工業(yè)工程專業(yè)課程教學(xué)探究

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一、課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)體系結(jié)構(gòu)分為三大部分：理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)。

（一）理論教學(xué)

理論教學(xué)是生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課的基礎(chǔ)。我校該課程的理論教學(xué)為40學(xué)時(shí)，理論教學(xué)部分的內(nèi)容包括以下九大部分：

1.概述。主要介紹有關(guān)系統(tǒng)仿真的基本概念、系統(tǒng)仿真的分類、離散事件系統(tǒng)仿真的基本概念，如仿真鐘、時(shí)間、活動(dòng)、進(jìn)程等。

2.仿真輸入數(shù)據(jù)的收集與分析。主要介紹系統(tǒng)仿真輸入數(shù)據(jù)的收集方法、分布的識(shí)別、參數(shù)估計(jì)方法、擬合度的檢驗(yàn)等。

3.偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。主要介紹偽隨機(jī)數(shù)及其產(chǎn)生方法、偽隨機(jī)數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（包括均勻性檢驗(yàn)、獨(dú)立性檢驗(yàn)、數(shù)字特征檢驗(yàn)等）。

4.隨機(jī)變量與隨機(jī)過(guò)程的仿真。包括離散型隨機(jī)變量的仿真方法、連續(xù)型隨機(jī)變量的仿真方法并介紹隨機(jī)過(guò)程中關(guān)于泊松過(guò)程的仿真。

5.離散事件系統(tǒng)的建模方法。包括實(shí)體流圖法及其應(yīng)用舉例、活動(dòng)周期法及其應(yīng)用舉例以及Petri網(wǎng)建模方法。

6.離散事件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真策略。主要介紹事件調(diào)度法、活動(dòng)掃描法、進(jìn)程交互法以及三種仿真策略的比較。7.排隊(duì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真。介紹排隊(duì)系統(tǒng)的基本概念、分類、排隊(duì)系統(tǒng)仿真舉例。

8.庫(kù)存系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真。介紹庫(kù)存系統(tǒng)的基本概念及庫(kù)存系統(tǒng)仿真舉例。

9.仿真結(jié)果分析。主要介紹終態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真的基本概念，終態(tài)仿真的結(jié)果分析，穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果分析，多個(gè)系統(tǒng)性能的比較分析以及方差縮減技術(shù)等。但理論部分涉及的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容較多，如何將枯燥的仿真理論與實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？筆者認(rèn)為可以從以下兩個(gè)方面入手：首先，在每次有新的理論介紹之前先以一個(gè)背景問(wèn)題引入，從而提出解決該問(wèn)題的理論知識(shí)。例如生產(chǎn)系統(tǒng)常常會(huì)受到市場(chǎng)需求、原料供應(yīng)、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)狀態(tài)等多方面隨機(jī)因素的影響，那么在具體仿真時(shí)，這些隨機(jī)因素如何體現(xiàn)出來(lái)？從而引入隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生、隨機(jī)變量的產(chǎn)生、隨機(jī)過(guò)程的仿真等內(nèi)容。又如在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)具體仿真時(shí)，提問(wèn)：當(dāng)采用不同的隨機(jī)數(shù)流，仿真結(jié)果會(huì)隨之發(fā)生變化，那么實(shí)際中如何對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到科學(xué)的結(jié)論？從而引入數(shù)理統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容，將其應(yīng)用于仿真結(jié)果的分析。其次，鑒于工業(yè)工程專業(yè)的性質(zhì)，有些復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程可以適當(dāng)刪減，力求學(xué)生理解原理，達(dá)到能夠靈活應(yīng)用相應(yīng)理論的目的即可。這里有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是，在多年的教學(xué)中，筆者認(rèn)為第一次課尤為重要，其實(shí)這不僅僅是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課，對(duì)任何一門專業(yè)課都是如此。在第一次課中雖然不能涉及太多的課程內(nèi)容，但在第一次課首先要告訴學(xué)生這門課是研究什么問(wèn)題的，在什么情況下我們可以借助這門課的理論來(lái)解決問(wèn)題，最好舉與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)聯(lián)的例子。例如，我在第一次上課時(shí)會(huì)介紹什么是系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)仿真的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用系統(tǒng)仿真時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題等等，同時(shí)課堂上演示幾個(gè)可視化的仿真模型，如流水生產(chǎn)線加工系統(tǒng)仿真、服務(wù)系統(tǒng)仿真等，通過(guò)一些感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)這門課有一個(gè)初步的了解，以提高學(xué)生對(duì)該門課程的興趣。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)一步理解和深化的有效方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，另一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。目前關(guān)于離散事件系統(tǒng)仿真的流行軟件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、eM－plant、Auto－Mod等等。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中采用了Witness和GPSSWorld軟件。這兩款軟件在使用上有較大區(qū)別。GPSSWorld屬于第二代仿真語(yǔ)言，是基于進(jìn)程交互的仿真編程語(yǔ)言，特別適用于排隊(duì)系統(tǒng)的仿真。當(dāng)然這里的排隊(duì)系統(tǒng)范圍也很廣泛，比如，訂單的到達(dá)可以抽象為排隊(duì)系統(tǒng)的顧客，訂單的處理過(guò)程可以抽象為排隊(duì)等待過(guò)程，訂單處理完成可以抽象為顧客服務(wù)完后離開系統(tǒng)等等。通過(guò)此軟件的學(xué)習(xí)，一方面可以加深對(duì)離散事件系統(tǒng)仿真的理解，另一方面也可以提高學(xué)生調(diào)試程序的能力。因?yàn)槟壳凹词故强梢暬姆抡孳浖抡嬉恍?fù)雜的系統(tǒng)，有時(shí)也需要編制相應(yīng)的程序才可以完成，所以通過(guò)GPSSWorld仿真軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，對(duì)于應(yīng)用其他的仿真軟件也有幫助。Witness是由英國(guó)lanner公司推出的功能強(qiáng)大的仿真軟件系統(tǒng)。它既可用于離散事件系統(tǒng)的仿真，又可用于連續(xù)流體（如液壓、化工、水力）系統(tǒng)的仿真，可視化效果好，通過(guò)Witness開發(fā)的系統(tǒng)仿真模型易于理解和控制，為加強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)期間深入理解實(shí)際運(yùn)作系統(tǒng)提供了直觀的、可行的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。目前在國(guó)內(nèi)有近60所設(shè)有IE專業(yè)的高校引進(jìn)了Witness仿真平臺(tái)。我校的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的實(shí)驗(yàn)部分為16機(jī)時(shí)，如果把Witness和GPSSWorld軟件的使用連同學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)都放在這16機(jī)時(shí)完成，很顯然時(shí)間是不夠的，所以我們目前的做法是：在理論課的40學(xué)時(shí)課堂講授時(shí)，安排部分時(shí)間講授軟件，邊講解邊演示（約8學(xué)時(shí)），同時(shí)將Witness和GPSSWorld軟件的學(xué)習(xí)版先拷貝給學(xué)生，這樣學(xué)生就可以在自己的個(gè)人電腦上安裝使用，課下學(xué)生自己先練習(xí)，同時(shí)給學(xué)生布置相關(guān)的上機(jī)大作業(yè)，具體上機(jī)時(shí)，教師主要是解決學(xué)生在練習(xí)或完成作業(yè)時(shí)遇到的困難和問(wèn)題。由于學(xué)習(xí)版的部分軟件功能受限（其實(shí)對(duì)大多數(shù)的仿真已夠用），所以我校建立了軟件網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境，學(xué)生也可以通過(guò)校園網(wǎng)在宿舍就可以使用正式版練習(xí)，滿足了部分學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的需要。

（三）實(shí)踐環(huán)節(jié)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課的教學(xué)目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生將仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐，并解決生產(chǎn)、管理等領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。因此，實(shí)踐環(huán)節(jié)我們主要從三方面入手：

1.在1周的課程設(shè)計(jì)中，提供有關(guān)生產(chǎn)加工、物流、服務(wù)管理等方面的素材，啟發(fā)學(xué)生利用仿真技術(shù)完成系統(tǒng)的分析和改善；

2.在大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中，設(shè)計(jì)一些應(yīng)用仿真技術(shù)的相關(guān)題目，如關(guān)于企業(yè)生產(chǎn)流水線的改善；

3.鼓勵(lì)學(xué)生積極參加校大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、工業(yè)工程改善大賽等競(jìng)賽活動(dòng)，利用仿真技術(shù)結(jié)合具體的問(wèn)題進(jìn)行分析，我校在這一方面已取得了一些成績(jī)，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。

二、課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)與教學(xué)手段

本課程采用以課堂講授為主，其他方法為輔的教學(xué)方法。通過(guò)課堂講授，可以使學(xué)生理解掌握系統(tǒng)仿真的基本原理和基本方法。但純粹采用課堂講授對(duì)于理論教學(xué)有時(shí)會(huì)顯得有些枯燥，因此在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)增加了實(shí)驗(yàn)法、演示法、討論法等。如在介紹系統(tǒng)仿真軟件時(shí)，一邊講解軟件一邊進(jìn)行演示，同時(shí)將相關(guān)的仿真理論穿插于仿真軟件的介紹之中，這樣更便于學(xué)生理解和體會(huì)仿真的基本理論和原理，也便于學(xué)生掌握仿真軟件的使用和操作方法。課程的教學(xué)手段采用以多媒體教學(xué)為主，板書為輔（個(gè)別時(shí)用到的數(shù)學(xué)理論）的方式。另外，教師在第一次上課時(shí)就將聯(lián)系方式包括E－mail、QQ號(hào)、電話等告訴學(xué)生，學(xué)生可以通過(guò)以上方式隨時(shí)咨詢學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。

三、課程考核

本課程的考核方式采用“期末閉卷考試＋大作業(yè)”模式，其中大作業(yè)包括上機(jī)報(bào)告和英文文獻(xiàn)翻譯兩部分。上機(jī)報(bào)告是關(guān)于Witness和GPSSWorld仿真軟件布置的上機(jī)大作業(yè)，要求對(duì)具體問(wèn)題建立適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ?，運(yùn)行后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，必要時(shí)進(jìn)一步提出改進(jìn)措施或建議。英文文獻(xiàn)翻譯要求查找一篇關(guān)于仿真技術(shù)發(fā)展或應(yīng)用的英文資料，將其翻譯成中文，這樣做的目的有兩個(gè)：一方面可以使學(xué)生進(jìn)一步了解仿真技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面也可以適當(dāng)?shù)募由?、熟悉一些關(guān)于仿真的專業(yè)英語(yǔ)詞匯，便于以后工作和科研的需要。目前期末閉卷考試成績(jī)占80％，大作業(yè)占20％，可考慮加大平時(shí)作業(yè)成績(jī)的比例到30％，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重視程度及仿真技術(shù)動(dòng)態(tài)的關(guān)注程度。

四、課程教材的選取

關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課，目前還沒(méi)有非常適合我校工業(yè)工程專業(yè)實(shí)際情況的教材，原因是有的教材中所介紹的軟件不是Witness和GPSSWorld，而介紹Witness和GPSSWorld的教材關(guān)于仿真理論部分又介紹得較少，所以筆者給學(xué)生推薦的兩本關(guān)于理論部分的教材為：肖田元等主編的《離散事件系統(tǒng)建模與仿真》以及周泓等主編的《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》；關(guān)于仿真軟件部分的教材為：王亞超等主編的《生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真－witness系統(tǒng)及應(yīng)用》以及謝毅等主編的《離散事件系統(tǒng)建模仿真與GPSSWorld教程》。

五、結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真作為工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其技術(shù)目前在生產(chǎn)、管理、物流、服務(wù)等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，我們希望，通過(guò)對(duì)該課程教學(xué)體系的探討使其在學(xué)生今后的科研和工作中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

作者：劉云 田斌 龔小軍 王亞民 單位：西安電子科技大學(xué)