“中國制造2025”背景下生產系統建模與仿真課程教學改革

吳斌

摘要：“中國制造2025”的提出，對高校人才培養提出了新的要求。在此背景下，本文就工業工程專業的核心課程——生產系統建模與仿真的教學內容進行闡述，分析現存的問題，結合“中國制造2025”要求，提出了一些改革舉措。

關鍵詞：中國制造2015；工業工程；生產系統建模與仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0004-03

一、引言

“中國制造2025”的提出，制定了我國邁入世界制造業強國的時間表，為我國制造業的智能化、信息化等提出了新的要求。圍繞實現制造強國的戰略目標，《中國制造2025》設計了“一二三四五五十”的總體結構。其中“二”指的是工業化與信息化融合，第一個“五”就是五條方針，即“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化和人才為本”。這里面的“二”和“五”與工業工程專業的目標完全一致。工業工程專業基于系統工程思想，以運籌學等數學方法為理論基礎，以信息技術為工具，采用定性與定量結合方法對包括制造業、服務業在內的由人、物料、設備、能源、信息等多種因素所組成的各種復雜企業或組織系統中的實際問題進行系統的分析、設計與優化，從而實現系統的最大效率和效益。因此，工業工程在“中國制造2025”戰略中扮演舉足輕重的地位。

生產系統建模與仿真課程是工業工程專業的一門專業基礎課，該課程以系統理論、隨機過程與統計學理論和優化理論為基礎，以仿真系統軟件為工具，通過對系統的分析，建立系統模型和仿真模型，對現實系統或未來系統進行動態實驗研究。隨著市場競爭的日趨激烈，企業生產系統日趨向柔性化、數字化、智能化、集成化方向發展，對系統的規劃設計和運行管理也變得越來越復雜。利用系統建模與仿真技術，可以在計算機上快速再現一個復雜生產系統的狀態，模擬其動態行為，分析該生產系統配置是否合理，系統功能能否滿足要求，進而為生產系統的設計、改善及優化提供決策支持。學術界和企業界均高度重視對系統建模與仿真技術的研究與應用。《中國制造2025》總體結構中的“十”指高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、先進軌道交通裝備等十個重點領域，這些領域都離不開系統建模與仿真。因此，建模與仿真能力是今后制造領域人才的必備技能。通過這門課程的學習，希望學生掌握建模與仿真的理論和方法。

二、教學中存在問題分析

目前生產系統建模與仿真課程，一般都分為理論講授和仿真實踐兩部分。其中理論部分又分為建模理論和仿真理論兩部分。筆者所在學校，該課程總共48學時，其中理論34學時，上機實驗14學時。理論內容包括系統建模的原理、系統建模方法（排隊論、庫存論、層次分析法等）、仿真的理論基礎（隨機數發生器、仿真程序調度策略、時鐘推進機制等），具體內容和學時數如表1所示。通過多年的教學，發現現有的教學內容和實驗方法存在以下問題：

1.部分知識陳舊，不需要在課程中占用大量篇幅介紹。課程中的隨機數發生器、仿真程序調度策略、仿真時鐘推進機制等，這些內容對于工業工程專業學生來說，太過抽象，不容易理解，而且里面的內容比較陳舊，現在的計算機仿真軟件都已不再使用這些技術。這些內容可以讓學生了解，但是可以減少篇幅。

2.課程內容設置不合理，排隊論和庫存論內容一般在運籌學課程中已經講授過，在本課程中可以再深入一步，但可以不作為重點內容講解。而目前在企業中廣泛應用的問題，如車間調度問題、下料問題、布局問題等，課程沒有涉及。同時，神經網絡、遺傳算法等智能建模技術也在企業中逐漸普及，也需要給學生介紹。

3.生產系統建模與仿真的理論部分表現得較為概念化、抽象化、數學公式化，學生在學習中容易迷失方向，無法將理論學習與實踐應用聯系起來，從而失去了學習本課程的興趣。

三、改革方法

針對上述問題，結合“中國制造2025”對人才培養提出的要求，強調教學內容的系統化、智能化、實踐性，主要做出了以下的教學改革：

1.刪減原教學中陳舊、不和適宜的內容。主要將仿真理論部分的內容進行學時壓縮，大量的仿真理論是計算機軟件理論，對學生來說理解困難。仿真部分強調應用，學生需要掌握仿真軟件的應用，而非開發仿真軟件。因此，筆者主要介紹目前主流仿真軟件所應用的一些技術，讓學生了解即可。總體上，仿真理論部分學時從以前的16學時，壓縮到目前的10學時，如表1所示。

2.增加企業實際中經常遇到的問題模型和智能化建模技術。在壓縮仿真理論內容的同時，增加建模部分的內容。將排隊論和庫存論學時壓縮以后（從以前的8學時，壓縮至2學時），增加神經網絡、遺傳算法、Agent等智能建模技術，讓學生了解這些方法的原理和應用領域。同時，增加常用系統模型一章，介紹在企業中經常遇到的各類模型，如車間調度模型、車間布局模型等，具體內容如表1所示。

3.應用問題導向學習法（Problem Based Learning，簡稱為PBL），設計“生產系統建模與仿真”課程實驗。針對課程理論抽象，學生缺乏工程背景知識、不會理論聯系實際解決企業實際問題、難以對各課程內容融會貫通、被動學習等主要問題，以鞏固學生理論知識、培養學生工程實踐能力、提高學生實際應用和創新能力為目標，應用PBL法設計了三個實驗環節（如下表2所示），克服了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。每個環節實驗背景一致、銜接緊密，內容高度連貫統一，學生通過不斷解決每一環節老師提出的問題，層層深入，完成整個實驗。調動了學生學習的主動性和創造性，對提高教學質量，提升學生工程實踐能力，培養學生思考、創造、應用等綜合素質，有顯著作用。在PBL模式下學生學到的知識印象深刻，在未來的工作中遇到類似問題，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。

四、總結與展望

本課程的教學改革借勢于“中國制造2025”的國家戰略，以學生為中心，加強理論與實踐結合、強調知識的系統性、智能性和實踐性，以培養學生解決問題的能力、獨立思考的能力和自主創新的能力為目標。從實施一年的情況看，學生的學習積極性顯著增強，綜合能力得到提高?；谡n程實驗，指導學生參加學科競賽，獲得國家級一等獎1項，二等獎1項，省部級獎勵2項。但是實施過程中也反映出一些問題，如何與其他課程內容融會貫通是一個問題，學生無法將所學理論結合在一起解決一個實際問題。這需要和相關課程一起，做一個總體的課程實驗設計，有待進一步探索和研究。

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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