工业工程专业生产系统建模与仿真课程教学改革探究

沈振辉，贾磊

(福建江夏学院 工程学院，福州 350108)



工业工程专业生产系统建模与仿真课程教学改革探究

沈振辉，贾磊

(福建江夏学院 工程学院，福州 350108)

生产系统建模与仿真课程是工业工程专业重要的专业核心课程，该课程的理论性和实践性都很强，涉及知识内容广泛，学习难度大。针对课程学习问题，分析了现有工业工程专业生产系统建模与仿真课程的特点和改革现状，探讨了课程教学中在先修课程教学、课时设置、内容设置、实践教学和考核形式等方面存在的问题，从基础课教学、教学流程、教材选择、师资培养和考核方式等方面提出了课程的改革思路。

生产系统建模与仿真；工业工程；教学；改革

“中国制造2025”这一国家战略规划的推出，对国内制造企业的生产能力提出了更高要求。目前，国内对于现代制造模式的理论与应用研究已经取得显著成果，但是国内制造企业内部基础能力薄弱，主要表现为工业工程(Industrial Engineering，IE)基础累计不够,企业实践中重技术、轻管理，缺乏管理与技术集成创新的能力等。大力推广IE的实践与创新，通过IE 理论改善企业生产过程，是推动中国迈向世界制造强国的有效路径[1]。因此，在中国制造业的转型与升级阶段，对深化高等教育教学改革，优化人才培养方案，全面提高IE专业人才培养质量，也应提出更高要求。

目前，针对生产系统建模与仿真课程的教学研究已取得了一系列成果，但仍存在以下不足：其一，部分研究从工业工程专业人才培养方案的角度对生产系统建模与仿真课程的地位与作用、教学目标、教学大纲内容进行了深入分析，但对教学内容的组织、教学过程实施的改革研究依然较少[2-5]；其二，部分研究基于人才培养方案和教学大纲，从各生产系统建模与仿真课程教学内容的角度探讨课程的教学环节设计和教学过程组织改革，但主要以教学子内容为研究对象，课程知识体系不够完整，知识点之间相对独立，理论学习和实际应用联系不够密切[6-8]。

综合上述分析，结合学校及学生实际情况，深入开展生产系统建模与仿真课程的教学改革研究，具有重大理论现实意义。

1 生产系统建模与仿真课程特点

生产系统建模与仿真课程是在学生学习了高等数学、概率论与数理统计、C语言程序设计、系统工程导论等先修课程之后学习的一门专业核心课程，其教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。旨在通过课堂教育和上机实践，使学生了解计算机仿真的基本步骤，熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置与调度管理。

基于上述分析，生产系统建模与仿真课程的教学具有以下特点：①具有较强的理论性，知识体系具有其独特性和完整性；②知识具有综合性特征，涉及多个学科，尤其涉及计算机科学、软件工程、信息工程、控制工程、系统工程、管理工程等学科；③具有较强的实践性和应用性，强调理论知识与实践知识相结合，是一门技术性、实用性强的学科。

2 生产系统建模与仿真课程教学现状

由于不同学校的专业背景及工业工程专业所授学位不同，所制定的专业人才培养方案不尽相同，因此生产系统建模与仿真课程的内容安排、学时安排、理论课与实践课的课时比例也有所差别。但总体而言，现有生产系统建模与仿真课程的教学组织过程中主要存在以下问题：

(1)先修课程侧重通识教育，与专业结合较少。生产系统建模与仿真课程是一门涉及多学科的综合性课程，知识点涵盖多门先修课程，尤其涵盖多门校级公共基础课程，如高等数学、概率论与数理统计、C语言程序设计等。由于这类课程侧重讲授通识教育内容，在授课过程中，课程知识点与专业知识的融合较少，加上开课时间一般设在大一、大二学年，时间间隔较长，在生产系统建模与仿真课程授课过程中，学生对相关知识点的理解较为困难，容易影响课程进度。

(2)课时少但内容多，矛盾难以协调。生产系统建模与仿真课程的教学内容不仅包括仿真概述、离散事件系统仿真、随机数和随机变数的生成、输入数据采集与分析、系统仿真算法、仿真输出分析、排队系统仿真、库存系统和生产系统仿真等理论知识，而且包括仿真的建模、参数设置、仿真、结果输出及分析等实践应用，课程涵盖内容繁多。目前国内高校的课程体系里面，生产系统建模与仿真课程的学分设置为2～3个学分，课时为32～48个课时，相对其他专业核心课程，课时量依然较少。

(3)内容抽象应用性强，学生认知不足兴趣低。生产系统建模与仿真技术课程内容涉及高等数学、概率论与数理统计、系统工程导论等多门基础学科，具有原理性强、公式繁多、内容抽象等特点，导致学生理解较为困难，容易使学生丧失学习本课程的兴趣，降低主动学习的积极性。

(4)仿真操作性技术性强，学生实现阻力大挫败感强。对生产系统的仿真必须在对现实生产系统进行抽象后，借助仿真工具来实现。现有的仿真工具主要是从国外引入的软件，如Flexsim、Witness、Em-plant等。在现有工具的基础上，简单系统工作流程的仿真直接通过交互式菜单操作就能进行建模与仿真，但对大部分的生产系统而言，很多的工作流程依然必须通过编程实现，而且主要是基于面向对象的编程进行开发。但在先修课程中只有C语言程序设计这门课程涉及计算机编程，且主要学习的是基于过程的C语言编程，实际编程经验较少。因此，学生编程过程中容易出现逻辑错误和语法错误。由于软件的编译错误以英文的形式呈现，英语基础较差的学生往往不知所措，时间长了极易产生挫败感，从而降低对本课程的学习兴趣。

(5)课程内容形式多样，全面考核困难。生产系统建模与仿真课程包括理论部分和实践部分，不仅要考查学生对仿真基本理论、实际生产系统的抽象、输入数据的采集与分析、仿真的输出分析等理论内容，而且需考核学生的实际建模操作和仿真能力。因此，通过传统的卷面考试、上机考试或课程报告，不仅难以进行全面的考核，而且无法在真正意义上激发学生学习的主动性和积极性。

3 生产系统建模与仿真课程教学改革方案

针对上述生产系统建模与仿真课程教学现状，基于循序渐进、理论联系实际、可操作性等原则，提出如下教学改革思路：

(1)融合专业特点，强化基础学习。现有先修基础课程的教学过程中，主要侧重一般性理论的讲解，较少将授课内容与学生所学专业进行融合，导致学生在基础课程学习的时候较为茫然，没有针对性，对所学理论的实际应用知之较少。进入专业课和专业基础课的学习阶段，一方面基础课阶段学生没有针对性的学习容易导致知识点的遗忘，另一方面学生对相关理论的理解和应用较为困难。因此，如果能在先修课程中，融合专业特色，将生产系统建模与仿真的实际应用跟基础课的相关理论有机结合，不仅能够增强学生在基础课学习中的针对性，提高基础课的授课效果，而且能够在生产系统建模与仿真等专业课的学习中提高学生学习效率，提高学生学习的主动性和积极性。

(2)遵循认知规律，优化教学流程。教学过程应该符合学生的认知规律，由容易到困难、由特殊到一般、由直观到抽象。同时，还必须注重知识环节之间的内在逻辑性，激发学生的积极思维。生产系统建模与仿真是一门实践性较强的课程，对现实生产系统的建模与仿真包括模型抽象、输入数据采集与分析、建模、仿真和仿真输出分析等，每个操作环节之间有紧密的内在联系，且各个环节之间穿插着课程的基本理论。因此，生产系统建模与仿真课程的教学过程应当有序化，兼顾学生的认知规律和知识结构的内在联系。将知识点与操作环节有机结合起来，形成知识脉络，突出重点，帮助学生对所学知识进行领会、疏理、提取与迁移运用。为实现这一目标，在课程教学过程中综合运用案例教学、问题导向式教学、项目驱动式教学等教学模式和手段。案例和项目的进度与课程知识脉络之间的对应关系如图1所示。通过案例和项目，将课程知识融入案例实施或项目实施的各个环节，提高学生的实践能力、学习兴趣和积极主动性。通过问题导向，激发学生的主动思维，提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

图2 课程考核的3个层次

(3)优选参考教材，加强师资培养。教材是学生学习的主要参考书。不合适的参考教材容易降低学生的学习积极性。根据课程需要，优选课程的参考教材是提升课程教学效果的保证。目前，关于生产系统建模与仿真的教材依然较少，而不同的学校、学科背景，课程设置不同，对教材内容的要求也各不相同，可供教师选择的教材较少。

(4)结合课程特点，改革考核方式。针对课程内容形式多样、考核困难的特点，采用多元化的考核方式，进行全面、公正的课程考核，引导学生不仅要重视基础理论学习，还应注重对所学理论的深层理解、分析、比较和融会贯通，掌握发现问题、分析问题、解决问题的能力，同时培养独立思考和自主创新的能力。因此，将课程的考核分成理论考核、操作考核和项目考核等3个层次，如图2所示。在理论知识学习阶段，通过传统的卷面考核形式考核学生的理论水平；在实践操作学习阶段，以考核学生的软件操作能力和仿真效果为主；在项目考核阶段，以项目的形式，通过项目总结报告和答辩对学生的综合能力进行全面考核，包括理论水平、时间操作、团队组织、分析问题和解决问题的能力等。

4 结语

(1)探讨了中国制造业转型与升级背景下培养工业工程专业人才的重要性，分析了作为专业核心课程的生产系统建模与仿真课程的改革现状，指出了现有研究中存在的教学内容组织和教学过程改革较少、课程理论知识和实际应用联系不够密切等问题，同时探讨了课程具有的若干特点。

(2)基于生产系统建模与仿真课程的特点，从先修课程与专业之间的融合度、课时设置与教学内容量之间的矛盾、抽象的课程内容与学生认知之间的差距落差、实践操作能力要求与学生技能水平之间的不协调、多样性教学内容考核存在的问题等方面探讨了课程的教学现状。

(3)针对生产系统建模与仿真课程教学现状存在的问题，从基础课教学融合专业特点、课程教学流程遵循认知规律、教材优选并加强师资培养和考核方式根据课程特点全面化等4个方面提出课程的改革思路。

[1] 黄毅敏, 齐二石. 工业工程视角下中国制造业发展困境与路径[J].科学与科学技术管理, 2015, 36(4): 85-94.

[2] 王行仁, 龚光红, 刘藻珍，等. “仿真科学与技术”学科知识体系与课程体系的探讨[J]. 系统仿真学报, 2009, 21(17): 5275-5280.

[3] 查靓, 杜轩, 赵美云. “生产系统建模与仿真”课程教学改革探索[J]. 科教文汇, 2015(5): 77-78.

[4] 付景枝. 《系统建模与仿真》课程教学与实践[J]. 科技视界, 2015(2):171.

[5] 李俊, 陈雷雷. 工业工程专业系统建模与仿真课程教学探索[J]. 科技信息, 2013(35):10-19.

[6] 刘云, 田斌, 龚小军，等. 工业工程专业生产系统建模与仿真课程教学探究[J]. 大学教育, 2015(6):141-143.

[7] 严浩云. 工业工程专业《系统建模与仿真》课程教学探讨[J]. 教育教学论坛, 2013(52):262-263.

[8] 陈雷雷, 李俊, 沈妙妙. 建模与仿真课程设计的教学实践与探索[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(7): 210-213.

[9] 李丹丹，张志伟，韩伟.软件仿真平台在大学教学中的应用研究[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版)，2015(6)：245-247.

责任编辑：刘 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

福建省中青年教师教育科研项目(JAS14574)

沈振辉(1985-)，男，福建诏安人，讲师，硕士研究生，主要从事工业工程方面的教学与研究。

TP31

A

1009-3907(2016)10-0112-04