面向创新应用型人才培养的工业工程综合实验室建设

祁丽霞

(华北水利水电大学 管理与经济学院，河南 郑州 450046)

面向创新应用型人才培养的工业工程综合实验室建设

祁丽霞

(华北水利水电大学 管理与经济学院，河南 郑州 450046)

由于工业工程学科的交叉性、综合性和应用性，实验和实践环节在工业工程专业人才培养中占有重要地位。专业实验室是本专业人才培养和科学研究的必要设施，也是与理论教学相呼应的重要实践平台。结合工业工程的专业特点，进行工业工程综合实验室的建设工作。阐述工业工程综合实验室的规划思想和实施方案，构建软硬件并重、面向现代专业技术、强调基础专业技能的综合立体开放实验平台，并对应规划基于CDIO培养模式的综合实践教学体系，为创新应用型专业人才培养提供支撑。

工业工程；实验室；人才培养；实践体系

一、工业工程专业技术特点

工业工程(Industrial Engineering，IE)是从科学管理基础上发展起来的一门交叉型工程技术。它以现代工业化生产为背景，以大规模工业生产及社会经济系统为研究对象，融工程技术和管理知识为一体，重点研究人、设备、物料、信息和环境等生产系统要素的优化配置，对工业等生产过程进行系统规划、设计、评价、改善与创新，进而达到提高生产效率和社会经济效益的目的。工业工程在国外与国内发展及应用的实践表明，工业工程是工程与管理有机结合的综合技术。工业工程技术的实施，可以有效帮助企业提高生产系统综合效率及效益、增强企业在开放经济条件下的国际市场竞争能力和知识经济环境中的综合创新能力，对各类生产系统、管理系统及社会经济系统的高质量、可持续发展具有不可替代的重要作用。

工业工程的发展离不开工业工程人才的培养。工业工程作为一门独立的工程学科已经有上百年的历史。1908年美国宾州大学首次开设了工业工程课程，后来又成立了工业工程系。在我国，1992年7月国家教委批准西安交通大学和天津大学开始试办工业工程本科专业。经过20多年的发展，我国已经有170多所大学设立了工业工程专业。由于工业工程是一门工程技术、经济管理和人文科学相结合的边缘学科，兼具工程技术和管理技术的双重属性，其中有些专业设在管理学院，有的设在工科类学院。同时由于工业工程的交叉学科属性，不仅要求工业工程学生具有扎实的理论基础，而且还必须具有较强的实践能力、沟通能力、创新能力和管理能力[1,2]。可见，IE学科的发展和应用，离不开实践体系的完善和创新。实验和实践环节是高校工业工程专业教学必不可少的环节，也是工业工程专业实现其人才培养目标的必修环节。工业工程实验室建设的重要性不容忽视。

二、工业工程综合实验室的规划理念

IE是理论性、实践性很强的学科，其专业技术大都体现了应用性和综合性。在科技和经济飞速发展的今天，企业的运作过程和方式方法较大工业时期有了飞速的发展和深刻的变化，其教学也必须与时俱进，用动态、发展的思维和方法去审视和研究。因此，在实验室的规划与建设中，要以突出工业工程技术的应用性、综合性和时代性为目标[3]。在本专业实验室的建设中贯彻以下规划理念。

(一)营造生产制造物理环境，构建综合性实验平台

工业工程以系统效率和效益为目标，直接面向企业的生产运作过程。所以在工业工程综合实验室设计中，首先考虑在实验室内营造类似生产制造企业的综合物理环境，为理论教学研究和实践体系提供承载实验平台。

(二)面向现代工业工程技术，强调基础工业工程技能

从IE发展历程和国外应用经验来看，基础IE是工业工程的发展起点，也是现代IE的基础和重要组成部分。二战期间和其后的一段时间内，工作研究(包括时间研究与方法研究)、生产计划、人事评价与选择等都已正式成为工业工程的内容。我国企业的现行实践也表明，基础IE在我国的认识和实行状况还远远没有达到应有的水平。基础IE技术手段为大量的企业实践所证实，技术成熟，推行见效快，也是现代IE必须的基础。因此，基础IE的方法和技术在我国的学科和企业实践中具有重要现实意义。同时，随着科学技术的发展，现代工业工程内容不断充实和深化，兼收并蓄了越来越多的学科知识和高新技术，比如信息科学、行为科学、自动化技术、仿真技术等，形成了复杂系统的决策与研究特点。因此，实验室的建设需要强调基础工业工程技能，同时又要面向现代工业工程技术。

(三)软件、硬件并重，构建立体开放实验模式

综上所述，现代IE的核心内涵是包含了大量高新技术以及新方法生产系统的管理和创新，其研究内容不光包括企业微观环节的运作，还包括产业链、物流链、后期服务等大的运营体系，这些研究在深度和广度上都是仅有硬件的模拟性实验室难以胜任的。而软件模拟可以不受实验室场地布局、运行规模等硬件限制，使实验广度和深度与现代工业工程的技术发展相匹配，从而可以在工业工程的实验中发挥更强大的作用。从此意义上来讲，硬件是实验室的“表”，软件系统更体现了工业工程复杂系统实验室的核心和内涵，使实验研究向立体和纵深拓展[4]。在实验室的建设中，特别强调工业工程相关软件的配套建设，以形成一个相对完整和系统的工业工程综合实践平台。

三、工业工程综合实验室的实施方案

(一)基础建设

根据工业工程综合实验室的规划思想，首先通过装配生产线模拟实验系统营造生产制造物理环境。其主要硬件构成包括两部分。第一，生产平台部分，通过倍速链生产系统，通过滚子链联结多个工位，可以进行小型产品装配流水作业流程，在实验中模拟流水线生产方式。第二，运行环境配置部分，通过安装在各工位的智能终端系统，可以进行环境声音配置，模拟工厂装配车间现场各种噪声，通过外接噪声计，可以进行环境噪声对装配工人工效影响的量化分析与研究；在流水线上方采用了白炽灯调光装置，配合照度计，可以进行环境光对工人工效影响的量化分析与研究；并配备色灯，用于研究环境色彩变化对装配工人工效的影响。通过生产制造物理环境的构造，为学生实际操作训练提供了综合开放性试验平台。

为对学生进行工业工程的基础技能训练，在实验装备上，主要设置了工作研究监控系统。采用变焦CCD摄像头、数字化视频网络服务器构成工作监控系统，可以对每个工位的装配动作进行视频采集和录像，用于在后期进行分析和研究。在人事评价和选择方面，规划了由个性与行为能力的测试仪器组成的人因实验平台，并结合流水线操作实践和分析系统实现。在此平台上，可以进行的实验包括工艺程序分析、人机操作分析、双手操作分析、动作研究、工时评价、秒表测时、工作抽样、模特排时等，既可以进行单项认知型实验，也可以进行综合实验，为基础IE提供了较好的实验载体。

结合现代工业工程的柔性制造技术，在实验室引入由单个实验平台和无动力可组装运输装置组成的运输链，用于柔性制造单元(CELL)的模拟。可以自由组合的柔性实验平台可以反映制造中的生产柔性、工艺柔性和扩展柔性。也即：系统的工作设备具有随产品变化而加工不同零件的能力，可以根据加工对象的变化或原材料的变化而确定相应的工艺流程，当生产需要的时候，可以很容易地扩展或缩减系统结构，增加或减少模块，从而构成一个更适宜的制造系统。在现代制造模式下，结合人因行为因素研究生产制造柔性，对多品种、中小批量、以客户为中心的制造模式和思维转换将具有重要意义。

(二) 信息建设

为了体现信息管理技术在工业工程技术的应用，实验室引入了实时供应链管理系统。通过本系统，将工厂智能与自动化技术、精益生产管理、现代物流科学管理进行了有机集成。它可以比较真实地模拟供应链中各角色(公司)之间的协作关系和信息流向。在本系统中，以生产制造商为中心，展示了客户向制造商下达产品订单，制造商接到订单后安排生产，向零件供应商下达采购订单，分析优化产品装配工艺，进行生产运作活动，直至制造成品送入第三方物流中心，并通过仓储中心和运输中心派送至用户的全过程。其逻辑流向如图1所示。本信息系统可以将企业的经营思想及其基本运作模式，通过直观方式呈现给学生。可以通过让学生参与模拟的形式，让学生通过不同角色的扮演操作，更加容易理解和掌握供应链管理的核心思想，提高学生的学习兴趣。同时，系统整合了对生产系统中倍速链流水线以及仓储中心自动堆垛机、流利货架的操作，使得系统的整体性和系统性更强，为工业工程和物流工程的实践教学提供了一个比较完善和系统的教学模拟平台。

图1 实时供应链系统的逻辑流向

(三)软件系统建设

结合基础IE和现代IE技术，实验室重点进行了两类软件建设。第一，基础IE软件建设：配合工作研究实验平台，配备了Double-E和IE博士软件，用于进行工作分析、SOP设计等。第二，面向现代IE的虚拟仿真软件建设：配备了Witness和Flexim，用于虚拟工厂、工序的设计、分析和仿真。Witness强大的数据分析功能和Flexim优异的三维仿真功能使对系统规划、分析和优化的决策过程大大缩短。配备了复杂系统决策仿真软件Anylogic，将多智能体仿真技术嵌入，使系统的仿真功能更为系统和完善。通过引进VRP技术平台，使大规模的数字化虚拟工厂或微观操作更具可视化。上述软件的系统建设，可以使工业工程教学模式充分结合现代技术和教学理念，突破传统工业工程实验模式的局限性，构建了实物模拟、实际操作、现场观测、计算机仿真到系统分析规划的现代立体化教学实验模式。

四、基于CDIO的工业工程综合实践体系规划

优良的实践环境离不开工业工程总体教育思想的提升。在本实验室的综合实践体系方面，期望通过工业工程综合实践体系构建，体现平台的综合性和开放性，为创新应用型人才的培养发挥作用。由于学科独特的综合、交叉和应用型特点，现代工业工程学科教学的目标已经不能单纯通过理论讲授实现，工业工程教育者的追求目标应该是让学生在了解和掌握工业工程学科的有关知识、概念和技术的基础上，通过实践和应用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。这样培养出的人才才能在我国的经济转型过程中发挥出人才及工业工程学科的作用。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，Knut and Alice Wallenberg基金会以2000万美元巨额资助麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究组织。经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织。CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)。它以产品研发到产品运行的全生命周期为载体，让学生以主动的、实践的方式学习。针对我国现行教育实践中重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等问题，CDIO在理念和实践上都具有先进性和可行性[5,6]。工业工程主干学科的特点，如基础工业工程、人因工程、生产运作管理等，一般都是内容繁杂，知识点众多，但同时有些零散，各知识点之间关联性较为模糊，由于授课课时有限，很难面面俱到。这样，学生对学科知识较难形成体系认识。运用CDIO的教育模式让学生以实践的、课程之间有机联系的方式学习工程问题及问题的处理方法，对专业人才的创新性、应变能力和沟通能力的培养都十分有益[7]。

基于CDIO理念，考虑综合实践体系规划实施方案如下。第一阶段(C阶段)，考虑结合实验平台和现有的实验对象，发掘、设计若干具有典型性、实用性、综合性和系统性的工程项目，教师在学生实践前期说明教学条件允许下的课题范围，由学生采用团队小组形式组织，自定实践课题。老师不对问题的解决方法进行强制要求，只提供问题和方向引导，由学生自行设计并找出理论基础，并加以实践。第二阶段(D阶段)，根据课题，由学生小组自发设计实践方案和步骤，自行设计解决问题的技术核心，并组织小组讨论，自行设计解决方案，教师进行流程引导，但不过多参与。第三阶段(I阶段)，以团队小组为主体分析问题，解决问题，完成小组实践报告书，教师通过组织各小组内和小组间讨论环节，实时交流实践课题的成果及待解决的关键问题。第四阶段(O阶段)，将小组方案在实践平台上进行实际操作，用实际测试数据说明本小组的成果，并提出进一步优化方案。第五，成果总结及课题开放阶段。在实践环节结束前，要进行实践结果交流和总结，形成完整的项目流程，帮助学生形成完整工程项目概念。但实践环节的结束不等于实践过程的结束，还应鼓励学生对题目进行课外的、更深入的思考和研究。同时鼓励学生向课外拓展，自选有意义的项目或利用实习到企业中发掘有市场价值的项目，培养学生的工程意识和综合素质，形成开放式实验教学研究系统。

五、结语

工业工程是理论性、实践性很强的学科，其技术大都体现了应用性和综合性。当前企业的运作过程和方式方法较大工业时期有了飞速的发展和深刻的变化，中国制造业在经历了初期的粗放式快速成长后，已经步入了高成本的时代。在这种局面下，中国制造必须通过运营模式转变与战略转型，实现成长方式的有效突破。工业工程专业及其人才培养必将在其中扮演重要的角色。工业工程实验和实践环节的探索和实验室建设是工业工程学科人才培养的重要一环。结合工业工程学科特点，面向创新应用型人才培养，建设强调基础工业工程技能、面向现代工业工程应用、软硬件并重的立体系统实验教学平台，并思考运用该平台上进行综合实践教学的方法，是创新应用型工业工程专业人才培养实践体系的有益探索。

[1] 周贞云,叶春明,曹国安,等. 工业工程实验室建设的研究和实施[J]. 工业工程与管理,2004(4).

[2] 殷复鹏,孙家坤,刘吉场. 现代工业工程实验室规划与建设[J]. 高校实验室工作研究,2008(4).

[3] 杨象驰,李鹏飞. 工业工程实验室规划与实施[J]. 实验室研究与探索,2009(8).

[4] 裴小兵,唐文婷. 数字化工业工程实验室的建设探究[J]. 实验室研究与探索,2012(7).

[5] 查建中. 论“做中学”战略下的 CDIO 模式[J]. 高等工程教育研究, 2008(3).

[6] 顾学雍. 联结理论与实践的CDIO——清华大学创新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究,2009(1).

[7] 周艳,周敏,蒋国璋. 基于CDIO的工业工程专业实验教学改革[J]. 实验室科学,2013(2).

(责任编辑：王兰锋)

ComprehensiveLaboratoryConstructionofIndustrialEngineeringforInnovativeApplicationPersonnelTraining

QI Li-xia

(SchoolofManagementandEconomics，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450046,China)

As the cross-cutting integrated and applied nature of industrial engineering, experiment and practice training plays an important role in personnel training. Corresponding, the construction of specialized laboratory has also become an important platform to support the theory teaching, and it is the necessary facilities for personnel training and scientific research professional. Combined with the characteristics of industrial engineering disciplines, conducted a comprehensive laboratory of industrial engineering construction work. There are described that comprehensive planning ideas and embodiments of industrial engineering laboratory. An integrated three-dimensional open experimental platform is constructed, which is characterized by both hardware and software, for the modern professional technology and emphasis on basic skills. Accordingly, comprehensive practice teaching system based on CDIO training mode is planning to provide innovative applications oriented professionals training support.

industrial engineering; laboratory; personnel training; practice system

2014-03-10

河南省教育厅专业综合改革试点项目(110103)

祁丽霞(1977—)，女，河北灵寿人，华北水利水电大学管理与经济学院副教授，工学博士，研究方向为工业工程教学及科研。

TB

： A

： 1008—4444(2014)05—0124—04