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“生产系统建模与仿真”课程教学改革

赵倩倩周艳杰

［摘要］“生产系统建模与仿真”是工业工程专业的一门核心课程，要求学生于理论、技术、问题分析以及优化设计等方面的综合能力，课程的最终效果呈现对学生有着很大的挑战。首先，分析了该课程内容现阶段的特征以及与工程教育需求所存在的差异。其次，针对课程目标、教学内容设计，以及教学成果评价等方面所存在的不足，结合CDIO工程教育12项标准提出了具体的改革方案。最后，对改革前后的教学成果进行了对比分析和评价。通过思考新工程教育理念对工业工程专业“生产系统建模与仿真”课程的指导作用和教育目的，为工程教育者对新型工业化背景下的课程建设提供了参考和应用实践经验。

［关键词］生产系统建模与仿真；CDIO工程教育；教学改革

［基金项目］2022年度中国博士后科学基金面上资助“基于混合检测策略的贮存可用度建模与分析”（2022M712860）；2022年度郑州大学教学改革项目“大类招生背景下管理科学与工程学科人才培养模式优化与实施路径——以郑州大学为例”（2022ZZUJGLX097）

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）13-0000-05［收稿日期］2022-10-08

随着我国经济社会转型与科学技术发展，我国正在快速完成由传统工业、制造业向数字化、智能化制造新模式的转型，工业工程（IndustrialEngineering）学科也因此面临难得的机遇与全新的挑战。数字化转型的关键核心技术聚焦于面向制造全过程的全流程仿真、智能制造系统规划设计分析优化等内容，尤其是生产设备的全寿命周期以及生产线全过程的多维智能感知与监控、数字化孪生技术、ERP与MES无缝集成，实现高度柔性生产和离散性制造的流水化配置。由此可见，建模与仿真技术对于生产系统与数字化经济紧密结合的当下，发挥着更加重要的作用。

工业工程作为一门应用性工程专业技术，兼容并蕴含了诸多新学科和理论技术，特别是如何以大数据为驱动、工程技术为基础，配合科学管理的技巧发现、解决并预防问题［1］。其中，“生产系统建模与仿真”作为工业工程专业承上启下的核心课程，是“编程语言”“概率与数理统计”“系统工程”等课程内容的综合输出，同时，也是后续工业工程软件与应用、毕业设计等课程的输入。学生除了需要具备系统分析、问题定义、数据处理、随机变量生成、仿真VVA等理论知识，还需具备仿真逻辑设计和借助软件或编程语言进行实践的能力，最后通过算法设计完成优化模型。如何能让学生在有限的时间内融会贯通所有的理论知识，提高学生对现实问题的分析和解决能力，从而让课堂更有效果，是一线工程教育者的重点研究课题。COID工程教育课程体系作为国际工程教育改革的重要理论成果，以产品全寿命周期理念培养学生从方案设计、实施到最终评估的一系列过程［2］。作为注重实践的工程教育模式，旨在让学生将理论技术与实践完美结合，全程参与、主动发现和分析实际生产中存在的问题，探索隐含在问题背后的科学知识，形成自主学习与合作解决问题的技能。因此，面对制造业智能化转型的巨大变化与科学技术的不断更新，学校的相应课程也需要根据工程需要进行相应的改革探索。

我国CDIO的试点教学少有在工业工程专业中展开，主要集中在土木、机械、化工、电器等领域［3］。经分析，“生产系统建模与仿真”课程目前在教学模式上主要存在着以下问题：（1）仿真技术性强，学生能力两极化严重。系统仿真的成果呈现是借助商用仿真软件或利用编程语言实现面向对象程序设计实现，对学生的软件实操以及编程能力要求略高。目前，针对一种商用仿真软件或者一种编程语言的教学设计会导致编程能力稍差的学生因挫败感而对课程失去兴趣，而碎片化的实操教学难以满足编程能力较强学生的需求。（2）课程知识和工程需求存在差距。教学内容偏重经典传统理论，缺乏前沿动态的介绍，比如在工业数字化转型中，传统的基于仿真的系统设计如何快速发展并应用于“数字孪生”技术；仿真技术如何成为制造系统关键组成部分，实现仿真工艺段，完成工艺验证，发现整个生产流程中可能存在的问题。（3）课程内容多样化，全面考核困难。“生产系统建模与仿真”课程包括了系统的抽象分析、建模理论和实践部分，需要综合考查学生对仿真机理、数据分析、概念模型构建、仿真的VVA以及软件的操作能力和编程能力。现阶段单从卷面测试和上机考试两个方面很难全面考查上述课程所要求的综合能力。

一、基于CDIO模式的课程目标设计

CDIO模式是一种系统的、全面的工程教育改革方法，其12项标准给出了工程教育改革實施和系统发展的评价维度：以CDIO为基本环境、学习目标、一体化教学计划、工程导论、设计—实现经验、工程实践场所、综合性学习经验、主动学习、教师能力的提升、教师教学能力的提高、学生考核、专业评估［