建模與仿真課程設計的教學實踐與探索

陳雷雷, 李 俊, 沈妙妙

(1. 上海海洋大學 工程學院； 2. 上海電機學院 商學院， 上海 201306)

0 引 言

系統建模與仿真主要指離散事件系統仿真相關理論和方法，是工業工程專業教學和科研的重要手段。通過系統建模與仿真的方法，人們可以進行生產系統和服務系統的設計、評價和驗證，可以在計算機中對現實中存在或不存在的企業系統進行模擬、試驗和評價。它已成為人們認識和研究復雜系統的重要途徑。在美國工業工程專業開設的所有課程中，系統建模與仿真課程的開設熱度排名第二[1-2]，大多數的美國院校的工業工程專業開設有該課程。

建模與仿真課程設計作為系統建模與仿真理論課程的延伸和應用，是學生在掌握了系統建模與仿真的基本理論、基礎知識的前提下，綜合運用該課程及相關課程的知識完成相應的實踐課題的過程，目的是培養學生綜合應用建模與仿真手段解決問題的能力和意識。實踐環節的教學質量對學生的動手能力和創新能力的培養有著根本性的影響[3-5]，作為應用性很強專業——工業工程專業更是如此[6]。文獻[1-2]通過中外工業工程專業課程設置的對比，論證了實踐教學環節的重要性，而文獻[7-9]則分別從成都理工大學、三峽大學和鄭州航空工業管理學院的工業工程辦學實踐中總結了實踐環節對于該專業人才培養的重要性并對各自學校的實踐教學體系進行設計和分析。文獻[10]提出以仿真手段支持工業工程專業理論和實踐教學的設想，文獻[11]研究了仿真軟件對生產管理學課程教學的促進作用，文獻[12]則以廣西工學院管理系為例，探討管理仿真軟件對學生能力培養的作用。 總而言之，建模與仿真課程設計的教學質量對工業工程專業人才培養水平有顯著的影響，可體現在如下3個方面：① 讓學生掌握某一類或一種仿真建模軟件和方法；② 使學生學會靈活應用系統建模與仿真的相關理論和技術；③ 給學生思考與實踐的平臺，用以應用和試驗其他相關理論和知識，提升實踐意識。

但目前關于如何提高建模與仿真課程設計的教學質量研究和討論還比較少，文獻[13]簡述了生產系統建模與仿真課程在理論和實踐教學兩個方面遇到的問題，并給出了一些改進的想法，但未進行具體過程和效果的分析，文獻[14-15]則介紹其虛擬現實與系統仿真實驗的教學環境，并簡要描述了其教學過程。本文從專業特點和課程結構出發，分析建模與仿真課程設計的支撐體系及存在問題，并闡述在該課程設計教學過程中進行的改革實踐，進而提出該課程設計教學模式的進一步改革和探索。

1 課程設計支撐體系及問題分析

目前，在全國已有近200所高校開設有工業工程專業，建模與仿真相關的課程設計也是國內高校開設較多的實踐教學環節。開設方式有獨立實踐和隨課實踐兩種方式，隨課實踐對于加強建模與仿真理論課程學習有較大的幫助作用，獨立實踐環節則更加強調實踐環節的綜合性。我校以獨立實踐方式開展建模與仿真課程設計的教學工作，開設高質量的獨立實踐環節對工業工程專業人才培養有較大的促進作用。作為獨立課程設計，它引導學生將系統建模與仿真課程相關的理論和方法作為工具，結合相關專業課程的理論知識研究生產實踐中的現實問題，就工業工程專業知識體系而言，建模與仿真課程設計的支撐體系見圖1所示。以生產管理學為例，課程設計中學生可以就生產管理學中的生產計劃問題、作業排序問題及生產線平衡問題等展開建模和仿真，通過程課程設計不僅能夠加深建模與仿真的相關知識，更重要的是鍛煉學生應用生產管理學相關方法解決實際問題的能力[11]。其他課程也是如此。

圖1 建模與仿真課程設計支撐體系

建模與仿真課程設計獨立實踐環節，一般安排2周左右時間集中進行，圍繞某一仿真軟件平臺，由教師集中進行軟件教學后，學生利用軟件進行仿真建模。這種安排模式，學生能在較短時間內集中學會仿真軟件，但長期的教學實踐中也暴露出了一些困難和問題：

(1) 時間短、內容多，教師教學與學生建模難以權衡。由于整體教學時間較短，且仿真軟件一般只能在專業機房使用，若仿真軟件教學安排過多，課程設計常常淪為軟件培訓，學生掌握了軟件的基本功能，卻沒有時間自行進行實際問題的抽象和建模。若用較少的時間安排軟件教學或安排軟件由學生自學，學生有較充足的時間研究和抽象問題，但卻無法在軟件平臺上實現。

(2) 重實現、輕分析，學生專業意識培養效果不佳。為期兩周的課程設計中，學生在建模與實現時，學生往往對在仿真軟件進行模型的實現比較感興趣，而所實現模型是否與現實系統吻合則關心較少；在仿真分析時，往往只對數據進行簡單描述，很少分析數據背后的理論原因；在仿真改善時，往往只對某幾個甚至是一仿真參數進行修改，很少關心參數調整背后的實際意義。

(3) 考技能、視效果、兼深度，全面考核存在困難。課程設計作為有軟件操作的實踐環節，既要考察學生軟件操作的專業技能，又要通過效果評判學生仿真抽像和建模的水平，同時，還要核實學生結合專業知識分析的程度。因此，傳統的課程考試和簡單的課程報告難以進行全面考核，沒有全面、公正地考核方式就難以真正激發學生的學習積極性。

2 課程設計教學的改革實踐

當前流行的離散事件系統仿真軟件很多，有ProModel、eM-plant、Witness、AutoMod等，我校選用了ProModel軟件。其原因主要有：① 易學性較好，1周的教學課時可以較好地完成軟件全部功能的教學；② 易用性較好，學會基本功能后，比較容易通過圖片化的手段實現一般離散事件系統的仿真建模。而且在國內外企業中也有一定的應用面，比較適合工業工程本科專業的教學。

2006年以來，根據教學效果及存在的問題進行了一系列的調整和嘗試。如：為了保證課程設計能覆蓋所有重要的專業課程，以及避免和學生考研、實習等沖突，將課程設計時間調整到了第7學期初進行；為了讓學生能有足夠多時間自行進行建模與分析，將以往完成軟件教學后才展開學生考核項目建模，改成并行模式，即軟件教學到一定程度就開始布置學生考核項目，使得學生自主完成項目的時間大大延長，也延長了考核時間，能更全面考核學生完成情況(見圖2)。 這些教學調整均到達較好的教學效果，尤其是教學考核并行模式很多程度上緩解了教師教學與學生完成項目時間上的沖突。

圖2 并行模式與傳統模式對比

與此同時，也對教學內容也進行了充實：

(1) 根據社會需求更新了大綱和內容。根據社會對于人才的最新需求，在教學內容上增設了MTO仿真實現、拉動式生產仿真實現等教學內容。

(2) 編寫了同時適合教師教學和學生自學的課程設計教程。為了防止學生機械式學習軟件操作，在教程中的每一部分都穿插了要求學生舉一反三式思考的練習要求。

(3) 廣泛進行文獻和企業調研。整理了覆蓋面相對較全的仿真案例庫。案例庫在課程設計教學中起到了兩個作用：① 難度較低的案例可以供學生輔助學習，② 難度合適的則可以充當課程設計考核項目。

通過近8年的教學實踐，這些逐步展開的改革工作都取得了很好的成效，學生對課程設計的認可度越來越高，同時，畢業設計中選擇與仿真建模相關課題的學生也逐年增多，甚至有學生畢業工作后仍回到學校借用仿真軟件解決實際問題。

3 教學模式的探索

建模與仿真課程設計由于要將抽象的理論與軟件的實際操作結合，其教與學都比較困難，再加之學時上的限制，要在短時間內較好地完成該教學環節，僅靠以上教學安排的調整和內容地充實還是不夠的，教學模式的創新更為重要，為此，我們也進行了一些探索，以期達到整體教學—個人學習—團隊學習三位一體、相互促進的教學效果。

(1) 側重點由教師“教”到學生“學”的轉變。比起教師“教得精彩”，我們更重視學生“學得踏實”。以往課程設計的軟件教學階段，主要以培訓式的教學為主，老師講的內容多也很充實，但學生學習效果往往很差。經常是跟著操作沒問題，但不知道為何如此操作，到自己動手更是不知如何操作，更別提將相關專業知識融合進去。為此，通過教學內容的合理安排和精心設計，將培訓式教學轉變為啟發式教學，具體的做法是：只講解軟件最基本的操作，教學案例模型則是在老師輔導下由學生自行完成，提高部分以思考題的形式完成，并通過學生模型與教師模型仿真結果的對比來驗證模型的正確性和討論問題所在。通過這樣的方法，可以引導學生自主學習，并將學習延伸到課堂之外，課堂上未能完成的內容學生可以選擇在課后自行完成。當然，為此也做了精心的準備工作：首先，學生課后要學習，仿真軟件就必須突破實驗室的限制，通過架設服務器使得在校園網范圍內，仿真軟件均能接入并正常使用；其次，課程設計教材要做大量的改變，使之適應于這種模式。

(2) 學習方式實現個人學習和團隊學習的結合。實踐環節能較好地提升和培養學生團隊協作能力，同時，團隊學習也有助于提高課程設計的教學效果。在建模與仿真課程設計的歷年教學實踐中，可以發現，對于仿真理論的認知，對于仿真軟件操作的學習，學生中總有一些人學習速度特別快，而另有一些人則掌握速度特別慢，水平參差不齊。純粹的整體教學常常使得教師疲于應付，輔導中經常重復較基礎的問題，教學效果大打折扣。因此，利用學生水平參差不齊，通過分組學習，分組考核，學生小組內能構成較為融洽的自組織式的學習團隊，不僅減輕了教學壓力，避免了基礎問題的重復解答，而且提升了教學效果。另外，學生在分組學習和完成項目的過程中還能夠促進學生團隊協作能力的提升和團隊意思的增強。

(3) 考核從“單一”向“全面”改變。考核是建模與仿真課程設計教學的最大難點之一，單一考核建模效果往往難以全面、公正地考核學生的學習情況。為了能夠較公正、全面地進行課程設計的考核，我們將考核劃分為3個階段：① 軟件學習時，以考察軟件學習態度和效果為主；② 自行完成項目時，以考察學生團隊組織及團隊學習效果為主；③ 結束時，要求學生完成課程設計報告，演示其仿真模型并答辯，主要考核學生仿真建模的效果、操作熟練度、分析能力以及報告撰寫和展示能力。

4 結 語

工業工程專業的研究對象大多為制造、物流或服務系統，對于這些大型系統管理和運作的研究，仿真是重要的手段和工具，有時甚至是唯一的手段。隨著我國產業的轉型和現代化，在未來，這一技術手段還會越來越重要。為此，建模與仿真課程設計的開展與教學質量的提升，對于工業工程專業人才培養質量的提升有著較長遠的意義。自開設建模與仿真課程設計以來，我們一直在學時受限的前提下，進行教學的改革與探索，教學安排上日臻成熟，內容上也日漸充實，教學模式上也在不斷汲取相關領域的成功經驗。近年來也取得一定的效果，學生對課程認可度逐年提高；選擇仿真為基礎的畢業設計的學生也逐年增多，至2013屆已有20%多的學生選擇了仿真相關的課題；所培養的學生也受到了相關企業的認可。當然，我們還會對教學改革的效果進行進一步的追蹤，也會為提升課程設計的教學質量進行更深層次的研究和探索。

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