工業(yè)工程實驗課程計算機(jī)仿真技術(shù)研究

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摘要：為了應(yīng)對工業(yè)工程在有關(guān)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化等綜合性實驗課程開發(fā)難度較大的問題，該文提出將計算機(jī)仿真技術(shù)與項目教學(xué)、案例教學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學(xué)條件、提升實驗教學(xué)效果的同時，減少了設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量，節(jié)省了實驗經(jīng)費，而且克服了時間與空間上的限制，使得工業(yè)工程綜合實驗課的開課率和學(xué)生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)仿真；工業(yè)工程；實驗教學(xué)

計算機(jī)仿真技術(shù)是繼數(shù)學(xué)推理與科學(xué)試驗之后認(rèn)識世界自然規(guī)律的第三類基礎(chǔ)方法。基于計算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)是指利用實物和計算機(jī)軟件共同模擬出真實的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方法生動形象，接近現(xiàn)實工作場景，有利于提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在短時間內(nèi)進(jìn)入相應(yīng)情境，真實的體驗如在現(xiàn)實中執(zhí)行任務(wù)的感覺，以達(dá)到更快掌握技術(shù)手段的目的，而且這種教學(xué)方法可以利用計算機(jī)軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出靈活多樣的工作場景且不受行業(yè)限制，使學(xué)生對實踐問題的認(rèn)識更深入，采用的應(yīng)對方法更靈活。由此“計算機(jī)仿真技術(shù)”便成為專業(yè)學(xué)習(xí)及實際應(yīng)用中的重要方法和技術(shù)手段。工業(yè)工程作為管理科學(xué)與工程的二級學(xué)科，其人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)出面向生產(chǎn)、管理、服務(wù)的高級專業(yè)技術(shù)和管理人才，面向的工作崗位主要有制造業(yè)現(xiàn)場管理、產(chǎn)能計算、生產(chǎn)計劃與控制、項目管理、精益生產(chǎn)等，以及服務(wù)業(yè)的流程優(yōu)化、工作研究等。其中，制造業(yè)涉及行業(yè)范圍廣、產(chǎn)品種類多、工序過程各異，因此，在教學(xué)過程中需要通過一系列系統(tǒng)的實驗項目培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)的問題提煉能力及問題分析能力，并采用專業(yè)的技術(shù)方法和手段有針對性的對問題本質(zhì)進(jìn)行處理。然而，正是由于工業(yè)工程方法應(yīng)用行業(yè)的廣泛性及多樣性，使得我們不可能如其他5類工程學(xué)科般擁有自己典型的實驗實訓(xùn)設(shè)備，亟需我們在實踐教學(xué)過程中探索新的教學(xué)方法與實驗支撐技術(shù)。

1工業(yè)工程實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

工業(yè)工程類實驗課程的教學(xué)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，主要是以“理論課+實驗室”的模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對工業(yè)工程專業(yè)基本方法和技能的掌握與應(yīng)用，如，工作研究、動素分析、人機(jī)工程、物流工程、流程優(yōu)化、現(xiàn)場改善等基本技能與方法論。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中，基本上遵照如下流程：首先，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以上理論課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生知道、了解并掌握這些基本的專業(yè)手法與技能；其次，通過開設(shè)相關(guān)實驗課程讓學(xué)生對所學(xué)的這些技術(shù)方法展開實踐，從而幫助學(xué)生達(dá)到訓(xùn)練并養(yǎng)成工業(yè)工程專業(yè)素養(yǎng)的目的。然而，目前所開設(shè)的相關(guān)實驗課程均是就某一獨立技術(shù)方法而展開的較為單純的技能訓(xùn)練，如，工作研究的實驗主要是針對動作研究、動素分析、生產(chǎn)節(jié)拍平衡開展具體分析過程實踐，幫助學(xué)生深刻體會這些基本專業(yè)手法的實際應(yīng)用場合；人因工程，主要是通過系列人因?qū)嶒瀻ьI(lǐng)學(xué)生親身體驗，感受高度、亮度、顏色、頻繁度、規(guī)律度等人因影響因素帶給人視覺、聽覺等感官的切實感受，從而探討基于人因的合理化設(shè)計、布局及工作安排；設(shè)施規(guī)劃布局則是基于物流分析方法，通過物流強(qiáng)度度量，分析部門間的相關(guān)性強(qiáng)度，從而為合理布局、物流優(yōu)化提供有效參考。以上這些實驗均對學(xué)生在工業(yè)工程專業(yè)基本方法技能的培訓(xùn)上起到了有效效果。然而，卻并未在促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成工業(yè)工程職業(yè)素養(yǎng)上發(fā)揮強(qiáng)化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系統(tǒng)工程、系統(tǒng)建模及仿真優(yōu)化等這類有關(guān)工業(yè)工程系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化的主干課程的綜合性實踐項目，要設(shè)計出針對本專業(yè)基本技能方法的綜合性實踐項目，需要的制造業(yè)相關(guān)設(shè)備、產(chǎn)品品種等數(shù)量巨大，且耗費大、成本高，很難從實際操作入手，計算機(jī)仿真方法不失為解決此問題的一種有效方法?；谟嬎銠C(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)則以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用和推廣。因此，應(yīng)該將“項目教學(xué)”“案例教學(xué)”“教、學(xué)、做”一體化和基于計算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)的方法結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，提升實踐教學(xué)效果?；谟嬎銠C(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)很容易與其它先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，因此，在工業(yè)工程類實驗課程的教學(xué)中，將基于計算機(jī)仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)與其它教學(xué)方法相結(jié)合，有助于提高實驗課程教學(xué)效果，而且成本低、效率高，使學(xué)生可以不受場地、行業(yè)、設(shè)備與產(chǎn)品的限制，使學(xué)生更好的掌握專業(yè)技能和方法，并通過基于計算機(jī)仿真平臺開發(fā)的綜合性實踐項目，鍛煉學(xué)生的工業(yè)工程系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，從而促進(jìn)本專業(yè)人才培養(yǎng)效果的提升，計算機(jī)仿真技術(shù)在工業(yè)工程類實驗課程的教學(xué)中具有重要的意義。

2計算機(jī)仿真技術(shù)在實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用

計算機(jī)仿真技術(shù)為人們提供了一個理想的實踐教學(xué)手段，目前國內(nèi)外已經(jīng)普遍將其應(yīng)用于軍事訓(xùn)練、課程教學(xué)、運動訓(xùn)練以及醫(yī)學(xué)研究等方方面面。美國是計算機(jī)仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實的起源地，現(xiàn)在美國計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展水平也比較高，在這個領(lǐng)域代表了國際先進(jìn)水平，也是第一個把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在教育教學(xué)中的國家，目前在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件等幾個方面，形成了一個比較系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)儀器架構(gòu)。如，美國的卡羅萊納州立大學(xué)利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于JavaApplet的虛擬實驗設(shè)備和實驗設(shè)施、相關(guān)的實驗課程模塊、實驗結(jié)果評價模塊、協(xié)作模塊。在歐洲，英國在計算機(jī)仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實的相關(guān)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研究出了虛擬仿真軟件包，并應(yīng)用在教學(xué)儀器和工業(yè)安全培訓(xùn)等方面。如，英國的諾丁漢大學(xué)在教育和學(xué)術(shù)方面對虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行了研究與探索，其目標(biāo)主要在于探索桌面虛擬仿真的輸入設(shè)備應(yīng)用上。此外，該小組還和其他學(xué)校緊密合作，將其仿真系統(tǒng)應(yīng)用在了特殊學(xué)生教育中。在中國，目前各個大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也廣泛采用計算機(jī)仿真技術(shù)建立虛擬場景進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)與研究。例如：中國科技大學(xué)開發(fā)出第一套基于虛擬仿真的教學(xué)儀器系統(tǒng)——利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行幾何光學(xué)實驗平臺的開發(fā)，系統(tǒng)將計算機(jī)輔助教學(xué)儀器的智能化儀器、計算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真和物理教學(xué)儀器等有機(jī)結(jié)合，把物理教學(xué)儀器系統(tǒng)推進(jìn)到了新的領(lǐng)域；北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司以北京郵電大學(xué)強(qiáng)勢的網(wǎng)絡(luò)、通訊、電子三門學(xué)科為基礎(chǔ)，采用JavaApplet技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實驗設(shè)備及實驗場地等實驗教學(xué)問題，由北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)研究所組織精英力量，經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了配套的虛擬實驗系統(tǒng)。通過對國內(nèi)、外的基于計算機(jī)仿真的虛擬現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用情況進(jìn)行對比，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前，國外基于計算機(jī)仿真的虛擬實驗比國內(nèi)開發(fā)時間早，應(yīng)用相對成熟，不管是在仿真器材還是仿真軟件上都比較豐富、且功能較多；同時，國外很多成熟的仿真實驗產(chǎn)品價格普遍偏高，且技術(shù)難度也不太適合本科學(xué)生，更適合研究所或工程師使用。盡管如此，我國還是有很多現(xiàn)行的成熟的計算機(jī)仿真軟件供我們選擇，這些成熟的仿真軟件具有界面友好、可擴(kuò)充性、支持二次開發(fā)等特性，甚至大多實現(xiàn)模塊化利于定制化實驗的開發(fā)，基本上能滿足國內(nèi)高等院校實驗教學(xué)需要及豐富的仿真實驗需求。因此，國內(nèi)很多高校及科研院所普遍采用購買成熟的仿真軟件產(chǎn)品，基于自身的仿真實驗需求進(jìn)行對應(yīng)的二次開發(fā)，從而設(shè)計出適合自己的基于計算機(jī)仿真的虛擬實驗平臺，并得到了很好的應(yīng)用發(fā)展。就工業(yè)工程類實驗課程而言，現(xiàn)在市面上流行的仿真軟件，如，F(xiàn)lexsim、witness、em-plan等都能提供給我們一個良好的仿真實驗平臺，供我們在這些平臺上進(jìn)行綜合性實踐項目的構(gòu)建和開發(fā)。

3基于計算機(jī)仿真技術(shù)的實驗教學(xué)模式開發(fā)

在深度分析學(xué)生學(xué)習(xí)特點和企業(yè)真實需求的基礎(chǔ)上，基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和混合式學(xué)習(xí)理論，按照社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合計算機(jī)仿真實驗教學(xué)設(shè)計的基本原則，借鑒信息化和項目教學(xué)、案例教學(xué)設(shè)計方法，探索出基于實踐項目、真實案例和工作任務(wù)的計算機(jī)仿真實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化的實驗設(shè)計。該模式由“項目導(dǎo)入、制定計劃、實施計劃和成果展示與評價”4個環(huán)節(jié)組成，其中，計算機(jī)仿真實驗教學(xué)貫穿了該模式的所有環(huán)節(jié)。下面簡單介紹該模式的具體實施方案。

（1）在“項目導(dǎo)入”環(huán)節(jié)，專業(yè)教師的活動包括：借助選定的計算機(jī)仿真實驗平臺，導(dǎo)入項目任務(wù)及目標(biāo)、展示項目結(jié)果，讓學(xué)生對項目有一個直觀的認(rèn)識，然后再布置具體的實踐任務(wù)；利用計算機(jī)仿真實驗平臺，讓學(xué)生明確自己應(yīng)當(dāng)完成的具體任務(wù)和完成任務(wù)后可以獲得哪些知識以及達(dá)到什么樣的技能水平；在充分考慮學(xué)生的現(xiàn)有知識和能力水平的基礎(chǔ)上，適當(dāng)采取分工協(xié)作方式，安排具體的任務(wù)完成時間及成果的評定方法等。

（2）在“制定計劃”環(huán)節(jié)，學(xué)生的活動包括：通過自主學(xué)習(xí)、分工協(xié)作等方式，對具體實踐項目的目標(biāo)、任務(wù)進(jìn)行分析；確定任務(wù)所涉及的專業(yè)方法和技能手段，充分應(yīng)用已掌握的專業(yè)知識和能力，借助計算機(jī)仿真實驗平臺，設(shè)計出仿真實驗?zāi)Ｐ蛶椭鷽Q策與優(yōu)化；確定仿真實驗任務(wù)的實施步驟，為仿真實驗任務(wù)的實施做好充分的準(zhǔn)備。

（3）在“實施計劃”環(huán)節(jié)，學(xué)生的活動包括：在計算機(jī)仿真實驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實踐項目的仿真任務(wù)；在完成實踐項目仿真任務(wù)的過程中，學(xué)生通過應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識和技能，建構(gòu)自己的專業(yè)知識，從而幫助自己養(yǎng)成專業(yè)素養(yǎng)。

（4）在“展示與評價”環(huán)節(jié)，學(xué)生的工作包括：在計算機(jī)仿真實驗平臺上展示自己的實踐項目仿真成果；參與討論和評價；通過對比分析，學(xué)生對自己的實踐項目展開進(jìn)一步的仿真優(yōu)化處理。

4結(jié)語

將計算機(jī)仿真技術(shù)與項目教學(xué)、案例教學(xué)更加緊密的結(jié)合起來，能夠更好的實現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學(xué)條件、提升實驗教學(xué)效果的同時，減少了設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量，節(jié)省了實驗經(jīng)費，而且克服了時間與空間上的限制，使工業(yè)工程綜合實驗課的開課率和學(xué)生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。計算機(jī)仿真技術(shù)在專業(yè)實驗教學(xué)方面的應(yīng)用前景廣泛,值得深入研究。

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作者：趙燦燦 單位：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院