工業工程專業課程教學探究論文

一、課程教學體系結構

生產系統建模與仿真課程的教學體系結構分為三大部分：理論教學、實驗教學、實踐環節。

（一）理論教學

理論教學是生產系統建模與仿真這門課的基礎。我校該課程的理論教學為40學時，理論教學部分的內容包括以下九大部分：

1.概述。主要介紹有關係統仿真的基本概念、系統仿真的分類、離散事件系統仿真的基本概念，如仿真鍾、時間、活動、進程等。

2.仿真輸入數據的收集與分析。主要介紹系統仿真輸入數據的收集方法、分佈的識別、參數估計方法、擬合度的檢驗等。

3.偽隨機數的產生及其統計檢驗。主要介紹偽隨機數及其產生方法、偽隨機數的統計檢驗（包括均勻性檢驗、獨立性檢驗、數字特徵檢驗等）。

4.隨機變量與隨機過程的仿真。包括離散型隨機變量的仿真方法、連續型隨機變量的仿真方法並介紹隨機過程中關於泊松過程的仿真。

5.離散事件系統的建模方法。包括實體流圖法及其應用舉例、活動週期法及其應用舉例以及Petri網建模方法。

6.離散事件系統的計算機仿真策略。主要介紹事件調度法、活動掃描法、進程交互法以及三種仿真策略的比較。7.排隊系統的計算機仿真。介紹排隊系統的基本概念、分類、排隊系統仿真舉例。

8.庫存系統的計算機仿真。介紹庫存系統的基本概念及庫存系統仿真舉例。

9.仿真結果分析。主要介紹終態仿真、穩態仿真的基本概念，終態仿真的結果分析，穩態仿真的結果分析，多個系統性能的比較分析以及方差縮減技術等。但理論部分涉及的概率論與數理統計的內容較多，如何將枯燥的仿真理論與實際問題聯繫起來，以提高學生的學習興趣呢？筆者認為可以從以下兩個方面入手：首先，在每次有新的理論介紹之前先以一個背景問題引入，從而提出解決該問題的理論知識。例如生產系統常常會受到市場需求、原料供應、生產環境、生產狀態等多方面隨機因素的影響，那麼在具體仿真時，這些隨機因素如何體現出來？從而引入隨機數的產生、隨機變量的產生、隨機過程的仿真等內容。又如在對一個系統具體仿真時，提問：當採用不同的隨機數流，仿真結果會隨之發生變化，那麼實際中如何對仿真結果進行分析，從而得到科學的結論？從而引入數理統計的內容，將其應用於仿真結果的分析。其次，鑑於工業工程專業的性質，有些複雜的數學推導過程可以適當刪減，力求學生理解原理，達到能夠靈活應用相應理論的目的即可。這裏有一點需要強調的是，在多年的教學中，筆者認為第一次課尤為重要，其實這不僅僅是對生產系統建模與仿真這門課，對任何一門專業課都是如此。在第一次課中雖然不能涉及太多的課程內容，但在第一次課首先要告訴學生這門課是研究什麼問題的，在什麼情況下我們可以藉助這門課的理論來解決問題，最好舉與實際問題相關聯的例子。例如，我在第一次上課時會介紹什麼是系統仿真、系統仿真的應用領域、應用系統仿真時應注意的一些問題等等，同時課堂上演示幾個可視化的仿真模型，如流水生產線加工系統仿真、服務系統仿真等，通過一些感性認識，使學生對這門課有一個初步的瞭解，以提高學生對該門課程的興趣。

（二）實驗教學

實驗教學是對理論知識進一步理解和深化的有效方式，通過實驗教學，一方面可以加深學生對理論知識的理解，另一方面有利於培養學生分析和解決實際問題的綜合能力。目前關於離散事件系統仿真的.流行軟件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、eM－plant、Auto－Mod等等。我們在教學過程中採用了Witness和GPSSWorld軟件。這兩款軟件在使用上有較大區別。GPSSWorld屬於第二代仿真語言，是基於進程交互的仿真編程語言，特別適用於排隊系統的仿真。當然這裏的排隊系統範圍也很廣泛，比如，訂單的到達可以抽象為排隊系統的顧客，訂單的處理過程可以抽象為排隊等待過程，訂單處理完成可以抽象為顧客服務完後離開系統等等。通過此軟件的學習，一方面可以加深對離散事件系統仿真的理解，另一方面也可以提高學生調試程序的能力。因為目前即使是可視化的仿真軟件要仿真一些複雜的系統，有時也需要編制相應的程序才可以完成，所以通過GPSSWorld仿真軟件的學習和應用，對於應用其他的仿真軟件也有幫助。Witness是由英國lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統。它既可用於離散事件系統的仿真，又可用於連續流體（如液壓、化工、水力）系統的仿真，可視化效果好，通過Witness開發的系統仿真模型易於理解和控制，為加強學生在學習期間深入理解實際運作系統提供了直觀的、可行的實驗場景。目前在國內有近60所設有IE專業的高校引進了Witness仿真平台。我校的生產系統建模與仿真課程的實驗部分為16機時，如果把Witness和GPSSWorld軟件的使用連同學生上機實驗都放在這16機時完成，很顯然時間是不夠的，所以我們目前的做法是：在理論課的40學時課堂講授時，安排部分時間講授軟件，邊講解邊演示（約8學時），同時將Witness和GPSSWorld軟件的學習版先拷貝給學生，這樣學生就可以在自己的個人電腦上安裝使用，課下學生自己先練習，同時給學生布置相關的上機大作業，具體上機時，教師主要是解決學生在練習或完成作業時遇到的困難和問題。由於學習版的部分軟件功能受限（其實對大多數的仿真已夠用），所以我校建立了軟件網絡互聯環境，學生也可以通過校園網在宿舍就可以使用正式版練習，滿足了部分學生進一步學習的需要。

（三）實踐環節

生產系統建模與仿真這門課的教學目標就是培養學生將仿真技術應用於實踐，並解決生產、管理等領域的實際問題。因此，實踐環節我們主要從三方面入手：

1.在1周的課程設計中，提供有關生產加工、物流、服務管理等方面的素材，啟發學生利用仿真技術完成系統的分析和改善；

2.在大四的畢業設計題目中，設計一些應用仿真技術的相關題目，如關於企業生產流水線的改善；

3.鼓勵學生積極參加校大學生創業大賽、工業工程改善大賽等競賽活動，利用仿真技術結合具體的問題進行分析，我校在這一方面已取得了一些成績，達到了學以致用的目的。

二、課程教學方法設計與教學手段

本課程採用以課堂講授為主，其他方法為輔的教學方法。通過課堂講授，可以使學生理解掌握系統仿真的基本原理和基本方法。但純粹採用課堂講授對於理論教學有時會顯得有些枯燥，因此在教學過程中適當增加了實驗法、演示法、討論法等。如在介紹系統仿真軟件時，一邊講解軟件一邊進行演示，同時將相關的仿真理論穿插於仿真軟件的介紹之中，這樣更便於學生理解和體會仿真的基本理論和原理，也便於學生掌握仿真軟件的使用和操作方法。課程的教學手段採用以多媒體教學為主，板書為輔（個別時用到的數學理論）的方式。另外，教師在第一次上課時就將聯繫方式包括E－mail、QQ號、電話等告訴學生，學生可以通過以上方式隨時諮詢學習中遇到的問題。

三、課程考核

本課程的考核方式採用“期末閉卷考試＋大作業”模式，其中大作業包括上機報告和英文文獻翻譯兩部分。上機報告是關於Witness和GPSSWorld仿真軟件佈置的上機大作業，要求對具體問題建立適當的仿真模型，運行後對結果進行分析，必要時進一步提出改進措施或建議。英文文獻翻譯要求查找一篇關於仿真技術發展或應用的英文資料，將其翻譯成中文，這樣做的目的有兩個：一方面可以使學生進一步瞭解仿真技術的發展動態及應用領域，另一方面也可以適當的加深、熟悉一些關於仿真的專業英語詞彙，便於以後工作和科研的需要。目前期末閉卷考試成績佔80％，大作業佔20％，可考慮加大平時作業成績的比例到30％，以加強學生對實驗環節的重視程度及仿真技術動態的關注程度。

四、課程教材的選取

關於生產系統建模與仿真這門課，目前還沒有非常適合我校工業工程專業實際情況的教材，原因是有的教材中所介紹的軟件不是Witness和GPSSWorld，而介紹Witness和GPSSWorld的教材關於仿真理論部分又介紹得較少，所以筆者給學生推薦的兩本關於理論部分的教材為：肖田元等主編的《離散事件系統建模與仿真》以及周泓等主編的《生產系統建模與仿真》；關於仿真軟件部分的教材為：王亞超等主編的《生產物流系統建模與仿真－witness系統及應用》以及謝毅等主編的《離散事件系統建模仿真與GPSSWorld教程》。

五、結束語

生產系統建模與仿真作為工業工程專業的一門專業基礎課，其技術目前在生產、管理、物流、服務等領域已得到了廣泛應用，我們希望，通過對該課程教學體系的探討使其在學生今後的科研和工作中發揮越來越大的作用。