基于情景教学的创新实践教学平台研究与实验过程设计
[中图分类号]G420
[文献标识码]B
[论文编号]1009－8097(2011)10－0112－05
一 引言
大学生实践创新能力培养是高等教育教学改革的核心目标之一，近年来，实践教学理论研究在师生互动、兴趣激发等方面均有诸多有益的探索和尝试，并提出了新教学环境下的“感知一理解一深化”三阶段教学理念。但由于受实践教学形式单一和实践教学经费投入不足等因素的制约，与学生创新能力培养相适应的教学体系尚待完善，理论讲授多于教学互动、实践教学形式多于内容等问题仍较为突出。
实践教学体系的构建和过程的完善需要创新实践教学平台，实践教学形式的丰富和质量的提升需要情景教学场景和案例库的建设。以生产与运作管理为核心的物流工程专业课程教学具有极强的实践性，需要考察企业生产系统及物流管理各环节的运行、规划及设计，其教学过程必须使学生首先建立生产现场及企业物流的物理概念和感性认知。近年来，随着生产实习机会的减少，学生对企业生产物流及供应链运行缺乏真实、直观感受，加上教材抽象的数理阐述，极大影响了物流工程专业课程的学习效果。为此，以物流工程专业课程实践教学的特点和需求状态为背景，研究大学生创新实践教学平台更具现实意义。
本研究以Flexsim仿真软件为基本工具，研究适于情景教学的创新实践教学平台，试图通过创设、模拟具体的生产场景，仿真企业物流及生产系统的运行，使学生置身于企业生产活动和供应链运行的虚拟环境中，并充分运用系统提供的设计方案与优化功能，推进教学互动过程，激发学生的创新思维，突破实践教学形式和生产实践经费限制，优化教学质量，提升教学效果。
二 创新实践教学平台的内涵和功能要求
1 创新实践教学和创新实践教学平台
实践能力是人在实践活动中培养和发展起来的解决实际问题的能力，创新是人们改变客观现实的创造性活动。创新能力的形成和发展以实践活动为基础，实践能力是创新能力形成和发展的重要前提条件；创新的结果和效果需要通过实践才能在现实世界中体现出来。
创新实践教学是根据认识的本质和规律、实践的特点和作用以及教学的目的和要求而开展的创新实践活动。创新实践教学的主体是教师和学生，客体是教学内容和对象，包括自然对象、社会对象和精神对象。创新实践教学是学生将理论应用于实践的试验场，学生在掌握实验方法、操作规范和技能的基础上，反复进行各种练习和操作，易于形成发现问题、分析问题和解决问题的实践能力；创新实践教学是培养学生综合素质与能力的课堂，在创新实践性教学环节中，需要多学科知识的交叉和综合运用，有助于学生综合素质的培养和解决复杂问题能力的提高；创新实践教学是沟通学生与社会之间联系的桥梁，实践活动往往伴随着大量的社会经济、自然环境和生产工艺等各方面问题，学生在解决这些问题的过程中，自身素养于实践中得到磨练。
物流工程及企业现场管理等专业课程教学的总体趋势是压缩课堂教学课时，增加生产一线的现场教学。西方发达国家采用的双导师联合教学的两阶段模式，同时附以案例教学、实验室模拟演练等，取得了较好的教学效果。从一定意义上说，创新实践教学平台通过运用先进的信息技术、创设教学情景和案例模拟，增强了学生的动手能力，真正使学生融入“感知―理解―深化”的学习过程，从而改变学生技能培养中单纯的以注释与理论阐述为主、实践活动局限于课后上机实验等离散性、孤立性过程的局面，真正达到实践教学的目的。
2 基于生产场景创设的创新实践教学平台的功能要求
根据现代物流工程教学的特点，物流工程专业实践教学更强调学生系统分析和解决问题能力的培养，重视企业生产系统方案设计和优化方法的掌握。创新实践教学平台建设的基本目标是使学生更积极主动地参与教学互动，培养学生良好的动手习惯和提出问题并解决问题的能力，从根本上强化物流工程专业本科教学的实践特色。为此，创新实践教学平台首先应当考虑创设基本的企业生产与物流场景，应当主要体现学生动手操作与情景分析相结合、演示性与研究创新性相结合、计算机仿真与案例相结合三个基本原则。通过创设生动的生产物流和供应链情景，引导学生从系统工程的视角去观察企业生产流程，思考企业生产现场和供应链运行过程中可能存在的问题；以案例库为载体引导学生进行自主探究性学习，借助Flexshn仿真系统，使学生置身于企业生产活动和供应链运行过程的虚拟环境中，亲身参与供应链规划与设计。根据以上指导思想，物流工程专业情景下创新实践教学平台应当包括双向互动与过程参与、创新过程引导与控制、模拟反馈与方案优化、案例与创设场景的更新等方面的基本功能要素。
双向互动与过程参与。即物流工程专业情景下创新实践教学平台强调学生参与的主动性，打破以往被动学习的局面，注重训练学生基本技能，这一过程是学生和平台系统的信息交换过程。通过教学过程的互动，促进学生主动参与；通过角色参与，促进理性感知。在此，学生可以参与的实践教学环节主要有：参与实验模拟和角色体验场景，培养学生对生产现场的认知；参与Flexshn仿真实验过程，培养学生动手解决问题的能力；参与案例环节，为学生进一步优化方案打下基础，培养学生思维的逻辑性和广阔性。
创新过程引导与控制。创新实践教学平台的目的在于模拟工业企业生产经营系统的设计和运行，为了保证平台的正常运行和教学效果，整个实践教学过程应当由教师严格控制和引导。通过教师引导和角色设定，使学生从不同视角对企业生产与物流运行情况进行观察和感知，激发学生的全局创新意识。创新实践教学平台的可控制性表现在：控制情景教
在创新实践教学平台系统中，为了向学生直观地展现现代企业生产管理系统，描述企业生产物流系统物理模型设计的全过程，系统设置了实物模拟场景、角色体验场景、仿真实验场景设计等三个依次递进的层次结构，实物模拟场景能学的进度，确保实验过程顺畅进行；控制访问权限，提高教学平台的安全性；以学生创新性学习为中心实行控制管理，实现整个教学平台全面控制与仿真实验重点控制相结合，尝试实验案例刚性控制与示范案例柔性控制相结合。
模拟反馈与方案优化。创新实践教学平台通过对创设场景下的生产与物流方案进行模拟运行，并对运行结果进行分析，输出模拟系统方案的运行状态，从而为系统参与主体反馈系统(方案)参数，引导学生对既定生产方案做出评价，进而通过对学生提出的设计方案和仿真模拟结果的比较，引 导学生进一步优化方案，在创新实践教学平台运行过程中培养学生的创新性思维。
案例与创设场景的更新。基于物流工程专业的创新实践教学平台所提供的情景库、案例库，以及方案优化方法等，应当根据生产实践和教学要求，进行相应的变化和更新，从而保证模拟教学平台的适应性。随着时间的推移和生产实践等外部条件和情况的变化，要考虑不同生产环境及系统的要求，不断发展、更新场景和案例，并设计、构造方案优化模式。
三 创新实践教学平台的模块结构
从广义上讲，基于，隋景教学的大学生创新实践教学平台可应用于几乎全部的管理及物流工程专业课程实践教学。物流工程与管理涉及企业物流系统设计、诊断、优化和信息管理等，物流工程专业的主干课程(系统工程、物流与供应链管理、设施规划与设计、生产运作管理等)均可以使用该平台进行实践教学。根据创新实践教学的基本要求，基于情景教学的大学生创新实践教学平台的核心包括以学生为主体的Flexsh'n情景模拟与仿真、以教师为主体的教师管理、师生共享的资源案例库等基本功能模块，为了保证系统的可操作性，并满足课前及课后教学管理的需要，平台系统还应当包容方案优化与系统分析、学生成绩考核、系统档案管理等辅助功能模块。具体的功能模块结构如图1所示。让学生了解现代制造企业生产、物流等设施的布局。角色体验场景让学生积极主动参与，进入企业生产物流系统的角色中，体验情境。Flexsin仿真实验场景设计是创新实践教学系统的重要内容，可根据生产环境和具体要求，引导学生进行虚拟的实验场景自主设计。
Flexsim软件作为新一代离散事件系统仿真的有效工具，它可以建立集建模、仿真和可视化于一身的真实生产系统的3D模型，能快速进行企业生产物流系统建模和优化，从多个备选方案中找出最优方案；还可以用动画演示的方式模拟生产系统的运行流程。并且，Flexsim软件操作简便，易于学习，非常适用于实践教学，学生可以根据生产系统的设计要求，通过设定和选择生产系统参数对企业生产物流系统建模仿真，并在Flexsim中编制相应程序，模拟实际生产物流系统运行状况，统计和分析模拟结果。Flexsim仿真实验的一般步骤为系统调研与问题分析、制定方案与目标、系统描述和假设、收集数据和信息初步处理、系统模型构建、确定仿真算法、建立仿真模型、运行验证和确认模型、系统方案分析、修改系统参数、重复仿真运行和分析，直至输出最优方案。
应当说明的是，作为创新实践教学平台系统运行的基础和前提，系统的案例库是情景教学的另一个重要内容，具体包括示范案例及实验案例等。其中，示范案例适用于初学者了解及掌握Flexsim仿真系统，熟悉仿真实验的流程及操作。实验案例则根据课程的教学内容编写，对每一实验均有标准模型、运行结果及系统分析，学生只有完成每次仿真实验，才可以查看案例运行的结果，并自行对照标准运行结果，分析自己的实验结果，提出改进模型及方案。案例库的建立和情景教学系统两者互为补充，情景教学系统帮助学生最大限度弥补生产实践感性不足的缺陷，真正学会如何进行生产系统、生产物流设施规划方案等的设计，而案例库帮助学生理解和消化一定的内容，使情景实践教学平台的功能发挥得更加淋漓尽致。
另外，教师管理系统模块除了可以设置教师访问和更新指令外，主要还用于教师发布相关教学与案例资料、协调与安排实验内容等，指导学生参与实验，同时监控实验教学过程、并对实验结果进行检查和评价，有利于进行实践教学经验交流。
四 企业生产与物流系统实验教学过程设计
1 现代企业生产与物流系统场景模拟与感知
企业生产与物流系统实验教学过程设计环节，旨在通过具体的实验教学过程模拟和说明，进一步明晰实践教学平台系统的运行过程。首先，利用创新实践教学平台，可以引导学生在实验室建立一个柔性化的、可组合式的现代生产企业小型生产过程及物流模拟系统，按照生产及物流设施布局的一般要求配置生产及物流设备，包括生产企业原材料入库、出库、半成品加工、生产流水线装配到成品入库各个功能环节的物料搬运过程，可真实体现制造型企业物流与生产计划控制的集成过程。
模拟场景设计结束后，即进入角色体验阶段。指定各实验小组在生产流程中的角色，要求按所分配为的角色功能设计设备及设施参数。角色体验环节是以真实的工业生产过程为对象，在对产品结构分析、工艺流程分析和BOM设计的基础上进行理论设计，然后利用Flexsim仿真系统开展系统规划与设计技能训练，让学生在亲身体验中理解货位管理基本理论和基本参数设计要求。
2 生产系统仿真与优化模拟实验
生产与物流系统实物模拟场景和企业仓储管理系统的角色体验场景，是从两个不同角度简要说明创新实践教学平台的基本运行条件。不论是实物模拟场景，还是系统角色体验场景，均可以根据不同的教学需要进行有针对性的选择(视系统情景库的更新频率而定)。创新实践教学平台的仿真实验宜采取学生个人独立完成的形式，全部完成规定的实验内容后，同学、师生之间可以相互探讨所设计的方案并探寻优化方案。以下以企业生产系统方案设计为例，简要描述创新实践教学平台的运行过程。
(1)实验目的及实验原理
该生产系统模拟企业生产车间内由三道工序组成的流水生产线运行情况，原材料经加工、检验、包装三道工序后，成品经运输机送至仓库货架。实验的目的是：①让学生了解生产线的系统设计；②学会添加和设置生成器Source、暂存区Queue、处理器Processor等常见实体；③运用Flexsim系统，按各设计方案运行生产线，观察各自的运行情况，对比运行结果，进行方案优化，探寻最优方案。
实验及优化原理是通过模拟和观察各方案运行状态，在参与和体验中理解生产线布局和运行的基本方法，使学生掌握生产系统优化的基本途径与方法。
(2)实验步骤及内容
通过Flexsim系统创建生成器Source、暂存区Queue、处理器Processor等实体，其次，对各实体设置合理的运行参数，构建模型布局并定义物流流程。让学生将对Flexsim的对象库及对象分类有所了解，并且掌握创建实体及通过端口将实体对象进行连接的操作方法。
本例中，实验模拟具有三道工序的企业生产线的生产过程，每道工序配备一名操作人员；成品首先由传送带送至暂存区，然后由运输机送至仓库货架。本案例包括原料和成品在内，一共将会出现4种不同的产品形态，发生器生成4种不同颜色的临时实体来进行模拟。红色临时卖体表示原料，黑色临时实体表示经第一次加工后的半成品，蓝色临时实体表示经第二次加工后的半成品，浅绿色I临时实体表示第三次加工后的成品。原料到达速度为2秒／件。参数设置如图2、图3所示：
参数设置是实验合理运行的保证，学生通过这一过程可 掌握参数设置的方法；编译并运行仿真模型，学生可通过饼状图直接观察到运行结果的差别，切身体验参数设置的重要
整个实验过程中，学生均能直观观察各个生产实体运行的状态信息，了解系统空闲时间分布以及生产线的均衡状态。由此，本系统的运行过程同时也能引导学生进行优化方案阿设计。观察生产线仿真模型的系统状态图，可发现模型存在的问题。在该仿真模型中，工序一空闲时间比约为50％(蓝色部分)，并且货物缓存区存在明显货物积压情况。此时，学生可对模型进行优化，提高原料到达的速度，并增加性。图4为某时刻生产线加工、检测实验过程截图及工序一工作效率饼状图。运输车数量。变更参数设置，将原料到达速度提高到1.4秒，件，并增加一台运输车B，再次编译、运行仿真模型，如图5所示。对比运行结果，可发现工序一工作效率约为70％，并且暂存区无明显货物积压，生产线处于良好运行状态。模型的优化是循序渐进的过程，需要经过多次的修改实验，才能确定最优的设计方案。
最后，通过撰写实验报告，教师可引导学生查看实验案例库中关于生产线系统设计要求、参数和规范，对照学生自己设计的系统，总结设计经验、分析教训，引导学生加深对实验过程、优化方案以及相关专业知识的理解。
五 结论与展望
创新实践教学平台通过创设生产场景，充分利用计算机仿真技术、信息技术等，可以满足物流工程及生产管理多门课程的实践教学需要，大幅度提高学生的动手能力和创新意识。对于学生而言，创新实践教学平台提供了完成实习与课程设计、毕业设计等实践活动的机会，有利于激发学生的创新性思维，充分发挥学生学习的主动性、积极性；使得学生对企业生产与物流流程等过程有了直观感受和切身体验，有助于学生对当前学习内容所反映事物的本质、规律形成较深刻的理解，促进认知结构的形成和完善。
从长远看，经济管理类专业的本科教学乃至研究生教学，都应该从物理模型的角度重视实践教学环节和学生实践能力培养，加强学生对物流工程系统理论的理解，促使实践创新能力的提高。同时，基于情景教学的创新实践教学平台也有利于在借鉴和引入西方的“两阶段教学”经验的基础上，使经济管理类专业的所有实践教学朝着更加系统化、柔性化的方向发展，促进创造性思维和创新性教学。
