工業(yè)工程專業(yè)研究性教學(xué)方式的研究與實(shí)踐

朱海平

［摘要］針對工業(yè)工程專業(yè)的特點(diǎn)，指出了進(jìn)行研究性教學(xué)的重要意義，從課程設(shè)置、項(xiàng)目選擇、團(tuán)隊(duì)組建、過程管理和效果評價等方面探討了研究性教學(xué)的實(shí)施流程，并以制造物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)為例，介紹了研究性教學(xué)實(shí)踐的具體過程和效果。

［關(guān)鍵詞］工業(yè)工程研究性教學(xué)教學(xué)實(shí)踐

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）10-0049-03一、工業(yè)工程研究性教學(xué)的意義

工業(yè)工程（IE）是研究工業(yè)系統(tǒng)的效率與發(fā)展的一門工程學(xué)科，IE的許多重要的技術(shù)和理論方法都來源于生產(chǎn)實(shí)際，并最終應(yīng)用于制造企業(yè)來提升效率，因此是實(shí)踐性極強(qiáng)的專業(yè)。

研究性教學(xué)是教師通過指導(dǎo)學(xué)生從自然、社會和生活中選擇和確定與學(xué)科相關(guān)的專題進(jìn)行研究，使學(xué)生在獨(dú)立的主動探索、主動思考、主動實(shí)踐的研究過程中，吸收知識、應(yīng)用知識、解決問題、獲取新穎的經(jīng)驗(yàn)和表現(xiàn)具有個性特征的行為，從而提高學(xué)生的各方面素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神的一種實(shí)踐活動。

在工業(yè)工程專業(yè)實(shí)施和推廣研究性教學(xué)方式，具有以下重要意義：

（一）有利于學(xué)生更加直觀透徹地掌握課程知識

以“計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS）”課程為例，該課程主要講授信息技術(shù)和自動化技術(shù)在先進(jìn)制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，在以往課堂教學(xué)過程中，學(xué)生因缺乏工程實(shí)踐背景，往往對ERP、MES、PDM等信息系統(tǒng)難以理解，通過實(shí)施研究性教學(xué)，讓學(xué)生參與科研項(xiàng)目，分組學(xué)習(xí)和實(shí)際操作這些軟件，并分析企業(yè)對它的需求，就能相對容易地了解這些信息化軟件。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動實(shí)踐能力

相比較傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，研究性教學(xué)方式由于分組更小、目標(biāo)更明確、教師（或研究生）對學(xué)生的指導(dǎo)更多更具體、學(xué)生思考的空間更大，因此有利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提高其主動實(shí)踐能力，以“運(yùn)籌學(xué)”的研究性教學(xué)為例，教師結(jié)合自身的科研項(xiàng)目，先安排幾個專題，讓學(xué)生查閱文獻(xiàn)、進(jìn)行研討，建立數(shù)學(xué)模型，學(xué)習(xí)Matlab等數(shù)學(xué)軟件，實(shí)現(xiàn)算法并進(jìn)行結(jié)果分析，在整個流程中，學(xué)生的主動實(shí)踐將發(fā)揮主要作用。

（三）有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神

研究性教學(xué)方式多采取分組形式，每個小組3-5人，圍繞一個主題來開展，每人都有任務(wù)分工，最后的結(jié)果形成需要大家通力協(xié)作，通過這種方式，學(xué)生們能充分認(rèn)識到分工協(xié)作的重要性。

（四）有利于激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新精神

通過研究性教學(xué)，一些優(yōu)秀學(xué)生能夠較快地脫穎而出，取得一些創(chuàng)新成果，或發(fā)表科研論文，或申請發(fā)明專利，或在教師的科研項(xiàng)目中取得不俗的成績。

（五）有利于教師獲得科研和教學(xué)的靈感

研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的重構(gòu)，提倡用“研究”的觀點(diǎn)和方法改造傳統(tǒng)教學(xué)，使教學(xué)活動由單向知識傳授為主向?qū)W生和教師一起發(fā)現(xiàn)知識的過程轉(zhuǎn)變。在研究性教學(xué)過程中，學(xué)生實(shí)際參與教師的科研項(xiàng)目，雖然還無法取代研究生的作用，但時常也有一些不錯的想法，這些思路對于教師的科學(xué)研究不無裨益。

二、工業(yè)工程研究性教學(xué)的實(shí)施流程

研究性教學(xué)方式能否在工業(yè)工程專業(yè)成功實(shí)施，取決于兩方面的因素，首先是外部環(huán)境能否支持這種教學(xué)改革，包括課程體系設(shè)置情況、教師的科研項(xiàng)目情況、教師的研究團(tuán)隊(duì)情況、實(shí)驗(yàn)室的軟硬件條件、學(xué)生的基本素質(zhì)等；其次是研究性教學(xué)的實(shí)施流程是否合理，包括課程的選擇、學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的組建、教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置、教學(xué)過程的管理、教學(xué)效果的評價等，可以歸納為“體系支持、項(xiàng)目牽引、團(tuán)隊(duì)保障、嚴(yán)格管理、公平評價”，下面針對其中幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

（一）課程設(shè)置的調(diào)整

為了在工業(yè)工程專業(yè)推行研究性教學(xué)實(shí)踐，首先需要對現(xiàn)有的課程體系設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，目前有條件開展研究性教學(xué)實(shí)踐的課程包括部分專業(yè)課程、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等等，具體改革措施如下：

1.壓縮專業(yè)課程的課堂教學(xué)時間，增加課外學(xué)習(xí)時間。課堂教學(xué)約占總課時的75%，主要傳授基本的理論知識，課外學(xué)習(xí)時間分成兩部分，一部分是課時規(guī)定內(nèi)的時間，占總課時的25%，主要進(jìn)行題目選擇及分組安排、科研項(xiàng)目介紹、分組討論、方案指導(dǎo)、成果匯報等工作；另一部分是課時外時間，要求學(xué)生利用課外時間進(jìn)行資料查閱、工具軟件學(xué)習(xí)、操作實(shí)踐和匯報材料準(zhǔn)備工作。為了不增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，應(yīng)注意課程的選擇，條件具備的課程才能開展研究性教學(xué)活動。

2.鼓勵有指導(dǎo)的小組分散實(shí)習(xí)，取代傳統(tǒng)的大團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)方式。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)往往由一、兩個教師帶隊(duì)，去一家制造企業(yè)開展為期三周左右的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)的方式以參觀和授課為主，學(xué)生基本沒有動手實(shí)踐的機(jī)會。而采用分散實(shí)習(xí)后，每個教師只帶5-8個學(xué)生，實(shí)習(xí)時間可以更長（比如1~2個月，利用大三結(jié)束后的暑假），教師安排學(xué)生進(jìn)入自己的科研項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，讓研究生協(xié)助指導(dǎo)，甚至可安排學(xué)生去企業(yè)參與項(xiàng)目調(diào)研和方案設(shè)計(jì)工作，實(shí)踐表明，這種實(shí)習(xí)方式非常受學(xué)生歡迎。

3.鼓勵教師依托科研項(xiàng)目安排畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，并進(jìn)行雙向選擇。以前的畢業(yè)設(shè)計(jì)是單向?qū)W(xué)生安排給指導(dǎo)教師后再確定題目，每年題目的變化不大，學(xué)生有可能選擇不了感興趣的方向，因而積極性也不高。通過雙向選擇方式，可以讓教師結(jié)合自己的科研項(xiàng)目需要，安排具有吸引力的題目，提高學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計(jì)的興趣。

4.設(shè)置課外學(xué)分及其他獎勵?？梢砸?guī)定如果學(xué)生積極參加研究性教學(xué)實(shí)踐活動，并獲得可以考核的不俗成績（比如發(fā)表科研論文，申請發(fā)明專利等），則給予課外學(xué)分，同時在保研時進(jìn)行加分獎勵，這樣就可以大大提高學(xué)生參與這些活動的積極性。

（二）科研項(xiàng)目的選擇

進(jìn)行研究性教學(xué)實(shí)踐活動，離不開教師所承擔(dān)的科研項(xiàng)目的支持，科研項(xiàng)目包括企業(yè)合作項(xiàng)目、預(yù)研項(xiàng)目等，進(jìn)行項(xiàng)目選擇時需要遵循以下原則：首先是要難易適中，適合本科生參與學(xué)習(xí)；其次是項(xiàng)目與課程相符，便于學(xué)生更好的掌握本門課程的知識；然后是科研項(xiàng)目實(shí)施過程中需要一定的動手實(shí)踐能力，而非純粹的理論研究。如果是分散實(shí)習(xí)，則一般應(yīng)要求該項(xiàng)目是企業(yè)合作項(xiàng)目，能提供學(xué)生去企業(yè)調(diào)研的機(jī)會。

（三）教學(xué)團(tuán)隊(duì)的組建

按照課程性質(zhì)來組建研究性教學(xué)團(tuán)隊(duì)：

1.專業(yè)課程教學(xué)

通常包括教師1-2名，研究生3-4名，本科生50-60名，學(xué)生分為10組，每組5-6名學(xué)生，安排5個左右的研究主題，以“決策分析”課程為例，安排了5個題目：“隨機(jī)性決策方法”、“設(shè)備維修決策”、“隱馬爾科夫決策方法及應(yīng)用”、“模糊決策方法及應(yīng)用”、“博弈論應(yīng)用”。學(xué)生分組選擇題目，進(jìn)行研究，最后完成研究報告并進(jìn)行匯報，研究報告和匯報作為學(xué)生成績評價的重要依據(jù)。

2.分散生產(chǎn)實(shí)習(xí)

通常包括教師5-8名，每位教師安排3個研究生進(jìn)行協(xié)助指導(dǎo)，每位教師指導(dǎo)學(xué)生不超過8名。在分散實(shí)習(xí)過程中，教師安排學(xué)生參與科研項(xiàng)目，去相關(guān)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，完成需求分析報告，并學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，在研究生的指導(dǎo)下協(xié)助完成項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)。

3.畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)的時間較長，每位教師指導(dǎo)的學(xué)生一般不超過5名，研究生也協(xié)助進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生可以較為系統(tǒng)地了解教師所負(fù)責(zé)的一個科研項(xiàng)目，并以其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為題開展專題研究，最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。

（四）教學(xué)過程管理

與課堂科學(xué)及傳統(tǒng)的程序式生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)相比，研究生教學(xué)實(shí)踐的方式較為靈活，時間較長，如果管理不好也會流于形式，經(jīng)過一段時間的實(shí)踐后，總結(jié)了如下過程管理方式：嚴(yán)格要求學(xué)生按時到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)行考勤；定期召開Seminar，進(jìn)行進(jìn)展匯報交流；研究生和本科生之間建立1對2或1對3的聯(lián)系方式，監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究進(jìn)程；提供學(xué)生可以操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，充分激發(fā)學(xué)生的動手實(shí)踐興趣。

（五）教學(xué)實(shí)踐效果的考核評價

研究性教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)在形式上存在很大差異，為了對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價，必須引入新的評價方式。評價指標(biāo)包括選題的難易程度、文獻(xiàn)閱讀及綜述情況、研究過程中的紀(jì)律表現(xiàn)、在小組中發(fā)揮的作用、總結(jié)報告的完成情況、匯報答辯情況等6項(xiàng)。指標(biāo)權(quán)重可根據(jù)實(shí)際情況來確定。

三、工業(yè)工程研究性教學(xué)實(shí)踐案例

下面以工業(yè)工程的“計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS”課程中的制造物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)為例，介紹研究性教學(xué)實(shí)踐的基本過程。

（一）研究性教學(xué)實(shí)踐的目的

通過現(xiàn)場參觀、系統(tǒng)演示和介紹、交流討論、動手實(shí)驗(yàn)、工作匯報等方式，讓學(xué)生對制造車間的物理結(jié)構(gòu)、裝配生產(chǎn)線的運(yùn)行方式、物流配送模式和工作流程、物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及工業(yè)應(yīng)用、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用、生產(chǎn)過程質(zhì)量檢測與過程控制等有直觀和較為深入的了解，并能夠設(shè)計(jì)一些簡單的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合企業(yè)項(xiàng)目完成一定的應(yīng)用驗(yàn)證。

（二）研究性教學(xué)實(shí)踐的軟硬件條件

硬件設(shè)施包括裝配生產(chǎn)線、多套高頻/超高頻RFID讀寫器、天線和標(biāo)簽、Zigbee無線傳感網(wǎng)開發(fā)和測試套件、PLC/RFID集成試驗(yàn)臺、條碼槍和條碼打印機(jī)、手持式RFID/條碼數(shù)據(jù)采集終端、ARM開發(fā)工具、手持平板電腦、常用傳感器等等；軟件設(shè)施包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、物流仿真軟件Tecnomatix、生產(chǎn)線控制軟件、RFID讀寫軟件、物流分析軟件、質(zhì)量分析軟件等。以上條件為開展物聯(lián)網(wǎng)研究性教學(xué)提供了基礎(chǔ)環(huán)境。

（三）研究性教學(xué)實(shí)踐的主要過程

將本專業(yè)學(xué)生分為10個小組，每組5人，安排5個專題：

專題1：了解PLC的基本原理和開發(fā)過程，參與設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)；

專題2：了解RFID的讀寫過程，參與開發(fā)RFID的讀寫操作；

專題3：了解Zigbee的基本原理，利用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的自動采集和遠(yuǎn)程傳輸；

專題4：了解裝配生產(chǎn)線的工作流程和控制方式，集成PLC/RFID/Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，用于生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控；

專題5：了解制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的基本功能，設(shè)計(jì)出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在MES中的應(yīng)用場景。

學(xué)生選擇專題后，就著手開始相關(guān)理論和應(yīng)用開發(fā)知識的學(xué)習(xí)，利用實(shí)驗(yàn)室提供的軟硬件設(shè)施，在教師和研究生的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行軟件開發(fā)，并完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后，總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果，撰寫研究報告，通過PPT進(jìn)行匯報。

（四）研究性教學(xué)實(shí)踐的效果

通過研究性教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生不但掌握了物聯(lián)網(wǎng)的基本理論知識，更對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造車間的應(yīng)用有了比較直觀的認(rèn)識，知道如何設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，以及進(jìn)行軟硬件開發(fā)的基本流程，部分優(yōu)秀學(xué)生還完成了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，可以通過PLC和RFID的集成實(shí)現(xiàn)換刀控制，通過Zigbee實(shí)現(xiàn)數(shù)顯卡尺測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集等。

研究性教學(xué)是現(xiàn)代教育理念的集中體現(xiàn)。本文結(jié)合工業(yè)工程學(xué)科的特點(diǎn)，探討在本科生階段開設(shè)研究性學(xué)習(xí)課程的意義和實(shí)施流程，并以一門課程為例，實(shí)踐了研究性教學(xué)，取得了不錯的效果。

當(dāng)然，研究性教學(xué)過程中也遇到很多困難，它需要有較多的教學(xué)和科研資源投入，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入和人員投入等，如何實(shí)現(xiàn)常態(tài)化健康運(yùn)行還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究和實(shí)踐。

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［責(zé)任編輯：碧瑤］