[工业工程专业情景教学平台设计与实现]工业工程专业
时间：2019-01-14 03:38:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】从培养大学生创新实践能力入手,基于Flexsim仿真系统,结合现代IE的特点,设计了工业工程专业情景教学平台。这一平台包括情景模拟与仿真系统、案例库系统各功能模块,具有可参与、可控制、可优化、可更新等特征。结合具体实验教学项目,对这一平台的实验教学过程进行了详细的描述。最后对基于该平台的实践教学效果进行评价。
【关键词】创新实践能力;工业工程;情景教学;Flexsim仿真实验
【中图分类号】G40-057【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)08―0142―05
一 引言
高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才,随着知识经济时代的到来,大学生实践创新能力培养已成为我国高等教育教学改革的核心目标之一[1] [2]。自1919年陶行知先生提出将学的思想和方法放到“教学法”的重要位置以来,国内外关于教学模式和教学法的研究不断走向深入,如前苏联教育家凯洛夫的“三中心”、比杜威的实用主义教育思想等,虽然这些理论对教育过程中智力开发和能力培养关注不足,但却体现了现代教育的基本特色。20世纪80年代以来,心理学家斯金纳(Skinner)的程序教学法、维果斯基的“最近发展区”理论、瓦根舍因的“范例方式教学论”、巴班斯基的“最优化教学理论”以及前苏联的苏霍姆林斯基的“和谐教育”理论等,则集中反映了以学生为主体的现代教学观。
目前,我国创新教学法研究主要强调课堂教学中师生互动、激发学生兴趣和主动性等,还针对注入式教学的弊端,提出了新教学环境下的“感知―理解―深化”三阶段教学理念。但总体而言,教学模式单一的问题仍较为普遍,教学实践中的具体表现为:课堂教学理论讲授多于互动、实践教学形式多于内容、实践教学经费投入不足等。工业工程是涉及人、物料、机器等要素的集成系统进行规划、设计、改善、控制和创新的边缘学科[3],其相关基础理论是机械设计、机械制造、控制工程、运筹学、系统工程、设施规划设计、物流工程、质量工程、人因工程、生产运作管理、财务管理、供应链管理、信息管理等,主要研究对象是大规模工业生产及社会经济系统,具有极强的实践性,需要考察企业生产系统及物流管理各环节的运行、规划及设计,其教学过程必须先建立生产现场及企业物流的物理概念和感性认知。近年来,随着生产实习机会的减少,学生对企业生产物流及供应链运行缺乏真实感官,加上教材抽象的数理阐述,极大影响了工业工程相关课程的学习效果。
为此,本研究以Flexsim软件为基础,试图通过工业工程专业情景教学平台的建设,系统仿真企业物流及生产系统的运行,使学生置身于企业生产活动和供应链运行的虚拟环境中,并充分运用系统提供的设计方案与优化功能,引导教学环节的创新思维、教学互动过程,优化工业工程专业课及专业基础课的教学效果,从而达到培养大学生实践创新能力的目的。
二 工业工程专业情景教学平台的内涵与功能
1 情景教学与情景教学平台
情景教学是提炼了实际生产后将教学目标、内容及角色融为一体的教学方法,能够刺激学生的真实感官,提供调动学生理性认识的基本线索,通过思维的内部整合,使学生产生新的认知结构,这是情景教学的基本机理。情景教学充分利用形象、创设场景,使学生通过观察、实践,理解和运用相关专业知识,符合人类由感性认识到理性认识的认识规律[4],因此能较好发挥教师“教”与学生“学”的相互作用,培养学生创造性思维,提高学生分析和解决问题的能力。
情景教学平台则以经典实例为实践背景,将学生带入特定场景和角色,通过调动多维感官,加速对知识的理解和记忆。从而实现从“静态学习”到“动态学习”的飞越,从单调紧张的课堂教学环境中解脱出来,激发学习乐趣,提高学习效率,克服了常规教学中缺乏师生之间、学生之间的互动等弊端,并对学生在学习过程中充分发挥主体性提供了可能性,对培养学生情感、想象力、创造性思维,开发智力等方面具有独到之处。
在工业工程及企业现场管理等专业课程教学的总体趋势是,压缩课堂教学课时,增加生产一线的现场教学。发达国家采用的双导师联合教学的两阶段模式,同时附以案例教学、实验室模拟演练等,取得了较好的教学效果。从一定意义上说,情景教学平台通过运用先进的信息技术创设教学情景和案例模拟,增强学生的动手能力,让学生在“感知―理解―深化”的学习过程中,达到实践教学的目的。从而改变学生技能培养中局限于的注释与理论阐述的局面,突破有限课后上机实验的离散性实践约束。
2 工业工程专业情景教学平台的功能要求
根据现代工业工程学科的特点,这一专业实践教学应强调学生系统分析和解决问题能力的培养,重视企业生产系统方案设计和优化方法的掌握。情景教学平台建设的基本目标是使学生更积极主动参与教学互动,培养学生良好的动手习惯、提出问题并解决问题的能力。从根本上强化工业工程专业本科教学的实践特色。为此,工业工程专业情景教学平台的设计主要体现:学生动手操作与情景分析相结合、演示性与研究创新性相结合、计算机仿真与案例相结合等三个基本原则。通过创设生动的生产物流和供应链情景,引导学生从系统工程的视角去观察企业生产流程、思考企业生产现场供应链运行过程中可能存在的问题;以案例库为载体引导学生进行自主探究性学习,Flexsim仿真系统则使学生置身于企业生产活动和供应链运行过程的虚拟环境中,参与供应链规划与设计。根据情景教学平台构建的指导思想,工业工程专业情景教学平台的功能要求是:
● 可参与性
区别于以往工业工程教学法,本平台首先强调学生参与的主动性,打破以往被动学习的局面,注重训练学生基本技能,这一过程充满了学生和平台系统的信息交换过程。学生可以参与的环节主要表现在:参与实验模拟和角色体验场景,培养学生对生产现场的认知;参与Flexsim仿真实验过程,培养学生的动手解决问题的能力;参与案例环节,为学生进一步自己动手优化方案打下基础,培养学生思维的广阔性。
● 可控制性
情景教学平台尽可能模拟工业企业生产经营系统的设计和运行,为了保证平台的正常运行和教学效果,整个实践教学过程应当在教师严格控制之下,由任课教师引导运行。平台的可控制性表现在:控制情景教学的进度,确保实验过程顺畅进行;控制访问权限,提高教学平台的安全性;以学生创新性学习为中心实行控制管理。实现整个教学平台全面控制与仿真实验重点控制相结合;尝试实验案例刚性控制与示范案例柔性控制相结合。
● 可优化性
本平台通过机器分析,可输出模拟系统本身的运行状态,从而为系统参与主体反馈系统(方案)参数,设计仿真实验和实施生产方案,引导学生对既定生产方案做出评价。其次,平台在运行过程中,应根据学生提出的设计方案和仿真模拟结果,引导学生进一步优化方案,培养学生的创新性思维。
● 可更新性
随着时间的推移和生产实践等外部条件的变化,本平台提供的情景库、案例库及方案优化方法等,应根据生产实践和参数要求,可以进行相应的变化和更新,从而保证模拟教学平台的广泛适应性,为不同生产环境及系统要求,提供不同的方案库、模拟案例库、方法优化以及方案设计思路。
三 工业工程专业情景教学平台的模块结构
工业工程与管理涉及企业物流系统设计、诊断、优化和信息管理等过程。工业工程专业的主干课程(系统工程、物流工程、设施规划与设计、生产运作管理等)均可以使用该情景教学平台进行实践教学。根据工业工程专业情景教学平台的功能要求,情景教学平台的核心系统包括以学生为主体的Flexsim情景模拟与仿真、以教师为主体的教师管理、师生共享的资源案例库等基本功能模块,还有方案优化与系统分析、学生考核、系统输出等辅助功能模块。(如图1所示)
在情景教学平台系统中,为了向学生直观地展现现代企业生产管理系统,描述企业生产物流系统物理模型设计的全过程,系统设置了实物模拟场景、角色体验场景、仿真实验场景设计等三个依次递进的过程,实物模拟场景能让学生了解现代制造企业生产、物流等设施的布局。角色体验场景让学生积极主动地参与,进入企业生产物流系统的角色中,体验情境。Flexsim仿真实验场景设计是情景教学系统的重要内容,可根据生产环境具体要求,引导学生进行虚拟的实验场景自主设计。
Flexsim软件作为新一代离散事件系统仿真的有效工具,它可以建立集建模、仿真和可视化于一身的真实生产系统的3D模型,能快速进行企业生产物流系统建模并改进,从多个备选方案中找出最优方案;还可以用动画演示的方式模拟生产系统的运行流程。操作简便,易于学习,非常适用于实践教学,学生可以根据生产系统的设计要求,通过设定和选择生产系统参数对企业生产物流系统建模仿真,并在Flexsim中编制相应程序,模拟实际生产物流系统运行状况,并统计和分析模拟结果。Flexsim仿真实验的一般步骤为系统调研与问题分析、制定方案与目标、系统描述和假设、收集数据和信息初步处理、系统模型构建、确定仿真算法、建立仿真模型、运行验证和确认模型、系统方案分析、修改系统参数、重复仿真运行和分析,直至输出最优方案。(具体实验过程如图2所示)。
系统参数决定生产物流系统的运行状态,建立的模型又制约生产及物流系统运行中的逻辑过程。通过查询资料库,引导学生修正系统参数;模型确认旨在判断前期建模是否存在逻辑性错误;关于最优方案,通过优化及重新设计实现最优方案。
案例库是情景教学的另一个重要内容,包括示范案例及实验案例。示范案例用于初学者了解及掌握Flexsim仿真软件,并熟悉仿真实验的整个流程及操作,学生可随时访问。实验案例根据课程教学内容编写,对每一实验均有标准模型、运行结果及系统分析,学生只有完成每次仿真实验,才能查看案例运行的结果,他们可自行对照标准运行结果,分析自己的实验结果,并提出改进模型及方案。案例库的建立和情景教学系统两者互为补充,情景教学系统帮助学生最大限度弥补生产实践感性不足的缺陷,真正学会如何进行生产系统、生产物流设施规划方案等的设计,而案例库帮助学生理解和消化一定的内容,使情景教学的功能发挥得更加淋漓尽致。
教师管理系统设置教师访问和更新指令,用于教师发布相关教学与案例资料、安排实验内容等,指导学生参与实验,同时监控实验教学过程、并对实验结果进行评价和检查。
四 工业工程情景教学平台的运行:企业生产与物流系统分析流程
1 现代企业生产与物流系统实物模拟场景
在工业工程实验室建立一个柔性化的、可组合式的现代生产企业小型生产过程及物流模拟系统,按照生产及物流设施布局图,装配物流设备,包括生产企业原材料入库、出库、半成品加工、生产流水线装配到成品入成品库各个功能环节的物料搬运过程,真实模拟制造型企业物流与生产计划控制的集成过程(如图3所示)。
2 企业仓储管理系统的角色体验场景
企业仓储管理系统的角色体验场景的设计,是以真实的工业产品为对象,在对产品结构分析和BOM设计实验的基础上,利用Flexsim物流仿真系统开展货位规划与设计的技能训练,设计立体化仓库(如图4所示),使学生在亲身体验中理解货位管理基本理论和方法。
3 企业流水生产线仿真模拟实验
生产与物流系统实物模拟场景和企业仓储管理系统的角色体验场景,是从两个不同角度,简要说明模拟教学平台的基本运行条件。当然,不论是实物模拟场景和系统角色体验场景,均可以根据不同的教学需要进行有针对性的选择(视系统情景库的更新频率而定)。工业工程情景教学平台的仿真实验采取个人单独实验,完成实验后同学之间、师生之间可以相互探讨设计的方案并进一步优化方案。以下以企业流水生产线方案设计与仿真模拟实验为例,简要描述工业工程情景教学平台的运行过程。
● 企业生产线系统描述及仿真实验目的
本模拟生产线系统是某生产车间的一条由简单的3道工序组成的“流水生产线”。在仿真模型中,原材料被运入车间的生产线,原材料经过加工、包装、检验三道工序,将加工好的成品通过运输机运送至货架。仿真实验的目的是:①让学生了解流水生产线的系统设计;②学会添加、设置、生成器Source、暂存区Queue、处理器Processor等常见实体;③利用Flexsim系统,运行流水生产线的设计,并设法优化流水生产线。
● 仿真实验原理
通过模拟微型企业简单的生产线设计过程,在完成产品结构分析及掌握相关理论知识基础上,建立流水生产线的仿真模型,使学生在参与和体验中理解生产线布局的基本方法。
● 仿真实验的步骤及内容
首先通过Flexsim系统创建生成器Source、暂存区Queue、处理器Processor等实体,具体包括三道工序对应的三名操作员。其次,对各实体设置合理的运行参数。通过一个全局表来设定原材料到达时间,设平均每分钟上流水线的原材料为20件,即每5秒到达一件,相应参数设置如图5所示。
由于本生产线仅模拟一种产品的生产过程,因此,所用原料均相同,各道工序加工后形态均不同,最后它将被加工成为成品运送至货架。本例中,利用发生器生成4种不同颜色的临时实体来模拟各工序完成后的产品形态。红色代表原料,黑色代表经第一次加工后的半成品,蓝色代表第二次加工后的半成品,浅绿代表成品(参数设置如图6所示)。最后,原料被加工成为成品后,由传送带传送至成品暂存区,任务执行器运输机将它们送至货架。
整个实验过程运行结果如图7所示,此为工业工程情景教学平台模拟运行中的某一时刻截图。其中,红色实体(原材料)经第一道工序加工转变为黑色(在制品),再经第二道工序加工转变为蓝色(半成品),第三道工序加工后成为浅绿色(成品),最后输送机将它们从暂存区送至货架。经过一段时间的运行,操作者会发现系统空闲时间分布以及生产线的均衡状态。系统的运行过程同时也能引导学生进行优化方案的设计。
通过方案优化和调整,学生在设计、运行、操作自己设计的流水生产线并与原有方案对照,通过运行结果分析,不断提出更加合理、优化的新方案。另一方面,在撰写实验报告并提交的基础上,教师可引导学生查看实验案例库中关于流水生产线系统设计要求、参数和规范,对照学生自己设计的系统,总结设计经验、分析教训,加深相关专业知识的理解,提高实践和创新能力。
五 情景教学平台的使用的效果评价及结论
工业工程情景教学平台充分利用计算机仿真技术、信息技术等,可以同时满足工业工程专业多门课程的实践教学需要,大幅度提高了学生的动手能力和创新能力。对于学生而言,利用工业工程情景教学平台,工业工程专业将为更多学生提供完成实习、课程设计、毕业设计等实践活动的机会。经过在西安电子科技大学等西安部分高校的推介,反映良好。特别是对于生产管理与企业物流设施规划、生产运作管理等课程的教学,学生学习兴趣有了明显提高,学生动手能力也有所加强。应当说,工业工程情景教学平台为探索工业工程专业课程教学改革迈出了坚实的第一步,也为我国高等院校工业工程专业相关实践教学课程教学效果的提高、教学过程的规划等,提供较为系统的借鉴。
从长远看,经济管理类专业的本科教学乃至研究生教学,都应该从物理模型的角度重视实践教学环节和学生能力训练,将更有利于学生加强对工业工程系统理论的理解,促使学生实践创新能力的提高。同时,工业工程情景教学平台也有利于在借鉴和引入西方的“两阶段教学”经验的基础上,使经济管理类专业的所有实践教学朝着更加系统化、柔性化的方向发展。一方面将更好帮助学生强化理论联系实际能力,发挥学生的创造性思维,另一方面,则适应现代工业管理不断发展的教学理念和信息化环境,完善、提高经济管理类专业学生的感性认知水平。
参考文献
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