工業工程實驗課程計算機模擬技術研究論文
摘要：為了應對工業工程在有關工業系統設計、管理及最佳化等綜合性實驗課程開發難度較大的問題，該文提出將計算機模擬技術與專案教學、案例教學相結合，實現了“教、學、做”一體化，並且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了裝置消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實驗經費，而且克服了時間與空間上的限制，使得工業工程綜合實驗課的開課率和學生的專業綜合能力得到顯著提升。
關鍵詞：計算機模擬；工業工程；實驗教學
計算機模擬技術是繼數學推理與科學試驗之後認識世界自然規律的第三類基礎方法。基於計算機模擬技術的虛擬教學是指利用實物和計算機軟體共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。這種教學方法生動形象，接近現實工作場景，有利於提高學習興趣，使學生在短時間內進入相應情境，真實的體驗如在現實中執行任務的感覺，以達到更快掌握技術手段的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟體的優勢創造出靈活多樣的工作場景且不受行業限制，使學生對實踐問題的認識更深入，採用的應對方法更靈活。由此“計算機模擬技術”便成為專業學習及實際應用中的重要方法和技術手段。工業工程作為管理科學與工程的二級學科，其人才培養目標是培養出面向生產、管理、服務的高階專業技術和管理人才，面向的工作崗位主要有製造業現場管理、產能計算、生產計劃與控制、專案管理、精益生產等，以及服務業的流程最佳化、工作研究等。其中，製造業涉及行業範圍廣、產品種類多、工序過程各異，因此，在教學過程中需要透過一系列系統的實驗專案培養學生專業的問題提煉能力及問題分析能力，並採用專業的技術方法和手段有針對性的對問題本質進行處理。然而，正是由於工業工程方法應用行業的廣泛性及多樣性，使得我們不可能如其他5類工程學科般擁有自己典型的實驗實訓裝置，亟需我們在實踐教學過程中探索新的教學方法與實驗支撐技術。
1工業工程實驗課程教學現狀分析
工業工程類實驗課程的教學，在傳統的教學模式中，主要是以“理論課+實驗室”的模式，強調學生對工業工程專業基本方法和技能的掌握與應用，如，工作研究、動素分析、人機工程、物流工程、流程最佳化、現場改善等基本技能與方法論。傳統的實驗教學過程中，基本上遵照如下流程：首先，引導學生進行以上理論課的學習，使學生知道、瞭解並掌握這些基本的專業手法與技能；其次，透過開設相關實驗課程讓學生對所學的這些技術方法展開實踐，從而幫助學生達到訓練並養成工業工程專業素養的目的。
然而，目前所開設的相關實驗課程均是就某一獨立技術方法而展開的較為單純的技能訓練，如，工作研究的實驗主要是針對動作研究、動素分析、生產節拍平衡開展具體分析過程實踐，幫助學生深刻體會這些基本專業手法的實際應用場合；人因工程，主要是透過系列人因實驗帶領學生親身體驗，感受高度、亮度、顏色、頻繁度、規律度等人因影響因素帶給人視覺、聽覺等感官的切實感受，從而探討基於人因的合理化設計、佈局及工作安排；設施規劃佈局則是基於物流分析方法，透過物流強度度量，分析部門間的相關性強度，從而為合理佈局、物流最佳化提供有效參考。以上這些實驗均對學生在工業工程專業基本方法技能的培訓上起到了有效效果。然而，卻並未在促進學生養成工業工程職業素養上發揮強化作用。原因在於，缺乏像物流工程、系統工程、系統建模及模擬最佳化等這類有關工業工程系統設計、管理及最佳化的主幹課程的綜合性實踐專案，要設計出針對本專業基本技能方法的綜合性實踐專案，需要的`製造業相關裝置、產品品種等數量巨大，且耗費大、成本高，很難從實際操作入手，計算機模擬方法不失為解決此問題的一種有效方法。基於計算機模擬技術的虛擬教學則以其高效率、低成本、內容豐富、效能有效和安全等優勢得到越來越多的應用和推廣。因此，應該將“專案教學”“案例教學”“教、學、做”一體化和基於計算機模擬技術的虛擬教學的方法結合起來，充分發揮各自的優點，提升實踐教學效果。基於計算機模擬技術的虛擬教學很容易與其它先進的教學方法相結合，因此，在工業工程類實驗課程的教學中，將基於計算機模擬技術的虛擬教學與其它教學方法相結合，有助於提高實驗課程教學效果，而且成本低、效率高，使學生可以不受場地、行業、裝置與產品的限制，使學生更好的掌握專業技能和方法，並透過基於計算機模擬平臺開發的綜合性實踐專案，鍛鍊學生的工業工程系統設計、管理及最佳化的綜合能力，培養學生的專業素養，從而促進本專業人才培養效果的提升，計算機模擬技術在工業工程類實驗課程的教學中具有重要的意義。
2計算機模擬技術在實驗課程教學中的應用
計算機模擬技術為人們提供了一個理想的實踐教學手段，目前國內外已經普遍將其應用於軍事訓練、課程教學、運動訓練以及醫學研究等方方面面。美國是計算機模擬技術虛擬現實的起源地，現在美國計算機虛擬模擬技術的發展水平也比較高，在這個領域代表了國際先進水平，也是第一個把虛擬模擬技術應用在教育教學中的國家，目前在感知、使用者介面、後臺軟體和硬體等幾個方面，形成了一個比較系統的虛擬模擬教學儀器架構。如，美國的卡羅萊納州立大學利用Java技術建立了基於Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模組：基於JavaApplet的虛擬實驗裝置和實驗設施、相關的實驗課程模組、實驗結果評價模組、協作模組。在歐洲，英國在計算機模擬技術虛擬現實的相關領域處於領先地位，研究出了虛擬模擬軟體包，並應用在教學儀器和工業安全培訓等方面。如，英國的諾丁漢大學在教育和學術方面對虛擬模擬技術進行了研究與探索，其目標主要在於探索桌面虛擬模擬的輸入裝置應用上。此外，該小組還和其他學校緊密合作，將其模擬系統應用在了特殊學生教育中。在中國，目前各個大學和科研機構也廣泛採用計算機模擬技術建立虛擬場景進行相關領域的教學與研究。
例如：中國科技大學開發出第一套基於虛擬模擬的教學儀器系統——利用虛擬模擬技術進行幾何光學實驗平臺的開發，系統將計算機輔助教學儀器的智慧化儀器、計算機技術、虛擬模擬和物理教學儀器等有機結合，把物理教學儀器系統推進到了新的領域；北京潤尼爾網路科技有限公司以北京郵電大學強勢的網路、通訊、電子三門學科為基礎，採用JavaApplet技術、B/S結構、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實驗裝置及實驗場地等實驗教學問題，由北京郵電大學網路教育技術研究所組織精英力量，經過多年研究，開發出了配套的虛擬實驗系統。透過對國內、外的基於計算機模擬的虛擬現實教學應用情況進行對比，我們發現：當前，國外基於計算機模擬的虛擬實驗比國內開發時間早，應用相對成熟，不管是在模擬器材還是模擬軟體上都比較豐富、且功能較多；同時，國外很多成熟的模擬實驗產品價格普遍偏高，且技術難度也不太適合本科學生，更適合研究所或工程師使用。儘管如此，我國還是有很多現行的成熟的計算機模擬軟體供我們選擇，這些成熟的模擬軟體具有介面友好、可擴充性、支援二次開發等特性，甚至大多實現模組化利於定製化實驗的開發，基本上能滿足國內高等院校實驗教學需要及豐富的模擬實驗需求。因此，國內很多高校及科研院所普遍採用購買成熟的模擬軟體產品，基於自身的模擬實驗需求進行對應的二次開發，從而設計出適合自己的基於計算機模擬的虛擬實驗平臺，並得到了很好的應用發展。就工業工程類實驗課程而言，現在市面上流行的模擬軟體，如，Flexsim、witness、em-plan等都能提供給我們一個良好的模擬實驗平臺，供我們在這些平臺上進行綜合性實踐專案的構建和開發。
3基於計算機模擬技術的實驗教學模式開發
在深度分析學生學習特點和企業真實需求的基礎上，基於建構主義學習理論和混合式學習理論，按照社會發展對人才培養的要求，結合計算機模擬實驗教學設計的基本原則，借鑑資訊化和專案教學、案例教學設計方法，探索出基於實踐專案、真實案例和工作任務的計算機模擬實驗教學模式，實現了“教、學、做”一體化的實驗設計。該模式由“專案匯入、制定計劃、實施計劃和成果展示與評價”4個環節組成，其中，計算機模擬實驗教學貫穿了該模式的所有環節。下面簡單介紹該模式的具體實施方案。
（1）在“專案匯入”環節，專業教師的活動包括：藉助選定的計算機模擬實驗平臺，匯入專案任務及目標、展示專案結果，讓學生對專案有一個直觀的認識，然後再佈置具體的實踐任務；利用計算機模擬實驗平臺，讓學生明確自己應當完成的具體任務和完成任務後可以獲得哪些知識以及達到什麼樣的技能水平；在充分考慮學生的現有知識和能力水平的基礎上，適當採取分工協作方式，安排具體的任務完成時間及成果的評定方法等。
（2）在“制定計劃”環節，學生的活動包括：透過自主學習、分工協作等方式，對具體實踐專案的目標、任務進行分析；確定任務所涉及的專業方法和技能手段，充分應用已掌握的專業知識和能力，藉助計算機模擬實驗平臺，設計出模擬實驗模型幫助決策與最佳化；確定模擬實驗任務的實施步驟，為模擬實驗任務的實施做好充分的準備。
（3）在“實施計劃”環節，學生的活動包括：在計算機模擬實驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實踐專案的模擬任務；在完成實踐專案模擬任務的過程中，學生透過應用所學專業知識和技能，建構自己的專業知識，從而幫助自己養成專業素養。
（4）在“展示與評價”環節，學生的工作包括：在計算機模擬實驗平臺上展示自己的實踐專案模擬成果；參與討論和評價；透過對比分析，學生對自己的實踐專案展開進一步的模擬最佳化處理。
4結語
將計算機模擬技術與專案教學、案例教學更加緊密的結合起來，能夠更好的實現“教、學、做”一體化，並且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了裝置消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實驗經費，而且克服了時間與空間上的限制，使工業工程綜合實驗課的開課率和學生的專業綜合能力得到顯著提升。計算機模擬技術在專業實驗教學方面的應用前景廣泛,值得深入研究。
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