“生产系统建模与仿真”课程教学改革

［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）

［作者简介］ 赵倩倩（1989—），女，河南三门峡人，博士，郑州大学管理学院讲师，主要从事维护优化、建模与仿真研究；周艳杰（1988—），男，河南周口人，博士，郑州大学管理学院副教授（通信作者），主要从事物流与仿真算法研究。

［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（Industrial Engineering）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VV&A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VV&A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实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［4］。而引入CDIO工程教育模式是我国高等教育数字化专业人才培养的发展趋势。Vu［2］探讨了CDIO框架对工业4.0背景下工程课程设计的指导作用，表明工业4.0带来的新知识可以被纳入CDIO标准，而不改变其框架。CDIO教学大纲和标准依旧可以作为指导工程教育重新设计的参考。赵海峰和王婷［5］对CDIO标准和“中国制造2025”进行了关联性分析和比较，提出了CDIO需要从系统的角度理解系统的工作以应对“中国制造2025”设计的建模仿真等新范式、大数据和数据分析等新技术的修正和具体措施建议。

因此，本文拟通过引入CDIO标准对本课程教学目标设计进行改革探索，以达到本课程的教学要求并将前沿科技成果融入课堂教学，利用信息技术提升课程质量，培养具有创新与实践能力的新型工程技术人才。本课程的教学目标除了原课程教学目标的5项基本内容外，依据CDIO标准1增加了培养学生独立思考、团队合作发现问题以及解决问题等能力；引导团队利用身边生产系统相关案例，强化系统生产周期实际工程问题的认知以及解决方案的构思和设计；了解课程关联前沿科技发展和应用。

二、基于CDIO理念的教学内容设计

依据笔者所在院校专业课程设计，包含理论16课时及实验24课时。在理论教学环节采用教师为主导的理论学习方式，而实验教学环节采用以学生为主导的小组项目形式。

（一）理论教学

本课程在理论部分的学习包括了解生产系统，理解仿真原理、掌握建模、随机数生成、输入/输出数据分析、试验设计，以及仿真模型的校核、验证与确认等方法。因此，在理论课程拟采用理论与软件应用相结合的方式，使学生对知识的理解不再停留在理论。例如，在讲解利用反变换法生成随机变量知识点，首先讲解概率积分定理和反函数定理，然后给出仿真过程采用的相应的算法的编程实现过程，如图1所示。

考虑现有的商业软件多调用内置函数的方式生成随机变量，进而带领学生利用MATLAB数学软件完成内置函数与算法试验的结果比较，逐步加深学生对课程知识的领悟和应用。并且，除了在课程内容上加入最新前沿科技发展和应用状况的介绍外，利用课程前设置“3分钟演讲”环节，由学生依据当天课程内容查询最新关联科技新闻准备3分钟的演讲。

（二）实验教学

实验教学依据工程项目实践全寿命周期的教育理念，以小组项目的形式开展。在初期首先给出问题范围，例如以生产系统为对象，学生可以利用调研过的实际企业为案例、教育部、各企业的公开竞赛题目或者已发表的期刊论文确定研究对象，并确定相对应的研究目的（标准2）。

将CDIO工程教育理念整体融入整个教学过程，分为构思（Conceive，C）、设计（Design，D）、实现（Implement，I）和运作（Operate，O）四个阶段［6］，依据CDIO理念对课程的每一阶段进行改进，培养学生独立思考、团队合作的能力。以案例作为导向，使整个课程的理论知识融入整个过程，培养了学生分析问题和解决问题的能力，学生能更好地理解课程在工业上的应用方向和方式。教师在小组项目进行的整个过程因材施教，根据每组成员的能力优势，推荐合适的方法。例如，在概念模型构建部分，数学能力较强的组可尝试Markov模型或者Petri-net，而编程能力较强的组可尝试面向对象的建模语言，如UML等。最终使每个组的成果完整并各具特色，最大化的呈现本课程的教学成果，其具体实施方案如图2所示。

特别在实施部分，依据团队特长及研究的问题内容以不同的方式实现仿真。针对有编程基础的团队，帮助学生利用UML建模方法，梳理所要解决问题的离散事件仿真逻辑，然后引导学生依据所建模型，利用图3a所示编程语言实现，而对于小组成员编程基础稍弱的组，则可使用Flexsim软件实现仿真（图3b）。

三、教学成果评价与分析

教学成果须与课程目标一致，包括个人技能、生产、过程和系统开发以及学科知识（标准3）。依据俞佳君等［7］提出的课程考核与评价体系设计思路，本课程考虑将课程评价由个人练习、期中开卷测试、小组课题、期末闭卷测试四部分构成，分别占比10%、20%、30%、40%。结合课程内容，将课程目标和课程目标内容分别对应到各部分。

个人作业均要求在相应知识学习后的一周内提交，学生充分根据课堂练习材料，进行举一反三，90%以上的学生均得到了较高的评价。期中开卷部分内容偏难，70%的学生可以完成基本要求。小组课题分别从课堂展示和讨论、实验报告进行综合评价。课堂展示环节分两次进行，第一次在课程进度中间进行，主要关于问题的定义、概念模型构建和后续计划时间的发表。教师依据各组的问题对其后期的仿真建模计划和后续实验设计给出指导性的方向与建议，为后面的综合实验奠定基础，而第二次的仿真结果呈现和分析讨论则在课程结束前进行。最后，对于小组综合报告，需要提交仿真模型以及论文。自此，学生以小组为单位完成了从发现问题、概念模型构建、仿真实现、优化设计，以及数据分析的全过程实验，为之后的毕业设计完成也积累了经验。整个课程的评分环节、个人作业、期中开卷及期末闭卷以个体单位为主，而小组课题则以团队单位为主。

在学校开展的课程期中评价和期末综合评价中，基于问卷模板与本课程的考核目标分别设计了从课程目标、课程内容和知识掌握等8个指标维度的问卷，以对学生的个人技能、团队合作技能、工程技能和技术知识技能等方面学习成果进行验证。课程指标维度与其所对应内容如表3表示。问卷是一份三页的电子调查表格，首页有13个问题，页面背面有个人评论的主观性问题。为了简化学生的答案，并能够量化答案，答案从非常好（积极5）到非常差（消极1）进行排序。

根据对笔者所在院校工业工程专业“生产系统建模与仿真”课程分别于2021年与教改实施后的2022年的教学效果情况的调查统计结果（图4），共有65名学生进行了问卷回馈。可看出整体各个维度的课程指标数值均呈现正向增长，特别是学生均认为基于CDIO理念的课程内容设计更加有助于对理论知识和方法的理解（知识掌握），并产生从工程问题出发的系统工程思想，激发了学习的热情（启发式教学）并提升了自主思考、分析和解决问题的能力（能力提升）。

知识掌握、启发式教学和能力提升三个方面从90%之下增长到95%之上，说明问题驱动教学法和项目为基础的课程设计方法对学生的知识获取和能力培养都有很好的促进效果。从学生的角度来看，基于CDIO的软件工程教学的培养方法和模式是可行和有效的。其中95.8%的学生对问题驱动理论教学法满意，96.7%的学生认为课程设计提高了合作能力，96.0%的学生认为课程设计大大提高了学生的综合编程能力，但在主观问答的课程建议中出现前沿知识介绍过少，以及仿真实现部分希望集中于一个软件讲解的建议。

结语

“生产系统建模与仿真”课程要求以生产系统为对象，以实际应用案例为背景，以启发式仿真建模为手段，培养仿真实践技能为目的。对系统建模与仿真的基本原理、技术进行全面的论述，注重激发学生的探索意识和创新意识，并注重对学生实践及应用能力的培养，契合于CDIO所倡导的工程教育改革方向。这门课程理论部分基于整体—碎片—整体的学习方法降低了学生从理论到实践的跨越难度，基于课题的实验教学部分和从问题出发的基于课题的学习方式激发了学习仿真的兴趣。本文在课程目标及内容设计方面根据制造业数字化和智能化的迅速发展的现状和工程教育专业认证的需求进行了多方面的改革，强化了学生主体性和积极性，有利于学生独立思考、实践动手、创新、分析应用等能力的培养和提升。在实验部分教学方面，加大教师的介入程度，教师可以准备一部分的产业实际数据用于课程实践，而对于存在的问题仍需进一步的思考和改进。