面向創新應用型人才培養的工業工程綜合實驗室建設

祁麗霞

(華北水利水電大學 管理與經濟學院，河南 鄭州 450046)

面向創新應用型人才培養的工業工程綜合實驗室建設

祁麗霞

(華北水利水電大學 管理與經濟學院，河南 鄭州 450046)

由于工業工程學科的交叉性、綜合性和應用性，實驗和實踐環節在工業工程專業人才培養中占有重要地位。專業實驗室是本專業人才培養和科學研究的必要設施，也是與理論教學相呼應的重要實踐平臺。結合工業工程的專業特點，進行工業工程綜合實驗室的建設工作。闡述工業工程綜合實驗室的規劃思想和實施方案，構建軟硬件并重、面向現代專業技術、強調基礎專業技能的綜合立體開放實驗平臺，并對應規劃基于CDIO培養模式的綜合實踐教學體系，為創新應用型專業人才培養提供支撐。

工業工程；實驗室；人才培養；實踐體系

一、工業工程專業技術特點

工業工程(Industrial Engineering，IE)是從科學管理基礎上發展起來的一門交叉型工程技術。它以現代工業化生產為背景，以大規模工業生產及社會經濟系統為研究對象，融工程技術和管理知識為一體，重點研究人、設備、物料、信息和環境等生產系統要素的優化配置，對工業等生產過程進行系統規劃、設計、評價、改善與創新，進而達到提高生產效率和社會經濟效益的目的。工業工程在國外與國內發展及應用的實踐表明，工業工程是工程與管理有機結合的綜合技術。工業工程技術的實施，可以有效幫助企業提高生產系統綜合效率及效益、增強企業在開放經濟條件下的國際市場競爭能力和知識經濟環境中的綜合創新能力，對各類生產系統、管理系統及社會經濟系統的高質量、可持續發展具有不可替代的重要作用。

工業工程的發展離不開工業工程人才的培養。工業工程作為一門獨立的工程學科已經有上百年的歷史。1908年美國賓州大學首次開設了工業工程課程，后來又成立了工業工程系。在我國，1992年7月國家教委批準西安交通大學和天津大學開始試辦工業工程本科專業。經過20多年的發展，我國已經有170多所大學設立了工業工程專業。由于工業工程是一門工程技術、經濟管理和人文科學相結合的邊緣學科，兼具工程技術和管理技術的雙重屬性，其中有些專業設在管理學院，有的設在工科類學院。同時由于工業工程的交叉學科屬性，不僅要求工業工程學生具有扎實的理論基礎，而且還必須具有較強的實踐能力、溝通能力、創新能力和管理能力[1,2]?？梢姡琁E學科的發展和應用，離不開實踐體系的完善和創新。實驗和實踐環節是高校工業工程專業教學必不可少的環節，也是工業工程專業實現其人才培養目標的必修環節。工業工程實驗室建設的重要性不容忽視。

二、工業工程綜合實驗室的規劃理念

IE是理論性、實踐性很強的學科，其專業技術大都體現了應用性和綜合性。在科技和經濟飛速發展的今天，企業的運作過程和方式方法較大工業時期有了飛速的發展和深刻的變化，其教學也必須與時俱進，用動態、發展的思維和方法去審視和研究。因此，在實驗室的規劃與建設中，要以突出工業工程技術的應用性、綜合性和時代性為目標[3]。在本專業實驗室的建設中貫徹以下規劃理念。

(一)營造生產制造物理環境，構建綜合性實驗平臺

工業工程以系統效率和效益為目標，直接面向企業的生產運作過程。所以在工業工程綜合實驗室設計中，首先考慮在實驗室內營造類似生產制造企業的綜合物理環境，為理論教學研究和實踐體系提供承載實驗平臺。

(二)面向現代工業工程技術，強調基礎工業工程技能

從IE發展歷程和國外應用經驗來看，基礎IE是工業工程的發展起點，也是現代IE的基礎和重要組成部分。二戰期間和其后的一段時間內，工作研究(包括時間研究與方法研究)、生產計劃、人事評價與選擇等都已正式成為工業工程的內容。我國企業的現行實踐也表明，基礎IE在我國的認識和實行狀況還遠遠沒有達到應有的水平?；AIE技術手段為大量的企業實踐所證實，技術成熟，推行見效快，也是現代IE必須的基礎。因此，基礎IE的方法和技術在我國的學科和企業實踐中具有重要現實意義。同時，隨著科學技術的發展，現代工業工程內容不斷充實和深化，兼收并蓄了越來越多的學科知識和高新技術，比如信息科學、行為科學、自動化技術、仿真技術等，形成了復雜系統的決策與研究特點。因此，實驗室的建設需要強調基礎工業工程技能，同時又要面向現代工業工程技術。

(三)軟件、硬件并重，構建立體開放實驗模式

綜上所述，現代IE的核心內涵是包含了大量高新技術以及新方法生產系統的管理和創新，其研究內容不光包括企業微觀環節的運作，還包括產業鏈、物流鏈、后期服務等大的運營體系，這些研究在深度和廣度上都是僅有硬件的模擬性實驗室難以勝任的。而軟件模擬可以不受實驗室場地布局、運行規模等硬件限制，使實驗廣度和深度與現代工業工程的技術發展相匹配，從而可以在工業工程的實驗中發揮更強大的作用。從此意義上來講，硬件是實驗室的“表”，軟件系統更體現了工業工程復雜系統實驗室的核心和內涵，使實驗研究向立體和縱深拓展[4]。在實驗室的建設中，特別強調工業工程相關軟件的配套建設，以形成一個相對完整和系統的工業工程綜合實踐平臺。

三、工業工程綜合實驗室的實施方案

(一)基礎建設

根據工業工程綜合實驗室的規劃思想，首先通過裝配生產線模擬實驗系統營造生產制造物理環境。其主要硬件構成包括兩部分。第一，生產平臺部分，通過倍速鏈生產系統，通過滾子鏈聯結多個工位，可以進行小型產品裝配流水作業流程，在實驗中模擬流水線生產方式。第二，運行環境配置部分，通過安裝在各工位的智能終端系統，可以進行環境聲音配置，模擬工廠裝配車間現場各種噪聲，通過外接噪聲計，可以進行環境噪聲對裝配工人工效影響的量化分析與研究；在流水線上方采用了白熾燈調光裝置，配合照度計，可以進行環境光對工人工效影響的量化分析與研究；并配備色燈，用于研究環境色彩變化對裝配工人工效的影響。通過生產制造物理環境的構造，為學生實際操作訓練提供了綜合開放性試驗平臺。

為對學生進行工業工程的基礎技能訓練，在實驗裝備上，主要設置了工作研究監控系統。采用變焦CCD攝像頭、數字化視頻網絡服務器構成工作監控系統，可以對每個工位的裝配動作進行視頻采集和錄像，用于在后期進行分析和研究。在人事評價和選擇方面，規劃了由個性與行為能力的測試儀器組成的人因實驗平臺，并結合流水線操作實踐和分析系統實現。在此平臺上，可以進行的實驗包括工藝程序分析、人機操作分析、雙手操作分析、動作研究、工時評價、秒表測時、工作抽樣、模特排時等，既可以進行單項認知型實驗，也可以進行綜合實驗，為基礎IE提供了較好的實驗載體。

結合現代工業工程的柔性制造技術，在實驗室引入由單個實驗平臺和無動力可組裝運輸裝置組成的運輸鏈，用于柔性制造單元(CELL)的模擬。可以自由組合的柔性實驗平臺可以反映制造中的生產柔性、工藝柔性和擴展柔性。也即：系統的工作設備具有隨產品變化而加工不同零件的能力，可以根據加工對象的變化或原材料的變化而確定相應的工藝流程，當生產需要的時候，可以很容易地擴展或縮減系統結構，增加或減少模塊，從而構成一個更適宜的制造系統。在現代制造模式下，結合人因行為因素研究生產制造柔性，對多品種、中小批量、以客戶為中心的制造模式和思維轉換將具有重要意義。

(二) 信息建設

為了體現信息管理技術在工業工程技術的應用，實驗室引入了實時供應鏈管理系統。通過本系統，將工廠智能與自動化技術、精益生產管理、現代物流科學管理進行了有機集成。它可以比較真實地模擬供應鏈中各角色(公司)之間的協作關系和信息流向。在本系統中，以生產制造商為中心，展示了客戶向制造商下達產品訂單，制造商接到訂單后安排生產，向零件供應商下達采購訂單，分析優化產品裝配工藝，進行生產運作活動，直至制造成品送入第三方物流中心，并通過倉儲中心和運輸中心派送至用戶的全過程。其邏輯流向如圖1所示。本信息系統可以將企業的經營思想及其基本運作模式，通過直觀方式呈現給學生?？梢酝ㄟ^讓學生參與模擬的形式，讓學生通過不同角色的扮演操作，更加容易理解和掌握供應鏈管理的核心思想，提高學生的學習興趣。同時，系統整合了對生產系統中倍速鏈流水線以及倉儲中心自動堆垛機、流利貨架的操作，使得系統的整體性和系統性更強，為工業工程和物流工程的實踐教學提供了一個比較完善和系統的教學模擬平臺。

圖1 實時供應鏈系統的邏輯流向

(三)軟件系統建設

結合基礎IE和現代IE技術，實驗室重點進行了兩類軟件建設。第一，基礎IE軟件建設：配合工作研究實驗平臺，配備了Double-E和IE博士軟件，用于進行工作分析、SOP設計等。第二，面向現代IE的虛擬仿真軟件建設：配備了Witness和Flexim，用于虛擬工廠、工序的設計、分析和仿真。Witness強大的數據分析功能和Flexim優異的三維仿真功能使對系統規劃、分析和優化的決策過程大大縮短。配備了復雜系統決策仿真軟件Anylogic，將多智能體仿真技術嵌入，使系統的仿真功能更為系統和完善。通過引進VRP技術平臺，使大規模的數字化虛擬工廠或微觀操作更具可視化。上述軟件的系統建設，可以使工業工程教學模式充分結合現代技術和教學理念，突破傳統工業工程實驗模式的局限性，構建了實物模擬、實際操作、現場觀測、計算機仿真到系統分析規劃的現代立體化教學實驗模式。

四、基于CDIO的工業工程綜合實踐體系規劃

優良的實踐環境離不開工業工程總體教育思想的提升。在本實驗室的綜合實踐體系方面，期望通過工業工程綜合實踐體系構建，體現平臺的綜合性和開放性，為創新應用型人才的培養發揮作用。由于學科獨特的綜合、交叉和應用型特點，現代工業工程學科教學的目標已經不能單純通過理論講授實現，工業工程教育者的追求目標應該是讓學生在了解和掌握工業工程學科的有關知識、概念和技術的基礎上，通過實踐和應用培養學生的工程分析、規劃、設計和方案優化的能力以及創新意識。這樣培養出的人才才能在我國的經濟轉型過程中發揮出人才及工業工程學科的作用。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年起，Knut and Alice Wallenberg基金會以2000萬美元巨額資助麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學組成的跨國研究組織。經過四年的探索研究，創立了 CDIO 工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)。它以產品研發到產品運行的全生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的方式學習。針對我國現行教育實踐中重理論輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而輕視開拓創新的培養等問題，CDIO在理念和實踐上都具有先進性和可行性[5,6]。工業工程主干學科的特點，如基礎工業工程、人因工程、生產運作管理等，一般都是內容繁雜，知識點眾多，但同時有些零散，各知識點之間關聯性較為模糊，由于授課課時有限，很難面面俱到。這樣，學生對學科知識較難形成體系認識。運用CDIO的教育模式讓學生以實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程問題及問題的處理方法，對專業人才的創新性、應變能力和溝通能力的培養都十分有益[7]。

基于CDIO理念，考慮綜合實踐體系規劃實施方案如下。第一階段(C階段)，考慮結合實驗平臺和現有的實驗對象，發掘、設計若干具有典型性、實用性、綜合性和系統性的工程項目，教師在學生實踐前期說明教學條件允許下的課題范圍，由學生采用團隊小組形式組織，自定實踐課題。老師不對問題的解決方法進行強制要求，只提供問題和方向引導，由學生自行設計并找出理論基礎，并加以實踐。第二階段(D階段)，根據課題，由學生小組自發設計實踐方案和步驟，自行設計解決問題的技術核心，并組織小組討論，自行設計解決方案，教師進行流程引導，但不過多參與。第三階段(I階段)，以團隊小組為主體分析問題，解決問題，完成小組實踐報告書，教師通過組織各小組內和小組間討論環節，實時交流實踐課題的成果及待解決的關鍵問題。第四階段(O階段)，將小組方案在實踐平臺上進行實際操作，用實際測試數據說明本小組的成果，并提出進一步優化方案。第五，成果總結及課題開放階段。在實踐環節結束前，要進行實踐結果交流和總結，形成完整的項目流程，幫助學生形成完整工程項目概念。但實踐環節的結束不等于實踐過程的結束，還應鼓勵學生對題目進行課外的、更深入的思考和研究。同時鼓勵學生向課外拓展，自選有意義的項目或利用實習到企業中發掘有市場價值的項目，培養學生的工程意識和綜合素質，形成開放式實驗教學研究系統。

五、結語

工業工程是理論性、實踐性很強的學科，其技術大都體現了應用性和綜合性。當前企業的運作過程和方式方法較大工業時期有了飛速的發展和深刻的變化，中國制造業在經歷了初期的粗放式快速成長后，已經步入了高成本的時代。在這種局面下，中國制造必須通過運營模式轉變與戰略轉型，實現成長方式的有效突破。工業工程專業及其人才培養必將在其中扮演重要的角色。工業工程實驗和實踐環節的探索和實驗室建設是工業工程學科人才培養的重要一環。結合工業工程學科特點，面向創新應用型人才培養，建設強調基礎工業工程技能、面向現代工業工程應用、軟硬件并重的立體系統實驗教學平臺，并思考運用該平臺上進行綜合實踐教學的方法，是創新應用型工業工程專業人才培養實踐體系的有益探索。

[1] 周貞云,葉春明,曹國安,等. 工業工程實驗室建設的研究和實施[J]. 工業工程與管理,2004(4).

[2] 殷復鵬,孫家坤,劉吉場. 現代工業工程實驗室規劃與建設[J]. 高校實驗室工作研究,2008(4).

[3] 楊象馳,李鵬飛. 工業工程實驗室規劃與實施[J]. 實驗室研究與探索,2009(8).

[4] 裴小兵,唐文婷. 數字化工業工程實驗室的建設探究[J]. 實驗室研究與探索,2012(7).

[5] 查建中. 論“做中學”戰略下的 CDIO 模式[J]. 高等工程教育研究, 2008(3).

[6] 顧學雍. 聯結理論與實踐的CDIO——清華大學創新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究,2009(1).

[7] 周艷,周敏,蔣國璋. 基于CDIO的工業工程專業實驗教學改革[J]. 實驗室科學,2013(2).

(責任編輯：王蘭鋒)

ComprehensiveLaboratoryConstructionofIndustrialEngineeringforInnovativeApplicationPersonnelTraining

QI Li-xia

(SchoolofManagementandEconomics，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450046,China)

As the cross-cutting integrated and applied nature of industrial engineering, experiment and practice training plays an important role in personnel training. Corresponding, the construction of specialized laboratory has also become an important platform to support the theory teaching, and it is the necessary facilities for personnel training and scientific research professional. Combined with the characteristics of industrial engineering disciplines, conducted a comprehensive laboratory of industrial engineering construction work. There are described that comprehensive planning ideas and embodiments of industrial engineering laboratory. An integrated three-dimensional open experimental platform is constructed, which is characterized by both hardware and software, for the modern professional technology and emphasis on basic skills. Accordingly, comprehensive practice teaching system based on CDIO training mode is planning to provide innovative applications oriented professionals training support.

industrial engineering; laboratory; personnel training; practice system

2014-03-10

河南省教育廳專業綜合改革試點項目(110103)

祁麗霞(1977—)，女，河北靈壽人，華北水利水電大學管理與經濟學院副教授，工學博士，研究方向為工業工程教學及科研。

TB

： A

： 1008—4444(2014)05—0124—04