工業(yè)工程實驗課程計算機仿真技術研究
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摘要：為了應對工業(yè)工程在有關工業(yè)系統(tǒng)設計、管理及優(yōu)化等綜合性實驗課程開發(fā)難度較大的問題，該文提出將計算機仿真技術與項目教學、案例教學相結合，實現(xiàn)了“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設備消耗，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生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。
關鍵詞：計算機仿真；工業(yè)工程；實驗教學
計算機仿真技術是繼數(shù)學推理與科學試驗之后認識世界自然規(guī)律的第三類基礎方法?；谟嬎銠C仿真技術的虛擬教學是指利用實物和計算機軟件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(xiàn)實工作場景，有利于提高學習興趣，使學生在短時間內(nèi)進入相應情境，真實的體驗如在現(xiàn)實中執(zhí)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，使學生對實踐問題的認識更深入，采用的應對方法更靈活。由此“計算機仿真技術”便成為專業(yè)學習及實際應用中的重要方法和技術手段。工業(yè)工程作為管理科學與工程的二級學科，其人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)出面向生產(chǎn)、管理、服務的高級專業(yè)技術和管理人才，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，在教學過程中需要通過一系列系統(tǒng)的實驗項目培養(yǎng)學生專業(yè)的問題提煉能力及問題分析能力，并采用專業(yè)的技術方法和手段有針對性的對問題本質(zhì)進行處理。然而，正是由于工業(yè)工程方法應用行業(yè)的廣泛性及多樣性，使得我們不可能如其他5類工程學科般擁有自己典型的實驗實訓設備，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(yè)工程實驗課程教學現(xiàn)狀分析
工業(yè)工程類實驗課程的教學，在傳統(tǒng)的教學模式中，主要是以“理論課+實驗室”的模式，強調(diào)學生對工業(yè)工程專業(yè)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、了解并掌握這些基本的專業(yè)手法與技能；其次，通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(chǎn)節(jié)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(yè)手法的實際應用場合；人因工程，主要是通過系列人因?qū)嶒瀻ьI學生親身體驗，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計、布局及工作安排；設施規(guī)劃布局則是基于物流分析方法，通過物流強度度量，分析部門間的相關性強度，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生在工業(yè)工程專業(yè)基本方法技能的培訓上起到了有效效果。然而，卻并未在促進學生養(yǎng)成工業(yè)工程職業(yè)素養(yǎng)上發(fā)揮強化作用。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)化等這類有關工業(yè)工程系統(tǒng)設計、管理及優(yōu)化的主干課程的綜合性實踐項目，要設計出針對本專業(yè)基本技能方法的綜合性實踐項目，需要的制造業(yè)相關設備、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，計算機仿真方法不失為解決此問題的一種有效方法?；谟嬎銠C仿真技術的虛擬教學則以其高效率、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用和推廣。因此，應該將“項目教學”“案例教學”“教、學、做”一體化和基于計算機仿真技術的虛擬教學的方法結合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，提升實踐教學效果?；谟嬎銠C仿真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(yè)工程類實驗課程的教學中，將基于計算機仿真技術的虛擬教學與其它教學方法相結合，有助于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(yè)、設備與產(chǎn)品的限制，使學生更好的掌握專業(yè)技能和方法，并通過基于計算機仿真平臺開發(fā)的綜合性實踐項目，鍛煉學生的工業(yè)工程系統(tǒng)設計、管理及優(yōu)化的綜合能力，培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)，從而促進本專業(yè)人才培養(yǎng)效果的提升，計算機仿真技術在工業(yè)工程類實驗課程的教學中具有重要的意義。
2計算機仿真技術在實驗課程教學中的應用
計算機仿真技術為人們提供了一個理想的實踐教學手段，目前國內(nèi)外已經(jīng)普遍將其應用于軍事訓練、課程教學、運動訓練以及醫(yī)學研究等方方面面。美國是計算機仿真技術虛擬現(xiàn)實的起源地，現(xiàn)在美國計算機虛擬仿真技術的發(fā)展水平也比較高，在這個領域代表了國際先進水平，也是第一個把虛擬仿真技術應用在教育教學中的國家，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的虛擬實驗設備和實驗設施、相關的實驗課程模塊、實驗結果評價模塊、協(xié)作模塊。在歐洲，英國在計算機仿真技術虛擬現(xiàn)實的相關領域處于領先地位，研究出了虛擬仿真軟件包，并應用在教學儀器和工業(yè)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仿真技術進行了研究與探索，其目標主要在于探索桌面虛擬仿真的輸入設備應用上。此外，該小組還和其他學校緊密合作，將其仿真系統(tǒng)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采用計算機仿真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(fā)出第一套基于虛擬仿真的教學儀器系統(tǒng)——利用虛擬仿真技術進行幾何光學實驗平臺的開發(fā)，系統(tǒng)將計算機輔助教學儀器的智能化儀器、計算機技術、虛擬仿真和物理教學儀器等有機結合，把物理教學儀器系統(tǒng)推進到了新的領域；北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司以北京郵電大學強勢的網(wǎng)絡、通訊、電子三門學科為基礎，采用JavaApplet技術、B/S結構、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實驗設備及實驗場地等實驗教學問題，由北京郵電大學網(wǎng)絡教育技術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)、外的基于計算機仿真的虛擬現(xiàn)實教學應用情況進行對比，我們發(fā)現(xiàn)：當前，國外基于計算機仿真的虛擬實驗比國內(nèi)開發(fā)時間早，應用相對成熟，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，且技術難度也不太適合本科學生，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行對應的二次開發(fā)，從而設計出適合自己的基于計算機仿真的虛擬實驗平臺，并得到了很好的應用發(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行綜合性實踐項目的構建和開發(fā)。
3基于計算機仿真技術的實驗教學模式開發(fā)
在深度分析學生學習特點和企業(yè)真實需求的基礎上，基于建構主義學習理論和混合式學習理論，按照社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求，結合計算機仿真實驗教學設計的基本原則，借鑒信息化和項目教學、案例教學設計方法，探索出基于實踐項目、真實案例和工作任務的計算機仿真實驗教學模式，實現(xiàn)了“教、學、做”一體化的實驗設計。該模式由“項目導入、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，計算機仿真實驗教學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“項目導入”環(huán)節(jié)，專業(yè)教師的活動包括：借助選定的計算機仿真實驗平臺，導入項目任務及目標、展示項目結果，讓學生對項目有一個直觀的認識，然后再布置具體的實踐任務；利用計算機仿真實驗平臺，讓學生明確自己應當完成的具體任務和完成任務后可以獲得哪些知識以及達到什么樣的技能水平；在充分考慮學生的現(xiàn)有知識和能力水平的基礎上，適當采取分工協(xié)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(huán)節(jié)，學生的活動包括：通過自主學習、分工協(xié)作等方式，對具體實踐項目的目標、任務進行分析；確定任務所涉及的專業(yè)方法和技能手段，充分應用已掌握的專業(yè)知識和能力，借助計算機仿真實驗平臺，設計出仿真實驗模型幫助決策與優(yōu)化；確定仿真實驗任務的實施步驟，為仿真實驗任務的實施做好充分的準備。
（3）在“實施計劃”環(huán)節(jié)，學生的活動包括：在計算機仿真實驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實踐項目的仿真任務；在完成實踐項目仿真任務的過程中，學生通過應用所學專業(yè)知識和技能，建構自己的專業(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)，學生的工作包括：在計算機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，學生對自己的實踐項目展開進一步的仿真優(yōu)化處理。
4結語
將計算機仿真技術與項目教學、案例教學更加緊密的結合起來，能夠更好的實現(xiàn)“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設備消耗，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生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。計算機仿真技術在專業(yè)實驗教學方面的應用前景廣泛,值得深入研究。
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作者：趙燦燦 單位：首都經(jīng)濟貿(mào)易大學安全與環(huán)境工程學院
