雙師型教師 論文工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

1、雙師型教師 論文：工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)【摘 要】 從培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力入手，基于Flexsim仿真系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代IE的特點，設(shè)計了工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺。這一平臺包括情景模擬與仿真系統(tǒng)、案例庫系統(tǒng)各功能模塊，具有可參與、可控制、可優(yōu)化、可更新等特征。結(jié)合具體實驗教學(xué)項目，對這一平臺的實驗教學(xué)過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。最后對基于該平臺的實踐教學(xué)效果進(jìn)行評價。【關(guān)鍵詞】 創(chuàng)新實踐能力；工業(yè)工程；情景教學(xué)；Flexsim仿真實驗一、引言高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才，隨著知識經(jīng)濟(jì)時代的到來，大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)已成為我國高等教育教學(xué)改革的核心目標(biāo)之一12。

2、自1919年陶行知先生提出將學(xué)的思想和方法放到“教學(xué)法”的重要位置以來，國內(nèi)外關(guān)于教學(xué)模式和教學(xué)法的研究不斷走向深入，如前蘇聯(lián)教育家凱洛夫的“三中心”、比杜威的實用主義教育思想等，雖然這些理論對教育過程中智力開發(fā)和能力培養(yǎng)關(guān)注不足，但卻體現(xiàn)了現(xiàn)代教育的基本特色。20世紀(jì)80年代以來，心理學(xué)家斯金納（Skinner）的程序教學(xué)法、維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理論、瓦根舍因的“范例方式教學(xué)論”、巴班斯基的“最優(yōu)化教學(xué)理論”以及前蘇聯(lián)的蘇霍姆林斯基的“和諧教育”理論等，則集中反映了以學(xué)生為主體的現(xiàn)代教學(xué)觀。目前，我國創(chuàng)新教學(xué)法研究主要強調(diào)課堂教學(xué)中師生互動、激發(fā)學(xué)生興趣和主動性等，還針對注入式教學(xué)的弊端

3、，提出了新教學(xué)環(huán)境下的“感知理解深化”三階段教學(xué)理念。但總體而言，教學(xué)模式單一的問題仍較為普遍，教學(xué)實踐中的具體表現(xiàn)為：課堂教學(xué)理論講授多于互動、實踐教學(xué)形式多于內(nèi)容、實踐教學(xué)經(jīng)費投入不足等。工業(yè)工程是涉及人、物料、機器等要素的集成系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計、改善、控制和創(chuàng)新的邊緣學(xué)科3，其相關(guān)基礎(chǔ)理論是機械設(shè)計、機械制造、控制工程、運籌學(xué)、系統(tǒng)工程、設(shè)施規(guī)劃設(shè)計、物流工程、質(zhì)量工程、人因工程、生產(chǎn)運作管理、財務(wù)管理、供應(yīng)鏈管理、信息管理等，主要研究對象是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，具有極強的實踐性，需要考察企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)及物流管理各環(huán)節(jié)的運行、規(guī)劃及設(shè)計，其教學(xué)過程必須先建立生產(chǎn)現(xiàn)場及企業(yè)物流的物理

4、概念和感性認(rèn)知。近年來，隨著生產(chǎn)實習(xí)機會的減少，學(xué)生對企業(yè)生產(chǎn)物流及供應(yīng)鏈運行缺乏真實感官，加上教材抽象的數(shù)理闡述，極大影響了工業(yè)工程相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效果。為此，本研究以Flexsim軟件為基礎(chǔ)，試圖通過工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的建設(shè)，系統(tǒng)仿真企業(yè)物流及生產(chǎn)系統(tǒng)的運行，使學(xué)生置身于企業(yè)生產(chǎn)活動和供應(yīng)鏈運行的虛擬環(huán)境中，并充分運用系統(tǒng)提供的設(shè)計方案與優(yōu)化功能，引導(dǎo)教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新思維、教學(xué)互動過程，優(yōu)化工業(yè)工程專業(yè)課及專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)效果，從而達(dá)到培養(yǎng)大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的目的。二 、工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的內(nèi)涵與功能1情景教學(xué)與情景教學(xué)平臺情景教學(xué)是提煉了實際生產(chǎn)后將教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及角色融為一體的

5、教學(xué)方法，能夠刺激學(xué)生的真實感官，提供調(diào)動學(xué)生理性認(rèn)識的基本線索，通過思維的內(nèi)部整合，使學(xué)生產(chǎn)生新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這是情景教學(xué)的基本機理。情景教學(xué)充分利用形象、創(chuàng)設(shè)場景，使學(xué)生通過觀察、實踐，理解和運用相關(guān)專業(yè)知識，符合人類由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的認(rèn)識規(guī)律4，因此能較好發(fā)揮教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的相互作用，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。情景教學(xué)平臺則以經(jīng)典實例為實踐背景，將學(xué)生帶入特定場景和角色，通過調(diào)動多維感官，加速對知識的理解和記憶。從而實現(xiàn)從“靜態(tài)學(xué)習(xí)”到“動態(tài)學(xué)習(xí)”的飛越，從單調(diào)緊張的課堂教學(xué)環(huán)境中解脫出來，激發(fā)學(xué)習(xí)樂趣，提高學(xué)習(xí)效率，克服了常規(guī)教學(xué)中缺乏師生之間、學(xué)生之

6、間的互動等弊端，并對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充分發(fā)揮主體性提供了可能性，對培養(yǎng)學(xué)生情感、想象力、創(chuàng)造性思維，開發(fā)智力等方面具有獨到之處。在工業(yè)工程及企業(yè)現(xiàn)場管理等專業(yè)課程教學(xué)的總體趨勢是，壓縮課堂教學(xué)課時，增加生產(chǎn)一線的現(xiàn)場教學(xué)。發(fā)達(dá)國家采用的雙導(dǎo)師聯(lián)合教學(xué)的兩階段模式，同時附以案例教學(xué)、實驗室模擬演練等，取得了較好的教學(xué)效果。從一定意義上說，情景教學(xué)平臺通過運用先進(jìn)的信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景和案例模擬，增強學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生在“感知理解深化”的學(xué)習(xí)過程中，達(dá)到實踐教學(xué)的目的。從而改變學(xué)生技能培養(yǎng)中局限于的注釋與理論闡述的局面，突破有限課后上機實驗的離散性實踐約束。2工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的功能要求

7、根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)工程學(xué)科的特點，這一專業(yè)實踐教學(xué)應(yīng)強調(diào)學(xué)生系統(tǒng)分析和解決問題能力的培養(yǎng)，重視企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)方案設(shè)計和優(yōu)化方法的掌握。情景教學(xué)平臺建設(shè)的基本目標(biāo)是使學(xué)生更積極主動參與教學(xué)互動，培養(yǎng)學(xué)生良好的動手習(xí)慣、提出問題并解決問題的能力。從根本上強化工業(yè)工程專業(yè)本科教學(xué)的實踐特色。為此，工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的設(shè)計主要體現(xiàn)：學(xué)生動手操作與情景分析相結(jié)合、演示性與研究創(chuàng)新性相結(jié)合、計算機仿真與案例相結(jié)合等三個基本原則。通過創(chuàng)設(shè)生動的生產(chǎn)物流和供應(yīng)鏈情景，引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)工程的視角去觀察企業(yè)生產(chǎn)流程、思考企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場供應(yīng)鏈運行過程中可能存在的問題；以案例庫為載體引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)，F(xiàn)lexsi

8、m仿真系統(tǒng)則使學(xué)生置身于企業(yè)生產(chǎn)活動和供應(yīng)鏈運行過程的虛擬環(huán)境中，參與供應(yīng)鏈規(guī)劃與設(shè)計。根據(jù)情景教學(xué)平臺構(gòu)建的指導(dǎo)思想，工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的功能要求是：可參與性區(qū)別于以往工業(yè)工程教學(xué)法，本平臺首先強調(diào)學(xué)生參與的主動性，打破以往被動學(xué)習(xí)的局面，注重訓(xùn)練學(xué)生基本技能，這一過程充滿了學(xué)生和平臺系統(tǒng)的信息交換過程。學(xué)生可以參與的環(huán)節(jié)主要表現(xiàn)在：參與實驗?zāi)M和角色體驗場景，培養(yǎng)學(xué)生對生產(chǎn)現(xiàn)場的認(rèn)知；參與Flexsim仿真實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生的動手解決問題的能力；參與案例環(huán)節(jié)，為學(xué)生進(jìn)一步自己動手優(yōu)化方案打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生思維的廣闊性?？煽刂菩郧榫敖虒W(xué)平臺盡可能模擬工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)的設(shè)計和運行，為

9、了保證平臺的正常運行和教學(xué)效果，整個實踐教學(xué)過程應(yīng)當(dāng)在教師嚴(yán)格控制之下，由任課教師引導(dǎo)運行。平臺的可控制性表現(xiàn)在：控制情景教學(xué)的進(jìn)度，確保實驗過程順暢進(jìn)行；控制訪問權(quán)限，提高教學(xué)平臺的安全性；以學(xué)生創(chuàng)新性學(xué)習(xí)為中心實行控制管理。實現(xiàn)整個教學(xué)平臺全面控制與仿真實驗重點控制相結(jié)合；嘗試實驗案例剛性控制與示范案例柔性控制相結(jié)合。可優(yōu)化性本平臺通過機器分析，可輸出模擬系統(tǒng)本身的運行狀態(tài)，從而為系統(tǒng)參與主體反饋系統(tǒng)（方案）參數(shù)，設(shè)計仿真實驗和實施生產(chǎn)方案，引導(dǎo)學(xué)生對既定生產(chǎn)方案做出評價。其次，平臺在運行過程中，應(yīng)根據(jù)學(xué)生提出的設(shè)計方案和仿真模擬結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維?？筛滦?/p>

10、隨著時間的推移和生產(chǎn)實踐等外部條件的變化，本平臺提供的情景庫、案例庫及方案優(yōu)化方法等，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實踐和參數(shù)要求，可以進(jìn)行相應(yīng)的變化和更新，從而保證模擬教學(xué)平臺的廣泛適應(yīng)性，為不同生產(chǎn)環(huán)境及系統(tǒng)要求，提供不同的方案庫、模擬案例庫、方法優(yōu)化以及方案設(shè)計思路。三、工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的模塊結(jié)構(gòu)工業(yè)工程與管理涉及企業(yè)物流系統(tǒng)設(shè)計、診斷、優(yōu)化和信息管理等過程。工業(yè)工程專業(yè)的主干課程（系統(tǒng)工程、物流工程、設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計、生產(chǎn)運作管理等）均可以使用該情景教學(xué)平臺進(jìn)行實踐教學(xué)。根據(jù)工業(yè)工程專業(yè)情景教學(xué)平臺的功能要求，情景教學(xué)平臺的核心系統(tǒng)包括以學(xué)生為主體的Flexsim情景模擬與仿真、以教師為主體的教師管

11、理、師生共享的資源案例庫等基本功能模塊，還有方案優(yōu)化與系統(tǒng)分析、學(xué)生考核、系統(tǒng)輸出等輔助功能模塊。（如圖1所示）在情景教學(xué)平臺系統(tǒng)中，為了向?qū)W生直觀地展現(xiàn)現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，描述企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)物理模型設(shè)計的全過程，系統(tǒng)設(shè)置了實物模擬場景、角色體驗場景、仿真實驗場景設(shè)計等三個依次遞進(jìn)的過程，實物模擬場景能讓學(xué)生了解現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)、物流等設(shè)施的布局。角色體驗場景讓學(xué)生積極主動地參與，進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)的角色中，體驗情境。Flexsim仿真實驗場景設(shè)計是情景教學(xué)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，可根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境具體要求，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬的實驗場景自主設(shè)計。Flexsim軟件作為新一代離散事件系統(tǒng)仿真的有效工具，

12、它可以建立集建模、仿真和可視化于一身的真實生產(chǎn)系統(tǒng)的3D模型，能快速進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模并改進(jìn)，從多個備選方案中找出最優(yōu)方案；還可以用動畫演示的方式模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的運行流程。操作簡便，易于學(xué)習(xí)，非常適用于實踐教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計要求，通過設(shè)定和選擇生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)對企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模仿真，并在Flexsim中編制相應(yīng)程序，模擬實際生產(chǎn)物流系統(tǒng)運行狀況，并統(tǒng)計和分析模擬結(jié)果。Flexsim仿真實驗的一般步驟為系統(tǒng)調(diào)研與問題分析、制定方案與目標(biāo)、系統(tǒng)描述和假設(shè)、收集數(shù)據(jù)和信息初步處理、系統(tǒng)模型構(gòu)建、確定仿真算法、建立仿真模型、運行驗證和確認(rèn)模型、系統(tǒng)方案分析、修改系統(tǒng)參數(shù)、重復(fù)仿真運行

13、和分析，直至輸出最優(yōu)方案。（具體實驗過程如圖2所示）。系統(tǒng)參數(shù)決定生產(chǎn)物流系統(tǒng)的運行狀態(tài)，建立的模型又制約生產(chǎn)及物流系統(tǒng)運行中的邏輯過程。通過查詢資料庫，引導(dǎo)學(xué)生修正系統(tǒng)參數(shù)；模型確認(rèn)旨在判斷前期建模是否存在邏輯性錯誤；關(guān)于最優(yōu)方案，通過優(yōu)化及重新設(shè)計實現(xiàn)最優(yōu)方案。案例庫是情景教學(xué)的另一個重要內(nèi)容，包括示范案例及實驗案例。示范案例用于初學(xué)者了解及掌握Flexsim仿真軟件，并熟悉仿真實驗的整個流程及操作，學(xué)生可隨時訪問。實驗案例根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容編寫，對每一實驗均有標(biāo)準(zhǔn)模型、運行結(jié)果及系統(tǒng)分析，學(xué)生只有完成每次仿真實驗，才能查看案例運行的結(jié)果，他們可自行對照標(biāo)準(zhǔn)運行結(jié)果，分析自己的實驗結(jié)果，并提

14、出改進(jìn)模型及方案。案例庫的建立和情景教學(xué)系統(tǒng)兩者互為補充，情景教學(xué)系統(tǒng)幫助學(xué)生最大限度彌補生產(chǎn)實踐感性不足的缺陷，真正學(xué)會如何進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)物流設(shè)施規(guī)劃方案等的設(shè)計，而案例庫幫助學(xué)生理解和消化一定的內(nèi)容，使情景教學(xué)的功能發(fā)揮得更加淋漓盡致。教師管理系統(tǒng)設(shè)置教師訪問和更新指令，用于教師發(fā)布相關(guān)教學(xué)與案例資料、安排實驗內(nèi)容等，指導(dǎo)學(xué)生參與實驗，同時監(jiān)控實驗教學(xué)過程、并對實驗結(jié)果進(jìn)行評價和檢查。四、工業(yè)工程情景教學(xué)平臺的運行：企業(yè)生產(chǎn)與物流系統(tǒng)分析流程1現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)與物流系統(tǒng)實物模擬場景在工業(yè)工程實驗室建立一個柔性化的、可組合式的現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)小型生產(chǎn)過程及物流模擬系統(tǒng)，按照生產(chǎn)及物流設(shè)施布局圖，

15、裝配物流設(shè)備，包括生產(chǎn)企業(yè)原材料入庫、出庫、半成品加工、生產(chǎn)流水線裝配到成品入成品庫各個功能環(huán)節(jié)的物料搬運過程，真實模擬制造型企業(yè)物流與生產(chǎn)計劃控制的集成過程（如圖3所示）。2企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的角色體驗場景企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的角色體驗場景的設(shè)計，是以真實的工業(yè)產(chǎn)品為對象，在對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和BOM設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上，利用Flexsim物流仿真系統(tǒng)開展貨位規(guī)劃與設(shè)計的技能訓(xùn)練，設(shè)計立體化倉庫（如圖4所示），使學(xué)生在親身體驗中理解貨位管理基本理論和方法。3企業(yè)流水生產(chǎn)線仿真模擬實驗生產(chǎn)與物流系統(tǒng)實物模擬場景和企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的角色體驗場景，是從兩個不同角度，簡要說明模擬教學(xué)平臺的基本運行條件。當(dāng)然，不論

16、是實物模擬場景和系統(tǒng)角色體驗場景，均可以根據(jù)不同的教學(xué)需要進(jìn)行有針對性的選擇（視系統(tǒng)情景庫的更新頻率而定）。工業(yè)工程情景教學(xué)平臺的仿真實驗采取個人單獨實驗，完成實驗后同學(xué)之間、師生之間可以相互探討設(shè)計的方案并進(jìn)一步優(yōu)化方案。以下以企業(yè)流水生產(chǎn)線方案設(shè)計與仿真模擬實驗為例，簡要描述工業(yè)工程情景教學(xué)平臺的運行過程。企業(yè)生產(chǎn)線系統(tǒng)描述及仿真實驗?zāi)康谋灸M生產(chǎn)線系統(tǒng)是某生產(chǎn)車間的一條由簡單的3道工序組成的“流水生產(chǎn)線”。在仿真模型中，原材料被運入車間的生產(chǎn)線，原材料經(jīng)過加工、包裝、檢驗三道工序，將加工好的成品通過運輸機運送至貨架。仿真實驗的目的是：讓學(xué)生了解流水生產(chǎn)線的系統(tǒng)設(shè)計；學(xué)會添加、設(shè)置、生成器

17、Source、暫存區(qū)Queue、處理器Processor等常見實體；利用Flexsim系統(tǒng)，運行流水生產(chǎn)線的設(shè)計，并設(shè)法優(yōu)化流水生產(chǎn)線。仿真實驗原理通過模擬微型企業(yè)簡單的生產(chǎn)線設(shè)計過程，在完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及掌握相關(guān)理論知識基礎(chǔ)上，建立流水生產(chǎn)線的仿真模型，使學(xué)生在參與和體驗中理解生產(chǎn)線布局的基本方法。仿真實驗的步驟及內(nèi)容首先通過Flexsim系統(tǒng)創(chuàng)建生成器Source、暫存區(qū)Queue、處理器Processor等實體，具體包括三道工序?qū)?yīng)的三名操作員。其次，對各實體設(shè)置合理的運行參數(shù)。通過一個全局表來設(shè)定原材料到達(dá)時間，設(shè)平均每分鐘上流水線的原材料為20件，即每5秒到達(dá)一件，相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如圖5

18、所示。由于本生產(chǎn)線僅模擬一種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，因此，所用原料均相同，各道工序加工后形態(tài)均不同，最后它將被加工成為成品運送至貨架。本例中，利用發(fā)生器生成4種不同顏色的臨時實體來模擬各工序完成后的產(chǎn)品形態(tài)。紅色代表原料，黑色代表經(jīng)第一次加工后的半成品，藍(lán)色代表第二次加工后的半成品，淺綠代表成品（參數(shù)設(shè)置如圖6所示）。最后，原料被加工成為成品后，由傳送帶傳送至成品暫存區(qū)，任務(wù)執(zhí)行器運輸機將它們送至貨架。整個實驗過程運行結(jié)果如圖7所示，此為工業(yè)工程情景教學(xué)平臺模擬運行中的某一時刻截圖。其中，紅色實體（原材料）經(jīng)第一道工序加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏ㄔ谥破罚?，再?jīng)第二道工序加工轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色（半成品），第三道工序加工后成

19、為淺綠色（成品），最后輸送機將它們從暫存區(qū)送至貨架。經(jīng)過一段時間的運行，操作者會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)空閑時間分布以及生產(chǎn)線的均衡狀態(tài)。系統(tǒng)的運行過程同時也能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化方案的設(shè)計。通過方案優(yōu)化和調(diào)整，學(xué)生在設(shè)計、運行、操作自己設(shè)計的流水生產(chǎn)線并與原有方案對照，通過運行結(jié)果分析，不斷提出更加合理、優(yōu)化的新方案。另一方面，在撰寫實驗報告并提交的基礎(chǔ)上，教師可引導(dǎo)學(xué)生查看實驗案例庫中關(guān)于流水生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計要求、參數(shù)和規(guī)范，對照學(xué)生自己設(shè)計的系統(tǒng)，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗、分析教訓(xùn)，加深相關(guān)專業(yè)知識的理解，提高實踐和創(chuàng)新能力。五、情景教學(xué)平臺的使用的效果評價及結(jié)論工業(yè)工程情景教學(xué)平臺充分利用計算機仿真技術(shù)、信息技術(shù)等，可以同時滿足工業(yè)工程專業(yè)多門課程的實踐教學(xué)需要，大幅度提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。對于學(xué)生而言，利用工業(yè)工程情景教學(xué)平臺，工業(yè)工程專業(yè)將為更多學(xué)生提供完成實習(xí)