“生产系统建模与仿真”双轨式教学探索与实践

王峻峰+李世其+付艳+刘世平

摘要：“生产系统建模与仿真”是工业工程专业的重要技术基础课程，与实际应用结合紧密。本文结合讲授学习法和问题学习法的优缺点，在课程中采用将两者融合的双轨式教学方法，设计了用于课堂讲授和小组团队协同工作的问题库，描述了根据课程教学内容和进度分别实施讲授学习和问题学习的教学过程，对双轨式教学效果进行了问卷调查评价和学生成绩评价，给出了改进该课程双轨式教学的措施。

关键词：生产系统建模与仿真；讲授学习法；问题学习法；教学评價

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）39-0145-04

“生产系统建模与仿真”是工业工程、物流工程、系统工程等专业的一门专业技术基础课，该课程要求理论与实践必须紧密结合，学生完成课程学习后，在掌握建模与仿真理论知识的同时，必须熟悉生产系统建模与仿真基本技术和方法，并了解建模与仿真软件的使用，具有一定解决实际生产系统建模与仿真问题的能力[1]。目前，绝大部分高校该课程的学习采用传统讲授学习法（LBL，Lecture-Based Learning），即以教师为主体、以课堂讲课为中心、采取大班全程灌输的教学模式[2]。LBL具有节省教学资源、传授知识具有准确性、系统性和连贯性等优点，又具有不利于调动学生学习积极性、不利于培养学生独立思考能力和学生对知识的运用能力较差等缺点[3，4]，不能完全满足教学目标对学生能力的要求。

问题学习法（PBL，Problem-Based Learning）是以实际问题为基础、以学生为主体、在教师的参与下，采用小组讨论的形式对课程内容涉及的一系列问题进行学习的过程[5]。PBL是以实际问题为导向的学习方法，近半个世纪以来，PBL模式的应用已由医学领域逐渐向其他学科领域延伸，取得了显著的教学成果[6-8]。特别是在应用性较强的学科中，PBL在培养学生的实践能力、自我学习能力以及团队协作能力方面具有明显的优势[9，10]。

LBL和PBL学习法各有利弊，两种教学方法的混合应用越来越多的受到关注。依据我国高校实际，针对不学生科、不同课程的具体特点，在不完全打乱以LBL为主体的学习模式下，将PBL有效和有机地融合到LBL教学过程中，形成双轨式教学模式，在充分挖掘学生学习主动性和能动性、增强学生理论联系实际能力的同时，穿插基础理论知识的系统讲授，是既符合国情又能够提高学生学习效果的合理选择[11]。本文介绍了“生产系统建模与仿真”课程综合采用LBL和PBL进行双轨式教学的实践，并对教学效果进行了评价，对同类课程教学具有参考价值。

一、建模仿真问题设计

问题是PBL学习的出发点，也是实施PBL学习的关键。问题设计的质量直接影响了PBL学习的开展、教师的引导、学生的兴趣和教学目的。问题的设计应遵从真实或逼真原则，必须结合教学重点和难点具有明确的目的性和针对性，同时，问题要具有开放性和适度的复杂性，以便在有限的课程学习时间给出问题的合适解答[12]。

生产系统建模与仿真课程具有完整的知识体系结构，解决实际的建模与仿真问题遵循一定的步骤，每个步骤需要特定的知识，知识体系具有较强的层次性。为了满足生产系统建模与仿真课程需要，我们把问题分为两个层次，一个层次是实际的、描述完整的建模与仿真大问题，该问题类似于一个完整项目，详细描述了问题的场景与相关数据，提出问题的解决目标；另一个层次是配合解决问题过程中每个步骤所需要的、若干局部的小问题，如到达数据的分布拟合与假设检验、系统建模方法、仿真输出数据分析等问题。建模与仿真小问题用于教师的课堂讲授和小组的讨论交流，作为知识的获取途径，大问题用于小组的课后协同工作，作为知识应用的检验，从而将LBL和PBL有机地结合起来。

依据生产系统建模与仿真教学大纲，本文从国内外数十本教材和各类仿真竞赛中收集整理并设计了8个课堂小问题和26个建模与仿真大问题，同时，从国内外数十本教材和各类仿真竞赛中收集整理了制造业、服务业和医疗业三类建模和仿真大问题，其中制造业问题有加工系统、装配系统、物流人流系统等，服务业包括了游乐场、银行、超市、库存、交通系统等问题，医疗业则涵盖了门诊、急诊和住院等系统。问题的多样性使学生能够根据自己的兴趣选择不同的对象，提高了学生参与的积极性。

生产系统建模与仿真问题的描述语言尽量结合生产和生活实际，通俗易懂，使问题有一定的代入感，容易让学生对场景进行联想，提高学生的兴趣并方便学生对于问题的理解，问题的描述同时具有建模与仿真学科的严谨性，避免学生对问题的理解产生偏差，在问题描述中采用“最优化”、“最小化”等表述则表明仿真问题的劣构性，从而充分启发学生探索不同的解决方案。

生产系统建模与仿真问题的难度既决定在课程期间学生能否完成，又是不同层次学生选择问题需要考虑的方面。有些学生希望可以比较轻松地完成任务，想要选择一些比较简单的问题；而有些学生则希望可以得到尽量多的学习和锻炼，想要选择一些比较有挑战性的问题。学生从问题的描述中可能无法充分地了解问题的难度，我们将问题从易到难分别用难度等级1—5表示，方便了学生的选择。

二、教学过程实施

生产系统建模与仿真课程共安排了32个课堂学时，传统的教学采用教师课堂讲授、学生课后作业的方式。教学改革尝试采用LBL和PBL相结合的方式，根据不同的学习内容、学习目标采用不同的教学方式。

基本概念类知识完全采用LBL方式讲授（8学时），在课堂上，教师通过引入日常生活场景，使学生对生产系统建模与仿真课程基本理论知识进行系统性学习，充分利用LBL模式传授信息量大，进展速度易于掌握等优点，使学生在相对短的时间内理解和熟悉大量的理论知识，为后续的小组PBL学习打好基础。

方法技术类知识采用课堂小问题的LBL和PBL相结合模式（12学时），首先由教师提出需要解决的问题后，教师简单介绍相应的方法和技术，课堂上留一部分时间，学生按照小组对选择的建模与仿真大问题进行讨论和交流。通过作业的方式，加强学生课后对方法和技术的练习，学生小组在课堂上进行阶段性汇报（4个学时），教师提出建议给予指导，避免出现建模与仿真的方向性偏差。endprint

应用实践大问题采用小组协作的PBL学习方式，各个小组共同查阅文献、学习仿真软件，在交流中提出问题并共同分析解决。大部分工作由各个小组在课余时间完成，安排集体上机一次（4学时），解决软件学习中的共性问题。在课堂学时中进行问题解决成果的汇报和展示（4个学时），每个小组汇报结束后，其他小组学生和教师可针对其汇报内容进行质疑，由组内学生回答。同时，由教师就该小组建模与仿真细节中表现出的优点和不足进行归纳总结，以巩固学生通过實践后所获得的实际应用知识。按照教师提供的打分标准，小组之间相互打分进行评价。通过成果汇报，既展现了学生在解决生产系统建模与仿真问题过程中积累的经验、获得的知识和技能，而且也加强了小组之间的互动学习，进一步促使学生构建和完善了建模与仿真的知识体系。

三、教学效果评价

在2015—2016学年秋季学期，我校工业工程专业本科2013级学生采用了该教学方式。该年级学生共52人，其中男40人，女12人；年龄19—22岁，平均20.5±0.82岁。学生通过自由组合，共分为13个小组，每个小组3—5人，设小组长1人负责小组的工作开展。在课程结束后对全体学生进行了问卷调查和课程闭卷考试，获得了双轨式教学方式调查数据和成绩，并据此对教学效果进行评价。

1.问卷调查评价。课程结束后发放教学调查问卷，问卷由班长进行发放与收回，采用不记名形式，利于学生进行客观评价。问卷分为条目的选择评价和个人的描述评价两大部分，选择评价包括5个“总体评价”条目（1—5），4个“教学材料准备”条目（6—9），5个“课堂教学”条目（10—14），4个“问题学习”条目（15—18），条目的回答选择分为“满意”、“比较满意”、“不太满意”、“很不满意”4个等级，分值采用4、3、2、1表示。个人描述评价让学生给出自己的收获和对课程的建议。本次调查共向学生发放调查表52份，回收有效问卷51份，有效回收率为98.07%。

表1给出了51份调查问卷的选择评价统计结果，可以看出，总体满意率（打分为“满意”和“比较满意”的人数之和）最低为78.43%，最高为98.04%。满意率最低的是问题的难度，说明建模与仿真问题库设计的难度不够，学生认为应该有更具挑战性的题目；满意率最高的是课程进度安排和课堂氛围，说明教学过程的设计很好的结合了LBL和PBL不同的教学模式。表1中18个评价细则的平均分都在3.0以上，说明双轨式教学方式得到学生认可。

在描述性评价的课程收获部分，39位学生给出了自己的描述。在“课堂学习”方面，5位学生表示对建模与仿真课程有了自己的理解；在“团队协作”方面，18位学生对于团队完成建模与仿真问题表示了认可，有7位学生对于团队协作提出了异议，主要包括对于小组分工不满意和喜欢独立工作两个方面；在“仿真软件”方面，20位学生对于仿真软件有一定的认识和会进行基本的建模操作，8位学生希望有更多软件操作方面的具体指导等。在描述性评价的课程建议部分，41位学生给出了个人的建议。在“课堂学习”方面，7位学生希望给予更多建模实例方面的指导；在“软件学习”方面，14位学生认为在仿真软件使用的教学中应该结合案例，5位学生认为需要教师提供更多的软件学习资料。从这些描述中，可以看出学生还需要进一步培养团队合作意识和能力，由于长期课堂灌输式教学形成的惰性，学生对教师的依赖性还比较严重，希望教师提供更多直接的示范，缺乏自主学习和搜索学习资料的主动性，这也是深入应用问题学习法可能存在的最大障碍，也说明了双轨教学方式的必要性。

2.课程成绩评价。以2013级为实验组，以采用传统教学方式的2012级工业工程专业本科生为对照组，2012级共有学生52人，年龄为20.4±0.88岁，其中42位男生，10位女生。①卷面成绩分析。课程闭卷考试中的题目主要分为基本概念类和方法应用类。基本概念类侧重于概念的理解和记忆，方法应用类侧重于建模与仿真问题的分析。表2为实验组和对照组的卷面成绩统计。两组成绩的独立样本t检验大于0.05，说明两组数据的平均值没有显著性差异，即双轨教学方式和传统教学方式对于学生的卷面成绩没有明显的影响。上述结论和医学类课程截然不同，考虑到建模与仿真课程考试内容绝大部分是基本概念类题目，需要学生花费一定时间去记忆，考试成绩的高低一定程度上与学生的记忆有关；而PBL教学中进行的建模与仿真问题实践，则锻炼了学生对建模与仿真建模问题的整体认知能力、系统建模能力、仿真建模能力，这些能力的考核在考卷中体现不足。正如Perrenet等提到，这种工科实际应用能力无法用试卷考核，需要在学生后续的职业生涯发展中进行跟踪评估。②汇报互评分析。成果汇报展示成绩按照总体思路、展示效果、系统建模、仿真建模、分析改进、小组协作等六个方面进行打分，每个小组由3—5个其他小组学生（汇报小组不知道那个学生在给自己打分）进行评分，图1显示了13个学习小组单向盲评的结果，并给出了小组选择问题的难度等级和小组学生考试卷面成绩的平均分。我们将每个小组汇报成绩平均得分与小组选择问题的难度等级进行相关性分析，结果表明汇报展示成绩与问题难度相关性不大。另外，对各个小组汇报成绩和小组成员卷面成绩的平均值进行相关性分析，结果表明两者的相关性同样不大。上述分析结果进一步说明卷面考试成绩无法全面反映学生在课程中得到的实际能力锻炼，小组问题的难度也没有直接影响小组的汇报成绩，这与调查问卷中（第18个条目）96.08%的学生认为比较好的完成了问题解答相符合；同时，这些分析结果也对改进书面考试试卷题目的组成和对实际操作能力进行考核提出了新的要求。

表3显示了全部小组在汇报展示六个方面成绩的得分率。可以看出，总体思路的得分率最高，说明学生在学习的过程中，通过教师的引导，学术对于建模与仿真总体思路的把握比较充分；仿真建模得分率最低，说明学生对仿真软件的学习和运用不满意，没有达到学生的心理预期，这也和前面调查得到的分析结果一致，处理好仿真软件的学习指导和鼓励学生自学软件间矛盾是协调LBL与PBL双轨制教学的重要内容。endprint

四、结束语

高等院校工科的技术基础课程一般要求学生完成后具有一定的实际应用能力，灌输式的课堂教学方式缺乏锻炼学生解决实际问题培养能力的环境，不能满足日益增长的实用性创新人才培养的需求。本文以“生产系统建模与仿真”课程为对象，将讲授学习法和问题学习法相结合形成双轨式教学法进行了探索和实践。通过对该双轨式教学效果的评价，分析了改进双轨式教学方法的努力方向，说明了从传统教学模式向新型教学模式转变过程中，需要从教学内容、进度规划、考核方式、学生意识等各方面进行有效的改革，才能达到培养实用性人才的目标。

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