“中国制造2025”背景下生产系统建模与仿真课程教学改革

吴斌

摘要：“中国制造2025”的提出，对高校人才培养提出了新的要求。在此背景下，本文就工业工程专业的核心课程——生产系统建模与仿真的教学内容进行阐述，分析现存的问题，结合“中国制造2025”要求，提出了一些改革举措。

关键词：中国制造2015；工业工程；生产系统建模与仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）07-0004-03

一、引言

“中国制造2025”的提出，制定了我国迈入世界制造业强国的时间表，为我国制造业的智能化、信息化等提出了新的要求。围绕实现制造强国的战略目标，《中国制造2025》设计了“一二三四五五十”的总体结构。其中“二”指的是工业化与信息化融合，第一个“五”就是五条方针，即“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化和人才为本”。这里面的“二”和“五”与工业工程专业的目标完全一致。工业工程专业基于系统工程思想，以运筹学等数学方法为理论基础，以信息技术为工具，采用定性与定量结合方法对包括制造业、服务业在内的由人、物料、设备、能源、信息等多种因素所组成的各种复杂企业或组织系统中的实际问题进行系统的分析、设计与优化，从而实现系统的最大效率和效益。因此，工业工程在“中国制造2025”战略中扮演举足轻重的地位。

生产系统建模与仿真课程是工业工程专业的一门专业基础课，该课程以系统理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以仿真系统软件为工具，通过对系统的分析，建立系统模型和仿真模型，对现实系统或未来系统进行动态实验研究。随着市场竞争的日趋激烈，企业生产系统日趋向柔性化、数字化、智能化、集成化方向发展，对系统的规划设计和运行管理也变得越来越复杂。利用系统建模與仿真技术，可以在计算机上快速再现一个复杂生产系统的状态，模拟其动态行为，分析该生产系统配置是否合理，系统功能能否满足要求，进而为生产系统的设计、改善及优化提供决策支持。学术界和企业界均高度重视对系统建模与仿真技术的研究与应用。《中国制造2025》总体结构中的“十”指高档数控机床和机器人、航空航天装备、先进轨道交通装备等十个重点领域，这些领域都离不开系统建模与仿真。因此，建模与仿真能力是今后制造领域人才的必备技能。通过这门课程的学习，希望学生掌握建模与仿真的理论和方法。

二、教学中存在问题分析

目前生产系统建模与仿真课程，一般都分为理论讲授和仿真实践两部分。其中理论部分又分为建模理论和仿真理论两部分。笔者所在学校，该课程总共48学时，其中理论34学时，上机实验14学时。理论内容包括系统建模的原理、系统建模方法（排队论、库存论、层次分析法等）、仿真的理论基础（随机数发生器、仿真程序调度策略、时钟推进机制等），具体内容和学时数如表1所示。通过多年的教学，发现现有的教学内容和实验方法存在以下问题：

1.部分知识陈旧，不需要在课程中占用大量篇幅介绍。课程中的随机数发生器、仿真程序调度策略、仿真时钟推进机制等，这些内容对于工业工程专业学生来说，太过抽象，不容易理解，而且里面的内容比较陈旧，现在的计算机仿真软件都已不再使用这些技术。这些内容可以让学生了解，但是可以减少篇幅。

2.课程内容设置不合理，排队论和库存论内容一般在运筹学课程中已经讲授过，在本课程中可以再深入一步，但可以不作为重点内容讲解。而目前在企业中广泛应用的问题，如车间调度问题、下料问题、布局问题等，课程没有涉及。同时，神经网络、遗传算法等智能建模技术也在企业中逐渐普及，也需要给学生介绍。

3.生产系统建模与仿真的理论部分表现得较为概念化、抽象化、数学公式化，学生在学习中容易迷失方向，无法将理论学习与实践应用联系起来，从而失去了学习本课程的兴趣。

三、改革方法

针对上述问题，结合“中国制造2025”对人才培养提出的要求，强调教学内容的系统化、智能化、实践性，主要做出了以下的教学改革：

1.删减原教学中陈旧、不和适宜的内容。主要将仿真理论部分的内容进行学时压缩，大量的仿真理论是计算机软件理论，对学生来说理解困难。仿真部分强调应用，学生需要掌握仿真软件的应用，而非开发仿真软件。因此，笔者主要介绍目前主流仿真软件所应用的一些技术，让学生了解即可。总体上，仿真理论部分学时从以前的16学时，压缩到目前的10学时，如表1所示。

2.增加企业实际中经常遇到的问题模型和智能化建模技术。在压缩仿真理论内容的同时，增加建模部分的内容。将排队论和库存论学时压缩以后（从以前的8学时，压缩至2学时），增加神经网络、遗传算法、Agent等智能建模技术，让学生了解这些方法的原理和应用领域。同时，增加常用系统模型一章，介绍在企业中经常遇到的各类模型，如车间调度模型、车间布局模型等，具体内容如表1所示。

3.应用问题导向学习法（Problem Based Learning，简称为PBL），设计“生产系统建模与仿真”课程实验。针对课程理论抽象，学生缺乏工程背景知识、不会理论联系实际解决企业实际问题、难以对各课程内容融会贯通、被动学习等主要问题，以巩固学生理论知识、培养学生工程实践能力、提高学生实际应用和创新能力为目标，应用PBL法设计了三个实验环节（如下表2所示），克服了传统主题导向法仅强调理论、知识点分割、学生被动接受讲课内容等种种弊端。每个环节实验背景一致、衔接紧密，内容高度连贯统一，学生通过不断解决每一环节老师提出的问题，层层深入，完成整个实验。调动了学生学习的主动性和创造性，对提高教学质量，提升学生工程实践能力，培养学生思考、创造、应用等综合素质，有显著作用。在PBL模式下学生学到的知识印象深刻，在未来的工作中遇到类似问题，学生也可以模仿该方法解决实际问题，使得知识能迅速转化为实际应用。

四、总结与展望

本课程的教学改革借势于“中国制造2025”的国家战略，以学生为中心，加强理论与实践结合、强调知识的系统性、智能性和实践性，以培养学生解决问题的能力、独立思考的能力和自主创新的能力为目标。从实施一年的情况看，学生的学习积极性显著增强，综合能力得到提高。基于课程实验，指导学生参加学科竞赛，获得国家级一等奖1项，二等奖1项，省部级奖励2项。但是实施过程中也反映出一些问题，如何与其他课程内容融会贯通是一个问题，学生无法将所学理论结合在一起解决一个实际问题。这需要和相关课程一起，做一个总体的课程实验设计，有待进一步探索和研究。

参考文献：

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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