵詞：中國(guó)制造2015；工業(yè)工程；生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）07-0004-03

一、引言

“中國(guó)制造2025”的提出，制定了我國(guó)邁入世界制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的時(shí)間表，為我國(guó)制造業(yè)的智能化、信息化等提出了新的要求。圍繞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，《中國(guó)制造2025》設(shè)計(jì)了“一二三四五五十”的總體結(jié)構(gòu)。其中“二”指的是工業(yè)化與信息化融合，第一個(gè)“五”就是五條方針，即“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和人才為本”。這里面的“二”和“五”與工業(yè)工程專業(yè)的目標(biāo)完全一致。工業(yè)工程專業(yè)基于系統(tǒng)工程思想，以運(yùn)籌學(xué)等數(shù)學(xué)方法為理論基礎(chǔ)，以信息技術(shù)為工具，采用定性與定量結(jié)合方法對(duì)包括制造業(yè)、服務(wù)業(yè)在內(nèi)的由人、物料、設(shè)備、能源、信息等多種因素所組成的各種復(fù)雜企業(yè)或組織系統(tǒng)中的實(shí)際問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大效率和效益。因此，工業(yè)工程在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略中扮演舉足輕重的地位。

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以系統(tǒng)理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以仿真系統(tǒng)軟件為工具，通過對(duì)系統(tǒng)的分析，建立系統(tǒng)模型和仿真模型，對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或未來系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)日趨向柔性化、數(shù)字化、智能化、集成化方向發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理也變得越來越復(fù)雜。利用系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上快速再現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)，模擬其動(dòng)態(tài)行為，分析該生產(chǎn)系統(tǒng)配置是否合理，系統(tǒng)功能能否滿足要求，進(jìn)而為生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改善及優(yōu)化提供決策支持。學(xué)術(shù)界和企業(yè)界均高度重視對(duì)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用。《中國(guó)制造2025》總體結(jié)構(gòu)中的“十”指高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、先進(jìn)軌道交通裝備等十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都離不開系統(tǒng)建模與仿真。因此，建模與仿真能力是今后制造領(lǐng)域人才的必備技能。通過這門課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生掌握建模與仿真的理論和方法。

二、教學(xué)中存在問題分析

目前生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程，一般都分為理論講授和仿真實(shí)踐兩部分。其中理論部分又分為建模理論和仿真理論兩部分。筆者所在學(xué)校，該課程總共48學(xué)時(shí)，其中理論34學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)14學(xué)時(shí)。理論內(nèi)容包括系統(tǒng)建模的原理、系統(tǒng)建模方法（排隊(duì)論、庫(kù)存論、層次分析法等）、仿真的理論基礎(chǔ)（隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、仿真程序調(diào)度策略、時(shí)鐘推進(jìn)機(jī)制等），具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)數(shù)如表1所示。通過多年的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法存在以下問題：

1.部分知識(shí)陳舊，不需要在課程中占用大量篇幅介紹。課程中的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、仿真程序調(diào)度策略、仿真時(shí)鐘推進(jìn)機(jī)制等，這些內(nèi)容對(duì)于工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生來說，太過抽象，不容易理解，而且里面的內(nèi)容比較陳舊，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)仿真軟件都已不再使用這些技術(shù)。這些內(nèi)容可以讓學(xué)生了解，但是可以減少篇幅。

2.課程內(nèi)容設(shè)置不合理，排隊(duì)論和庫(kù)存論內(nèi)容一般在運(yùn)籌學(xué)課程中已經(jīng)講授過，在本課程中可以再深入一步，但可以不作為重點(diǎn)內(nèi)容講解。而目前在企業(yè)中廣泛應(yīng)用的問題，如車間調(diào)度問題、下料問題、布局問題等，課程沒有涉及。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能建模技術(shù)也在企業(yè)中逐漸普及，也需要給學(xué)生介紹。

3.生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的理論部分表現(xiàn)得較為概念化、抽象化、數(shù)學(xué)公式化，學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易迷失方向，無法將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用聯(lián)系起來，從而失去了學(xué)習(xí)本課程的興趣。

三、改革方法

針對(duì)上述問題，結(jié)合“中國(guó)制造2025”對(duì)人才培養(yǎng)提出的要求，強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化、智能化、實(shí)踐性，主要做出了以下的教學(xué)改革：

1.刪減原教學(xué)中陳舊、不和適宜的內(nèi)容。主要將仿真理論部分的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)時(shí)壓縮，大量的仿真理論是計(jì)算機(jī)軟件理論，對(duì)學(xué)生來說理解困難。仿真部分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，學(xué)生需要掌握仿真軟件的應(yīng)用，而非開發(fā)仿真軟件。因此，筆者主要介紹目前主流仿真軟件所應(yīng)用的一些技術(shù)，讓學(xué)生了解即可。總體上，仿真理論部分學(xué)時(shí)從以前的16學(xué)時(shí)，壓縮到目前的10學(xué)時(shí)，如表1所示。

2.增加企業(yè)實(shí)際中經(jīng)常遇到的問題模型和智能化建模技術(shù)。在壓縮仿真理論內(nèi)容的同時(shí)，增加建模部分的內(nèi)容。將排隊(duì)論和庫(kù)存論學(xué)時(shí)壓縮以后（從以前的8學(xué)時(shí)，壓縮至2學(xué)時(shí)），增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、Agent等智能建模技術(shù)，讓學(xué)生了解這些方法的原理和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，增加常用系統(tǒng)模型一章，介紹在企業(yè)中經(jīng)常遇到的各類模型，如車間調(diào)度模型、車間布局模型等，具體內(nèi)容如表1所示。

3.應(yīng)用問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)法（Problem Based Learning，簡(jiǎn)稱為PBL），設(shè)計(jì)“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”課程實(shí)驗(yàn)。針對(duì)課程理論抽象，學(xué)生缺乏工程背景知識(shí)、不會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際解決企業(yè)實(shí)際問題、難以對(duì)各課程內(nèi)容融會(huì)貫通、被動(dòng)學(xué)習(xí)等主要問題，以鞏固學(xué)生理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，應(yīng)用PBL法設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)（如下表2所示），克服了傳統(tǒng)主題導(dǎo)向法僅強(qiáng)調(diào)理論、知識(shí)點(diǎn)分割、學(xué)生被動(dòng)接受講課內(nèi)容等種種弊端。每個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)背景一致、銜接緊密，內(nèi)容高度連貫統(tǒng)一，學(xué)生通過不斷解決每一環(huán)節(jié)老師提出的問題，層層深入，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生思考、創(chuàng)造、應(yīng)用等綜合素質(zhì)，有顯著作用。在PBL模式下學(xué)生學(xué)到的知識(shí)印象深刻，在未來的工作中遇到類似問題，學(xué)生也可以模仿該方法解決實(shí)際問題，使得知識(shí)能迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

四、總結(jié)與展望

本課程的教學(xué)改革借勢(shì)于“中國(guó)制造2025”的國(guó)家戰(zhàn)略，以學(xué)生為中心，加強(qiáng)理論與實(shí)踐結(jié)合、強(qiáng)調(diào)知識(shí)的系統(tǒng)性、智能性和實(shí)踐性，以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、獨(dú)立思考的能力和自主創(chuàng)新的能力為目標(biāo)。從實(shí)施一年的情況看，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著增強(qiáng)，綜合能力得到提高。基于課程實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，獲得國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)。但是實(shí)施過程中也反映出一些問題，如何與其他課程內(nèi)容融會(huì)貫通是一個(gè)問題，學(xué)生無法將所學(xué)理論結(jié)合在一起解決一個(gè)實(shí)際問題。這需要和相關(guān)課程一起，做一個(gè)總體的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有待進(jìn)一步探索和研究。

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Abstract：The new requirements for personnel training in colleges and universities are put forward as the "Made in China 2025". In this context，this paper expounds the teaching content of the core course of industrial engineering - modeling and simulation of production system，analyzes the existing problems and puts forward some reform measures according to the requirements of "Made in China 2025".

Key words："Made in China 2025"；industrial engineering；modeling and simulation of production system