工業工程專業研究性教學方式的研究與實踐

朱海平

［摘要］針對工業工程專業的特點，指出了進行研究性教學的重要意義，從課程設置、項目選擇、團隊組建、過程管理和效果評價等方面探討了研究性教學的實施流程，并以制造物聯網教學為例，介紹了研究性教學實踐的具體過程和效果。

［關鍵詞］工業工程研究性教學教學實踐

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）10-0049-03一、工業工程研究性教學的意義

工業工程（IE）是研究工業系統的效率與發展的一門工程學科，IE的許多重要的技術和理論方法都來源于生產實際，并最終應用于制造企業來提升效率，因此是實踐性極強的專業。

研究性教學是教師通過指導學生從自然、社會和生活中選擇和確定與學科相關的專題進行研究，使學生在獨立的主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，吸收知識、應用知識、解決問題、獲取新穎的經驗和表現具有個性特征的行為，從而提高學生的各方面素質，培養學生創造能力和創新精神的一種實踐活動。

在工業工程專業實施和推廣研究性教學方式，具有以下重要意義：

（一）有利于學生更加直觀透徹地掌握課程知識

以“計算機集成制造（CIMS）”課程為例，該課程主要講授信息技術和自動化技術在先進制造系統中的應用，在以往課堂教學過程中，學生因缺乏工程實踐背景，往往對ERP、MES、PDM等信息系統難以理解，通過實施研究性教學，讓學生參與科研項目，分組學習和實際操作這些軟件，并分析企業對它的需求，就能相對容易地了解這些信息化軟件。

（二）有利于培養學生的主動實踐能力

相比較傳統的實踐教學環節，研究性教學方式由于分組更小、目標更明確、教師（或研究生）對學生的指導更多更具體、學生思考的空間更大，因此有利于發揮學生的主觀能動性，提高其主動實踐能力，以“運籌學”的研究性教學為例，教師結合自身的科研項目，先安排幾個專題，讓學生查閱文獻、進行研討，建立數學模型，學習Matlab等數學軟件，實現算法并進行結果分析，在整個流程中，學生的主動實踐將發揮主要作用。

（三）有利于培養學生的協作精神

研究性教學方式多采取分組形式，每個小組3-5人，圍繞一個主題來開展，每人都有任務分工，最后的結果形成需要大家通力協作，通過這種方式，學生們能充分認識到分工協作的重要性。

（四）有利于激發優秀學生的創新精神

通過研究性教學，一些優秀學生能夠較快地脫穎而出，取得一些創新成果，或發表科研論文，或申請發明專利，或在教師的科研項目中取得不俗的成績。

（五）有利于教師獲得科研和教學的靈感

研究性教學強調教學內容、教學方法的重構，提倡用“研究”的觀點和方法改造傳統教學，使教學活動由單向知識傳授為主向學生和教師一起發現知識的過程轉變。在研究性教學過程中，學生實際參與教師的科研項目，雖然還無法取代研究生的作用，但時常也有一些不錯的想法，這些思路對于教師的科學研究不無裨益。

二、工業工程研究性教學的實施流程

研究性教學方式能否在工業工程專業成功實施，取決于兩方面的因素，首先是外部環境能否支持這種教學改革，包括課程體系設置情況、教師的科研項目情況、教師的研究團隊情況、實驗室的軟硬件條件、學生的基本素質等；其次是研究性教學的實施流程是否合理，包括課程的選擇、學習團隊的組建、教學目標的設置、教學過程的管理、教學效果的評價等，可以歸納為“體系支持、項目牽引、團隊保障、嚴格管理、公平評價”，下面針對其中幾個關鍵問題進行探討。

（一）課程設置的調整

為了在工業工程專業推行研究性教學實踐，首先需要對現有的課程體系設置進行適當的調整，目前有條件開展研究性教學實踐的課程包括部分專業課程、生產實習、畢業設計等等，具體改革措施如下：

1.壓縮專業課程的課堂教學時間，增加課外學習時間。課堂教學約占總課時的75%，主要傳授基本的理論知識，課外學習時間分成兩部分，一部分是課時規定內的時間，占總課時的25%，主要進行題目選擇及分組安排、科研項目介紹、分組討論、方案指導、成果匯報等工作；另一部分是課時外時間，要求學生利用課外時間進行資料查閱、工具軟件學習、操作實踐和匯報材料準備工作。為了不增加學生的負擔，應注意課程的選擇，條件具備的課程才能開展研究性教學活動。

2.鼓勵有指導的小組分散實習，取代傳統的大團隊生產實習方式。傳統的生產實習往往由一、兩個教師帶隊，去一家制造企業開展為期三周左右的生產實習，實習的方式以參觀和授課為主，學生基本沒有動手實踐的機會。而采用分散實習后，每個教師只帶5-8個學生，實習時間可以更長（比如1~2個月，利用大三結束后的暑假），教師安排學生進入自己的科研項目團隊，讓研究生協助指導，甚至可安排學生去企業參與項目調研和方案設計工作，實踐表明，這種實習方式非常受學生歡迎。

3.鼓勵教師依托科研項目安排畢業設計題目，并進行雙向選擇。以前的畢業設計是單向將學生安排給指導教師后再確定題目，每年題目的變化不大，學生有可能選擇不了感興趣的方向，因而積極性也不高。通過雙向選擇方式，可以讓教師結合自己的科研項目需要，安排具有吸引力的題目，提高學生開展畢業設計的興趣。

4.設置課外學分及其他獎勵。可以規定如果學生積極參加研究性教學實踐活動，并獲得可以考核的不俗成績（比如發表科研論文，申請發明專利等），則給予課外學分，同時在保研時進行加分獎勵，這樣就可以大大提高學生參與這些活動的積極性。

（二）科研項目的選擇

進行研究性教學實踐活動，離不開教師所承擔的科研項目的支持，科研項目包括企業合作項目、預研項目等，進行項目選擇時需要遵循以下原則：首先是要難易適中，適合本科生參與學習；其次是項目與課程相符，便于學生更好的掌握本門課程的知識；然后是科研項目實施過程中需要一定的動手實踐能力，而非純粹的理論研究。如果是分散實習，則一般應要求該項目是企業合作項目，能提供學生去企業調研的機會。

（三）教學團隊的組建

按照課程性質來組建研究性教學團隊：

1.專業課程教學

通常包括教師1-2名，研究生3-4名，本科生50-60名，學生分為10組，每組5-6名學生，安排5個左右的研究主題，以“決策分析”課程為例，安排了5個題目：“隨機性決策方法”、“設備維修決策”、“隱馬爾科夫決策方法及應用”、“模糊決策方法及應用”、“博弈論應用”。學生分組選擇題目，進行研究，最后完成研究報告并進行匯報，研究報告和匯報作為學生成績評價的重要依據。

2.分散生產實習

通常包括教師5-8名，每位教師安排3個研究生進行協助指導，每位教師指導學生不超過8名。在分散實習過程中，教師安排學生參與科研項目，去相關企業進行調研，完成需求分析報告，并學習相關理論知識，在研究生的指導下協助完成項目的方案設計。

3.畢業設計

畢業設計的時間較長，每位教師指導的學生一般不超過5名，研究生也協助進行指導。學生可以較為系統地了解教師所負責的一個科研項目，并以其中一項關鍵技術為題開展專題研究，最終完成畢業設計論文。

（四）教學過程管理

與課堂科學及傳統的程序式生產實習和畢業設計相比，研究生教學實踐的方式較為靈活，時間較長，如果管理不好也會流于形式，經過一段時間的實踐后，總結了如下過程管理方式：嚴格要求學生按時到實驗室進行學習，進行考勤；定期召開Seminar，進行進展匯報交流；研究生和本科生之間建立1對2或1對3的聯系方式，監督學生的學習和研究進程；提供學生可以操作的實驗環境，充分激發學生的動手實踐興趣。

（五）教學實踐效果的考核評價

研究性教學與傳統課堂教學在形式上存在很大差異，為了對學生的學習效果進行評價，必須引入新的評價方式。評價指標包括選題的難易程度、文獻閱讀及綜述情況、研究過程中的紀律表現、在小組中發揮的作用、總結報告的完成情況、匯報答辯情況等6項。指標權重可根據實際情況來確定。

三、工業工程研究性教學實踐案例

下面以工業工程的“計算機集成制造系統CIMS”課程中的制造物聯網教學為例，介紹研究性教學實踐的基本過程。

（一）研究性教學實踐的目的

通過現場參觀、系統演示和介紹、交流討論、動手實驗、工作匯報等方式，讓學生對制造車間的物理結構、裝配生產線的運行方式、物流配送模式和工作流程、物聯網的基本概念及工業應用、制造執行系統（MES）的應用、生產過程質量檢測與過程控制等有直觀和較為深入的了解，并能夠設計一些簡單的實驗，結合企業項目完成一定的應用驗證。

（二）研究性教學實踐的軟硬件條件

硬件設施包括裝配生產線、多套高頻/超高頻RFID讀寫器、天線和標簽、Zigbee無線傳感網開發和測試套件、PLC/RFID集成試驗臺、條碼槍和條碼打印機、手持式RFID/條碼數據采集終端、ARM開發工具、手持平板電腦、常用傳感器等等；軟件設施包括制造執行系統（MES）、物流仿真軟件Tecnomatix、生產線控制軟件、RFID讀寫軟件、物流分析軟件、質量分析軟件等。以上條件為開展物聯網研究性教學提供了基礎環境。

（三）研究性教學實踐的主要過程

將本專業學生分為10個小組，每組5人，安排5個專題：

專題1：了解PLC的基本原理和開發過程，參與設計并實現一些實驗；

專題2：了解RFID的讀寫過程，參與開發RFID的讀寫操作；

專題3：了解Zigbee的基本原理，利用Zigbee技術實現檢測數據的自動采集和遠程傳輸；

專題4：了解裝配生產線的工作流程和控制方式，集成PLC/RFID/Zigbee技術設計物聯網實驗，用于生產線數據采集與監控；

專題5：了解制造執行系統MES的基本功能，設計出物聯網技術在MES中的應用場景。

學生選擇專題后，就著手開始相關理論和應用開發知識的學習，利用實驗室提供的軟硬件設施，在教師和研究生的指導下，設計物聯網實驗，進行軟件開發，并完成實驗驗證，最后，總結實驗成果，撰寫研究報告，通過PPT進行匯報。

（四）研究性教學實踐的效果

通過研究性教學實踐，學生不但掌握了物聯網的基本理論知識，更對物聯網技術在制造車間的應用有了比較直觀的認識，知道如何設計物聯網應用場景，以及進行軟硬件開發的基本流程，部分優秀學生還完成了物聯網實驗的開發，可以通過PLC和RFID的集成實現換刀控制，通過Zigbee實現數顯卡尺測量數據的遠程采集等。

研究性教學是現代教育理念的集中體現。本文結合工業工程學科的特點，探討在本科生階段開設研究性學習課程的意義和實施流程，并以一門課程為例，實踐了研究性教學，取得了不錯的效果。

當然，研究性教學過程中也遇到很多困難，它需要有較多的教學和科研資源投入，包括實驗設備投入和人員投入等，如何實現常態化健康運行還需要進一步進行研究和實踐。

［參考文獻］

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［責任編輯：碧瑤］