適應創新人才培養的工業工程專業本科課程體系與教學改革研究*

□ 周炳海

同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804

1 研究背景

工業工程作為一門培養既懂工程技術，又懂管理科學的創新性人才的交叉學科,已得到社會的認可和關注。隨著改革開放的進一步推進,我國高校工業工程人才培養取得了較大進步,但是與目前社會對工業工程人才的需求，以及快速增長的培養規模相比,工業工程專業的培養目標、課程體系，以及教學創新與改革明顯不協調,不利于本科階段工業工程創新人才的培養[1-2]。依托學校自身的社會信譽、地理位置、教師資源、服務行業等特點,辦出符合社會需求的創新型人才培養特色,并進行適應創新人才培養的工業工程課程體系和教學方法研究，是十分必要的[3-4]。為此,筆者結合多年的工業工程課程教學實踐,探討工業工程專業本科課程體系與教學改革,以達到工業工程創新型人才培養的目標要求。

2 工業工程本科課程體系現狀

同濟大學工業工程專業自1999年開始招收本科生,經過20年的建設,目前這一專業已成為以機械工程、管理科學與工程兩個一級學科為依托的特色專業,形成了機械工程、管理科學與工程相結合的特色交叉學科。同濟大學工業工程專業歸屬于機械與能源工程學院,畢業生獲工業工程專業工學學位。這一專業依托上海市先進制造業和服務業,在工業工程理論與應用、生產系統工程、物流系統工程、質量與設備可靠性、信息管理系統、精益生產與管理等領域形成了具有鮮明特色的研究方向。

本科課程體系是在本科生培養目標基礎上進行規劃與設計的由相互關聯的一系列課程所組成的有機整體,課程體系的規劃與設計是本科生培養目標實現的首要任務[5]。可見,本科生培養除了師資力量與優質資源外,工業工程專業課程體系起著重要的作用。一個完善的專業課程體系是實現本科生培養目標的核心,也是專業發展的基礎。同濟大學最近一次工業工程專業本科課程體系的修正于2017年完成,培養目標注重本科生掌握工業工程相關知識，以及具備解決工業工程相關問題的能力。具體課程體系由三大部分構成:通識教育課程體系、專業理論課程體系、實踐教學課程體系,課程總學分為160分。通識教育課程體系中,主要包括的課程有形勢與政策、思想道德修養和法律基礎、中國近現代史綱要、馬克思主義基本原理、毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論、軍事理論、體育、大學英語、C/C++程序設計、軍訓、高等數學B、線性代數B、概率論與數理統計、普通物理B、普通化學,占總課程學分的25%左右。專業理論課程體系主要包括的課程中，必修課程為理論力學、電工與電子技術、機械設計基礎、互換性和測量技術、系統工程、運籌學、統計學、機械制造技術基礎、基礎工業工程、機械與能源工程學導論、生產計劃與控制、物流與供應鏈管理、質量管理、人因工程學、建模與系統仿真,選修課程為管理信息系統、智能制造經濟學、機械工程材料、市場營銷、經濟法概論、服務工程、安全工程、可靠性與設備管理、圖與網絡、精益生產與精益管理、管理學、Python程序設計、數據科學、倉儲系統設計,占總課程學分的50%左右。實踐教學課程體系中,主要包括的課程有物理實驗、普化實驗、工程實踐、電子電路設計、制圖測繪實踐、機械基礎實驗、專業實習、基礎工業工程實驗、人因工程學實驗、生產計劃與控制課程設計、質量管理課程設計、物流與供應鏈管理課程設計、建模與系統仿真課程設計、管理信息系統設計、專業綜合實踐、畢業設計,占總課程學分的25%左右。由上述課程體系的描述可知,目前的工業工程本科課程體系缺少專門針對創新方面的課程,同時每門課程的大作業缺乏創新能力培養方面的內容。另一方面,目前的課程教學均采用傳統教學方法,教學模式和教學手段有待改善。如目前一些專業理論課程中案例教學內容貧乏,課堂填鴨式教學較為突出,無法有效培養學生的創新意識和能力。為了達成創新人才培養目標,進行課程體系和教學方法的改革勢在必行。

3 適應創新人才培養的工業工程課程體系

工程類課程體系中所有課程必須根據工程認證的要求來進行設置,工業工程專業本科生畢業時要求具備12項能力:工程知識、問題分析、設計和開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習。為使同濟大學工業工程專業本科人才具備上述綜合能力,在原有課程體系的基礎上完善課程體系和教學方法,尤其突出學生的創新能力培養。

按照滿足工程認證,突出課程內涵與教學方法,辦出專業特色,培養創新型人才的課程體系改革和教學改革思路,本著扎實、面廣的通識教育基本要求,遵循專業理論教育的理論性、專業性、層次性、系統性原則,按照強化綜合能力、提高創新能力的培養目標,深入調研并分析國內外高校工業工程專業的課程內容設置,規劃與設計工業工程專業課程體系。由通識教育課程體系模塊、專業理論課程體系模塊、實踐課程體系模塊、創新課程體系模塊組成的適應創新人才培養的工業工程課程體系,其結構如圖1所示。

▲圖1 適應創新人才培養的工業工程課程體系結構

典型的課程體系結構有層次化課程體系和模塊化課程體系兩類[6-7]。這次課程體系改革仍然沿用2017年修正完成的模塊化課程體系,不同的是增加了創新課程體系模塊,特點是突破傳統學科專業知識領域的界限,按照培養目標來建立具有不同價值取向的課程體系,以滿足培養學生綜合解決問題能力和創新能力的需求?；诟叨酥圃鞓I與服務業的背景,打破傳統的學科系統,以創新能力素質要求為導向,設置相應的模塊化課程體系和課程內容。

此次課程體系改革,在繼承原有課程體系的基礎上,主要突出學生的創新能力培養,在各個模塊中增加與創新能力培養有關的課程內容或增設課程。在通識教育課程體系模塊中,具體課程與2017年修正完成的課程基本一致,占總課程學分比例基本不變,但一些課程中增加了創新能力培養的內容。如C/C++程序設計課程中增加了C++語言創新設計的內容。同時，在課程中增設了一門面向大一新生的創新能力培養課程——工業工程與創新。在專業理論課程體系模塊中,每門課程增加了創新能力培養的大作業。如系統工程課程增加了層次分析法在供應商選擇中應用的大作業,運籌學課程增加了基于CPLEX軟件的小規模旅行商問題求解大作業,基礎工業工程課程增加了快速換模技術在一級方程式賽車換輪胎、加油中應用的大作業,生產計劃與控制課程增加了基于遺傳算法、粒子群算法、進化算法等軟件算法的流水車間調度優化大作業,物流與供應鏈管理課程增加了基于智能算法的分銷中心優化選址大作業,質量管理課程增加了基于神經網絡的表面粗糙度評價大作業,人因工程學課程增加了適應不同人群的汽車座椅設計大作業,建模與系統仿真課程增加了帶緩沖的串行生產線產能仿真大作業,可靠性與設備管理課程增加了具有衰退特征的設備預防性維護策略大作業，精益生產與精益管理課程增加了基于價值流圖析技術的汽車轉向支架生產系統精益改善大作業。實踐課程體系模塊主要包括專業課程設計，增加了創新能力培養的內容。如生產計劃與控制課程設計中增加了流水線調度建模與優化設計,質量管理課程設計中增加了基于6σ理念的質量改善設計,物流與供應鏈管理課程設計中增加了供應鏈優化管理設計,建模與系統仿真課程設計中增加了銀行存取款一體機的顧客到達與等待服務仿真設計,管理信息系統課程設計中增加了學籍管理信息系統設計。對于實踐課程,在學生生產實習過程中,充分發揮學生的主觀能動性和創造性,引導學生對生產流程或設備運行中存在的問題提出自己的見解和解決問題的方法,使學生學以致用,切身感受應用理論知識解決問題的魅力。畢業設計論文部分提高了綜述部分的要求。新增加的創新課程體系模塊,主要目的為在專業課學習階段使學生學習如何從創新角度去審視、解決工業工程問題，具體課程有工業工程實踐與創新、機械工程實踐與創新。

4 適應創新人才培養的工業工程教學改革

為了配匹適應創新人才培養的工業工程課程體系改革,相應的課程教學方式和手段也必須改革。教學方式和手段在課堂及課外教學中扮演著重要的角色[8]，如何改革以往的教學方式和手段,提高適應創新人才培養的工業工程教學水平,是后續教學改革的重點。

隨著時代的進步和科技發展,教學方式和手段也一直在不斷完善。目前，同濟大學工業工程專業的教學采用混合式,針對不同的課程采用不同的方式,主要包括填鴨式、翻轉課堂、案例、現場作業、研討會、主題討論。無論如何組合上述各種教學方式,目前課堂教學的基礎都是采取啟發式和填鴨式共存的教學方式,且填鴨式課堂教學占主導地位。可見,這種教學方式已不能滿足創新人才的培養。創新人才培養離不開創新意識、創新能力和創新精神的培養[9],通過教學方式來實施時,主要采用啟發式教學,如案例教學、翻轉課堂、研討會、主題討論。為此,適應創新人才培養的課程教學改革需要注重啟發式教學在教學過程中的應用,同時使啟發式教學成為課堂教學的核心。

筆者以系統工程課程為例，討論適應創新人才培養的教學改革。系統工程課程是工業工程專業的一門核心基礎專業課程,改革時除完善課程大綱外,教學方式和手段都有所改善。系統工程的核心內容由整體觀的系統論、解決硬問題和軟問題的方法論、系統動力學模型、預測、系統決策、系統評價組成。在進行整體觀的系統論、解決硬問題和軟問題的方法論知識點講解過程中,引入案例教學方法,盡量使學生在創新意識、創新能力及創新精神方面得到培養。如引入田忌賽馬案例，使學生進行發散式思考,如何從全局觀的角度來分析和解決問題,并以此作為切入點,使學生后續進行類似案例編寫并做總結匯報。預測、系統決策、系統評價知識點包括定性分析和定量分析內容,盡量引入研討會教學方式[10],課前布置課程內容預習,并給出與課程內容相關的命題,使學生按照國際會議做匯報的方式做出英文幻燈片,進行英文演講,并相互提問。系統動力學模型內容采用主題討論教學方式進行,主講教師布置課堂討論主題,如將典型制造企業的庫存控制系統作為討論主題,課前使學生查閱各種資料并進行閱讀,在此基礎上形成自己的觀點,并建立系統動力學模型。在課堂上,每組學生用幻燈片形式進行匯報。每個小組匯報完成后,主講教師進行提問及評價。主講教師還會根據課堂的內容進行小結與反饋。課外學習方面,除了查閱資料和預習教學內容、資料外,主講教師還布置課外大作業,學生完成后在課堂上用幻燈片進行匯報。

對于其它課程,如基礎工業工程、管理信息系統、精益生產與管理等,教學方式在不同程度上采用案例教學及研討會等,同時會更加注重翻轉課堂模式的應用。

對于教學手段,在原有的以多媒體教學為主、以板書教學為輔的基礎上,增加了智能移動電話之類的便攜式智能終端。學生在課堂中通過智能移動電話查閱生產計劃與控制課程內容中的準時制理論應用內容,包括文字、圖像、動畫、視頻等,給學生一種直觀、可視化的展示,使學生容易掌握與工程實際相結合的知識點,不僅可以提高授課內容的生動性和可理解性,而且可以明顯提高教學效果和效率。

5 科學評價體系

建立科學合理的工業工程專業教學評價體系,客觀衡量學生的理論知識掌握程度及創新能力,對后續學生的綜合評價和教師的教學評價具有重要意義。不同學校、不同院系有不同的教學評價體系,適應創新人才培養的工業工程專業教學評價體系,應該是多元化的教學評價體系。

工業工程專業本科教學評價體系既要重視課堂教學評價,同時又要強調課外自學能力和創新能力的評價。在課堂教學評價方面,以記錄、互評、教師評價等手段為主,占總成績的15%。課外自學能力和創新能力方面，課外作業用于掌握理論知識點的評價，大作業用于理論與實踐相結合的應用性、創新性評價，個人論文用于綜合能力和創新能力的評價,占總成績的25%。理論教學效果評價采用閉卷或開卷考試，考試的知識點必須涵蓋教學大綱中涉及的工程認證要求的具體內容,占總成績的60%。

6 結束語

筆者分析了當前的工業工程專業本科課程體系,同時進行了適應創新人才培養的工業工程專業本科課程體系改革研究,對四個課程體系模塊的課程內容進行了改善,并對專業課程中適應創新人才培養的內容進行了改善。在此基礎上,對課程教學方式進行了改革,以系統工程課程為例介紹了教學方式的改革,同時進行了課程教學評估研究。本次課程體系和教學改革對學生創新能力方面的培養具有較大作用,對后續工業工程專業創新人才的培養具有重要意義。