基于CDIO理念的设施规划与物流分析课程教学改革

2018-04-16沈维蕾

物流技术 2018年3期

周蓉，沈维蕾，王雁

（1.合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥 230009；2.合肥工业大学创新创业教育中心，安徽合肥 230009）

1 课程教学现状及改革内容

1.1 课程教学现状分析

《设施规划与物流分析》（有的学校称为物流工程）是工业工程专业一门重要的专业基础课，目标是培养学生具备解决企业生产与管理过程中设施的空间组织与物料搬运的系统设计和改善的综合技术能力[1]。该课程是学生从管理学、机械制造技术基础、运筹学等纯理论知识转向实际应用的综合学习及实践的重要课程[2-3]，也是培养学生综合分析能力、解决工程实际问题能力和创新设计能力的专业主干课程，是学生了解和掌握专业领域工程问题的实际设计分析的开端[4]，所以该课程的教学质量会直接影响学生的专业技术技能。

《设施规划与物流分析》课程具有很强的理论性、工程性、综合性和设计性[5]，单纯依靠课堂理论教学并不能满足教学要求，必须适当增加综合性实践教学环节比重来提高学生对该课程的感性认识[6]。各高校现有教学主要由理论教学、实验教学和课程设计三个环节组成[7]。然而，由于受到教材、方式、经济、现场条件和指导力量等多方面的限制，这些教学环节并不能真正激发学生创新意识。纵观各高校《设施规划与物流分析》教学现状，主要存在以下四个方面的问题：

（1）现有教材内容陈旧，没能及时更新。各高校所用教材版本较老[2-3]，知识内容体系创新性不够，教学内容偏重理论推导，没有体现教学目标要求的“创新和实践能力”，与实践实际要求的课程内容或知识点的编排存在一定的差距[2-4]。

（2）教学方法和实施措施不利于学生创新和设计能力培养。教师在知识点的选择和安排上没有脱离传统的教学理念，所采取的教学方法和教学手段比较单一，课程教学中只是理论知识的简单讲解，没有结合工程实际进行教学，因而不利于学生学习主动性和积极性的充分发挥，学生应用所学的知识解决实际问题的能力较差。

（3）课程设计题目多年不变，陈旧老套，缺乏创新性。课程设计是《设施规划与物流分析》课程体系中一个重要的实践教学环节，也是高等院校工业工程专业学生进行的第一次较为全面的设施规划与物流分析训练[8-9]。长期以来，各高校将机械制造厂总平面布置设计作为课程设计题目，设计内容简单且变化不大，缺乏拓展和创新的空间，激发不了学生的积极性，同时也容易埋没了优秀学生的创造力。

（4）实验教学定位不明确，不利于学生实践动手能力的培养。传统教学过于注重理论教学，忽视实验教学，多数高校将实验教学当作理论教学的辅助手段，加上条件有限或实验软硬件设备陈旧，实验项目多是单一、简单的验证性实验项目，基本停留在理论验证、加深理解和现象演示等较低层次上，缺少综合性、创新设计性实验，缺乏系统性和逻辑性，没有形成一个完整的有机实验体系，不利于学生实践动手和创新能力的培养[10]。

1.2 基于CDIO的改革内容

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即构思—设计—实现—运行）是由美国麻省理工大学和瑞典皇家工学院等四所大学联合探索创立的工程教育理念和全新的国际工程教育与人才培养的创新模式，它强调工程教育应当关注实践并以科技为基础，以工程项目（包括产品、生产流程和系统）的生命周期为载体，让学生在有机联系的集成化课程群中，以主动学习和实践的方式学习工程技术，达到培养具有综合创新能力的创新型工程人才之目标[11]。国外经验表明CDIO“做中学”的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。华南农业大学[12]、大连海洋大学[13]等已着手建立基于CDIO的工业工程专业人才培养模式，很多高校也开始在体系下就具体的工程课程展开相应的CDIO教学改革[14-16]。

为此，本文提出一种基于CDIO理念的《设施规划与物流分析》课程教学改革模式，以项目为驱动，将理论教学、实践教学和科学研究有机结合起来，以期取得良好的教学效果。CDIO改革要求遵守《CDIO教学大纲》，明确创新型工程师应学习具备的全部知识和形成的能力、素质，以及掌握水平的程度等。因此，对于《设施规划与物流分析》课程的CDIO改革，首先要完全摒弃传统按教材章节的顺序逐一授课的形式，根据课程知识、能力和素质要求重组知识体系。为确保该课程的全面教学质量，基于CDIO的改革内容应涉及课程计划、教学内容、教学方法、教学手段、考核评价方式等多方面全方位的变革。

2 基于CDIO的课程知识体系

CDIO工程教育理念强调面向实际工程问题，以主动探索掌握技术知识的方式进行工程学习，能在简单扎实的知识架构上灵活运用并形成专业技能。本文借鉴和学习汕头大学机械设计制造及其自动化专业的EIP-CDIO教育模式经验，在原有教学资源基础上，融合当代物流发展的“互联网+”背景，增加新内容，结合实际案例，对《设施规划与物流分析》课程知识体系进行重构，着眼于知识与能力培养，将课程内容统一于“构思”、“设计”、“实现”、“运行”四个过程，实现知识与能力培养的一体化。

《设施规划与物流分析》课程知识结构主要涵盖了设施规划与物流分析概论、设施规划与物流分析工程项目设计、设施规划与物流分析设计实践、物流设施规划设计过程管理，始于基本概念及理论体系，终于应用，重点进行学生设施规划与物流分析工程问题识别与表述、建模与分析、求解与优化、实践应用等能力的培养。《设施规划与物流分析》课程知识结构如图1所示。

图1 基于CDIO理念的《设施规划与物流分析》课程知识结构图

由图1可以看出，基于CDIO课程的基本点是贯穿于整个教学过程的基于项目的学习。考虑到知识、能力与素质的一致性，以及课堂教学与实践教学的关联性，工程项目的选择标准应体现关联性，并具有一定的综合性和系统性。

2.1 设施规划与物流分析概论

CDIO采用建构主义教育理论，认为“构思”（CConceive）即在社会和企业环境下，设立系统目标与需求，定义系统功能、概念和结构，系统建模确保项目实现，进行开发项目管理等内容[17]。对于《设施规划与物流分析》课程的CDIO构思，就是要确定该课程的基础概念需求及理论体系，即给出课程内容总览，介绍基础概念。该部分主要设置基本概念、发展、理论体系、设施与设备等内容，具体包括：设施规划设计、物流、物流系统、供应链及供应链管理等的概念及发展；设施规划的研究对象、研究目标及关键技术等；物流系统分析与设计的研究对象、研究目标及关键技术等；物流系统设施与设备等，如图2所示。旨在明确设施规划与物流分析概念目标、体系、目标与对象的基础上，为后续的设计、实现和运作过程奠定基础，重点培养学生需求分析的能力。

图2 设施规划与物流分析概论内容设置

2.2 设施规划与物流分析工程项目设计

CDIO教学大纲指出“设计过程就是学生通过一个产品、过程或系统的设计而进行学习的一系列活动”，涵盖设计过程阶段与方法、在设计中应用知识、学科性设计、多学科设计及多目标设计等内容[17]。《设施规划与物流分析》课程在设计过程中，以工程项目案例为驱动，进行企业物流系统分析与设计、设施选址、系统布置设计、物料搬运系统设计、物流仓储与配送系统设计等教学内容，旨在培养学生设施规划与设计问题识别与表述、建模与分析、求解与优化等方面的能力，具体内容设置如图3所示。

图3 设施规划与物流分析工程项目设计内容设置

针对《设施规划与物流分析》课程工程性强的特点，以及工业工程学生将来毕业后工作领域多为制造业，本文选择汽车制造企业或车间工程问题作为基本研究对象，对典型汽车零部件生产或装配车间的设计或改进中存在的各类实际工程问题进行分析，发掘若干具有典型性、实用性和系统性的工程项目，结合课程的基本知识体系，针对四大类工程问题进行项目规划：设施选址类项目、系统布置设计类项目、企业物流系统或物料搬运系统的分析与设计类项目、物流仓储与配送系统设计类项目。

对设施选址类项目，以整个工厂为范围对某个车间的位置确定，或者以整个车间为范围对某个生产作业区域的位置确定为案例背景，进行课堂教学和问题分析的工程项目规划与设计，涵盖设施选址应考虑的因素、定性定量分析与评价方法等知识点。对系统布置设计类项目，以实际企业为案例，对工厂总平面或某车间生产作业区域进行布置设计的工程项目规划与设计，涵盖设施布置原则与形式、常用方法等知识，着重于系统化布置规划方法（SLP）的应用过程。对企业物流系统或物料搬运系统的分析与设计类项目，以企业车间为案例，对其生产物流系统进行工程项目规划与设计，加强学生对物流合理化原则与方法、物料搬运设备、搬运单元化等概念的理解、对系统化搬运分析方法（SHA）的掌握。对物流仓储与配送系统设计类项目，以某配送中心为案例，对自动化立体仓库的仓储系统进行工程项目的规划与设计，涵盖自动化立体仓库、配送中心等的规划与设计方法，以及仓储系统、配送系统的分析与设计等知识点。

2.3 设施规划与物流分析设计实践

为达到实践性和创新性培养目标，CDIO要求学生通过基于工程项目的学习，掌握能够进行实际问题的分析和规划解决问题的方法，实现对软、硬件的集成、测试、验证、认证以及对实施过程的管理等[17]。对应于《设施规划与物流分析》课程则是实验、课程设计等实践环节的设置，重点在于针对特定实际项目对象，进行规划设计方法的设计、实现、优化与验证，解决设施规划与物流实际工程问题，具体内容设置如图4所示。

图4 设施规划与物流分析设计实践内容设置

本着“做中学”原则，课程的实验及课程设计规划主要以四大类工程项目为基础，为学生进行设计性创新性实验及课程设计提供自行设计的环境。考虑实验环节与课程设计环节的关联性及差异性，该课程实验及课程设计的规划内容如下：

（1）设计性创新性实验设计规划：某汽车零部件制造车间设施布置与物料搬运系统分析的实验着重于组件及产品生产线及物料搬运系统、物料配送系统的重要参数影响分析。

汽车零部件制造车间是一种多产品制造、多流动模式车间，其产品及组件的生产流程及物料的搬运配送较为复杂。实验设计规划可以包括以下四个实验：汽车零部件制造车间设施布置设计实验、汽车零部件制造车间设施选址实验、汽车零部件制造车间物料搬运系统分析与设计实验、汽车零部件制造车间配送系统分析与设计实验。

此处考虑微观类设施选址实验，即确定汽车零部件制造车间内重要生产作业单位位置，并分析不同位置对整个车间设施布置方案的影响，从而为设施布置设计实验提供前期规划方案。汽车零部件制造车间设施布置设计实验主要分析不同物料流动模式、关键设备出现故障对产品生产线布置的影响，实验结果可为物料搬运系统分析与设计实验提供分析基础。汽车零部件制造车间物料搬运系统分析与设计实验以设施布置设计方案为基础，分析不同的物料搬运设备、搬运路线及搬运方法之间的组合影响，并针对选定的产品生产流程设计合适的物料搬运系统方案。汽车零部件制造车间配送系统分析与设计实验基于物料搬运系统方案，结合当前物流发展背景，以“互联网+”为技术基础，为所选产品生产系统所需物料进行配送分析，包括配送路线、配送工具、配送时间、配送数量等的分析，并设计基于“互联网+”的车间物料配送系统。

对此类项目，采取由学生自主选择合适的产品对象，自行分析产品生产流程，并根据专业实验室现有条件，设计各个实验。整个项目的实施通过紧密关联的、展现项目全生命周期的四个实验的实施，可以有效锻炼学生系统分析问题和解决问题的能力，培养其规划、设计、计算、分析和实施的综合应用能力；使学生深入理解并掌握硬软件的应用，锻炼其系统把握能力；同时，各实验分组进行，可以增强学生的团队协作沟通能力。

（2）课程设计项目规划：汽车零部件制造车间布局及物流系统的规划设计，着重于产品生产车间设施布置、物料搬运系统的分析与设计全过程。

课程设计项目以设计性创新性实验设计项目为基础，通过各实验的参数影响分析，逐步展开各阶段设计内容。对此类项目，采取由学生自主选择合适的产品对象，自行分析产品的种类及生产流程，进行车间设施布置设计；根据所需物料的种类、数量、批次，以及搬运设备的种类、数量、载重量等基础数据，进行车间物料搬运系统分析与设计；进一步对所得车间布局方案、物料搬运设计方案，借助仿真平台建立车间布局的三维模型及其物流仿真模型，通过仿真分析找出生产瓶颈，修改车间布局方案，并再次建立车间改进布局的物流仿真模型，对改进布局方案进行修正，最终得到车间布局设计方案和物料搬运系统设计方案。

课程设计项目以车间静态布局设计、物流系统动态分析与设计及方案的仿真验证分析、优化的全过程实施，检验学生对理论知识的掌握程度，锻炼学生的设施空间组织及物流系统分析与规划的专业技能，同时培养学生实践应用的能力、团队协作能力、撰写与表达能力等。

2.4 物流设施规划设计过程管理

CDIO的运作阶段则注重运行的设计和优化，培训操作，改进和演变，弃置和运行管理等内容[17]。《设施规划与物流分析》课程的内容设置为物流设施规划设计过程管理，主要包括：物流设施规划设计的组织、可行性研究等内容，旨在培养学生物流设施规划设计过程管理的能力，如图5所示。

图5 物流设施规划设计过程管理内容设置

3 基于CDIO的教学活动实施

基于CDIO的教学活动开展要充分体现学生在“做中学”的知识、能力、素质的综合培养，必须做好课堂内外教学安排，并使二者有机结合。目前我校《设施规划与物流分析》课程的课内学时设置为40学时，共计2.5学分，讲授与讨论设置为32学时，课内实验学时为8学时，以及为期3周的课程设计。初步建议课堂课时安排为：设施规划与物流分析概论部分2学时、物流设施规划设计过程管理部分2学时、工程项目规划与设计部分28学时，其中四个项目各7学时。此外，建议设置课外学时48学时，要求学生在课下完成必要的调研、阅读、案例分析报告、实验设计报告等。课程教学内容、教学方式、学时分配、平时考核方式、学生组织方式以及能力培养等与CDIO模式的对应关系见表1。

表1 CDIO课程教学活动开展方式

课程教学采用“讲授（T）”、“应用（U）”相结合的教学方式展开。其中“讲授（T）”是指教师将知识点以课堂讲解的方式展开，“应用（U）”是指学生根据教师布置的任务以一定的形式（如调研、项目实施、实验及课程设计等）展开学习与实践，并最终完成任务。

对各工程项目进行讲解前，教师应先编制各章知识要点并提前分发给学生，并请学生在课前做好预习工作。讲授时，教师应首先简明扼要地对理论知识进行串讲，帮助学生快速理解本章项目；然后以每组8人左右将学生分组，由学生自主选择感兴趣的项目形成多个讨论小组；并指导各组学生进行项目思考、任务分解，并选择任务，作为下次课讨论、答辩的主体。在教学过程中，学生按小组选择项目案例，利用课内外时间采用查阅、调查、计算等多种方式对项目案例中的问题进行推测分析，形成小组见解；在此基础上进行各项目的小组内答辩；各小组互为答辩主持和答辩应对；在每个小组都阐述了各自的完整见解后，小组之间互相交流，互相启发，形成对设施规划与物流分析理论知识的深刻理解。在项目讨论期间，教师明确自身的任务定位为控制案例分析方向不偏离，并表明立场只旁观、主持，不参与项目讨论。在项目结束后，教师与学生应对此次参与的经验和教训进行总结，为该课程教学过程持续改革提供建议与参考。

4 结论

CDIO是一个新的教育模式，强调工程教育应关注工程实践，突出培养学生的创新精神和实践能力、自学能力、沟通能力、团队合作精神和大系统适应与调控能力，为综合创新型人才的培养提供了有效可行的方法。本文基于CDIO理念明确了课程定位和人才培养目标，以知识、能力和素质为导向，重组课程教学知识结构、改善传统教学实施和考核评价方式，为应用型物流设施规划设计人才培养过程中的《设施规划与物流分析》相关课程建设提供了借鉴。

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