经管院校工业工程实验教学平台规划与建设

2013-05-16李文川冯良清

实验室研究与探索 2013年2期

李文川，冯良清

（南昌航空大学经济管理学院，江西南昌 330063）

0 引言

工业工程（Industry Engineering，IE）起源于20世纪之初的美国，是在工业化大生产背景下伴随着“专业化和劳动分工”理论以及泰勒“科学管理”思想逐步演化而来的一门学科。IE强调利用系统工程的思想，综合数学、运筹学、自然科学、人文社会科学等多学科领域知识与技术对由人、设备、物料、信息、能源等组成的系统进行整体规划、设计、评价和创新，提升企业的生产效率和社会经济效益［1-2］。在IE理论发展的100多年里，其理念和应用范围从最初的生产制造业拓展到工商业、服务业、政府机构、军事部门等诸多领域。可以说，IE学科的发展对于国民经济的发展、企业管理理念的提升、工业技术的升级以及装备自动化具有重要的推动作用［3-4］。

由于IE是一门管理与技术相结合，实践性很强的应用学科，所以对高校来说，如何培养出具有扎实理论基础和较强实际问题解决能力的综合性应用型人才是一项长期而艰巨的任务。IE实验通过对所学专业知识的验证、综合和创新设计，有利于巩固基本理论知识，提升学生的操作和创造能力。因此，科学合理地进行IE实验室的规划和建设可为IE学科育人目标的实现提供切实可行的途径。

我国IE学科发展和人才培养虽然还不到20年的历史，但截止2011年底有近180所高校开设有IE专业。其中：在人才培养模式方面，大约50%高校采用机械类培养模式，40%高校采用管理类培养模式，10%高校采用特定类型培养模式［5-6］;在实验室规划和建设方面，绝大部分高校都已建成IE实验室或正在规划筹备之中［7］。就高校实验室的长远规划来说，促进学科融合、资源整合，推进开放性实验教学平台的建设将是总体趋势。特别是对于管理类工业工程培养模式，由于IE专业与学院其他管理类专业在课程设置上具有一定交叉和互补性，以IE实验室为核心构建开放的公共实验教学平台将极大促进经管院校的学科建设和育人质量。现结合我校IE实验室的建设情况就经管院校IE实验教学平台的建设进行探讨，期望能给类似院校IE实验室的建设提供一定参考经验。

1 IE实验教学平台建设依据和原则

1.1 建设依据

（1）IE专业学科特点及培养目标。IE实验室的建设是IE实验教学平台建设的核心，而IE专业的学科特点及培养目标又是IE实验室建设的基础。

从IE专业学科特点及发展趋势看，IE专业的发展经历了两个阶段：传统IE和现代IE。传统IE通过时间、动作研究、厂房布置、物料搬运、生产计划和日程安排等对生产系统进行局部优化，以提升生产效率为主要目标;同传统IE相比，现代IE在研究对象、方法和目标等方面都得到了极大扩展，强调以系统工程和运筹学为理论基础，综合运用多种学科知识、方法和高新技术对各种生产、运营及服务系统进行整体规划、设计、评价和创新，实现多方面综合效益的提升。

从培养目标看，主要培养具备现代工业工程和系统管理等知识、素质和能力，富有开拓和创新精神，能在企业从事生产、经营、服务等管理系统规划、设计、评价和创新工作的复合型应用型人才［8］。

（2）现有IE实验室建设及其不足。目前我国IE实验室的建设按照人才培养模式的不同，其建设思路主要分为以下几种类型：①以硬件为主。主要包括流水生产线系统、电子分拣系统、立体仓库系统、人因工程实验设备、生产制造系统等，代表院校有合肥工业大学、上海海事大学、首都经贸大学、华东交通大学等。硬件为主的IE实验室能让学生对生产系统具有较为直观的认识，不足之处在于设备投入大，运行效率较低，维护难度大，多为验证性实验且实验内容单一。②以软件为主。主要包括ERP软件、工业工程基础软件、物流系统规划设计软件、系统建模仿真软件等，代表院校有上海交通大学、重庆大学、中国矿业大学、南昌大学等。该类实验室占用空间小、投入成本较低、实验内容较为丰富，不足之处在于缺乏对生产运营系统的直观认识，通过软件模拟企业生产运营过程，模拟结果与企业实际情况具有一定差距。③ 软硬件集成。通过软硬件集成弥补上述两类实验室的不足，代表院校有清华大学、山东大学等。该类实验室通过软硬件集成的方式围绕一个统一的实验对象来进行各教学环节的实验设计，整个IE实验体系能够模拟企业从设施规划与布局、物流系统设计、生产计划与控制、质量管理、流程改进、人因工程等大部分IE活动，有利于提升学生的实际动手能力和创新能力［9-10］。

此外，现有IE实验室还存在以下不足［11-13］：大部分高校未建成专门的IE实验室，实验类型以验证型实验为主，实验内容、实验形式和实验手段也很单一;面向学生能力培养的综合型、设计型实验较少;实验方式单调，实验效果不佳;实验教学资源未有效集成，无法复用等问题。

1.2 建设原则

（1）体现学校特色，发挥学科优势。虽然众多高校都开设有IE专业，但IE实验教学平台的建设并非千篇一律，应在保证IE人才培养目标的前提下，充分发挥各学校、学院自身特色及学科优势，立足于某一行业背景，依托学科团队的专长领域进行实验项目、实验内容和实验手段的选择和设计，提升实验效果。

（2）理论与实践相结合，培养创新能力。IE专业的产生背景和学科特点决定了IE实验教学平台的建设必须坚持理论与实践相结合的路线。IE实验教学平台的建设不仅要使学生了解、掌握某些单一知识点，还要培养学生综合运用一系列知识和方法解决某些问题的系统思维，最终能独立和协作进行创新设计，这也充分体现了高校人才培养模式的多层递进特性。

（3）服务教学，兼顾科研。IE实验教学平台的服务对象既包括学生还包括老师。其中，学生层次包括本科生和研究生，本科生偏重于实际操作能力的培养，研究生偏重于科学领域的探究。IE实验教学平台应首先保证学校的实验教学工作，其次还需考虑教师以及研究生的科研需要，通过教师的科学研究成果和科研水平带动研究生以及本科生能力的提升，充分体现教学育人和科研育人的双重育人理念。

（4）资源整合，开放多样。由于IE学科涉及企业生产运营的整个过程，特别是经管院校的IE专业同其他管理类专业在课程设置方面具有一定交叉，因此IE实验教学平台建设要注重相近学科间实验教学资源的整合，避免“实验资源孤岛”现象。此外，为提高实验资源的利用率，应遵循开放多样的原则，向相近专业或有培训需要的企业或社会人员开放，体现高等院校服务社会的责任。

（5）总体规划，分步建设。IE实验教学平台的建设投入大，周期长，需做好总体规划，分步实施。具体来讲，应根据专业发展规划逐步完善，不断积累经验。在资金有限条件下以满足基本实验教学为目标，兼顾科研实，同时考虑可扩展性，以适应分期建设的需求。此外，还需追踪IE学科的发展趋势，注重平台建设的长期性和可持续性。

2 经管院校IE实验教学平台规划

根据IE实验教学平台的建设依据和建设原则，结合经管院校IE实验教学平台的实际需求，提出经管院校IE实验教学平台的体系结构，如图1所示。

图1 经管院校IE实验教学平台体系结构

2.1 实验目的

根据高校的人才培养目标，IE实验教学平台系列实验的目的在于深化基础理论知识，培养分析和解决问题的系统思维，提升学生综合能力。

2.2 实验内容

经管院校IE专业及其他管理类专业涉及实验实践环节的课程主要包括基础工业工程、人因工程、质量管理、企业资源计划、生产运作管理、设施规划与物流系统设计、供应链管理、系统建模与仿真等。除前两门课程为IE专业特有的核心主干课程，其他课程都面向IE专业及其他管理类专业开设，如工商管理、市场营销、电子商务、信息系统与信息管理等，不同之处在于各专业在教学目标、实验内容和实验要求上各有侧重。此外，以上专业的部分课程设计、综合课程设计和毕业设计都极大依赖于IE实验教学平台的软硬件资源。

2.3 实验手段

传统的实验手段主要包括现场认知和计算机仿真两种方式。受成本和场地制约，实验室不可能采购所有与课程内容相关的设施设备和实验仪器。为让学生更加全面地了解当前企业生产运营的现场情况和把握学科前沿动态，可通过录像和3D虚拟现实软件等方式扩充传统实验手段，再现企业生产场景，提高学生的学习兴趣［14］。

2.4 实验类型

根据实验目的和学生层次的不同，实验类型可分为认知型、综合型和创新设计型三类形式。其中：认知型实验主要面向低年级学生，使其对专业课程所涉及的内容具有一定感性认识;综合型实验面向中高年级学生，通过对各门专业课程的学习，综合所学知识分析目标系统面临的问题并提出解决思路;创新设计型实验主要面向大四学生和研究生，使其具备规划和设计新系统的能力。

2.5 实验方式

传统的实验方式主要在实验室进行，学生在老师的要求下，依据实验大纲进行套路式实验操作，实验内容陈旧，学生实验兴趣较低，实验效果较差。针对传统实验方式的不足，应充分发挥教师的引导性和学生的积极性，具体来说就是通过教师的引导，利用开放式命题，让学生在课余期间进行实验方案的设计并到实验室进行方案验证和优化。此外，各教学实验机构应充分开展校企合作，建立一批成熟的实践教学基地，让学生到实践基地或企业的生产现场进行调研和数据采集，收集的数据再拿到实验室进行仿真和优化，完成“实验室—现场—实验室”的整个循环过程［15］。

3 IE实验教学平台应用实践

南昌航空大学经济管理学院目前有经济学、会计学、工商管理、市场营销、电子商务、信息管理与信息系统、工业工程7个本科专业以及管理科学与工程一级学科硕士点。工业工程专业于2006年获批，2009年9月开始招收本科生。为满足IE专业大三学生实验实践环节和课程设计的需要，急需建立IE实验教学平台，使其既能满足学院其他专业开设相关实验，又可辐射兄弟院系相关专业，还为教师提供科研平台，促进学科间的协调发展。

3.1 IE实验教学平台建设

在实地考察、借鉴清华大学等高校IE实验室建设经验的基础上，结合我校工科优势与航空特色以及IE专业的培养方案，提出IE实验教学平台的建设目标为“服务实验教学，兼顾科学研究，资源集约利用，软硬件系统集成”，IE实验教学平台的基本功能为“现场模拟、创新设计、情景再现、前沿探究”。建成后的IE实验教学平台场景如图2所示。IE实验教学平台主要由四大实验系统组成：

图2 IE实验教学平台组成

（1）航空产品生产线系统。以航空产品零部件及飞机模型为实验对象，模拟其生产装配过程，主要由生产线硬件系统和生产管理系统两部分构成。其中，生产线硬件系统由生产材料存放区、塑胶工作台、产品传送带、装配线物流车、电气控制系统组成;生产管理系统由生产线状态监控计算机、RFID软硬件系统、生产线工位电子看板、制造执行系统等组成。

系统的主要特点在于：①硬件系统所用设备在工业现场已广泛采用，使学生清楚地了解工业现场中生产设备的结构形式和特点;②将计算机管理监控系统应用于实验系统，使学生充分了解和掌握工业现场中计算机软件技术和自动控制技术;③将RFID技术、电子看板等新进技术引入实验系统，扩充了传统生产管理系统的功能。其中，电子看板对生产过程进行全面的监控，以直观、形象的方式呈现物料需求、质量检测、设备运行、工位工时、任务进度、在制品状态等的实时信息，实现对在线库存的精准控制和生产物料的准时供应;RFID技术通过在实时数据采集上的优势，实现对生产过程中的在制品监控和人员、物料的全过程跟踪，提高管理水平和效益。

该系统作为IE实验教学平台的重要组成部分，通过对生产线的真实模拟，满足“生产运作管理”、“基础工业工程”、“质量管理”、“人因工程”等课程的实验实践教学环节。

（2）物流分拣系统。系统由流力式货架、电子标签系统和电子标签辅助拣选信息管理系统等组成，可进行摘果式、播种式等多种物流分拣系统的实验设计和分析。该系统可使学生了解电子标签系统在分拣系统中的各种应用，掌握摘果式、播种式电子标签分拣系统的实现原理，并能进行电子标签分拣系统的设计。

（3）生产系统规划设计、优化与仿真系统。以软件集成平台建设为主，实现生产系统规划设计、运行优化等仿真功能。主要由生产系统规划设计仿真软件、生产系统分析优化软件、复杂系统仿真软件等组成。

其中，生产系统规划设计仿真软件具有装配设备、操作员、机器人、输送机、货架、升降机、起重机、转车台、托车等丰富的资源对象类型，可对一般生产工艺流程进行快速建模并进行相应的数据分析，适合生产系统、物流系统的实验教学和科学研究。学生对模拟企业或实验室系统的参数进行调研后，利用该软件对生产系统的日常作业、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能和计划结果的评价、风险预测等进行优化分析，找出系统性能不匹配的地方，提出改进方案，并动手加以实践，提高学生分析问题、解决方案的能力。

生产系统分析优化软件可进行车间布局、生产线平衡和动作研究方面的实验教学及科学研究，主要包括车间路径流计算、车间布局规划、生产线平衡、动作时间评估等功能模块。学生利用该软件对所设计的方案布局进行分析，找出该方案中的瓶颈所在，发现方案物流路径的瓶颈并进行改进，可加深学生对工厂企业物流分析和设施选址及评价方法的理解。

复杂系统仿真软件通过系统动力学、多智能体、离散事件建模方法，过程流图、状态图、方程系统等模块对离散，连续和混合制造系统进行建模和仿真，并以可交互的二维、三维动画进行显示和数据分析。该系统主要面向研究生及教师的实验实践、科学研究。

（4）3D仿真展示平台。通过引进先进的3D仿真软件taraVRbuilder，并配置3D偏光眼镜，使学生能运用虚拟现实技术进行三维建模、可视化管理和数据分析。该平台的主要功能包括机场模块3D展示、制造车间物流3D展示、出入库作业、自动分拣、仓储货架管理、包装及捆扎、打包机拆包仿真等。

该系统通过丰富的模型库和三维动画生动再现企业生产运营现实场景，极大节省了实验室硬件设备的购置成本。

3.2 IE实验教学平台建设效果

（1）满足IE专业核心课程实验教学。满足了IE专业的实验教学及课程设计的需求。其中“生产运作管理”实验包括航空零部件产品结构分析、装配工艺规划、生产线平衡、混流装配生产实验等;“设施规划与物流系统设计”实验包括摘果式电子标签分拣系统设计、播种式电子标签分拣系统设计、航空制造车间物流规划设计等;“基础工业工程”实验包括工艺程序分析、动作分析、秒表测时与工时评价、模特排时法等;“质量管理”实验包括质流程分析与量数据测定、质量数据分析与质量控制等;“人因工程”实验包括流水线环境照明与生产率关系测定、环境噪声与简单反应时测定;“生产运作管理”课程设计和“工业工程专业综合课程设计”。

（2）辐射学院其他本科专业及相关学院实验教学。满足了工商管理、市场营销、电子商务、信息管理与信息系统等开设的“生产运作管理”、“质量管理”实验教学;电子商务、信息管理与信息系统等开设的“设施规划与物流系统设计”实验教学;航空学院、飞行器学院等学院开设的“基础工业工程”实验教学;还可为“物流与供应链管理”、“物流设施与设备”、“供应链管理”“非线性复杂系统分析”等课程提供实验与研究平台;此外，本平台的软件系统可为管理科学与工程硕士点、航空工程及控制工程等硕士点的研究生提供实验教学平台。

（3）促进学科团队科研水平提升。充分发挥IE实验教学平台的软硬件优势，为科研团队提供研究平台，开展科学研究和教学研究。

（4）服务地方经济。为企业相关部门和人员提供咨询、培训、指导和科研成果产业化等服务，直接为地方经济建设作贡献。此外，积极面向社会，接受大专院校教师进修并向全省中职学校和社会提供开放服务。

4 结语

根据IE专业学科特点及培养目标、我国现有IE实验室建设的不足进行了IE实验教学平台体系结构的规划，并应用于我校IE实验教学平台的建设之中。经管院校IE实验教学平台的建设有利于资源集约，提高人才培养质量，但其建设过程具有长期性和复杂性，需要与学校的办学理念，IE学科的发展动向、学科团队优势以及大学生的认知和学习规律等相适应才能发挥其最大优势。

（References）：

［1］李改叶，刘启华，赵芳霞.工业工程的回顾与展望［J］.南京工业大学学报（社会科学版），2007，6（4）：89-93.

［2］李学亮，，马立红.工业工程实验体系的构建［J］.实验技术与管理，2005，22（5）：86-89 .

［3］陈杰.工业工程本科教学实验体系研究［J］.实验室研究与探索，2004，23（5）：9-10，35.

［4］刘利军.工业工程专业实验教学体系的研究［J］.实验室教学研究，2006（6）：21-23 .

［5］周梓荣，龚存宇.工业工程专业应用型人才培养体系探讨［J］.湖南工程学院学报，2005，15（3）：89-93.

［6］周贞云，马汉武，叶春明，等.现代工业工程专业实验室的规划趋势［J］.工业工程，2004，7（2）：60-63.

［7］陈世平，廖林清，郑光泽，等.我国高等教育工业工程专业实验室建设模式浅析［J］.工业工程，2005，8（6）：108-111.

［8］汪应洛，袁治平.工业工程导论［M］.北京：中国科学技术出版社，2001：8-12.

［9］吴爱华，崔鲁光，张毅伟，等.工业工程教学实验体系的研究与实验方法的改革［J］.实验室研究与探索，2001，20（2）：46-49.

［10］杜春沈.工业工程实验教学系统的设计与实施［J］.实验室研究与探索，2006，25（6）：734-737 .

［11］陆刚，孙宇博，卢明银，等.工业工程专业实验室建设现状分析及其实验模式研究［J］.工业工程，2011，14（2）：127-130.