智能制造背景下生产系统建模与仿真课程教学改革论文

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　　摘要：为了培养符合智能制造背景下社会需求的专业IE人才，文章首先分析了生产系统建模与仿真课程教学现状，然后论述了智能制造背景下生产系统建模与仿真课程教学改革。

　　关键词：生产系统建模与仿真课程教学；智能制造；仿真技术

　　建设制造强国是我国的一项国家战略，而智能制造则是建设制造强国战略的主攻方向。“十三五”规划实施以来，我国全力加速从“中国制造”到“中国智造”的转向，先进制造业得到不断发展和壮大。同时，重大创新成果也相继涌现，智能制造发展取得了长足的进步。在“十三五”期间，智能制造试点示范项目覆盖了92个行业类别，并取得了良好的成效，在生产效率方面，试点示范项目平均提高45%，对于产品的研制周期而言，平均缩短35%，而产品的不良品率也平均降低35%[1]。随着“十四五”的开篇，我国将进一步加速智能改造和产业升级。众所周知，工业工程本就是依托现代工业生产发展起来的，既包括工程学，同时也包括管理学，是一门综合型和交叉型的专业[2-3]。而工业工程的研究对象是生产过程，核心诉求就是提高效率与效益，在发达国家的工业界中被视为最重要的技术之一[4-5]。由此可以看出，工业工程的核心目标与智能制造的成果体现是完全一致的，故工业工程在智能制造中具有着举足轻重的地位。

　　生产系统建模与仿真是工业工程专业的核心课程之一，主要研究对象包括广义的制造型企业及服务型企业，具体从系统建模的角度阐述仿真技术在企业生产系统中的应用原理和方法，应用仿真技术来发现企业生产系统的关键问题，并提出改进措施，从而达到提高系统的生产能力和效率的目的。现如今，企业的生产系统集中向柔性化、数字化和智能化等方向发展，通过系统建模与仿真技术，可以快速地在计算机上还原出现有的生产系统状态，并对系统的动态行为进行模拟，以分析生产系统的系统配置、系统功能等各状态要素是否合理，从而为生产系统的改善设计和优化设计提供方向[6-7]。因此，建模与仿真能力是今后智能制造领域人才的必备技能之一。本文以桂林航天工业学院（以下简称“我校”）工业工程专业生产系统建模与仿真课程为研究对象，结合学校学生实际情况，针对课程的特点和目前的教学现状，对该课程的教学改革进行研究和探讨。

　　一、生产系统建模与仿真课程教学现状

　　（一）课程教学情况介绍

　　1.课程教学目的。该课程的先修课程有高等数学、概率论与数理统计、C语言程序设计等学科基础课程，以及基础工业工程、生产计划与控制等专业必修课程。通过对生产系统建模与仿真的学习，学生能够理解和掌握系统建模与仿真的基本原理和基本方法，同时能够运用Flexsim等仿真软件对研究的系统进行建模与仿真，分析系统存在问题，并进行不断改善、优化和设计，为后续的毕业实习和毕业设计夯实基础，同时培养解决实际生产问题的能力，提高综合素质能力和就业技能。

　　2.课程教学体系结构。生产系统建模与仿真是一门面向企业实际的应用型课程，非常注重实践性和应用性[8-9]。结合该特点，生产系统建模与仿真课程现有的教学体系分为理论教学和实验教学两部分，如图1所示。

　　第一，理论教学。理论教学部分是该门课程的基础，只有夯实理论基础，才能更好地完成实验环节的课程。我校工业工程专业生产系统建模与仿真课程的理论教学为32学时，主要包括绪论、离散事件系统的基本概念与原理、随机数与随机变量的生成、生产系统建模方法、系统的仿真策略、排队系统与库存系统的建模与仿真、仿真输入数据分析、仿真输出数据分析，共八部分的内容[10-11]。

　　第二，实验教学。实验教学对于理论知识的进一步理解和深化而言，是一种极其有效和直接的方式。通过开展实验教学，既可以加深学生对理论知识的理解，同时也有利于培养学生分析和解决实际问题的综合能力。我校该课程的实验教学为30学时，选用Flexsim软件进行实操，主要包括Flexsim仿真入门和Flexsim仿真进阶两大部分内容。Flexsim仿真入门主要使学生熟悉Flexsim仿真软件，可以运用Flexsim建立简单的模型，并对模型进行运行、分析和优化。Flexsim仿真进阶主要是对较为复杂的生产系统、混合流水线系统和仓储系统进行仿真和优化。每个案例都会附有详细的研究背景、系统概述、作业流程描述、系统现状分析等资料。

　　3.考核方式。理论教学和实验教学分开考核。理论教学的考核方式由平时考核与期末考试组成，其中期末采用闭卷考试的形式考核，在总评成绩中，平时成绩和期末成绩的占比分别为30%和70%。平时成绩由课堂出勤率、课堂表现和课后作业构成，三者的占比分别是20%、30%和50%。实验教学的总评成绩由平时成绩、实验完成情况和实验报告构成，其中平时成绩的占比为10%，实验完成情况的占比为40%，实验报告的占比为50%。

　　（二）教学存在的问题

　　1.理论课程需要回顾先修基础课程内容，教学进度缓慢。从课程教学体系中的理论教学部分可以看出，该课程的教学内容涉及高等数学、概率论与数理统计等多门学科基础课程，学生需要在掌握这几门先修课程的基础上进一步深化学习和应用相关知识。在这些基础课程的教学过程中，涉及的理论公式通常都会附有很详细的推导过程，同时还配有大量的练习题让学生加以巩固。但是在生产系统建模与仿真理论课程教学中，教师大多只是罗列大量的公式，而重点应是将这些公式运用到建模与仿真中。而且这些基础课程与生产系统建模与仿真课程的开设间隔时间较长，其中高等数学在第一、第二学期开设，概率论与数理统计在第四学期开设，而生产系统建模与仿真则在第七学期开设，此时，学生对相关知识点已淡忘，要进行直接运用存在较大的困难。因此，学生在学习过程中出现捡起之前的知识难，学习本门课程更难的现象。为了解决此问题，在授课过程中教师就需要详细回顾一些基础课程的内容，这样容易影响课程进度，导致教学进度缓慢。

　　2.理论课程内容抽象、应用性强，学生学习吃力、兴趣低。如前所述，生产系统建模与仿真是建立在多门课程基础上的综合性课程，呈现出原理性强、公式繁多、内容抽象等特点，因此在理论教学中教师可能会更加注重公式和抽象内容的讲解，忽略了仿真理论与实际应用的结合，容易让学生产生系统建模与仿真远离实际应用的错觉，认为学习内容十分枯燥乏味，进而失去对本门课程的学习兴趣，降低学习的主动积极性，并容易形成恶性循环。

　　3.实验教学环节学生“重实现、轻分析”。在生产系统建模与仿真实验教学中，虽然每个实验案例都基于现实的背景和环境，与实际生产紧密结合，但是在具体的实验环节中，学生的兴趣更多在于模型仿真程序的实现，忽略了系统问题的分析和优化。在实验环节中，学生的关注点往往在于所建的模型能不能运行起来，在模型运行后往往只会对运行结果进行简单的描述，很少能够结合理论知识探究背后的原因。而在对模型的优化中，大部分学生仅仅是对某个参数进行修改，如修改设备的加工时间参数等，遇到产品堆积现象，往往只会简单地增加设备，完全不关心现实背景及现实意义。

　　4.缺少对仿真技术的扩展应用。生产系统建模与仿真是一门应用性极强的课程，但是在教学过程中往往存在一种普遍的现象，即该门课程始于理论课程和实验课程的教学，结束于课程的考核，学生最为关心的是这门课程能不能及格，缺乏对仿真技术应用的拓展与探索。

　　5.平时成绩难以量化，考核与评价方式不够全面。理论教学的考核旨在检验学生对理论知识的掌握程度，考核和评价方式以期末考试的卷面成绩为主，同时还考查考勤、课堂表现、课后作业成绩。不难看出，课堂表现的考核很难量化，特别是在大班教学的情况下，很难客观公正地给出每个学生的平时成绩，受教师的主观性影响较大。另外，课后作业容易出现抄袭现象，教师在批改时也难以判断作业是否是学生自己独立完成的，这就很难真实反映出学生对理论知识的实际掌握情况。实验教学的考核主要是检验学生运用仿真技术解决实际问题的能力，目前的考核方式主要以过程完成情况和最终的实验报告为主。在实验教学过程中，所有的实验都附有详细的实验指导书，学生更多的是“依葫芦画瓢”，因此仅通过过程完成情况和最终的实验报告并不能真正反映出学生运用仿真技术解决实际问题的能力。

　　二、智能制造背景下生产系统建模与仿真课程教学改革

　　（一）导入线上课程，形成“线上+线下”的教学模式

　　在生产系统建模与仿真课程教学中，教师可为涉及先修课程的知识章节导入线上课程，帮助学生将学过的知识“捡起来”，使学生在线下的课堂学习中可以直接运用，由此形成“线上+线下”的教学模式，以提高教学成效。落实到教学实践中，教师可基于生产系统建模与仿真课程当节课教学目标，制作导学案并录制视频，整理资料及设置测试题，要求学生在限定时间内在线上学习平台完成线上预习；线下课堂教学中，教师可基于学生线上预习情况，将讲授法与分组讨论法结合起来，引导学生通过探究、合作、实践等一系列活动完成深层次的进阶学习，实现知识的内化和吸收。例如，在随机变量和随机数的生成、仿真输入数据分析这两个内容中，涉及较多高等数学和概率论与数理统计的知识，如反函数、极大似然估计法、随机分布等相关知识，对于这些在先修课程中已经学习过的内容，可以呈现在线上课堂教学中。教师把这些知识点与本课程知识点结合起来，录制成视频，并在相关模块内容的学习前发布在线上学习平台上，同时布置相应的练习题，以便检验学生的线上课程学习成果。而在线下课堂教学中，教师便可以基于学生线上预习的情况，明确教学重难点，然后设置课堂任务，组织学生以小组为单位进行探究、合作、实践，深化学生对生产系统建模与仿真课程当节课知识点的理解和掌握。这样将线上教学和线下教学相配合，使得知识点的学习和运用无缝衔接，可保证教学进度的正常推进。

　　（二）以仿真技术应用的广泛性吸引学生，以实用性推动学生持续学习

　　如何让学生对一门课感兴趣，一直是教师研究和探索的问题。对于大四阶段而言，一门课程可能会更多考虑到实用性。从这个方面来说，第一次课的课程导入显得极为关键。因此，第一次课不能单刀直入地引入课程内容，而是要有一个循序渐进的导入过程。首先教师要让学生对系统建模与仿真有一个大致的了解，然后再介绍系统建模与仿真的应用领域，最后聚焦到学生可以利用系统建模与仿真来做什么。比如，教师可以先讲解系统仿真是什么，让学生对系统仿真有概括性的了解，然后通过播放一些视频介绍系统仿真在航空航天、生产制造、交通运输等领域的应用，最后再回归到本门课程对于大四学生的实用性上，即大到今后系统建模仿真技术人才的需求，小到系统建模与仿真在毕业设计中的应用等。同时，教师在平时的教学过程中要遵循学生的认知规律，即从简单到复杂、从容易到困难、从特殊到一般、从直观到抽象，还要注意做到理论与实际应用相结合，以此来缓解学生的畏难情绪，提高学生学习的兴趣和积极主动性。比如，对于随机数的生成，教师可以结合某些教学软件课堂进行随机点名或结合日常抽奖的案例进行讲解。

　　（三）构建问题指向型的实验教学

　　在生产系统建模与仿真课程实验教学环节中，教师可构建问题指向型的实验教学，以此将理论知识与实际生产紧密衔接，促使学生达到熟练运用仿真软件解决实际问题的目的。具体教学实践中，教师首先要向学生明确实验教学目的，着重强调利用仿真技术解决现实问题才是实验教学的关键。同时，构建专业领域问题导向的实验教学过程，具体的问题指向型实验教学框架如图2所示。落实在教学实践中，教师可先通过案例模型让学生对系统建模与仿真有基本的认识，了解通过系统建模仿真能够解决什么问题，然后基于教学需要，以众多工业工程专业领域问题，如某产品生产流程优化、线平衡分析、瓶颈工序分析、设施布局优化等，设置探究任务，要求学生对问题进行分析，并结合相关的专业课程知识，提出切实可行的改善措施。期间，学生要结合工业工程相关改善方法进行探究，以探索出优化和改善的方法。在这一过程中，教师要进行点拨。最后教师指导学生对改善效果进行仿真验证，即运用仿真软件中的输出分析器分析前后两种系统方案的比较结果，从而验证优化结果，以此形成符合实际情况的设施布局规划与设计，做到精益生产，为基础工业工程中的生产计划与控制提供一定的理论支撑。实施问题指向型的实验教学，可将生产系统建模与仿真课程和其他专业课程相融合，并最终回归到工业工程专业的本质问题：能提高生产效率、保证质量和降低成本，使学生接受到系统性的综合能力的培训，提高学生对实验环节的认可度。

　　（四）建模仿真技术的扩展实践

　　生产系统建模与仿真这门课程的教学目标是学生能够掌握系统建模与仿真的理论知识，并运用仿真技术结合理论知识解决实际问题，因此本门课程应当进行适当的延伸和拓展。一方面，教师可以在大四的毕业设计选题中提供一些基于仿真技术的选题，如企业的生产线仿真与优化、生产车间系统规划与仿真、混流生产线投产排序优化等。另一方面，教师要鼓励学生积极参加大学生竞赛，如全国大学生物流仿真设计大赛、IE应用论剑大赛等。在仿真技术拓展实践的加持下，进一步完善生产系统建模与仿真课程教学体系，通过理论课程的教学，让学生理解和掌握系统建模与仿真的理论基础，并结合实验教学，让学生运用系统仿真的基本理论、方法与仿真工具解决系统存在的问题，最后通过拓展实践，进一步落实仿真技术在实际中的运用。理论教学、实验教学和拓展实践三个环节环环相扣、紧密衔接，三者之间的关系如图3所示。

　　（五）考核方式多元化

　　针对理论教学，基于教学模式的改变，将线上课程学习进度、在线知识测验、课堂讨论、课堂测验都纳入平时成绩的考核范围，线上课程学习进度和在线知识测验主要是针对线上课程，课堂讨论和课堂测验主要是针对线下课程。基于此，理论课程的平时成绩由线上课程学习进度（10%）、在线知识测验（10%）、课堂讨论（20%）、课堂测验（30%）、课后作业（30%）构成，形成了可量化的课程考核指标，同时使成绩考核方式更加多元化。针对实验教学，增加“课题考核”的形式，授课教师可结合实际情况指定相关考核课题。如学校宿舍订水系统优化、学校菜鸟驿站的取件排队系统优化、学校食堂就餐系统优化等，4—5名学生以小组的形式选择一个课题，通过实地调研，综合运用相关理论知识和仿真建模技术分析并解决存在的问题，最终形成综合性报告。基于此，实验课程的成绩由实验完成情况（20%）、实验报告（30%）和综合报告（50%）构成，这样可以更加全面地考核学生运用理论解决实际问题的能力。

　　三、结语

　　生产系统建模与仿真课程教学改革以发挥工业工程在智能制造中的作用为出发点，通过分析目前的教学体系结构和考核方式，深入剖析存在的问题，并提出课程教学改革方案，主要强调课程体系的系统性和连贯性，加强理论与实际的结合，注重提高学生学习的积极主动性，培养学生解决实际问题的能力和独立思考的能力，以期培养出符合智能制造背景下社会需求的专业IE人才。

　　参考文献：

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　　[11]苏春.制造系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2019:26.

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