[工业工程教学实验体系制作及创建]工业工程实验

工业工程教学实验体系制作及创建

1工业工程教学现状 工业工程是一门多学科交叉、实践性很强的边缘学科, 具有工程性、社会性和创新性等特征。本专业培养具备现代 工业工程和系统管理等方面的知识、素质和能力，能在工商 企业从事生产、经营、服务等管理系统的规划、设计、评价 和创新工作的高级专门人才。根据目前工业工程专业的课程 设置，需要教学实验的专业主干课程有：基础工业工程、人 因工程、物流工程、管理信息系统、生产计划与控制、企业 资源计划、质量工程、工程经济学、项目管理、供应链管理 和现代制造系统等。现代工业工程是企业和整个产业经济摆 脱困境、赢得竞争优势的有效武器，工业工程学科的发展是 决定产业成功与否的重要因素之一，能因应时代变迁的工业 工程技术更能提升国家整体竞争力，因此如何有效地发展现 代化之工业工程技术，以提升国家竞争力，为当务之急。发展工业工程的一项重要工作是人才培养，我国最早于1993年 招收工业工程专业的本科生，目前已有100余所院校设有工 业工程专业[1]。

与国外相比,我国工业工程教学体系中实验课程的设置 相对较少，手段较为单一,这容易导致学生理论知识充实而 实践能力差的情况，不利于推动实用型和创新型工业工程的 培养。因此，如何建设工业工程专业实验室、开设实验以及 完善教学实践体系，更好地将工业工程教育与社会需求紧密 衔接，培育出确实能够将理论与实践相结合的工业工程专业 化人才，已成为现代工业工程教育所面临的亟待探讨和解决 的问题[2~3]。

2专业教学实验体系构建的思路 2.1工业工程的特征 （1）IE是一门集自然科学、社会科学、工程学和管理 学等的综合、交叉型科学，其善于兼收并蓄，不断扩展所涉 及的领域，因而工业工程师是一种复合型人才。

（2）IE将技术与管理有机结合，特别强调综合性和整 体性。追求由人、物料、设备、能源、信息等生产要素所组 成的综合系统各因素的合理配置、协调运行，充分发挥各自 的效能，达到提高生产率、降低成本、实现最佳的整体效益。

（3）IE的工程属性很强，其工作原理是采用工程分析 与设计的原理和方法，强调定性分析与定量研究相结合。

（4）现代IE不仅是一种工程技术，而且还是一种哲理，特别强调发挥系统中人的作用，在研究组织设计与重构、人 员评价、激励手段等时往往采用工业工程的方法。

2.2教学实验体系的建设原则 （1）强调基础技能，面向现代化。从IE发展历程和国 外应用经验来看，基础IE是发展的起点，是现代IE的基础和 组成部分，其应用是最普遍的。同时注重与时俱进引入现代 技术，包括无线射频识别系统（RFID）、红外传感器、激光 扫描器件等在内的各种信息传感设备和包括全自动立库、电 子价格标签、电子看板、可编程序控制器（PLC）等在内的 各种自动化、可视化的监控设备相融合，形成基于物联网技 术的现代工业工程教学实验系统。

（2）实验体系硬件与软件并重。现代IE要求工程技术 人员必须具备很强的实践和工程分析与设计能力，因此IE实 验体系建设要软硬两手抓，即购置相关实验设备，提供真实 的人机操作环境，同时配备相关实验软件，利用虚拟仿真平 台，借助网络信息技术开展内容丰富的网络模拟实验，为学 生提供实践、诊断、设计的完整场所[4~5]。

（3）注重实验体系的开放性和拓展性。工业工程的研 究领域从其传统的制造业拓展到了服务业，在实验室所营造 的模拟环境中开展以系统化、集成化、信息化、实时化、自 动化、透明化、敏捷化为标志的工业管理实践活动，包括对 为此而采用的所有现代化管理手段的操作实践活动；
并以精 益生产、看板管理、敏捷制造、全面质量管理等充分体现现代工业工程思维方式和理念的管理技术，作为实验教学系统 的主要内容。

（4）前瞻性的，可重组的工业工程实验教学体系。现 代工业工程学科教学的目标，已不再单单是希望通过理论讲 授、教学演示和动手操作，让学生了解和掌握工业工程学科 的有关知识、概念和技术，而是要求通过学习先进的现代工 程管理技术，能培养学生的工程分析、规划、设计和方案优 化的能力以及创新意识。因此，开展现代工业工程学科教学， 必须配合建设前瞻性的、可重组的现代工业工程实验教学研 究系统，这其中不仅应该包括柔性的生产制造实验模块、仓 储管理模块、企业生产信息管理软件等，还必须具有能够支 持有关现代工业工程学科教学和课题研究的实验作业对象 以及现代化的实验信息采集与分析工具等。

3教学实验体系的构建 南京航空航天大学是我国“工业工程”专业的发起学校 之一。长期以来，以综合素质教育为基础，以高技能和创造 力培养为主导，深入进行教学改革，培养既懂技术又懂管理 的复合型人才，使“工业工程”专业已成为一个创新型、开 放型、国际化的专业人才培养基地。南京航空航天大学的工 业工程专业实验体系建设以“教育要面向现代化，面向世界， 面向未来”为指导思想，以培养创新型和实用型经济管理类 人才为目的，以建设满足“厚基础、宽口径、强能力、高素 质”培养要求的实验实践教学体系为手段，合理配置教学资源，整体规划、精心设计、突出基础、强化特色，将系统理 论知识传授和专业技能培养相互融合，构建集情境依赖、模 拟仿真、实战体验为一体的满足学生基本实践技能培养与个 性化创新发展需要的实验教学基础平台，为培养满足新世纪 社会经济发展需要的工业工程人才创造条件。具体包括以下 方面的内容：
3.1教学实验层次 为了更好地实现工业工程实验室的功能和目标，针对工 业工程专业的特点，设计了3个实验层次（基础型实验，综 合型实验，创新型实验，如图1），在提供基础型实验、积 极开发综合型实验、满足专业培养目标基本要求的基础上， 鼓励和提倡创新型实验，通过整合、共享、发展、创新，实 现了从验证模仿型实验向设计创新型实验的转变。

（1）基础型实验（包含认知型实验和验证型实验）。

这一层次的实验是工业工程专业学生应知应会的基本实验， 与基础课程紧密联系，主要夯实学生的理论基础。认知性实 验通过录像和去企业实地参观，给学生以直观的认识；
验证 性实验，如：秒表测时实验、人的疲劳实验、动作研究、时 间研究、工作测定、学习曲线等，主要是与特定专业课程和 核心技能有关的实验，重在提高学生的专业能力和素养。

（2）综合型实验（包含设计型实验和综合型实验）。

设计性实验通常是结合特定课程所开设的实验，如物流系统 设计、装配流水线设计、方法设计，流程分析与作业分析等，这类实验需要应用相关课程的多个知识点，需要一定的技巧 和灵活性。综合实验则是综合运用多种专业知识的实验，通 常需要学生综合运用多门课程的知识解决实际问题，如生产 设施布局、生产能力校核、生产系统仿真等。

（3）创新型实验（包含研究性实验和创新性实验）。

第三层次属于研究创新性实验，其中研究性实验，主要是针 对部分参与教师科研课题的优秀学生根据课题需要所进行 的实验，如排序问题的优化算法、综合应用的混流生产线的 平衡、项目进度计划编制、工作结构分解、基础数据的收集、 数学模型的构建，以及生产与物流系统模拟仿真实验等。创 新性实验，学生可以根据自己的自主创新项目，选择实验平 台进行设计和验证等，如科技项目可行性研究、创业计划研 究、企业形象设计等。该层次实验是瞄准进一步提高学生能 力，特别是创新能力的实验，与学生参与实际课题以及学生 课外创新活动密切相关，重在提高学生综合运用各种专业知 识的能力和创新能力。

3.2教学实验方法 遵循“管理以实践为本，依托实践开展经济管理教育” 的基本原则，将系统理论知识传授、专业技能培养和综合素 质提高相互融合，构建了集情境依赖、模拟仿真、实战体验 为一体，分层次、分阶段、分类别满足学生基本技能培养与 自主化、个性化创新发展要求的实验教学体系。随着科技的 发展使得新的教学手段不断出现，实验教学手段也趋于多样化、现代化。

（1）企业参观。在实践过程中，通过组织学生去苏果 公司物流配送中心、南京中萃食品公司、南京金城公司等企 业实地参观，让学生观察企业车间布局、生产流程、生产计 划、现场管理、质量控制、设备管理等基层运作管理。

（2）实际操作。学生能身临其境地在针对岗位、流程、 任务的实践中，利用实验室提供的各种软硬件资源，如：管 理信息系统、RFID、条码扫描设备、手持RF信息采集终端、 工位信息采集播放器和生产流水线、立体仓库、自动出货分 类线、功率车、模拟驾驶仪等在内的各种生产、物流、人因 工程设施来完成实验指定的作业任务，解决企业工业工程实 践中各种问题。

（3）模拟与决策。引入沙盘模拟、BOSS决策软件、企 业生产模拟等模拟教学方式，通过让学生进行角色扮演，引 导学生变换角色。例如在啤酒游戏（BeerGame）、生产决策 模拟游戏、生产排程游戏（TOC）等教学环节中，通过角色 扮演，让学生扮演成现实世界中的不同角色，如公司经理、 财务主管、采购主管、生产主管等，对遇到的生产运作问题 进行讨论与决策，使学生在提高了学习兴趣的同时加深对概 念的理解。

（5）计算机建模与仿真。利用Witness仿真软件、 Flexsim软件、ERP软件、工业工程分析软件、SPC软件，可 进行流程改进、工厂物流模拟与规划、供应链建模与优化、操作分析与优化、质量控制等实验项目，按照现实生产或物 流系统，甚至是供应链系统运行，在计算机营造的虚拟环境 中模拟出与现实相应系统中的设施、设备具有相同属性的实 体，使其按照实际中的步骤从事特定的活动，然后，根据待 选方案的不同，改变此系统的参数，比较系统运行效果，进 而选择选择合适的方案。

（6）案例分析。有针对性地根据不同的知识点，分析 国内外企业实施工业工程的案例，包括沃尔玛、惠普HP、戴 尔电脑、丰田汽车、IBM、苏宁电器、南方航空、海尔等公 司的案例，通过这些经典案例的分析，使得学生能够深入快 速地理解和掌握工业工程的有关知识点。

（7）科学研究。根据老师科研课题和企业项目（精益 生产、流程优化、工时定额等），学生组成科研兴趣小组， 小组成员根据项目内容进行分工，小组讨论决定如何采集数 据、采用何种方法进行分析、用什么样的工具进行优化等等， 进行资料收集，通过实地考察、调研、决策与分析，最后提 交研究报告，培养学生的科研能力和团队协作精神。

3.3实验教师培养 努力建设一支高水平的实验教学师资队伍，进一步完善 课程负责人制度，并以此制度为平台，培养更多的中青年教 师，使职称结构、学历结构、年龄结构更加合理，进一步提 高实验教学师资队伍水平。通过进修、业务培训等手段，加 强对实验教学技术人员队伍的岗位技术培训，特别是加强现代实验手段、信息技术、材料技术及新型仪器设备的学习与 培训，全面提升其业务素质。支持教师开展实验教学研究与 改革，鼓励和支持教师将学科发展前沿、最新科研成果和最 新技术融入实验教学内容中，不断更新实验教学内容，开出 新的实验项目。

3.4实验教材规划 加强实验教学体系和实验课程内容的研究与创新。结合 航空、航天、民航的“三航”特色，以及现代企业发展对高 素质人才的需要，科学地评估现行教学体系和课程内容，进 一步完善实验教学计划及实验课程大纲，使教学体系和课程 建设为培养高水平工业工程人才服务。以实验教学体系构建 和培养学生能力为导向，不断创新教学内容，积极体现现代 实验技术的新手段，力求做到科学性、系统性、实用性和创 新性。对所有承担的实验课程、实验项目均编写实验指导书 以及实验教材，包括：工效学实验指导书、人机系统设计实 验指导书、工业工程实验指导书、流水线规划设计指导书、 物流规划与布局设计指导书、质量检验指导书、系统建模与 仿真实验教材等。

3.5教学实验室构成 南京航空航天大学工业工程实验室在“江苏省高等学校 基础课实验教学示范中心”的基础上，配有多样先进的实验 仪器设备、丰富的可供选择的实验内容以及科学的实验管理 体系，力争建设成国内一流工业工程专业教学实验中心。工业工程综合实验室由6个实验室构成（如图2）。

（1）基础工业工程实验室。培养学生运用工业工程的 理论与方法，结合企业的具体情况，创造性地解决各种工业 工程实际问题的能力。主要包括程序分析、操作分析、动作 研究、模特法应用、工时评价与秒表测时、流程分析、学习 曲线、人机操作分析等实验，先对操作过程进行一般性地分 析，然后运用专门的软件对录像过程进行分析，发现问题并 进行改善。从而培养学生掌握基础工业工程技术和方法，树 立工业工程意识，为后续课程的学习奠定实践基础，并为日 后应用IE技术与方法解决生产实际问题提供支持。

（2）人因工程实验室。具体包含6个实验内容：一是微 气候环境测定与评价实验，学习掌握微气候条件的测量方法， 根据测量结果综合评价微气候条件；
二是环境照明与生产效 率关系测定实验，掌握照明的测量方法，绘制照明―――工 作效率曲线；
三是环境噪声测定与评价实验，掌握噪声的测 量规范和评价方法，评价噪声的性质和对人的危害程度并提 出改善建议；
四是劳动强度测定实验，运用“心率―耗氧” 相关关系曲线确定劳动强等级，为制定劳动定额提供科学合 理的疲劳宽放标准；
五是人体心理与生理反应测定实验，通 过视觉和左右手反应时测定，掌握反应时作为测定疲劳程度 间接手段的机理和意义；
六是人体基本测量实验实验，学习 掌握使用人体测量仪器，并能灵活地将测量参数、统计参数 用于人因工程设计。学生通过实验，可以掌握基本的人因学测量手段和测量概念，能在今后的实际工作中自觉地考虑 “人－机－环境”的互动关系，提高工业生产中人性化水平。

（3）生产运作实验室。实验内容包括：装配流水线控 制、项目计划编制、生产计划甘特图与网络图、单件小批生 产周期计划、编制外协计划与合同书、生产计划平衡表、生 产能力校核等，通过本环节的设计锻炼，让学生加深对本课 程理论与方法的掌握，同时具备分析和解决生产运作系统问 题的能力，改变传统的理论教学与生产实际脱节的现象。

（4）现代物流实验室。包括RFID、条码扫描设备、手 持RF信息采集终端、工位信息采集播放器、自动供料、在线 检测、多工位加工、自动运输、成品分拣、自动化立体库等 物流实验系统，物流教学软件系统、物流运作案例等整套方 案，基于现代物流的核心理论和核心流程，以真正发挥物流 实验室的功效，为老师提供全面、系统的辅助材料，为学生 提供实训平台，深化学生对现代物流理论的理解，提高学生 的操作能力。

（5）质量工程实验室。包括：工序能力调查、工序质 量控制、抽样检验等实验项目，通过实验教学让学生了解工 序能力评价和过程控制的工具和方法，以及应用GB2828进行 抽样检验的方法和步骤。通过实验加深对课堂教学内容的理 解和掌握，全面了解质量管理的内容和方法体系并正确掌握 质量管理学的基本规律和一般方法，具有应用所学质量管理 知识和其他相关管理课程的基本原理对实际问题进行分析和处理的能力，并进一步提高学生的动手能力。

（6）系统建模与仿真实验室。包括：Boss决策软件、 Witness仿真软件、Flexsim软件、ERP软件、Spot-light生 产排程软件等专业软件。通过对上述软件的应用，可以进行 生产和流程系统运营管理与优化、流程改进、工厂物流模拟 与规划、供应链建模与优化等，掌握系统建模与仿真的基本 方法，提高生产系统建模和仿真分析的能力，使学生能够运 用仿真技术来发现生产系统里存在的问题，通过改进措施的 实施，提高生产生产能力和生产效率，培养学生理论与实践 相结合的能力。

4结束语 通过工业工程实验体系的设计与建设，搭建一座理论与 实践的桥梁，为高校师生提供工业工程的各项理论研究与实 践探索的实验平台，深化学生对工业工程学科的理解，提高 师生对现代工业工程管理手段的驾驭和操作能力，推进学生 自主学习、合作学习、研究性学习的主动性和积极性，使学 生对课程内容的认识加深，实验技能（实验理论、实验方法 和动手能力）显著提高。学生不仅能学到有关专业知识和技 能，还能培养独立工作能力、决策和判断能力的个人能力， 以及协作能力、交往能力和强烈的责任心的社会能力，适应 现代企业发展的实用型工业工程人才的需要。