适应创新人才培养的工业工程专业本科课程体系与教学改革研究*

□ 周炳海

同济大学 机械与能源工程学院 上海 201804

1 研究背景

工业工程作为一门培养既懂工程技术，又懂管理科学的创新性人才的交叉学科,已得到社会的认可和关注。随着改革开放的进一步推进,我国高校工业工程人才培养取得了较大进步,但是与目前社会对工业工程人才的需求，以及快速增长的培养规模相比,工业工程专业的培养目标、课程体系，以及教学创新与改革明显不协调,不利于本科阶段工业工程创新人才的培养[1-2]。依托学校自身的社会信誉、地理位置、教师资源、服务行业等特点,办出符合社会需求的创新型人才培养特色,并进行适应创新人才培养的工业工程课程体系和教学方法研究，是十分必要的[3-4]。为此,笔者结合多年的工业工程课程教学实践,探讨工业工程专业本科课程体系与教学改革,以达到工业工程创新型人才培养的目标要求。

2 工业工程本科课程体系现状

同济大学工业工程专业自1999年开始招收本科生,经过20年的建设,目前这一专业已成为以机械工程、管理科学与工程两个一级学科为依托的特色专业,形成了机械工程、管理科学与工程相结合的特色交叉学科。同济大学工业工程专业归属于机械与能源工程学院,毕业生获工业工程专业工学学位。这一专业依托上海市先进制造业和服务业,在工业工程理论与应用、生产系统工程、物流系统工程、质量与设备可靠性、信息管理系统、精益生产与管理等领域形成了具有鲜明特色的研究方向。

本科课程体系是在本科生培养目标基础上进行规划与设计的由相互关联的一系列课程所组成的有机整体,课程体系的规划与设计是本科生培养目标实现的首要任务[5]。可见,本科生培养除了师资力量与优质资源外,工业工程专业课程体系起着重要的作用。一个完善的专业课程体系是实现本科生培养目标的核心,也是专业发展的基础。同济大学最近一次工业工程专业本科课程体系的修正于2017年完成,培养目标注重本科生掌握工业工程相关知识，以及具备解决工业工程相关问题的能力。具体课程体系由三大部分构成:通识教育课程体系、专业理论课程体系、实践教学课程体系,课程总学分为160分。通识教育课程体系中,主要包括的课程有形势与政策、思想道德修养和法律基础、中国近现代史纲要、马克思主义基本原理、毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论、军事理论、体育、大学英语、C/C++程序设计、军训、高等数学B、线性代数B、概率论与数理统计、普通物理B、普通化学,占总课程学分的25%左右。专业理论课程体系主要包括的课程中，必修课程为理论力学、电工与电子技术、机械设计基础、互换性和测量技术、系统工程、运筹学、统计学、机械制造技术基础、基础工业工程、机械与能源工程学导论、生产计划与控制、物流与供应链管理、质量管理、人因工程学、建模与系统仿真,选修课程为管理信息系统、智能制造经济学、机械工程材料、市场营销、经济法概论、服务工程、安全工程、可靠性与设备管理、图与网络、精益生产与精益管理、管理学、Python程序设计、数据科学、仓储系统设计,占总课程学分的50%左右。实践教学课程体系中,主要包括的课程有物理实验、普化实验、工程实践、电子电路设计、制图测绘实践、机械基础实验、专业实习、基础工业工程实验、人因工程学实验、生产计划与控制课程设计、质量管理课程设计、物流与供应链管理课程设计、建模与系统仿真课程设计、管理信息系统设计、专业综合实践、毕业设计,占总课程学分的25%左右。由上述课程体系的描述可知,目前的工业工程本科课程体系缺少专门针对创新方面的课程,同时每门课程的大作业缺乏创新能力培养方面的内容。另一方面,目前的课程教学均采用传统教学方法,教学模式和教学手段有待改善。如目前一些专业理论课程中案例教学内容贫乏,课堂填鸭式教学较为突出,无法有效培养学生的创新意识和能力。为了达成创新人才培养目标,进行课程体系和教学方法的改革势在必行。

3 适应创新人才培养的工业工程课程体系

工程类课程体系中所有课程必须根据工程认证的要求来进行设置,工业工程专业本科生毕业时要求具备12项能力:工程知识、问题分析、设计和开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习。为使同济大学工业工程专业本科人才具备上述综合能力,在原有课程体系的基础上完善课程体系和教学方法,尤其突出学生的创新能力培养。

按照满足工程认证,突出课程内涵与教学方法,办出专业特色,培养创新型人才的课程体系改革和教学改革思路,本着扎实、面广的通识教育基本要求,遵循专业理论教育的理论性、专业性、层次性、系统性原则,按照强化综合能力、提高创新能力的培养目标,深入调研并分析国内外高校工业工程专业的课程内容设置,规划与设计工业工程专业课程体系。由通识教育课程体系模块、专业理论课程体系模块、实践课程体系模块、创新课程体系模块组成的适应创新人才培养的工业工程课程体系,其结构如图1所示。

▲图1 适应创新人才培养的工业工程课程体系结构

典型的课程体系结构有层次化课程体系和模块化课程体系两类[6-7]。这次课程体系改革仍然沿用2017年修正完成的模块化课程体系,不同的是增加了创新课程体系模块,特点是突破传统学科专业知识领域的界限,按照培养目标来建立具有不同价值取向的课程体系,以满足培养学生综合解决问题能力和创新能力的需求。基于高端制造业与服务业的背景,打破传统的学科系统,以创新能力素质要求为导向,设置相应的模块化课程体系和课程内容。

此次课程体系改革,在继承原有课程体系的基础上,主要突出学生的创新能力培养,在各个模块中增加与创新能力培养有关的课程内容或增设课程。在通识教育课程体系模块中,具体课程与2017年修正完成的课程基本一致,占总课程学分比例基本不变,但一些课程中增加了创新能力培养的内容。如C/C++程序设计课程中增加了C++语言创新设计的内容。同时，在课程中增设了一门面向大一新生的创新能力培养课程——工业工程与创新。在专业理论课程体系模块中,每门课程增加了创新能力培养的大作业。如系统工程课程增加了层次分析法在供应商选择中应用的大作业,运筹学课程增加了基于CPLEX软件的小规模旅行商问题求解大作业,基础工业工程课程增加了快速换模技术在一级方程式赛车换轮胎、加油中应用的大作业,生产计划与控制课程增加了基于遗传算法、粒子群算法、进化算法等软件算法的流水车间调度优化大作业,物流与供应链管理课程增加了基于智能算法的分销中心优化选址大作业,质量管理课程增加了基于神经网络的表面粗糙度评价大作业,人因工程学课程增加了适应不同人群的汽车座椅设计大作业,建模与系统仿真课程增加了带缓冲的串行生产线产能仿真大作业,可靠性与设备管理课程增加了具有衰退特征的设备预防性维护策略大作业，精益生产与精益管理课程增加了基于价值流图析技术的汽车转向支架生产系统精益改善大作业。实践课程体系模块主要包括专业课程设计，增加了创新能力培养的内容。如生产计划与控制课程设计中增加了流水线调度建模与优化设计,质量管理课程设计中增加了基于6σ理念的质量改善设计,物流与供应链管理课程设计中增加了供应链优化管理设计,建模与系统仿真课程设计中增加了银行存取款一体机的顾客到达与等待服务仿真设计,管理信息系统课程设计中增加了学籍管理信息系统设计。对于实践课程,在学生生产实习过程中,充分发挥学生的主观能动性和创造性,引导学生对生产流程或设备运行中存在的问题提出自己的见解和解决问题的方法,使学生学以致用,切身感受应用理论知识解决问题的魅力。毕业设计论文部分提高了综述部分的要求。新增加的创新课程体系模块,主要目的为在专业课学习阶段使学生学习如何从创新角度去审视、解决工业工程问题，具体课程有工业工程实践与创新、机械工程实践与创新。

4 适应创新人才培养的工业工程教学改革

为了配匹适应创新人才培养的工业工程课程体系改革,相应的课程教学方式和手段也必须改革。教学方式和手段在课堂及课外教学中扮演着重要的角色[8]，如何改革以往的教学方式和手段,提高适应创新人才培养的工业工程教学水平,是后续教学改革的重点。

随着时代的进步和科技发展,教学方式和手段也一直在不断完善。目前，同济大学工业工程专业的教学采用混合式,针对不同的课程采用不同的方式,主要包括填鸭式、翻转课堂、案例、现场作业、研讨会、主题讨论。无论如何组合上述各种教学方式,目前课堂教学的基础都是采取启发式和填鸭式共存的教学方式,且填鸭式课堂教学占主导地位。可见,这种教学方式已不能满足创新人才的培养。创新人才培养离不开创新意识、创新能力和创新精神的培养[9],通过教学方式来实施时,主要采用启发式教学,如案例教学、翻转课堂、研讨会、主题讨论。为此,适应创新人才培养的课程教学改革需要注重启发式教学在教学过程中的应用,同时使启发式教学成为课堂教学的核心。

笔者以系统工程课程为例，讨论适应创新人才培养的教学改革。系统工程课程是工业工程专业的一门核心基础专业课程,改革时除完善课程大纲外,教学方式和手段都有所改善。系统工程的核心内容由整体观的系统论、解决硬问题和软问题的方法论、系统动力学模型、预测、系统决策、系统评价组成。在进行整体观的系统论、解决硬问题和软问题的方法论知识点讲解过程中,引入案例教学方法,尽量使学生在创新意识、创新能力及创新精神方面得到培养。如引入田忌赛马案例，使学生进行发散式思考,如何从全局观的角度来分析和解决问题,并以此作为切入点,使学生后续进行类似案例编写并做总结汇报。预测、系统决策、系统评价知识点包括定性分析和定量分析内容,尽量引入研讨会教学方式[10],课前布置课程内容预习,并给出与课程内容相关的命题,使学生按照国际会议做汇报的方式做出英文幻灯片,进行英文演讲,并相互提问。系统动力学模型内容采用主题讨论教学方式进行,主讲教师布置课堂讨论主题,如将典型制造企业的库存控制系统作为讨论主题,课前使学生查阅各种资料并进行阅读,在此基础上形成自己的观点,并建立系统动力学模型。在课堂上,每组学生用幻灯片形式进行汇报。每个小组汇报完成后,主讲教师进行提问及评价。主讲教师还会根据课堂的内容进行小结与反馈。课外学习方面,除了查阅资料和预习教学内容、资料外,主讲教师还布置课外大作业,学生完成后在课堂上用幻灯片进行汇报。

对于其它课程,如基础工业工程、管理信息系统、精益生产与管理等,教学方式在不同程度上采用案例教学及研讨会等,同时会更加注重翻转课堂模式的应用。

对于教学手段,在原有的以多媒体教学为主、以板书教学为辅的基础上,增加了智能移动电话之类的便携式智能终端。学生在课堂中通过智能移动电话查阅生产计划与控制课程内容中的准时制理论应用内容,包括文字、图像、动画、视频等,给学生一种直观、可视化的展示,使学生容易掌握与工程实际相结合的知识点,不仅可以提高授课内容的生动性和可理解性,而且可以明显提高教学效果和效率。

5 科学评价体系

建立科学合理的工业工程专业教学评价体系,客观衡量学生的理论知识掌握程度及创新能力,对后续学生的综合评价和教师的教学评价具有重要意义。不同学校、不同院系有不同的教学评价体系,适应创新人才培养的工业工程专业教学评价体系,应该是多元化的教学评价体系。

工业工程专业本科教学评价体系既要重视课堂教学评价,同时又要强调课外自学能力和创新能力的评价。在课堂教学评价方面,以记录、互评、教师评价等手段为主,占总成绩的15%。课外自学能力和创新能力方面，课外作业用于掌握理论知识点的评价，大作业用于理论与实践相结合的应用性、创新性评价，个人论文用于综合能力和创新能力的评价,占总成绩的25%。理论教学效果评价采用闭卷或开卷考试，考试的知识点必须涵盖教学大纲中涉及的工程认证要求的具体内容,占总成绩的60%。

6 结束语

笔者分析了当前的工业工程专业本科课程体系,同时进行了适应创新人才培养的工业工程专业本科课程体系改革研究,对四个课程体系模块的课程内容进行了改善,并对专业课程中适应创新人才培养的内容进行了改善。在此基础上,对课程教学方式进行了改革,以系统工程课程为例介绍了教学方式的改革,同时进行了课程教学评估研究。本次课程体系和教学改革对学生创新能力方面的培养具有较大作用,对后续工业工程专业创新人才的培养具有重要意义。