基于情景教學的創新實踐教學平臺研究與實驗過程設計

[摘要]文章以大學生實踐與創新能力培養為出發點，研究分析了基于情景教學的大學生創新實踐教學平臺的基本功能要求，以Flexsim仿真系統為基本工具，構建了物流工程專業情景教學創新實踐教學平臺；結合現代物流工程專業教學的特點，具體就生產與物流系統的實驗教學環節進行了過程設計，并對其實踐教學效果進行了評價。

[關鍵詞]生產與物流系統；創新實踐能力；物流工程；情景教學

[中圖分類號]G420

[文獻標識碼]B

[論文編號]1009－8097(2011)10－0112－05

一 引言

大學生實踐創新能力培養是高等教育教學改革的核心目標之一，近年來，實踐教學理論研究在師生互動、興趣激發等方面均有諸多有益的探索和嘗試，并提出了新教學環境下的“感知一理解一深化”三階段教學理念。但由于受實踐教學形式單一和實踐教學經費投入不足等因素的制約，與學生創新能力培養相適應的教學體系尚待完善，理論講授多于教學互動、實踐教學形式多于內容等問題仍較為突出。

實踐教學體系的構建和過程的完善需要創新實踐教學平臺，實踐教學形式的豐富和質量的提升需要情景教學場景和案例庫的建設。以生產與運作管理為核心的物流工程專業課程教學具有極強的實踐性，需要考察企業生產系統及物流管理各環節的運行、規劃及設計，其教學過程必須使學生首先建立生產現場及企業物流的物理概念和感性認知。近年來，隨著生產實習機會的減少，學生對企業生產物流及供應鏈運行缺乏真實、直觀感受，加上教材抽象的數理闡述，極大影響了物流工程專業課程的學習效果。為此，以物流工程專業課程實踐教學的特點和需求狀態為背景，研究大學生創新實踐教學平臺更具現實意義。

本研究以Flexsim仿真軟件為基本工具，研究適于情景教學的創新實踐教學平臺，試圖通過創設、模擬具體的生產場景，仿真企業物流及生產系統的運行，使學生置身于企業生產活動和供應鏈運行的虛擬環境中，并充分運用系統提供的設計方案與優化功能，推進教學互動過程，激發學生的創新思維，突破實踐教學形式和生產實踐經費限制，優化教學質量，提升教學效果。

二 創新實踐教學平臺的內涵和功能要求

1 創新實踐教學和創新實踐教學平臺

實踐能力是人在實踐活動中培養和發展起來的解決實際問題的能力，創新是人們改變客觀現實的創造性活動。創新能力的形成和發展以實踐活動為基礎，實踐能力是創新能力形成和發展的重要前提條件；創新的結果和效果需要通過實踐才能在現實世界中體現出來。

創新實踐教學是根據認識的本質和規律、實踐的特點和作用以及教學的目的和要求而開展的創新實踐活動。創新實踐教學的主體是教師和學生，客體是教學內容和對象，包括自然對象、社會對象和精神對象。創新實踐教學是學生將理論應用于實踐的試驗場，學生在掌握實驗方法、操作規范和技能的基礎上，反復進行各種練習和操作，易于形成發現問題、分析問題和解決問題的實踐能力；創新實踐教學是培養學生綜合素質與能力的課堂，在創新實踐性教學環節中，需要多學科知識的交叉和綜合運用，有助于學生綜合素質的培養和解決復雜問題能力的提高；創新實踐教學是溝通學生與社會之間聯系的橋梁，實踐活動往往伴隨著大量的社會經濟、自然環境和生產工藝等各方面問題，學生在解決這些問題的過程中，自身素養于實踐中得到磨練。

物流工程及企業現場管理等專業課程教學的總體趨勢是壓縮課堂教學課時，增加生產一線的現場教學。西方發達國家采用的雙導師聯合教學的兩階段模式，同時附以案例教學、實驗室模擬演練等，取得了較好的教學效果。從一定意義上說，創新實踐教學平臺通過運用先進的信息技術、創設教學情景和案例模擬，增強了學生的動手能力，真正使學生融入“感知—理解—深化”的學習過程，從而改變學生技能培養中單純的以注釋與理論闡述為主、實踐活動局限于課后上機實驗等離散性、孤立性過程的局面，真正達到實踐教學的目的。

2 基于生產場景創設的創新實踐教學平臺的功能要求

根據現代物流工程教學的特點，物流工程專業實踐教學更強調學生系統分析和解決問題能力的培養，重視企業生產系統方案設計和優化方法的掌握。創新實踐教學平臺建設的基本目標是使學生更積極主動地參與教學互動，培養學生良好的動手習慣和提出問題并解決問題的能力，從根本上強化物流工程專業本科教學的實踐特色。為此，創新實踐教學平臺首先應當考慮創設基本的企業生產與物流場景，應當主要體現學生動手操作與情景分析相結合、演示性與研究創新性相結合、計算機仿真與案例相結合三個基本原則。通過創設生動的生產物流和供應鏈情景，引導學生從系統工程的視角去觀察企業生產流程，思考企業生產現場和供應鏈運行過程中可能存在的問題；以案例庫為載體引導學生進行自主探究性學習，借助Flexshn仿真系統，使學生置身于企業生產活動和供應鏈運行過程的虛擬環境中，親身參與供應鏈規劃與設計。根據以上指導思想，物流工程專業情景下創新實踐教學平臺應當包括雙向互動與過程參與、創新過程引導與控制、模擬反饋與方案優化、案例與創設場景的更新等方面的基本功能要素。

雙向互動與過程參與。即物流工程專業情景下創新實踐教學平臺強調學生參與的主動性，打破以往被動學習的局面，注重訓練學生基本技能，這一過程是學生和平臺系統的信息交換過程。通過教學過程的互動，促進學生主動參與；通過角色參與，促進理性感知。在此，學生可以參與的實踐教學環節主要有：參與實驗模擬和角色體驗場景，培養學生對生產現場的認知；參與Flexshn仿真實驗過程，培養學生動手解決問題的能力；參與案例環節，為學生進一步優化方案打下基礎，培養學生思維的邏輯性和廣闊性。

創新過程引導與控制。創新實踐教學平臺的目的在于模擬工業企業生產經營系統的設計和運行，為了保證平臺的正常運行和教學效果，整個實踐教學過程應當由教師嚴格控制和引導。通過教師引導和角色設定，使學生從不同視角對企業生產與物流運行情況進行觀察和感知，激發學生的全局創新意識。創新實踐教學平臺的可控制性表現在：控制情景教

在創新實踐教學平臺系統中，為了向學生直觀地展現現代企業生產管理系統，描述企業生產物流系統物理模型設計的全過程，系統設置了實物模擬場景、角色體驗場景、仿真實驗場景設計等三個依次遞進的層次結構，實物模擬場景能學的進度，確保實驗過程順暢進行；控制訪問權限，提高教學平臺的安全性；以學生創新性學習為中心實行控制管理，實現整個教學平臺全面控制與仿真實驗重點控制相結合，嘗試實驗案例剛性控制與示范案例柔性控制相結合。

模擬反饋與方案優化。創新實踐教學平臺通過對創設場景下的生產與物流方案進行模擬運行，并對運行結果進行分析，輸出模擬系統方案的運行狀態，從而為系統參與主體反饋系統(方案)參數，引導學生對既定生產方案做出評價，進而通過對學生提出的設計方案和仿真模擬結果的比較，引導學生進一步優化方案，在創新實踐教學平臺運行過程中培養學生的創新性思維。

案例與創設場景的更新。基于物流工程專業的創新實踐教學平臺所提供的情景庫、案例庫，以及方案優化方法等，應當根據生產實踐和教學要求，進行相應的變化和更新，從而保證模擬教學平臺的適應性。隨著時間的推移和生產實踐等外部條件和情況的變化，要考慮不同生產環境及系統的要求，不斷發展、更新場景和案例，并設計、構造方案優化模式。

三 創新實踐教學平臺的模塊結構

從廣義上講，基于，隋景教學的大學生創新實踐教學平臺可應用于幾乎全部的管理及物流工程專業課程實踐教學。物流工程與管理涉及企業物流系統設計、診斷、優化和信息管理等，物流工程專業的主干課程(系統工程、物流與供應鏈管理、設施規劃與設計、生產運作管理等)均可以使用該平臺進行實踐教學。根據創新實踐教學的基本要求，基于情景教學的大學生創新實踐教學平臺的核心包括以學生為主體的Flexsh'n情景模擬與仿真、以教師為主體的教師管理、師生共享的資源案例庫等基本功能模塊，為了保證系統的可操作性，并滿足課前及課后教學管理的需要，平臺系統還應當包容方案優化與系統分析、學生成績考核、系統檔案管理等輔助功能模塊。具體的功能模塊結構如圖1所示。讓學生了解現代制造企業生產、物流等設施的布局。角色體驗場景讓學生積極主動參與，進入企業生產物流系統的角色中，體驗情境。Flexsin仿真實驗場景設計是創新實踐教學系統的重要內容，可根據生產環境和具體要求，引導學生進行虛擬的實驗場景自主設計。

Flexsim軟件作為新一代離散事件系統仿真的有效工具，它可以建立集建模、仿真和可視化于一身的真實生產系統的3D模型，能快速進行企業生產物流系統建模和優化，從多個備選方案中找出最優方案；還可以用動畫演示的方式模擬生產系統的運行流程。并且，Flexsim軟件操作簡便，易于學習，非常適用于實踐教學，學生可以根據生產系統的設計要求，通過設定和選擇生產系統參數對企業生產物流系統建模仿真，并在Flexsim中編制相應程序，模擬實際生產物流系統運行狀況，統計和分析模擬結果。Flexsim仿真實驗的一般步驟為系統調研與問題分析、制定方案與目標、系統描述和假設、收集數據和信息初步處理、系統模型構建、確定仿真算法、建立仿真模型、運行驗證和確認模型、系統方案分析、修改系統參數、重復仿真運行和分析，直至輸出最優方案。

應當說明的是，作為創新實踐教學平臺系統運行的基礎和前提，系統的案例庫是情景教學的另一個重要內容，具體包括示范案例及實驗案例等。其中，示范案例適用于初學者了解及掌握Flexsim仿真系統，熟悉仿真實驗的流程及操作。實驗案例則根據課程的教學內容編寫，對每一實驗均有標準模型、運行結果及系統分析，學生只有完成每次仿真實驗，才可以查看案例運行的結果，并自行對照標準運行結果，分析自己的實驗結果，提出改進模型及方案。案例庫的建立和情景教學系統兩者互為補充，情景教學系統幫助學生最大限度彌補生產實踐感性不足的缺陷，真正學會如何進行生產系統、生產物流設施規劃方案等的設計，而案例庫幫助學生理解和消化一定的內容，使情景實踐教學平臺的功能發揮得更加淋漓盡致。

另外，教師管理系統模塊除了可以設置教師訪問和更新指令外，主要還用于教師發布相關教學與案例資料、協調與安排實驗內容等，指導學生參與實驗，同時監控實驗教學過程、并對實驗結果進行檢查和評價，有利于進行實踐教學經驗交流。

四 企業生產與物流系統實驗教學過程設計

1 現代企業生產與物流系統場景模擬與感知

企業生產與物流系統實驗教學過程設計環節，旨在通過具體的實驗教學過程模擬和說明，進一步明晰實踐教學平臺系統的運行過程。首先，利用創新實踐教學平臺，可以引導學生在實驗室建立一個柔性化的、可組合式的現代生產企業小型生產過程及物流模擬系統，按照生產及物流設施布局的一般要求配置生產及物流設備，包括生產企業原材料入庫、出庫、半成品加工、生產流水線裝配到成品入庫各個功能環節的物料搬運過程，可真實體現制造型企業物流與生產計劃控制的集成過程。

模擬場景設計結束后，即進入角色體驗階段。指定各實驗小組在生產流程中的角色，要求按所分配為的角色功能設計設備及設施參數。角色體驗環節是以真實的工業生產過程為對象，在對產品結構分析、工藝流程分析和BOM設計的基礎上進行理論設計，然后利用Flexsim仿真系統開展系統規劃與設計技能訓練，讓學生在親身體驗中理解貨位管理基本理論和基本參數設計要求。

2 生產系統仿真與優化模擬實驗

生產與物流系統實物模擬場景和企業倉儲管理系統的角色體驗場景，是從兩個不同角度簡要說明創新實踐教學平臺的基本運行條件。不論是實物模擬場景，還是系統角色體驗場景，均可以根據不同的教學需要進行有針對性的選擇(視系統情景庫的更新頻率而定)。創新實踐教學平臺的仿真實驗宜采取學生個人獨立完成的形式，全部完成規定的實驗內容后，同學、師生之間可以相互探討所設計的方案并探尋優化方案。以下以企業生產系統方案設計為例，簡要描述創新實踐教學平臺的運行過程。

(1)實驗目的及實驗原理

該生產系統模擬企業生產車間內由三道工序組成的流水生產線運行情況，原材料經加工、檢驗、包裝三道工序后，成品經運輸機送至倉庫貨架。實驗的目的是：①讓學生了解生產線的系統設計；②學會添加和設置生成器Source、暫存區Queue、處理器Processor等常見實體；③運用Flexsim系統，按各設計方案運行生產線，觀察各自的運行情況，對比運行結果，進行方案優化，探尋最優方案。

實驗及優化原理是通過模擬和觀察各方案運行狀態，在參與和體驗中理解生產線布局和運行的基本方法，使學生掌握生產系統優化的基本途徑與方法。

(2)實驗步驟及內容

通過Flexsim系統創建生成器Source、暫存區Queue、處理器Processor等實體，其次，對各實體設置合理的運行參數，構建模型布局并定義物流流程。讓學生將對Flexsim的對象庫及對象分類有所了解，并且掌握創建實體及通過端口將實體對象進行連接的操作方法。

本例中，實驗模擬具有三道工序的企業生產線的生產過程，每道工序配備一名操作人員；成品首先由傳送帶送至暫存區，然后由運輸機送至倉庫貨架。本案例包括原料和成品在內，一共將會出現4種不同的產品形態，發生器生成4種不同顏色的臨時實體來進行模擬。紅色臨時賣體表示原料，黑色臨時實體表示經第一次加工后的半成品，藍色臨時實體表示經第二次加工后的半成品，淺綠色I臨時實體表示第三次加工后的成品。原料到達速度為2秒／件。參數設置如圖2、圖3所示：

參數設置是實驗合理運行的保證，學生通過這一過程可掌握參數設置的方法；編譯并運行仿真模型，學生可通過餅狀圖直接觀察到運行結果的差別，切身體驗參數設置的重要

整個實驗過程中，學生均能直觀觀察各個生產實體運行的狀態信息，了解系統空閑時間分布以及生產線的均衡狀態。由此，本系統的運行過程同時也能引導學生進行優化方案阿設計。觀察生產線仿真模型的系統狀態圖，可發現模型存在的問題。在該仿真模型中，工序一空閑時間比約為50％(藍色部分)，并且貨物緩存區存在明顯貨物積壓情況。此時，學生可對模型進行優化，提高原料到達的速度，并增加性。圖4為某時刻生產線加工、檢測實驗過程截圖及工序一工作效率餅狀圖。運輸車數量。變更參數設置，將原料到達速度提高到1.4秒，件，并增加一臺運輸車B，再次編譯、運行仿真模型，如圖5所示。對比運行結果，可發現工序一工作效率約為70％，并且暫存區無明顯貨物積壓，生產線處于良好運行狀態。模型的優化是循序漸進的過程，需要經過多次的修改實驗，才能確定最優的設計方案。

最后，通過撰寫實驗報告，教師可引導學生查看實驗案例庫中關于生產線系統設計要求、參數和規范，對照學生自己設計的系統，總結設計經驗、分析教訓，引導學生加深對實驗過程、優化方案以及相關專業知識的理解。

五 結論與展望

創新實踐教學平臺通過創設生產場景，充分利用計算機仿真技術、信息技術等，可以滿足物流工程及生產管理多門課程的實踐教學需要，大幅度提高學生的動手能力和創新意識。對于學生而言，創新實踐教學平臺提供了完成實習與課程設計、畢業設計等實踐活動的機會，有利于激發學生的創新性思維，充分發揮學生學習的主動性、積極性；使得學生對企業生產與物流流程等過程有了直觀感受和切身體驗，有助于學生對當前學習內容所反映事物的本質、規律形成較深刻的理解，促進認知結構的形成和完善。

從長遠看，經濟管理類專業的本科教學乃至研究生教學，都應該從物理模型的角度重視實踐教學環節和學生實踐能力培養，加強學生對物流工程系統理論的理解，促使實踐創新能力的提高。同時，基于情景教學的創新實踐教學平臺也有利于在借鑒和引入西方的“兩階段教學”經驗的基礎上，使經濟管理類專業的所有實踐教學朝著更加系統化、柔性化的方向發展，促進創造性思維和創新性教學。

參考文獻

[1]武雪飛，武雯，關于教育技術學本科畢業生任職能力的延續與思考[J].電化教育研究，2008，(10)：43～47

[2]樓盛華，戴文戰，葉秉良，基于培養創新實踐能力的高校實驗教學體系改革探索[J].高等理科教育，2008，(3)

[3]胡宗武，工業工程——原理、方法與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2003

[4]鄭春龍，邵紅艷，以創新實踐能力培養為目標的高校實踐教學體系的構建與實施[J].中國高教研究，2007，(4)

[5]潘家耕，論實踐教育在創新教育中的應用[J].教育與現代化，2000，(4)

[6]王桂榮，張雪慧，王娟，對構建大學生創造創新實踐教學平臺的思考[J].石油教育(雙月刊)，2008，(3)