工業(yè)工程實(shí)驗課程計算機仿真技術(shù)研究論文

工業(yè)工程實(shí)驗課程計算機仿真技術(shù)研究論文

　　摘要：為了應對工業(yè)工程在有關(guān)工業(yè)系統設計、管理及優(yōu)化等綜合性實(shí)驗課程開(kāi)發(fā)難度較大的問(wèn)題，該文提出將計算機仿真技術(shù)與項目教學(xué)、案例教學(xué)相結合，實(shí)現了“教、學(xué)、做”一體化，并且，在顯著(zhù)改善實(shí)驗教學(xué)條件、提升實(shí)驗教學(xué)效果的同時(shí)，減少了設備消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實(shí)驗經(jīng)費，而且克服了時(shí)間與空間上的限制，使得工業(yè)工程綜合實(shí)驗課的開(kāi)課率和學(xué)生的專(zhuān)業(yè)綜合能力得到顯著(zhù)提升。

　　關(guān)鍵詞：計算機仿真；工業(yè)工程；實(shí)驗教學(xué)

　　計算機仿真技術(shù)是繼數學(xué)推理與科學(xué)試驗之后認識世界自然規律的第三類(lèi)基礎方法�；�于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)是指利用實(shí)物和計算機軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習。這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，接近現實(shí)工作場(chǎng)景，有利于提高學(xué)習興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內進(jìn)入相應情境，真實(shí)的體驗如在現實(shí)中執行任務(wù)的感覺(jué)，以達到更快掌握技術(shù)手段的目的，而且這種教學(xué)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(chǎng)景且不受行業(yè)限制，使學(xué)生對實(shí)踐問(wèn)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(shù)”便成為專(zhuān)業(yè)學(xué)習及實(shí)際應用中的重要方法和技術(shù)手段。工業(yè)工程作為管理科學(xué)與工程的二級學(xué)科，其人才培養目標是培養出面向生產(chǎn)、管理、服務(wù)的高級專(zhuān)業(yè)技術(shù)和管理人才，面向的工作崗位主要有制造業(yè)現場(chǎng)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(wù)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(lèi)多、工序過(guò)程各異，因此，在教學(xué)過(guò)程中需要通過(guò)一系列系統的實(shí)驗項目培養學(xué)生專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題提煉能力及問(wèn)題分析能力，并采用專(zhuān)業(yè)的技術(shù)方法和手段有針對性的對問(wèn)題本質(zhì)進(jìn)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(lèi)工程學(xué)科般擁有自己典型的實(shí)驗實(shí)訓設備，亟需我們在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中探索新的教學(xué)方法與實(shí)驗支撐技術(shù)。

　　1工業(yè)工程實(shí)驗課程教學(xué)現狀分析

　　工業(yè)工程類(lèi)實(shí)驗課程的教學(xué)，在傳統的教學(xué)模式中，主要是以“理論課+實(shí)驗室”的模式，強調學(xué)生對工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)基本方法和技能的掌握與應用，如，工作研究、動(dòng)素分析、人機工程、物流工程、流程優(yōu)化、現場(chǎng)改善等基本技能與方法論。傳統的實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，基本上遵照如下流程：首先，引導學(xué)生進(jìn)行以上理論課的學(xué)習，使學(xué)生知道、了解并掌握這些基本的專(zhuān)業(yè)手法與技能；其次，通過(guò)開(kāi)設相關(guān)實(shí)驗課程讓學(xué)生對所學(xué)的這些技術(shù)方法展開(kāi)實(shí)踐，從而幫助學(xué)生達到訓練并養成工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)素養的目的。

　　然而，目前所開(kāi)設的相關(guān)實(shí)驗課程均是就某一獨立技術(shù)方法而展開(kāi)的較為單純的技能訓練，如，工作研究的實(shí)驗主要是針對動(dòng)作研究、動(dòng)素分析、生產(chǎn)節拍平衡開(kāi)展具體分析過(guò)程實(shí)踐，幫助學(xué)生深刻體會(huì )這些基本專(zhuān)業(yè)手法的實(shí)際應用場(chǎng)合；人因工程，主要是通過(guò)系列人因實(shí)驗帶領(lǐng)學(xué)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官的切實(shí)感受，從而探討基于人因的合理化設計、布局及工作安排；設施規劃布局則是基于物流分析方法，通過(guò)物流強度度量，分析部門(mén)間的相關(guān)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(shí)驗均對學(xué)生在工業(yè)工程專(zhuān)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(jìn)學(xué)生養成工業(yè)工程職業(yè)素養上發(fā)揮強化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系統工程、系統建模及仿真優(yōu)化等這類(lèi)有關(guān)工業(yè)工程系統設計、管理及優(yōu)化的主干課程的綜合性實(shí)踐項目，要設計出針對本專(zhuān)業(yè)基本技能方法的綜合性實(shí)踐項目，需要的制造業(yè)相關(guān)設備、產(chǎn)品品種等數量巨大，且耗費大、成本高，很難從實(shí)際操作入手，計算機仿真方法不失為解決此問(wèn)題的一種有效方法�；�于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)則以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來(lái)越多的應用和推廣。因此，應該將“項目教學(xué)”“案例教學(xué)”“教、學(xué)、做”一體化和基于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)的方法結合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，提升實(shí)踐教學(xué)效果�；�于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)很容易與其它先進(jìn)的教學(xué)方法相結合，因此，在工業(yè)工程類(lèi)實(shí)驗課程的教學(xué)中，將基于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)與其它教學(xué)方法相結合，有助于提高實(shí)驗課程教學(xué)效果，而且成本低、效率高，使學(xué)生可以不受場(chǎng)地、行業(yè)、設備與產(chǎn)品的限制，使學(xué)生更好的掌握專(zhuān)業(yè)技能和方法，并通過(guò)基于計算機仿真平臺開(kāi)發(fā)的綜合性實(shí)踐項目，鍛煉學(xué)生的工業(yè)工程系統設計、管理及優(yōu)化的綜合能力，培養學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養，從而促進(jìn)本專(zhuān)業(yè)人才培養效果的提升，計算機仿真技術(shù)在工業(yè)工程類(lèi)實(shí)驗課程的教學(xué)中具有重要的意義。

　　2計算機仿真技術(shù)在實(shí)驗課程教學(xué)中的應用

　　計算機仿真技術(shù)為人們提供了一個(gè)理想的實(shí)踐教學(xué)手段，目前國內外已經(jīng)普遍將其應用于軍事訓練、課程教學(xué)、運動(dòng)訓練以及醫學(xué)研究等方方面面。美國是計算機仿真技術(shù)虛擬現實(shí)的起源地，現在美國計算機虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展水平也比較高，在這個(gè)領(lǐng)域代表了國際先進(jìn)水平，也是第一個(gè)把虛擬仿真技術(shù)應用在教育教學(xué)中的國家，目前在感知、用戶(hù)界面、后臺軟件和硬件等幾個(gè)方面，形成了一個(gè)比較系統的虛擬仿真教學(xué)儀器架構。如，美國的卡羅萊納州立大學(xué)利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實(shí)驗室，主要有以下幾個(gè)模塊：基于JavaApplet的虛擬實(shí)驗設備和實(shí)驗設施、相關(guān)的實(shí)驗課程模塊、實(shí)驗結果評價(jià)模塊、協(xié)作模塊。在歐洲，英國在計算機仿真技術(shù)虛擬現實(shí)的相關(guān)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研究出了虛擬仿真軟件包，并應用在教學(xué)儀器和工業(yè)安全培訓等方面。如，英國的諾丁漢大學(xué)在教育和學(xué)術(shù)方面對虛擬仿真技術(shù)進(jìn)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(xué)校緊密合作，將其仿真系統應用在了特殊學(xué)生教育中。在中國，目前各個(gè)大學(xué)和科研機構也廣泛采用計算機仿真技術(shù)建立虛擬場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)與研究。

　　例如：中國科技大學(xué)開(kāi)發(fā)出第一套基于虛擬仿真的教學(xué)儀器系統——利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行幾何光學(xué)實(shí)驗平臺的開(kāi)發(fā)，系統將計算機輔助教學(xué)儀器的智能化儀器、計算機技術(shù)、虛擬仿真和物理教學(xué)儀器等有機結合，把物理教學(xué)儀器系統推進(jìn)到了新的領(lǐng)域；北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò )科技有限公司以北京郵電大學(xué)強勢的網(wǎng)絡(luò )、通訊、電子三門(mén)學(xué)科為基礎，采用JavaApplet技術(shù)、B/S結構、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實(shí)驗設備及實(shí)驗場(chǎng)地等實(shí)驗教學(xué)問(wèn)題，由北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò )教育技術(shù)研究所組織精英力量，經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出了配套的虛擬實(shí)驗系統。通過(guò)對國內、外的基于計算機仿真的虛擬現實(shí)教學(xué)應用情況進(jìn)行對比，我們發(fā)現：當前，國外基于計算機仿真的虛擬實(shí)驗比國內開(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)，國外很多成熟的仿真實(shí)驗產(chǎn)品價(jià)格普遍偏高，且技術(shù)難度也不太適合本科學(xué)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(kāi)發(fā)等特性，甚至大多實(shí)現模塊化利于定制化實(shí)驗的開(kāi)發(fā)，基本上能滿(mǎn)足國內高等院校實(shí)驗教學(xué)需要及豐富的仿真實(shí)驗需求。因此，國內很多高校及科研院所普遍采用購買(mǎi)成熟的仿真軟件產(chǎn)品，基于自身的仿真實(shí)驗需求進(jìn)行對應的二次開(kāi)發(fā)，從而設計出適合自己的基于計算機仿真的虛擬實(shí)驗平臺，并得到了很好的應用發(fā)展。就工業(yè)工程類(lèi)實(shí)驗課程而言，現在市面上流行的仿真軟件，如，Flexsim、witness、em-plan等都能提供給我們一個(gè)良好的仿真實(shí)驗平臺，供我們在這些平臺上進(jìn)行綜合性實(shí)踐項目的構建和開(kāi)發(fā)。

　　3基于計算機仿真技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)模式開(kāi)發(fā)

　　在深度分析學(xué)生學(xué)習特點(diǎn)和企業(yè)真實(shí)需求的基礎上，基于建構主義學(xué)習理論和混合式學(xué)習理論，按照社會(huì )發(fā)展對人才培養的要求，結合計算機仿真實(shí)驗教學(xué)設計的基本原則，借鑒信息化和項目教學(xué)、案例教學(xué)設計方法，探索出基于實(shí)踐項目、真實(shí)案例和工作任務(wù)的計算機仿真實(shí)驗教學(xué)模式，實(shí)現了“教、學(xué)、做”一體化的實(shí)驗設計。該模式由“項目導入、制定計劃、實(shí)施計劃和成果展示與評價(jià)”4個(gè)環(huán)節組成，其中，計算機仿真實(shí)驗教學(xué)貫穿了該模式的所有環(huán)節。下面簡(jiǎn)單介紹該模式的具體實(shí)施方案。

　�。�1）在“項目導入”環(huán)節，專(zhuān)業(yè)教師的活動(dòng)包括：借助選定的計算機仿真實(shí)驗平臺，導入項目任務(wù)及目標、展示項目結果，讓學(xué)生對項目有一個(gè)直觀(guān)的認識，然后再布置具體的實(shí)踐任務(wù)；利用計算機仿真實(shí)驗平臺，讓學(xué)生明確自己應當完成的具體任務(wù)和完成任務(wù)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(xué)生的現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(wù)完成時(shí)間及成果的評定方法等。

　�。�2）在“制定計劃”環(huán)節，學(xué)生的活動(dòng)包括：通過(guò)自主學(xué)習、分工協(xié)作等方式，對具體實(shí)踐項目的目標、任務(wù)進(jìn)行分析；確定任務(wù)所涉及的專(zhuān)業(yè)方法和技能手段，充分應用已掌握的專(zhuān)業(yè)知識和能力，借助計算機仿真實(shí)驗平臺，設計出仿真實(shí)驗模型幫助決策與優(yōu)化；確定仿真實(shí)驗任務(wù)的實(shí)施步驟，為仿真實(shí)驗任務(wù)的實(shí)施做好充分的準備。

　�。�3）在“實(shí)施計劃”環(huán)節，學(xué)生的活動(dòng)包括：在計算機仿真實(shí)驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實(shí)踐項目的仿真任務(wù)；在完成實(shí)踐項目仿真任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)應用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識和技能，建構自己的專(zhuān)業(yè)知識，從而幫助自己養成專(zhuān)業(yè)素養。

　�。�4）在“展示與評價(jià)”環(huán)節，學(xué)生的工作包括：在計算機仿真實(shí)驗平臺上展示自己的實(shí)踐項目仿真成果；參與討論和評價(jià)；通過(guò)對比分析，學(xué)生對自己的實(shí)踐項目展開(kāi)進(jìn)一步的仿真優(yōu)化處理。

　　4結語(yǔ)

　　將計算機仿真技術(shù)與項目教學(xué)、案例教學(xué)更加緊密的結合起來(lái)，能夠更好的實(shí)現“教、學(xué)、做”一體化，并且，在顯著(zhù)改善實(shí)驗教學(xué)條件、提升實(shí)驗教學(xué)效果的同時(shí)，減少了設備消耗，尤其是耗材的使用量，節省了實(shí)驗經(jīng)費，而且克服了時(shí)間與空間上的限制，使工業(yè)工程綜合實(shí)驗課的開(kāi)課率和學(xué)生的專(zhuān)業(yè)綜合能力得到顯著(zhù)提升。計算機仿真技術(shù)在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)方面的應用前景廣泛,值得深入研究。

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