基于PlantSimulation的系統建模與仿真課程改革創新

［摘 要］系統建模與仿真是工業工程類專業的必修課程，在課程實踐中存在理論實踐課時比例、不同專業的案例設置、過程性考核等問題，文章基于Plant Simulation虛擬仿真平臺，針對問題從課程內容、教學模式、教學方法、考核方式、思政元素融入等教育教學角度進行改革創新。

［關鍵詞］系統建模；虛擬仿真；Plant Simulation

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.06.077

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）06-0236-03

0" " "引 言

系統建模與仿真是以系統理論、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。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。

系統建模與仿真是工業工程類專業的必修課程。本課程主要講授系統仿真的基本理論、方法與仿真工具使用，提高學生對實體系統進行建模、分析、評價和合理規劃的能力，使學生能夠運用計算機仿真技術模擬生產系統的布置和調度管理，熟悉和掌握計算機仿真軟件的基本操作和實現的功能［1］。

西門子Plant Simulation虛擬仿真平臺是關于生產、物流和工程的仿真軟件，它是面向對象的、圖形化的、集成的建模和仿真工具，能夠對車間布局、生產物流、產能等生產系統各方面進行定量的驗證，并根據仿真結果找到優化的方向，從而能夠在方案實施前驗證方案的效果。虛擬仿真技術在生產系統的應用是數字化工廠建設的趨勢。本項目基于Plant Simulation虛擬仿真平臺，結合虛擬仿真技術的特征，進行相關改革創新。

1" " "課程改革的意義

本項目以Plant Simulation平臺為基礎，將純理論課程改革為理實一體化課程，具體意義如下。

1.1" "響應教育部和省教育廳有關示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的要求

根據教育部辦公廳和河南省教育廳有關《示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》的要求，在學校大力支持下，河南工學院管理學院歷時兩年，進行了充分的調研論證，建成了西門子TECNOMATIX虛擬仿真實驗室。該實驗室軟件Plant Simulation是西門子提供的綜合性數字化智能制造解決方案，能夠實現工廠生產系統建模與仿真。該課程的相關改革正是為落實教育部教學項目信息化建設，提高教學質量和育人水平的重要舉措。

1.2" "專業升級改造的迫切需求

信息技術特別是以云計算、人工智能、數字孿生、區塊鏈和物聯網為代表的先進技術不斷發展，并已滲透到各行業和領域，從業者迫切需要了解新技術發展動態、熟悉產業和產品升級途徑、掌握新技術應用方法，確保行業快速可持續發展。

工業工程專業正是基于系統工程思想，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的方法對包括制造業、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，工業工程在工業4.0、中國制造2025戰略、新型產業發展中扮演舉足輕重的地位。而系統建模和仿真是工業工程的重要內容及設計改進工具。強化系統建模和仿真技術的學習，相關內容在工業工程人才培養方案理論和實踐課程中的調整與融合是專業升級改造的迫切需求。

1.3" "培養仿真技術人才，適應企業數字化轉型的需要

制造業是我國國民經濟的支柱產業之一，《中國制造2025》中指出了中國制造業未來的發展方向，對生產制造系統提出了新的要求。制造業生產系統向柔性化、數字化、智能化等方向轉變。工業4.0及中國制造2025將智能制造作為主攻方向，推進制造過程智能化，數字化車間和數字化工廠的建設則成為重要切入點。培養應用型人才的專業及課程則需要與時俱進，不斷調整與融合，以數字化技術為切入點，讓學生了解虛擬世界與物理世界的映射，學好工業工程（Industrial Engineering，IE）仿真技術，適應社會發展和行業需求［2］。

1.4" "改變教學模式，激發學生學習興趣的需要

本項目以西門子Plant Simulation虛擬仿真平臺為基礎，對系統建模與仿真課程教學實踐進行改革，以期提升課程教學效果，充分發揮核心課程的基礎作用。理實一體化教學模式，邊學邊練，講練結合，自主設計，在充分調動學生積極性的同時，也不斷培養學生綜合分析能力和IE仿真軟件的應用能力，從而提升學生的就業能力，體現了河南工學院工業工程專業培養的特色，同時在開放實驗項目的基礎上，充分利用實驗教學資源。

2" " "課程教學過程中的問題分析

河南工學院系統建模與仿真課程及相關實驗在開展中的問題如下。

（1）課程由純理論課程轉為理實一體化課程，那么理論課程部分的內容如何選取，理論課時和實踐課時比例如何確定？

（2）經過幾個學期的課程實踐，項目組積累了Plant Simulation的相關案例，但是案例庫仍需豐富。同時，針對不同專業如何設置恰當的案例也是需要重點解決的問題。

（3）該課程課時有限（32學時），即使后續有一周的實驗，在Plant Simulation平臺對象模塊的基本學習后，大型案例難以開展。如何更好地開展線上學習和線上指導，使學生更好地完成項目任務，需要認真思考。

（4）過程性考核如何實施？實操檢查是否有更好的方法？目前結課作業是指定實驗和自選綜合設計實驗，是否有更好提升學生創新能力的方法，同時避免學生直接使用別人的代碼完成作業？這些問題也亟待解決。

（5）如何與前導課程，如生產計劃與控制、系統工程、運籌學等；與后續課程，如物流工程、綜合創新能力、畢業設計等融會貫通，同時對接企業對仿真工程師的需求？

3" " "課程改革的措施和實踐情況

3.1" "課程教學內容改革與創新

系統建模與仿真是工業工程類專業必修課程中的核心課程，很多學校以概率論與數理統計、運籌學等課程為基礎進行了深入的理論學習，結合河南省工業工程學科教學層次及河南工學院工業工程專業學生實際情況，并根據教育部和省教育廳對虛擬仿真教學項目建設的要求，項目組老師對課程教學內容進行了重新梳理，以案例操作為主，理論主要集中在第一章（系統建模與仿真概述）和第二章（離散事件建模與仿真的基本原理），其他章節以實操為主，而系統建模與仿真的其他理論方法在運籌學、算法基礎、系統工程等課程中講解。同時，物流專業重點講解交通運輸流程仿真、物流搬運設備仿真等。開發綜合仿真項目、增加實際項目的內容、西門子仿真認證考題等，案例更加具有實用性，便于學生在綜合訓練、畢業設計等活動中應用。

3.2" "課程教學模式創新

線下教學模式逐漸轉變為混合式教學。理論部分，指定參考書目和大學生慕課進行自學；軟件界面與基本操作，教師提供小視頻，學生提前預習；線上資源以學習通自建資源為主，同時對有志向做仿真工程師的學生，提供更多的資源，如西家智創、仿真公眾號等；針對不同專業，提供更豐富的案例庫，如物流專業，提供更多的交通運輸流程、機器人與物流搬運設備等建模與仿真案例；針對學生自學問題，在學習通中開設答疑和互動窗口，同時定期開放實驗室進行現場指導。

結合課程的實踐經驗，項目組將案例進行了分類。小型案例，給出題目表述，需要學生自己建模仿真；大型案例，學生需提前觀看學習通的操作錄屏，課程中教師現場操作，并指出重難點，與前幾個學期相比，效率大大提高，學生練習案例數量有所增加；大型綜合案例，可以分組完成，學生可以選取不同的方法建模，提高了學生的學習興趣和成就感。

3.3" "課程教學方式、方法與手段創新

教學過程中，注重多種教學方法的綜合運用。壓縮理論講解的內容，教師主要講解軟件操作與建模工具選擇，講練結合，以練為主，同時采用啟發式教學、任務驅動法、小組討論法、案例教學法等［3］。根據不同的教學內容及教學階段采用不同的教學方法。比如針對不同的實驗，可以分為重點掌握、獨立完成、小組合作完成3個等級，重點掌握的案例，提供PPT操作步驟，現場實操，重點講解，保證每位學生聽懂會做；獨立完成的案例，提供錄屏實操，學生在課下觀看視頻后獨立完成；小組合作完成的案例，相對來說，綜合性強，比較復雜，給學生提供SPP源代碼，學生利用課余時間，以小組為單位研讀代碼，完成任務。

3.4" "課程考核方式創新

考核總成績由期末大作業和課堂討論、操作練習、課堂作業等過程性評價成績組成。其中，期末大作業成績100分（權重為60%），選擇生產制造系統進行綜合建模與仿真；課堂討論、操作練習、課堂作業等過程性評價成績為100分（權重為40%）。注重過程記錄，創新性實驗設計，同時根據專業特點調整案例。

結合理實一體化課程特點，以報告和作品結課，強調過程性控制，提出三“5”法考核方式。為避免“搭便車”現象，在結課報告中，指定實驗的參數，如pallet的容量和位置、station的故障率、不同產品的缺陷率、仿真時間等，需要為不同的學生進行不同的設置，確保學生獨立完成［4］。

三“5”考核法主要包括以下三方面內容。5分鐘抽查法：對各章節練習進行標號，學生隨機抽取題目，以5分鐘為限，根據題目難易程度和學生題目完成情況給定階段測試成績；5分鐘提交法：學生隨機抽取題目，在作業界面標注相關信息，并對存檔作業的具體內容進行參數調節，導出作業，通過總控軟件發到教師端匯總；5分鐘錄屏法：各章節綜合性較高的題目，隨機分配給學生，學生熟練掌握后講解錄屏，提交視頻作業（復雜的可延長時間，簡單的必須控制在5分鐘內）。5分鐘抽查法和5分鐘提交法考查學生對基本建模和仿真工具的熟練程度，5分鐘錄屏法除考查學生熟練程度外，對學生的問題分析、建模思路等都有所涉及。

3.5" "課程前導后續知識點及工具應用梳理

對于綜合案例，學生能夠較好地按照教師的操作視頻進行模擬練習，而真正將一個企業實例轉換為仿真模型卻有較大難度，究其原因是學生對生產系統的設計與運行（如系統設計方面：機床設備的類型和數量、物料搬運系統的類型和結構、緩沖區及倉庫的容量、裝配線的平衡等；系統運行方面：作業計劃的制訂、作業班次的安排、車間生產控制與調度、設備預防性維修周期的制定與優化等）的抽象處理能力欠缺。這就需要生產計劃與控制課程教師在講解相關理論時，針對虛擬仿真模型進行演示和驗證分析。而對于該課程中的瓶頸分析器、能耗分析儀、實驗管理器、遺傳算法優化工具等，則要結合綜合創新能力訓練、畢業設計等后續課程以及工業工程應用案例大賽、創新方法大賽等學科競賽活動，做好工具應用的領域、步驟、注意事項等方面的引導。

3.6" "課程思政元素的融入創新

為深入貫徹落實全國教育大會精神和全國高校思想政治工作會議精神，把思想政治工作貫穿教育教學全過程。筆者組織研討、深入挖掘拓展課程思想政治元素和育人功能，將馬克思主義理論、愛國主義情懷、社會主義核心價值觀、中華優秀傳統文化、工匠精神和創新思想等教育元素巧妙融入課程教育，將思政教育融入課程教學全過程，真正落實立德樹人的教學任務［5］。比如，將知識點與技術熱點相結合，引導學生強國自信，積極融入新技術浪潮；在分組活動時，強調團結協作，克難攻堅，責任擔當；獨立完成的作業，則要誠實守信，杜絕復制粘貼，避免“搭便車”；對于完成的仿真模型，力求規范美觀、精益求精。

工業工程離開了實際系統的應用就無法發揮作用，工業工程體系的課程則要注重其應用性。基于Plant Simulation虛擬仿真平臺，結合虛擬仿真技術的特征，本項目對課程內容、教學方式、考核方式、思政融入等方面進行了改革創新，該課程的教學改革成果會逐步得到應用，教學效果有待進一步驗證。

主要參考文獻

［1］孫輝.基于案例的系統建模與仿真課程教學方法探討［J］.教育現代化，2020（3）：148-150.

［2］耿維.“互聯網+先進制造業”背景下蘇州中小企業數字化轉型現狀及對策研究［J］.企業科技與發展，2022（6）：11-13.

［3］劉雁，寧飛.基于雨課堂的系統建模與仿真課程混合教學模式改革［J］.大學教育，2020（5）：53-55.

［4］晁濤，馬萍，李偉，等.系統建模與仿真課程實驗教學探討［J］.實驗室研究與探索，2020（4）：143-146，169.

［5］秦晴，李珊珊，車艷秋.“控制系統建模與仿真”課程思政探索與實踐［J］.教育教學論壇，2022（8）：98-101.