建模与仿真课程设计的教学实践与探索

陈雷雷, 李 俊, 沈妙妙

(1. 上海海洋大学 工程学院； 2. 上海电机学院 商学院， 上海 201306)

0 引 言

系统建模与仿真主要指离散事件系统仿真相关理论和方法，是工业工程专业教学和科研的重要手段。通过系统建模与仿真的方法，人们可以进行生产系统和服务系统的设计、评价和验证，可以在计算机中对现实中存在或不存在的企业系统进行模拟、试验和评价。它已成为人们认识和研究复杂系统的重要途径。在美国工业工程专业开设的所有课程中，系统建模与仿真课程的开设热度排名第二[1-2]，大多数的美国院校的工业工程专业开设有该课程。

建模与仿真课程设计作为系统建模与仿真理论课程的延伸和应用，是学生在掌握了系统建模与仿真的基本理论、基础知识的前提下，综合运用该课程及相关课程的知识完成相应的实践课题的过程，目的是培养学生综合应用建模与仿真手段解决问题的能力和意识。实践环节的教学质量对学生的动手能力和创新能力的培养有着根本性的影响[3-5]，作为应用性很强专业——工业工程专业更是如此[6]。文献[1-2]通过中外工业工程专业课程设置的对比，论证了实践教学环节的重要性，而文献[7-9]则分别从成都理工大学、三峡大学和郑州航空工业管理学院的工业工程办学实践中总结了实践环节对于该专业人才培养的重要性并对各自学校的实践教学体系进行设计和分析。文献[10]提出以仿真手段支持工业工程专业理论和实践教学的设想，文献[11]研究了仿真软件对生产管理学课程教学的促进作用，文献[12]则以广西工学院管理系为例，探讨管理仿真软件对学生能力培养的作用。 总而言之，建模与仿真课程设计的教学质量对工业工程专业人才培养水平有显著的影响，可体现在如下3个方面：① 让学生掌握某一类或一种仿真建模软件和方法；② 使学生学会灵活应用系统建模与仿真的相关理论和技术；③ 给学生思考与实践的平台，用以应用和试验其他相关理论和知识，提升实践意识。

但目前关于如何提高建模与仿真课程设计的教学质量研究和讨论还比较少，文献[13]简述了生产系统建模与仿真课程在理论和实践教学两个方面遇到的问题，并给出了一些改进的想法，但未进行具体过程和效果的分析，文献[14-15]则介绍其虚拟现实与系统仿真实验的教学环境，并简要描述了其教学过程。本文从专业特点和课程结构出发，分析建模与仿真课程设计的支撑体系及存在问题，并阐述在该课程设计教学过程中进行的改革实践，进而提出该课程设计教学模式的进一步改革和探索。

1 课程设计支撑体系及问题分析

目前，在全国已有近200所高校开设有工业工程专业，建模与仿真相关的课程设计也是国内高校开设较多的实践教学环节。开设方式有独立实践和随课实践两种方式，随课实践对于加强建模与仿真理论课程学习有较大的帮助作用，独立实践环节则更加强调实践环节的综合性。我校以独立实践方式开展建模与仿真课程设计的教学工作，开设高质量的独立实践环节对工业工程专业人才培养有较大的促进作用。作为独立课程设计，它引导学生将系统建模与仿真课程相关的理论和方法作为工具，结合相关专业课程的理论知识研究生产实践中的现实问题，就工业工程专业知识体系而言，建模与仿真课程设计的支撑体系见图1所示。以生产管理学为例，课程设计中学生可以就生产管理学中的生产计划问题、作业排序问题及生产线平衡问题等展开建模和仿真，通过程课程设计不仅能够加深建模与仿真的相关知识，更重要的是锻炼学生应用生产管理学相关方法解决实际问题的能力[11]。其他课程也是如此。

图1 建模与仿真课程设计支撑体系

建模与仿真课程设计独立实践环节，一般安排2周左右时间集中进行，围绕某一仿真软件平台，由教师集中进行软件教学后，学生利用软件进行仿真建模。这种安排模式，学生能在较短时间内集中学会仿真软件，但长期的教学实践中也暴露出了一些困难和问题：

(1) 时间短、内容多，教师教学与学生建模难以权衡。由于整体教学时间较短，且仿真软件一般只能在专业机房使用，若仿真软件教学安排过多，课程设计常常沦为软件培训，学生掌握了软件的基本功能，却没有时间自行进行实际问题的抽象和建模。若用较少的时间安排软件教学或安排软件由学生自学，学生有较充足的时间研究和抽象问题，但却无法在软件平台上实现。

(2) 重实现、轻分析，学生专业意识培养效果不佳。为期两周的课程设计中，学生在建模与实现时，学生往往对在仿真软件进行模型的实现比较感兴趣，而所实现模型是否与现实系统吻合则关心较少；在仿真分析时，往往只对数据进行简单描述，很少分析数据背后的理论原因；在仿真改善时，往往只对某几个甚至是一仿真参数进行修改，很少关心参数调整背后的实际意义。

(3) 考技能、视效果、兼深度，全面考核存在困难。课程设计作为有软件操作的实践环节，既要考察学生软件操作的专业技能，又要通过效果评判学生仿真抽像和建模的水平，同时，还要核实学生结合专业知识分析的程度。因此，传统的课程考试和简单的课程报告难以进行全面考核，没有全面、公正地考核方式就难以真正激发学生的学习积极性。

2 课程设计教学的改革实践

当前流行的离散事件系统仿真软件很多，有ProModel、eM-plant、Witness、AutoMod等，我校选用了ProModel软件。其原因主要有：① 易学性较好，1周的教学课时可以较好地完成软件全部功能的教学；② 易用性较好，学会基本功能后，比较容易通过图片化的手段实现一般离散事件系统的仿真建模。而且在国内外企业中也有一定的应用面，比较适合工业工程本科专业的教学。

2006年以来，根据教学效果及存在的问题进行了一系列的调整和尝试。如：为了保证课程设计能覆盖所有重要的专业课程，以及避免和学生考研、实习等冲突，将课程设计时间调整到了第7学期初进行；为了让学生能有足够多时间自行进行建模与分析，将以往完成软件教学后才展开学生考核项目建模，改成并行模式，即软件教学到一定程度就开始布置学生考核项目，使得学生自主完成项目的时间大大延长，也延长了考核时间，能更全面考核学生完成情况(见图2)。 这些教学调整均到达较好的教学效果，尤其是教学考核并行模式很多程度上缓解了教师教学与学生完成项目时间上的冲突。

图2 并行模式与传统模式对比

与此同时，也对教学内容也进行了充实：

(1) 根据社会需求更新了大纲和内容。根据社会对于人才的最新需求，在教学内容上增设了MTO仿真实现、拉动式生产仿真实现等教学内容。

(2) 编写了同时适合教师教学和学生自学的课程设计教程。为了防止学生机械式学习软件操作，在教程中的每一部分都穿插了要求学生举一反三式思考的练习要求。

(3) 广泛进行文献和企业调研。整理了覆盖面相对较全的仿真案例库。案例库在课程设计教学中起到了两个作用：① 难度较低的案例可以供学生辅助学习，② 难度合适的则可以充当课程设计考核项目。

通过近8年的教学实践，这些逐步展开的改革工作都取得了很好的成效，学生对课程设计的认可度越来越高，同时，毕业设计中选择与仿真建模相关课题的学生也逐年增多，甚至有学生毕业工作后仍回到学校借用仿真软件解决实际问题。

3 教学模式的探索

建模与仿真课程设计由于要将抽象的理论与软件的实际操作结合，其教与学都比较困难，再加之学时上的限制，要在短时间内较好地完成该教学环节，仅靠以上教学安排的调整和内容地充实还是不够的，教学模式的创新更为重要，为此，我们也进行了一些探索，以期达到整体教学—个人学习—团队学习三位一体、相互促进的教学效果。

(1) 侧重点由教师“教”到学生“学”的转变。比起教师“教得精彩”，我们更重视学生“学得踏实”。以往课程设计的软件教学阶段，主要以培训式的教学为主，老师讲的内容多也很充实，但学生学习效果往往很差。经常是跟着操作没问题，但不知道为何如此操作，到自己动手更是不知如何操作，更别提将相关专业知识融合进去。为此，通过教学内容的合理安排和精心设计，将培训式教学转变为启发式教学，具体的做法是：只讲解软件最基本的操作，教学案例模型则是在老师辅导下由学生自行完成，提高部分以思考题的形式完成，并通过学生模型与教师模型仿真结果的对比来验证模型的正确性和讨论问题所在。通过这样的方法，可以引导学生自主学习，并将学习延伸到课堂之外，课堂上未能完成的内容学生可以选择在课后自行完成。当然，为此也做了精心的准备工作：首先，学生课后要学习，仿真软件就必须突破实验室的限制，通过架设服务器使得在校园网范围内，仿真软件均能接入并正常使用；其次，课程设计教材要做大量的改变，使之适应于这种模式。

(2) 学习方式实现个人学习和团队学习的结合。实践环节能较好地提升和培养学生团队协作能力，同时，团队学习也有助于提高课程设计的教学效果。在建模与仿真课程设计的历年教学实践中，可以发现，对于仿真理论的认知，对于仿真软件操作的学习，学生中总有一些人学习速度特别快，而另有一些人则掌握速度特别慢，水平参差不齐。纯粹的整体教学常常使得教师疲于应付，辅导中经常重复较基础的问题，教学效果大打折扣。因此，利用学生水平参差不齐，通过分组学习，分组考核，学生小组内能构成较为融洽的自组织式的学习团队，不仅减轻了教学压力，避免了基础问题的重复解答，而且提升了教学效果。另外，学生在分组学习和完成项目的过程中还能够促进学生团队协作能力的提升和团队意思的增强。

(3) 考核从“单一”向“全面”改变。考核是建模与仿真课程设计教学的最大难点之一，单一考核建模效果往往难以全面、公正地考核学生的学习情况。为了能够较公正、全面地进行课程设计的考核，我们将考核划分为3个阶段：① 软件学习时，以考察软件学习态度和效果为主；② 自行完成项目时，以考察学生团队组织及团队学习效果为主；③ 结束时，要求学生完成课程设计报告，演示其仿真模型并答辩，主要考核学生仿真建模的效果、操作熟练度、分析能力以及报告撰写和展示能力。

4 结 语

工业工程专业的研究对象大多为制造、物流或服务系统，对于这些大型系统管理和运作的研究，仿真是重要的手段和工具，有时甚至是唯一的手段。随着我国产业的转型和现代化，在未来，这一技术手段还会越来越重要。为此，建模与仿真课程设计的开展与教学质量的提升，对于工业工程专业人才培养质量的提升有着较长远的意义。自开设建模与仿真课程设计以来，我们一直在学时受限的前提下，进行教学的改革与探索，教学安排上日臻成熟，内容上也日渐充实，教学模式上也在不断汲取相关领域的成功经验。近年来也取得一定的效果，学生对课程认可度逐年提高；选择仿真为基础的毕业设计的学生也逐年增多，至2013届已有20%多的学生选择了仿真相关的课题；所培养的学生也受到了相关企业的认可。当然，我们还会对教学改革的效果进行进一步的追踪，也会为提升课程设计的教学质量进行更深层次的研究和探索。

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