工业工程实验教学体系的研究

王 巍，杨一楠，肖生苓

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

工业工程 (industrial engineering，IE)研究的是工业领域的效率与发展，在我国起步比较晚。20世纪90年代，我国为了适应社会进步和经济发展的需要，开始在高校设立工业工程专业。经过几十年的发展，工业工程已经成为工科中比较热门的专业。但是，由于起步较晚，我国的IE的发展现在还处在一个比较迟缓的阶段，专业建设相对基础比较弱，因而IE的教学实践方面还需要大大提高。

IE的技术和理论知识很多来自社会生产实践，专业的落脚点是实际生产。因此，工业工程人员必须具备很强的实践经验和分析问题解决问题的能力，并善于改善和优化生产系统。显然在IE教学中实践教学的作用非同小可。那么，如何改变目前这种比较落后的IE实践教学的现状成为各高校关注的热点问题。

1 工业工程的含义与教学实验的关联性。

工业工程 (industrial engineering，IE)是对人、物料、设备、能源和信息等所组成的集成系统，进行设计、改善和实施的一门学科，它综合运用数学、物理和社会科学的专门知识和技术，结合工程分析和设计的原理与方法，对该系统所取得的成果进行确认、预测和评价。工业工程作为一门技术与管理相交叉的学科，其生命就在于实践。IE的发展离不开其实验体系的完善和创新，因此IE实验室的建设不容忽视，工业工程专业人才培养与实践教学关联情况如图1所示。

2 国内IE实践教学体系存在的问题

目前工业工程专业实践教学存在的主要问题表现为:

(1)各实践教学环节独立，多为具体的课程服务，缺少衔接纽带，没有形成一个有序的整体体系。

(2)实践教学体系缺乏先进性、实用性、创新性和有效性，主要原因是设备条件有限或实验设备陈旧，很多实践教学内容脱离科技发展和企业的需要。

(3)教学模式比较单一，缺乏综合实践教学环节使得学生主动性和创造性难以发挥，只能局限于课堂的理论讲述。

(4)实验以验证性为主，缺少综合性、设计性和开放性实验，这样对于学生的动手能力和创造 力的培养极为不利。

图1 工业工程专业人才培养与实践教学关联图Fig.1 Relationships between talents and teaching experiment of industrial engineering major

另一方面，从工业工程本身的特点看，该领域是综合运用数学、物理学和社会科学等很多方面的知识和技术，以及工程分析和设计的原理与方法，对人员、物料、设备、能源和信息等进行设计、设置、评价和改善的一门系统工程学科。那么，在设计教学实验时，必须强调现代IE的作为一个系统的特点，除考虑对学生的基本技能训练外，还必须注意知识的系统性、连续性以及综合运用所学知识和技能来解决复杂问题的能力的培养。东北林业大学工业工程专业在近几年的发展中，已经在实验教学体系中取得了一定的成就，比如仓储实验室的布置和设置，与工厂中实际生产的布置很相近，有生产监控设备，有AVG小车，有模拟仓库和模拟的流水线等等。但还存在一些问题，例如，在流水线上做实验时，是在静止状态下，上面没有实际可操作的加工零件;理论上AVG小车是用于搬运仓库的货物，但是，实验室中AVG小车只能实现一个水平高度的移动而不能实现仓库高处的货物的搬运。很多工厂中的仓库搬运车的搬运爪是可以上下升降的，这与生产实际还有一定的距离。

3 IE实验教学体系的目标

为了改变IE教学实验体系的现状，需调整IE教学实验体系的目标:

(1)培养学生的动手能力;

(2)提高学生的分析问题解决问题的能力;

(3)为学生在今后的工作学习中打下扎实的理论基础;

(4)理论与实验、实践有机融合，为学生将来成为工业工程师创造条件。

通过提出一个新的教学实验体系，目的就是达到上面的目标。新体系是一个囊括了开发设计型实验和复杂综合型实验的整体系统。该系统中包括设置新的实验项目，改善旧的实验仪器，用由网络和计算机组成的平台进行交互型教学实验等。

首先，从设置新的实验项目的角度来说，可以在原有一些实验基础上，加入学生实际动手操作流水线的内容;加入人机工程类实验，例如设计人机工程关于用户界面的实验，这里可以用到计算机类的知识和设计类知识，同时，锻炼了学生系统思维的能力;还可以加入人因工程的工作地微气候测定实验，这样也增加了实验本身的趣味性;增加测噪声的专业实验室;增加测定劳动强度的实验等等。

4 实验体系基本结构

实验需包括认知型实验、综合型和开发设计型。这三种实验是基于为学生走入社会，为今后的实际工作的需要考虑，课堂理论与实验紧密结合，并且与实践工作内容紧密相关的实验类型。实验的目的是培养学生的动手能力，提高发现问题、解决生产实际问题的能力。

4.1 实验类型

为了达到前面所述目的与要求，将体系分成几个模块，通过实验的不同方式和不同类型来体现IE系统规划，设计，评价和改进功能。这也是对IE基本知识的验证和基本技能的训练。具体将教学实验体系分为以下几类

(1)认知型实验。该类实验室对某类理论进行验证的实验。如工作抽样，劳动强度等等一些实验。

(2)综合型实验。指综合运用多种知识和技能的较复杂的实验。如工序质量控制，工时定额分析等一系列实验。

(3)开发设计型实验。此类实验运用到多门专业知识，需要多种技能的大型实验。此类实验需要参与人员的创新思维和具备多领域知识。人机开发设计实验，简单的用户界面设计或者是根据一个特定的用户和一个特定的产品的交互进行设计的实验，如MRP系统设计、产线平衡设计、流水线设计等。

以上3种体现了不同的复杂程度和实验层次，它们均是独立开设但同时又是互相联系的。一个综合实验可能包含几个单项认知型实验机器结果，而开发设计型实验又同时包含多个综合型或认知型单项实验及其结果。

总的来说，加入了复杂的开发设计型实验会使实验的系统性大大增加，不再是单独的无联系的一些简单实验，而是将多个小的实验联系在一起，互相制约地形成了一个整体。如人机设计实验中，在对用户界面设计时，需要运用仿真的一些实验，还要参照企业的实际案例等各个方面。

4.2 工业工程实验体系基本结构

工业工程实验体系基本结构如图2所示。

图2 工业工程实验体系框架Fig.2 Framework of IE laboratory system

5 IE教学实验体系的实施

5.1 实验方案与计划

根据不同对象，设定不同的实验方案与计划如图3所示。

图3 企业战略与IE实验教学方案表Fig.3 Program table of corporation strategy and IE teaching experiment

5.2 小型工厂化的设备配置

工厂化配备实验设施可以模拟实际生产的过程。配备工厂化的设备，使得实验室成为小型化、微型化的工厂。东北林业大学的物流仓储实验室的设施配备就是遵循了工厂化配置的基本要求，模拟了工厂中实际仓储的结构和流程，从入库到出库，再到运输和流水线都模拟了实际的工厂生产过程。

同时，小型工厂化配置设备也是实验室的定位和趋势。除了流水线和仓库之外，还需要微型化的加工车间，教学型的装配车间和装配线，培训专用的数控加工中心和柔性加工系统等等。具体的实例有:先进制造的实验可以用CIMS子系统进行生产的调度和计划的模拟;或者以一个具体的工业产品的制造为对象，如保温杯的制造过程，产品的质量可靠性实验 (工序能力调查，质量控制，抽样检验)，生产计划与控制实验 (开发的方案实验，多品种小批量生产)，ERP实验等等。这些实验的开发也体现了实验整体的内在综合性和连贯性。

5.3 IE实验教学软硬件的共同发展

随然IE实验室硬件配置实现了综合性，但实验室在开放性和开发性方面还有待提高。综合型也反过来体现了实验室的经济型。另外，现在国内比较缺乏仿真类软件，决策分析软件等等。上海一些高校的IE管理在数字IE技术与管理平台安装了witness生产与服务系统运作仿真系统，ProModel生产系统建模与仿真软件包;运筹学计算机软件包Storm，CPN/Design色彩Petri网络建模软件包。但以大多数院校的实际情况而言，企业资源计划类软件，物流仿真软件，生产计划与控制仿真的软件还是相对缺乏的。

6 结束语

国内工业工程实验教学体系需要从实验的种类和内容上增加，由过去的验证性实验占绝大多数的局面转变为多种实验类型相结合。新的教学实验体系要从形式上发生一定变化。将传统的实验转变为学生真正体验到工厂生产情景的实验，发挥便捷的网络资源和计算机资源优势，在形式上变得灵活起来，增强趣味性，激发学生自主学习热情。

我国IE人才的培养不仅要借鉴国外先进的教学实验经验，也要结合国内的实际情况和各高校的条件，通过不断调整使理论课程和实验环节联系更加紧密，设置更加合理，为工业工程人才建设添砖加瓦。

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