系统生物学应用篇(1)

［关键词］ 系统生物学; 信息医学; 中西医结合; 基因调控路线图

Application of systems biology and information medicine to integrated traditional Chinese and Western medicine

KEY WORDS systems biology; information medicine; integrated traditional Chinese and Western medicine; road map for gene regulation

20世纪中期的观点认为，生物体是由“物质和能量”所组成的，但现在的人们已逐渐认识到人体是一个复杂的巨系统，生物系统最重要的特点在于其各个部分之间的高度协调。在一个细胞中，在同一时刻有条不紊地进行着数千个代谢过程，细胞之间亦同时进行着各种协调与整合，如此才会最终形成各种脏器和系统井然有序的功能表现。显然，这些高度协调、密切相关的过程只有通过交换信息才能实现。固然，物质和能量仍是生物体的生存要素。在细胞中，核糖体拥有氨基酸组建模块以及ATP合成为ADP过程中释放的能量，但如果没有细胞核中DNA所携带的信息，同样无法合成具有功能的蛋白质。所以，信息在任何过程中都起着关键性的作用，物质和能量不过是附属物而已。生物体内的信息传递和整合是由细胞内外的受体和信号转导系统来完成的，不同的信号通路之间存在相互的联系和作用，形成动态的功能网络。

按系统生物学的观点，可以将生物系统的特点概括为“整体、动态、层次、整合”。机体内无数个大小网络是一个通过层次与层次之间、网络与网络之间、系统与系统之间的联系和整合而建立起来的复杂系统，并不是简单系统的叠加。这个复杂系统也会通过不同网络之间的信息传递和整合，使基因或蛋白质产生出最终的生物学功能，如此势必会出现一些涌现性行为和规律，出现一些单独系统所不能反映的新行为，这就是系统生物学的特征。因此也可以说，信息是生命赖以存在的至为关键的因素。

中医学是一门应用信息进行调控，并将其作为主要医疗手段的医学。首先是以外揣内，通过四诊获取人体处于何种状态的信息，通过各种辨证方法对这些信息加以分析，最后按照中药性味及方剂中最佳配伍的信息组合进行组方，用以调动人体自身的抗病能力，综合调节不平衡的病理状态，使之向健康状态转化。

由此可见，中医学和现代医学都是立足于应用信息来认识人体的病理、生理变化。中医学发展的历史条件造成其对信息的认识、掌握和应用都是间接的，把人体看作黑箱，用以药测证的方法，不断充实信息的可信度，因此其获取信息的优越之处在于通过宏观的方式对人体整体状态进行观察和辨别分析，而并非仅仅限于某个功能系统，这些都符合系统论的思维方法；但不足则在于未能将这些信息量化，以致于在应用这些信息时存在主观性和不稳定性。

中医理论尚保持一种前科学的状态，将四诊信息量化固然使中医学向现代化、规范化迈进了一大步，但更为重要的是如何把大量的具有正反两方面意义的信息加以整合，理出一个头绪，朝向一个方向。中医学本来就是先进的系统生命科学认知体系，只是未能利用还原论的分析方法掌握其微观的技术手段，就连对四诊信息进行量化亦缺乏有效的技术方法。现代医学的理论和方法均奠基于现代科学之上，但自从15世纪下半叶以来，以还原论进行分析的研究方法主宰了现代科学的众多领域。生物学和医学就是从整体到器官、组织、细胞，再不断细分至分子生物学。从唯物历史观的角度看，这是时代的需要。还原论在攫取更为深入、细致的信息方面，较之古代笼统的整体观不能说不是一个进步。但是基础医学在进步，医学模式却在倒退，小问题越做越深，以致只关注于生物单分子行为；大问题越做越少，从而偏离了宏观研究的方向。中医学缺乏还原论的分析方法，而现代医学缺乏整体论的观点和思维。如此，在系统生物学的前提下，中、西医各自寻找所需，中西医的结合有了可能。

在临床实践中，辨病与辨证相结合这一中西医结合的初步途径已为广大医者所接受。辨病是西医之所长，辨证是中医之所长，中西医各取所长，优势互补，才是有机的中西医结合。除了病证结合外，在具体辨别与应用上亦存在无证从病、无病从证、舍证从病、舍病从证，这些其实就是对病与证的信息进行整合与取舍，其中取舍的根据，必须以唯物辩证法为指导，判断何者是主要矛盾，何者是次要矛盾，正确处理局部与整体及现象与本质之间的关系。

“证”是辨证论治的起点和核心，就脏象中“肾”的辨证而言，是机体对致病因素做出整体反应的一种功能状态。由于辨证是由外揣内，在具体应用上受到医患双方主观因素的影响，因此难以将其客观化和量化。借助四诊所获得的信息，用量表依靠经验进行评分，亦只是半定量，故而必须通过研究“证”的内涵，以期获得可以量化的信息。1977年Besedovsky首先提出宏观的“神经内分泌免疫”网络假说，神经内分泌调控免疫属下行通路模式，免疫亦能调控神经内分泌属上行通路模式，如此形成双向信息传递机制。三者拥有一套共同的化学信息分子与受体，从而使这三个系统之间能够相互交通和调节，形成多维立体网络状的联系，使涉及整体性的系统之间得以相互交通和调节，形成多维立体网络状的联系。从涉及整体性系统之间调节的神经内分泌免疫网络，到局部性质的下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴网络，还有数不清的小网络，机体就是由大大小小众多网络所构成的，并将其作为对外反应与自我调节的基础。正常的人体功能是人类基因的一个有序表达，病或证则是基因表达的失衡，治疗绝大多数病或证都将从调控基因功能入手，即从修饰或改变基因的表达与基因的产物着手。大、小网络的调控都是立足于基因表达的调控，这些基因网络最后都要通过中枢信号传导由负反馈机制来完成调控作用，使生命体有自我调节的能力。网络是一个高度复杂的、非线性动力学系统。钱学森说过：“要看动力学就要造成干扰，才能看到变化。”中医学自发地应用系统概念考察人体变化，着重于通过证效关系来判别辨证的正确性，“以药测证”就提供了一个动态的干预手段来研究证。

转贴于

我们在“肾”本质的研究中，借鉴了“神经内分泌免疫”网络学说，证明肾阳虚证的调控中心位于下丘脑［1］，并且涵盖了以下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴为主轴的神经内分泌免疫网络［2］。既然调控中心高踞于下丘脑，则其调控模式可被设想为是通过下行通路进行的。对于大量的调控信息，我们必须从系统生物学的“整体”角度加以考虑，采取以药测证的“动态”干预进行比较，将各个“层次”的基因信息通过基因网络把它们“整合”起来，于是蕴育了绘制基因网络调控路线图谱的意图。

我们在模拟肾虚证26月龄自然衰老大鼠模型上，采用补肾药淫羊藿总黄酮进行以药测证，取下丘脑、垂体、肾上腺、脾淋巴细胞，采用美国Affymetrix公司的大鼠基因芯片，研究老年大鼠下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴的基因表达谱［3］。淫羊藿总黄酮在最高层次下丘脑水平可上调6种神经递质受体基因的表达，在垂体和肾上腺水平上调生长激素轴和性腺轴，证明淫羊藿总黄酮的调控模式是通过神经内分泌免疫网络的下行通路而激活免疫系统的。在免疫系统中的淋巴细胞这一层次中，淫羊藿总黄酮首先激活与细胞凋亡相关的上游信号分子，上调CD28、CTLA4、T细胞受体、CD3这些共刺激信号分子以形成调控网络，连同转化生长因子β以及促增殖的原癌基因cFos、cmyc、aRaf、cyclinD1、cJun等共同激发T细胞生长因子白细胞介素2，成为促增殖、抗凋亡信号转导的重要途径。白细胞介素2是强有力的生长刺激信号，激活核转录调节因子NFκB，NFκB信号转导通路是一组集抗凋亡、促增殖、调节免疫效应于一身的调节因子，为多种信号转导途径的连接点，在分子调控网络中处于枢纽地位。它的被激活，在导致下调促凋亡基因的同时亦上调抗凋亡基因，在下调抗增殖基因的同时亦上调促增殖基因，使这些对立的基因整合后向有利于增殖与凋亡平衡的方向进行，最终降低了老年期大鼠T细胞的过度凋亡。从淫羊藿总黄酮的干预上调下丘脑多种神经递质，直至降低T细胞凋亡率，是一连串信息在多个层次之间的传递与整合，最终形成肾虚证在下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴上具有特征性的有序基因网络调控路线图谱。见图1。

图1 肾虚证下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴基因网络调控路线图谱（略）

用基因表达谱检测RNA功能的表达受时间和空间的影响，在不同时间、不同条件下会有不同程度的表达，故进行基因芯片实验最好重复2次以上。我们在重复前次实验时，除了采集下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴中的下丘脑、垂体、肾上腺及淋巴细胞以外，还根据肾虚辨证涉及的范围，增加了骨骼、肝脏和肾脏这3种标本，以使基因表达差异的显示结果更接近于肾虚证的本质，并逐步扩增基因网络调控路线图谱。见图2。

在下丘脑垂体肾上腺皮质胸腺轴4种组织上所获得的实验结果与前次研究结果相对照，有很好的重复性。由于淫羊藿总黄酮的干预，在骨骼、肝脏和肾脏这3种组织中，原已下调的与甲状旁腺素、降钙素、骨基质相关前胶原和胶原，以及蛋白质、糖代谢相关的基因，如细胞色素C，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶、6磷酸葡萄糖、前列腺素等全部上调。将7种组织中众多小网络的信息进行整合，使基因网络之间关系逐步明朗、有序，显现出神经内分泌免疫和神经内分泌骨代谢两大系统，同时亦形成相互交叉的两大基因网络调控路线图谱。用以药测证的方法显示了“肾”在生理状态下对机体进行调控的两大主要基因调控路线及其规律。按系统生物学观点，借助于信息医学，我们在中西医结合研究中对肾虚证本质和复杂生命现象解析之间的关系做了有联系的应用，并提出了新的研究思路。

图2 肾虚证两大基因网络调控路线图谱（略）

［参考文献］

1 沈自尹. 肾阳虚证的定位研究. 中国中西医结合杂志， 1997， 17(1): 5052.

系统生物学应用篇(2)

【关键词】半自动细菌鉴定；药敏分析；微生物实验教学；应用

在医学领域中，半自动细菌鉴定及药敏分析系统属于比较先进的医疗设备，在与计算机有机结合的情况下，可以准确进行细菌鉴定、药敏检测等。因此，将其合理应用到微生物实验教学中，对于提高学生的实践能力、应用能力和操作能力有着极大作用。

一、前期准备

在还没正式半自动细菌鉴定及药敏分析的时候，学生学习重视前期准备工作，熟悉各种与医学微生物学相关的操作方法、操作技术等，如细菌形态检查，需要通过取材、图片和镜检等多个步骤来完；药物敏感试验、细菌分离培养，等等。同时，对半自动细菌鉴定及药敏分析的相关原理、配套试剂盒说明等资料有比较全面的了解，才能在自学、查询其它资料等的过程中掌握更多实验方面的知识，从而为半自动细菌鉴定及药敏分析实验顺利、安全实施奠定坚实基础。

二、实验设计

一般情况下，细菌鉴定是从粗向着细方向发展的，其整个过程有着较强复杂性。因此，需要将待检标本的各种细菌分离培养、纯化，才能对纯化后的细菌进行进一步鉴定，以便确定这些细菌属于哪个课、哪一种等。通常情况下，细菌的初步鉴定是通过手工操作方式，从细菌的培养特点、形态染色性、部分生化试验上来判定的。所以，操作过程比较麻烦，但在合理应用半自动细菌鉴定及药敏分析系统的情况下，整个操作过程则变得非常便捷、简单。在初步鉴定每个待检标本时，需要使用合适的试剂盒，并把学生合理分为四个实验小组，以在教师提供两组待检标本的情况下，确保两组实验可以有效对比。与此同时，具体的实验方案需要每个小组自己设计，以在教师的指导、审核下进行完善，以便更好的解决实验过程中学生遇到的相关问题，从而确定最终的实验流程。

三、实施流程

第一次：在待检标本被分类培养后，根据他们的种类选择最合适的培养基，并将其制作出来。一般各小组的分工由组长来安排，以及时完成培养基的如下几个操作：一是，称量；二是，将培养基加热，使其融化；三是，用高压对培养基进行杀菌；四是，将培养基倾注到平的器皿中，等等。在完成上述操作后，需要在已经准备好的固体培养基上进行待检标本的划线接种。在整个操作过程中，学生是主要操作人员，教师只是负责指导、改正、解答等，如果有空闲的时间，还可以让学生借助计算机进行上述实验的模拟训练，以便学生更加熟悉整个实施过程。

第二次：细菌形态染色、初步生化实验。将已经分离培养和纯化的细菌菌落取出一定量，对其进行革兰染色和镜检，并进行一些定科生化试验，如粪便标本中有肠杆菌科细菌，需要进行触酶试验、氧化酶试验、硝酸盐还原试验等。在实际操作学生与教师的操作流程与第一次是一样的。

第三次：进行初步鉴定、选择合适的试剂盒加样。在分析第二次试验的结果后，选择出合适的试剂盒，并根据试剂盒的情况将分离的菌株配置成浓度为0.5麦氏比的菌液，以在试剂盒的药敏试验孔、生化反应孔加入菌液后，进行试剂盒的加样培养。一般情况下，加样试剂盒要放在温度为35摄氏度的温箱中，并保持16到18小时的时间。其中，教师与学生需要完成的操作与上述两个步骤是一样的。

第四次：在观察试剂盒后，将其结果输入到计算机中，以便根据自动分析结果进行最后的鉴定。在完成所有操作后，每个小组的学生需要对实验结果进行一定讨论，以便与预期结果进行可靠性对比，最终将实验结果、实验设计等呈现在实验报告上。通常教师对学生进行评价都是将实验报告作为参考依据的，对于提升学生的专业技能有着极大影响。所以，对整个实验进行比较完整的总结，并详细的叙述实验过程的注意事项，以及学生遇到的相关问题，对于促进微生物实验教学效果进一步提高有着极大影响。

结束语：

综上所述，在微生物实验教学中合理应用和推广半自动细菌鉴定及药敏分析系统，是社会、经济等不断发展的必然趋势，是理论知识应用到实践操作的重要体现。因此，根据微生物实验教学的实际情况，注重半自动细菌鉴定及药敏分析系统的充分运用，有利于大大提高学生的学习兴趣、操作技能、综合素质等。

【参考文献】

[1]张俊琪，谢幼华，王葳，刘晶，袁正宏，瞿涤.细菌学综合性实验在《医学微生物学》教学中的应用效果分析[J].微生物与感染，2015，06：365-370.

系统生物学应用篇(3)

[关键词] 仿真 物流系统 供应链

随着物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强，建模与仿真的方法在物流系统的完善和决策中变得日益重要。仿真是利用计算机来运行仿真模型，模拟时间系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。计算机仿真的类型有离散事件(系统)仿真、连续系统仿真、混合系统仿真，还有蒙特卡罗仿真(Monte Carlo Simulation)等。

物流系统是复杂的离散事件系统，在系统设计与控制过程中存在许多优化问题，用系统仿真为解决复杂物流系统的问题提供了有效的手段，它不仅可提供用于决策的定量信息而且可以提高决策者对物流系统工作原理的理解水平，仿真技术为复杂物流系统设计提供了技术性和经济性的最佳结合点和直观有效的分析方法。

因此,物流系统仿真成为近年来国内外学术界研究的一个热点问题。本文对物流系统中的供应链仿真、生产物流系统仿真和物流配送系统仿真进行综述。

一、供应链仿真

供应链管理是一种为适应市场全球化和客户需求多样化而产生的一种管理技术，它能够有效地协调和控制供应链上物料流、信息流、价值流，保持灵活和稳定的供需关系，使整个供应链上企业效益最大化。由于供应链这类复杂系统中存在着很多不确定性和随机性因素，而数学方法由于求解条件的限制，建立的数学模型有时存在着求解困难甚至不可解的结果。在此情况下，以数学模型为基础、以求数值解或特解为特征的仿真建模方法显示出了极强的技术优势。近年来，伴随着许多成熟的仿真软件的引入和使用，各种仿真建模方法解决供应链问题的适用性也得到了大幅度提高。

近年来，很多学者进行了物流与供应链管理的仿真与建模方面的研究。高翔，林杰，张炜等仿真的供应链强调上游及下游企业问的信息共享与相互协作，并根据供应链中不同的信息做出相应的决策。它将整个供应链分为三层结构，即供应商、制造商和销售商，此外还有运输商负责不同层面之间的联系，并通过建模仿真对系统进行优化，提高系统的整体适应能力。

朱卫峰，费奇针对复杂物流系统仿真及其现状进行了研究，给出了复杂物流系统的网络图结构，提出了复杂物流系统仿真CLSim的总体结构，同时指出了复杂物流系统仿真研究的三个问题：复杂物流系统中的不确定性建模、复杂物流系统仿真模型设计与实现及复杂物流系统控制；并将复杂物流系统仿真设计的思想应用于敏捷后勤仿真系统，提出了基于时间步进的事件调度仿真策略，用实体流程图法设计了敏捷后勤系统的仿真模型。

随着电子商务的逐步普及，面向制造企业的传统供应链的结构发生了变化，程曙等运用优化方法理论从供应链的系统性和整体性视角出发，对此种供应链的结构进行详细的建模和仿真研究，寻找具体的决策优化方法，并探讨了其中的目标函数、约束条件等关键性问题。

彭建刚在分析供应链管理的基础上，提出“一流二网三关系”的供应链建模思想：“一流” 指订单信息流；“二网” 指物流网和资源网；“三关系”指客户关系、动态关系和集成关系。同时对供应链建模的混合整数规划和统一优化方法论作了阐述，为供应链的建模提供了较为实用的方法。

彭晨等应用供应链思想对煤炭供应链进行研究，应用Petri网对供应链物流及供应流运行过程进行建模，然后运用子过程分析煤炭供应链存在的问题，最后结合煤炭供应链过程模型运用VB方法完成供应链决策过程的可视化仿真，找出煤炭供应链运营瓶颈。

在二级供应链研究方面，郭士正研究了服务销售系统的二级供应链模型，是关于设施选址和市场顾客配置的混合整数规划问题。在实例应用中，对奶制品零售分销的供应链问题进行了计算机仿真计算。

二、生产物流系统仿真

生产物流是指从企业的原材料采购，车间生产，半成品与成品的周转直至成品发送的全过程中的物流活动。生产物流系统是一个复杂的综合性系统，如何提高其效率和效益是至关重要的，系统仿真作为一项用于系统分析和研究的十分有效的技术，已经被广泛用来对生产物流系统进行规划设计，运输调度和物料控制等。

A．Sawhney(1999)将Petri网技术用于邮件处理中心，对整个处理中心的工作流程进行了分析与优化，提高了邮件处理的效率。

张颖利等对某微型汽车厂总装车间的生产物流系统进行分析研究，在此基础上对其建模和仿真，在仿真过程中可以看到主要部件在装配线中所处的位置，能够判断装配各种零件所需要的时间，方便车间管理人员根据生产需求对生产线进行及时的调整。

詹跃东基于Petri网建模理论，对烟草行业的卷接包车间的AGVS进行了分析，并对该系统构造了Petri网模型。

何腊梅等则以某炼钢厂全连铸改造后的生产调度问题为应用背景，研究了此炼钢生产物流系统的仿真建模与仿真运行问题。在此系统现有流程生产物流的输入条件下。分别对设备在正常生产以及正常检修两种不同条件下进行了仿真试验，得出系统正常运行所需的临界条件。

嵇振平等使用分层有色Petri网(HCPN)和事件操作表(EOL)的方法来减少复杂制造系统建模的复杂性，为物流仿真软件体系结构的模块化及层次化设计建立了良好的基础，并将HCPN应用于宝钢炼钢连铸生产物流仿真系统的建模中。

三、物流配送系统仿真

在现代物流系统中，配送中心是集物流、信息流和资金流为一体的流通型节点，是现代物流系统中的重要组成部分。对物流配送中心，特别是配送中心各个子系统的研究也越来越多。

在配送中心的多个子系统中，分拣系统是较为复杂的，同时又是其核心部分。邵明习等对物流分拣系统进行建模。主要对系统中的设备的选择进行研究讨论．着重描述了分拣设备的动态运行过程，以及速度的选择对分拣效率的影响。

沙洪洲等则是以配送中心的仓储系统为研究对象，建立了其数学模型并研制了计算机仿真软件。在软件平台上，只要给出库存初始参数和出库随机分布就可以清楚地看到库存量的动态变化过程，并预测达到库满或库空所需的时间。

在输送系统研究方面，孙娟等对物流输送系统进行三维动画仿真，在仿真程序中通过对设备参数设定，可以模拟出在这组参数下整个运输系统的繁忙状况及各设备的工作效率，从而对系统的输送能力做出评估。

在物流活动中，科学合理的货物配送路径选择是物流中心在最佳时间选择最佳路径为客户提供最佳服务的有效保证。王英凯等[17]对货物配送最佳路径进行研究，为其建立了一个基于遗传算法的数学模型。并对该模型进行了较为深入的数学处理，给出了智能化配送的路径量化方法。

张汉江等对配送中心的自动化立体仓库可视化问题进行了探讨，采用基于虚拟现实的仿真辅助设计方法，建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型。重点论述了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的设计过程，并以某公司自动化立体仓库设计方案为例，使用该仿真辅助设计软件对方案进行优化调整。

四、结束语

系统仿真作为解决复杂物流系统问题的有效手段，已经广泛应用于生产物流系统、供应链及物流配送系统等研究领域。但是由于实际供应链的复杂性，目前的供应链仿真只停留在理论研究阶段，未能有效地应用于实际的供应链管理中。对真实的复杂物流系统的仿真和总体优化是未来研究的方向和重点。

参考文献：

[1] Kochel P. Solving Logistics Problems through Simulation and Evolution [C]//in the 7th international symposium on operational research in Slovenia Podetrtek，Slovenia．2003

[2]金淳刘昕露:供应链协调的仿真建模方法研究综述[J]．计算机应用研究，2006，23(4)：1～3

[3]朱卫峰费奇:复杂物流系统仿真及其研究现状[J].系统仿真学报，2002，l5(3)：353～356

[4]朱卫峰费奇:敏捷后勤仿真系统设计与实现[J]．计算机仿真，2003，2O(6):4～7

[5]程曙张浩陆剑峰:制造企业双渠道市场的供应链建模和仿真[J].计算机集成制造系统，2004，10(5)：519～522

[6]彭建刚:供应链建模分析[J]．现代管理科学，2004，10：75～76

[7]彭晨岳 东:基于Petri网的流程供应链过程建模分析[J]． 计算机工程与应用，2003，38(3)：199～201

[8]郭士正卢震:二级供应链建模及仿真研究[J].集美大学学报:自然科学版，2004，90)：346～349

[9]Sawhney A，Abudayyeh O．Modeling and Analysis of a Mail Processing Plant Using Petri Nets [J]．Advances in Engineering Software(S0965―9978)，1999，3O(8)：543～549

[10]张颖利邵明习:企业生产物流系统的建模与仿真[J]．物流技术.2005(12)：62～65

[11]詹跃东骆瑛:基于Petri网的物流自动化系统建模与仿真研究[J].系统仿真学报，2001，13(4)：501～504

[12]何腊梅郑忠高小强等:攀铜炼钢生产物流仿真分析[J].重庆大学学报，2004，27(5)：57～61

[13]嵇振平陈文明于戈:分层有色Petri Net(HCPN)及其在宝钢炼钢连铸生产物流系统仿真建模中的应用[J].冶金自动化，2002，27(2)：6～9

[14]邵明习王春峰张沂泉:基于AutoMod的物流分拣系统的建模与仿真[J].物流科技，2006，29(2)：50～53

[15]沙洪洲郭果敢:马尔可夫链用于仓储建模与仿真[J]．计算机仿真，2005，22(4):61～63

[16]孙娟尹军琪宁建国:动画技术在物流仿真系统中的应用[J].起重运输机械，2003(9)：48～50

系统生物学应用篇(4)

关键词：物流信息系统；教学现状；教学方法

中图分类号：G642 文献标识码：A

Abstract： The paper analyses the teaching conditions of logistics information system now and finds some shortcoming such as scanty teaching material， nonobjective and insufficiency of practice teaching. It deals with the shortage of teaching of logistics information system from four aspects： selected accessorial teaching material； to improve the effect of practice teaching by flexibly teaching mode； to strengthen the communication between teachers and students based on network； to improve the teachers to widen the major knowledge. The measures make teaching better and more effective.

Key words： logistics information system； teaching present condition； teaching methods

近年来我国物流产业发展迅速，对物流管理及信息化水平提出了越来越高的要求。因此我国高校开设物流管理相关专业，培养专业人才以满足市场对人才的需求，体现了高校专业设置应该服务于社会发展的宗旨。广东药学院医药商学院根据市场需求开设了“物流管理”专业，在教学计划制定过程中充分考虑社会的实际需求，既注重基本理论和基本技能的培养，同时也注重学生应用能力、分析能力、解决问题能力的提高[1]。《物流信息系统》作为该专业的重要核心课程之一，笔者在教学中发现存在一些不足之处，提出了相关教学改革及对策措施，在教学实践中取得了良好的教学效果，对提高该专业学生的专业技能具有重要作用。

1 教学中存在的主要不足之处

物流管理专业是我国许多高校适应市场需求而开设的一个新专业，课程设置内容要求等没有成熟的经验可供借鉴。《物流信息系统》课程作为物流管理专业的重要课程之一，首先具有学科交叉性强的特点，比如涉及计算机网络、程序设计、软件工程以及物流信息（包括EDI技术、条形码技术等）技术；其次，课程同时具有较强的理论性和实践性，物流信息系统不仅要求传授学生系统的物流管理等基本理论，而且要求培养学生的实际动手能力，如系统设计与开发、系统应用等。《物流信息系统》的这些特点首先对任课教师提出了较高专业要求，即要求教师具有多学科专业背景，同时又要求教师具有丰富的教学经验，只有如此才能够比较合理把握教学的广度和深度[2]。

目前《物流信息系统》的实际教学中存在以下问题及不足之处：

（1）缺乏代表性的教材。教材在一门课程的授课过程中具有举足轻重的作用，而《物流信息系统》是一门新兴的综合性较强的课程，其内容包含计算机学科、管理学科、物流学等不同学科专业知识，内容繁多，知识面广，如何把不同学科知识按照一条线索贯穿为一个有机整体是该课程教材建设的难点之一。而目前现有的教材多数是将相关知识生硬组合在一本教材中，各篇章之间连贯性不强，学生学习过程中总是反馈不知道课程整体知识结构及其之间的联系，从而影响学生学习兴趣。

（2）理论教学抽象，学生不易与实际相联系。《物流信息系统》应该是围绕物流信息系统的开发建设及应用来开展理论教学，但是现有教学中容易形成针对知识点来教学，如数据流程图部分举一个商品入库操作来说明，数据库部分又以商品配送来说明，造成了教学中以知识点为单位，学生学习课程后缺乏对物流信息软件开发的深刻具体理解，感觉学习的内容抽象，缺乏具体性，不利于学生对知识点的理解。

（3）实践教学效果不佳。《物流信息系统》教学中多数学校均设置了实验教学环节，这在一定程度上提高了学生对实际应用的感性认识，学生的动手能力得到了提高。同时现有教学中往往是教师先演示实验内容或者给出较详细的实验指导，学生按照老师演示或者实验指导完成实验，在实验过程中学生缺乏分析和思考的环节，虽然能够顺利完成实验内容，但是收获不大。

（4）教学内容重复。物流管理专业学生往往不仅学习《物流信息系统》，而且要学习《数据库技术》、《电子商务概论》、《物流设备》、《物流系统规划》等其它专业课程，而《物流信息系统》由于其课程特点和教学内容往往会与其它课程相重复，比如计算机网络技术在《电子商务概论》课程中涉及、数据库设计在《数据库技术》课程中涉及，授课内容的重复不仅导致教学时间的浪费，而且容易造成学生一定厌学情绪，如何合理处理这个问题对教学效果具有重要影响。

2 教学改革及对策探讨

通过以上对《物流信息系统》教学现状及不足之处的分析，结合本人在该课程教学实践中的体会，提出以下关于《物流信息系统》课程教学的一些改进对策。

（1）认真选取主要教材，合理选择辅助教材。由于《物流信息系统》教材水平不一，在教学中结合学生基础，认真选取合适的教材。在选取教材中应注意几点：首先是知识的条理性，《物流信息系统》由于其涉及专业知识学科多，因此应注重整本教材中各部分知识点的条理性及相互连贯性；其次是教材的案例，我国物流产业毕竟发展时间不长，有些教材多是举一些国际大公司的案例，这虽然对学生掌握目前先进技术和应用具有重要作用，但是如果能够结合我国目前的实际应用而设置案例或者实例说明，对学生的动手能力以及毕业后工作的适应性均具有促进作用。在选取主要教材以后，还应该根据不同教学阶段，鼓励学生借助于图书馆或者电子图书参阅相关辅助教材，例如对数据库设计部分，可以就相关理论及案例分析分别选择2～3本辅助教材，通过参阅其中相关章节以达到对知识点的深刻理解。

（2）理论教学中注重与实际应用相结合，通过应用案例串联不同的知识点。在理论教学中主要存在两个大的问题：一是知识点的抽象性；二是知识点之间的关系即课程体系中知识点的连贯性。针对这种现状，笔者在实际教学中采取的是与实际应用相结合的方法，目前市场上实际应用的物流信息系统很多，但是它们并不适合直接拿来作为教学应用，主要原因是功能强大、系统过于复杂，在有限的理论教学时间中不可能把一个实际的应用作为实际案例来分析。在实际教学中，应该以具体实际应用系统为背景，在此基础上做一些必要的简化，简化的基本要求是简化后的案例即可以说明知识点，又能够反映实际应用的特点。在此案例基础上，理论课堂上可以根据需要对相关知识点结合案例进行形象说明，例如关于网络技术这个知识点，可以根据案例中企业发展规模不断扩大，办公场所空间上的扩展，直至在各地建立分公司的实际情况，然后自然地引入网络的需求，再结合企业实际需要解释网络技术在企业物流信息系统中应用[3]。

（3）采取灵活的实践教学模式。物流信息系统的实践教学是课程重要组成部分，主要完成以下几个目标：首先是对物流信息技术的深入理解，如EDI技术、RFID技术等；其次是熟悉常见的物流信息系统包含的功能模块，掌握物流管理信息系统中主要业务的操作流程，如商品入库、商品出库等；第三，熟悉物流信息系统基本开发流程及主要技术。

针对实践教学的目标，将实验内容分为以下三个主要部分：

①物流信息技术模块。主要完成熟悉EDI、RFID等主要物流信息技术在物流信息系统中的应用，这部分实验主要采用软件模拟形式，通过特定软件让学生熟悉理论课及其他相关课程中学到的信息技术的使用过程。这部分实践教学主要偏重实际应用，而不注重原理的理解。

②物流信息系统软件操作。选择典型的物流信息系统软件，熟悉其中主要的功能操作，尤其是与教材或者理论课教学内容相关的部分。通过实验首先让学生感性认识物流信息系统基本面貌，其次是体会到物流信息系统管理模式下对企业管理效率和水平的提升。

③物流信息系统分析与设计。学习《物流信息系统》这门课程重要部分是掌握物流信息系统分析与设计相关技术，但是这与计算机专业学生学习系统分析与设计又有明显区别，因为作为物流管理专业学生不可能也没有必要学习计算机专业的系统分析技能，这就要求教师在内容设置及要求上提出合理要求。

实践教学对《物流信息系统》课程教学效果影响重大，也是教学环节中较难的一个步骤。在广东药学院医药商学院教学实践中，通过多位老师长期摸索，探索出了一条有特色的实践教学途径，主要包含以下几个方面：首先是实践内容设置要与专业需求紧密相关，即所有的实验内容与物流管理专业要求及学生将来就业需求紧密结合，首先，可以提高学生实践积极性，从而提高实践教学效果；其次，实验内容设置灵活变化，考虑到学生基础差别较大，通过设置每个实验基本要求来达到课程实践教学的基本要求，同时增加选做内容以满足学有余力的学生的探索和学习要求；第三，在有条件的情况下，坚持有一部分实践教学走出实验室，到企业中去，通过实地考察、观摩信息系统的使用情况，加深对理论教学的理解[4]。

（4）教学网络平台建设及利用。通过建立教学网站和微博平台加强教学互动和师生沟通。

目前广东药学院医药商学院学生基本上都自己配有个人计算机并接入学校校园网，学生均有上网的习惯，针对目前教学网站往往是形式大于内容，学生兴趣不大的现状，《物流信息系统》教学网站除了提供日常教学课件、习题等资料下载以外，还根据课程特点设置以下特有功能：

①有针对性地上传相关教学视频及网站介绍。学生学习过程中觉得最难地是理论讲述的抽象、与实际联系不紧密，通过一些教学视频可以使学生能够对课本中讲到的一些理论具有更直接的感受，如通过物流公司日常运作视频介绍，学生能够更容易理解物流技术对企业发展的重要性。

②设置开放式的课程讨论区。这是学生学习这门课程的交流平台，学生觉得有什么困难、疑问等可以在此提出问题，学生或者老师均可以回答或者对回答评价，并将学生回答情况（包括次数、正确率）等作为平时考核的参考之一，网站还会实时对学生发言状况给出相应级别或者排名，鼓励学生更多地参与到讨论中，更好地理解课程相关知识点。

③采用学生更容易接受的博客平台讨论课程学习情况。博客是目前学生中普遍熟悉喜爱的一种沟通交流形式，一些老教师开始并不习惯使用这种方式，在课程教学过程中发现采用这种方式展开课程讨论的教师及其所任教的班级的学生对课程兴趣高于其他班级，学习效果也较好，现正在所有教师中推广。

④积极开展博客在实验教学中的应用。博客是学生中广泛使用又十分喜爱的网络沟通平台之一，可以作为教师和学生教学中以及课后交流沟通平台，也可以作为学生进行自主学习和协作学习平台。具体说在《物流信息系统》实验教学中有以下功能：首先是一个实时答疑平台，博客的优势之一是及时性，尤其是对于广东药学院医药商学院这种多校区办学的实际情况尤其适合；其次是作为学生实验过程及实验后总结的交流平台。

（5）教师队伍建设。教师在教学活动中处于主导地位，对课程的教学效果具有决定性作用，而《物流信息系统》由于其自身特点也对任课教师提出了更高要求，同时新时期的学生也具有新思想新观念，首先，要求教师具有新时期的教育观念，树立学生为主体的教学思想，正确处理知识、能力、素质之间的关系，多采用学生易于接受的启发式、讨论式、研究式等新的教学模式[5]；其次，从事物流管理专业信息系统教学教师必须有多专业的知识背景，至少要求具有计算机相关专业和物流管理相关专业知识，最好同时具备管理学和营销学相关知识，但是现任教师往往是单一专业背景，弥补方法要求教师在教学过程中不断更新自己知识结构，加强薄弱知识点的学习；第三，《物流信息系统》是一门实践性很强的课程，教师不应该仅仅在学校里做研究，更多是走出校门，与物流企业多多接触，主动承担面向企业实际应用的物流信息系统相关开发和科研工作，这样即可以保持授课内容的新颖实用，也可以增加案例的吸引力和具体性[6]。

3 结 论

本文结合作者在实际教学中的体会，分析了目前《物流信息系统》教学中存在的教材问题、课程内容抽象，难以理解、实践教学难以达到预期效果等主要问题，然后结合教学实践体会，提出了一些应对策略，首先是精心选取主要教材，合理选取辅助教材；其次，通过精心选取课堂案例，结合案例将不同知识点串联起来，这样不仅可以在一定程度上消除理论课的抽象性，又可以增强知识点的连贯性；第三，通过实验内容和要求的合理设置，实现灵活的实践教学；第四，加强课程网络平台建设及教师队伍建设。在教学实践中取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 洪运华. 《物流信息系统》课程中实验教学的分析[J]. 物流科技，2010（5）：112-113.

[2] 刘燕，邝颖杰. 《物流信息系统》课程教学现状与对策[J]. 现代计算机，2007（7）：34-36.

[3] 欧阳文霞. 从建构主义教学观谈《物流信息系统》课程的教学改革[J]. 武汉职业技术学院学报，2005（2）：43-46.

[4] 杜文晟. 《管理信息系统》课程的实践教学初探[J]. 湖北师范学院学报（哲学社会科学版），2011，31（5）：141-142.

系统生物学应用篇(5)

关键词：电荷守恒定律；氧化还原反应实质；对比分析；系统整合

文章编号：1005C6629（2014）7C0013C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，对氧化还原反应实质的认识是理解氧化还原反应理论知识的关键。电荷守恒定律与氧化还原反应实质分属物理和化学两门不同学科，但却是分别从不同学科视角对电荷转移情况的描述。然而，从现有文献来看，学界并未对两者之间的关系进行深入分析。本文运用系统论对两者进行对比分析和系统整合，以期引导学界在进行电荷守恒定律教学时，充分运用氧化还原反应实质作为电荷守恒定律在微观领域具体应用的实例之一，帮助学生从电子在氧化还原反应中的转移和守恒来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁；在进行氧化还原反应教学时充分运用电荷守恒定律来帮助学生从物理学电荷转移和守恒这一宏观角度来认清氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，进而帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。

1 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的内容

人教版高中物理教材选修3-1首先在对电荷进行介绍的基础上给出了电荷守恒定律传统的表述：“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。[1]”然后在介绍带电粒子产生和湮没知识的基础上给出了电荷守恒定律现在的表述：“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。[2]”人教版高中化学教材必修1首先通过分析氧化还原反应实例中元素化合价的升降情况对初中教材中氧化还原反应概念进行拓展而给出氧化还原反应的定义：“并非只有得氧、失氧的反应才是氧化还原反应，凡是有元素化合价升降的化学反应都是氧化还原反应。”然后通过介绍原子结构以及电子在氧化还原反应中转移（得失或偏移）情况阐明氧化还原反应的实质是电子转移，并从氧化还原反应实质（电子转移）的角度给出了氧化还原反应的定义：“通过以上的分析，我们认识到有电子转移（得失或偏移）的反应，是氧化还原反应。[3]”教材没有提及在氧化还原反应中是否存在带电粒子的产生和湮没以及相关情况。本文也在不考虑带电粒子产生和湮没的情况下对电荷守恒定律与氧化还原反应实质做一浅显对比分析。

2 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析

从教材对比我们发现，关于电荷守恒定律与氧化还原反应的实质，两者之间存在着一些相似之处、差异和联系，需要我们重视。

2.1 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的相似之处

电荷守恒定律与氧化还原反应实质都是对“电荷转移情况”进行描述，两者之间必然存在着相似之处。

（1）所描述对象都是一个与外界没有电荷交换的系统。电荷守恒定律适用的前提是“一个与外界没有电荷交换的系统”；同样，如果把发生氧化还原反应的化学反应体系看作一个系统，虽然该系统通过氧化还原反应使系统中的电子发生了转移，但从氧化还原反应实质来看，该系统与环境没有任何电荷交换，必然是“一个与外界没有电荷交换的系统”。正如物理教材所举用丝绸摩擦玻璃棒这一“摩擦起电”的例子时所描述的那样，“用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因有了多余的电子而带负电”。在玻璃棒和丝绸组成的这一系统中，电子只是从玻璃棒这一子系统转移了该系统的另一子系统丝绸上而使该系统的两个子系统带有不同种类的电荷，而该系统与环境并没有任何电荷交换，是“一个与外界没有电荷交换的系统”。同样，在化学教材所举Fe+CuSO4=FeSO4+Cu这一氧化还原反应系统中，电子只是从Fe转移到了Cu2+上，而该系统与环境没有任何电荷交换，也是“一个与外界没有电荷交换的系统”。

（2）系统内的电荷都“既不会创生，也不会消灭”。电荷守恒定律传统的表述首先强调“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭”；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应过程中只是发生了电子的转移，必然没有“电荷的创生与消灭”。其实，无论“摩擦起电”、“感应起电”还是“氧化还原反应中电子的转移”，其微观实质都是因“电子的转移”而发生的电现象，在这三个过程中都没有“电荷的创生与消灭”。

（3）都是电荷在系统内发生转移。电荷守恒定律表明，电荷可以从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应中，电子可以从一个微粒（还原剂）转移到另一个微粒（氧化剂）而发生电子的得失或者从某些微粒的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移（因共价键的形成或断裂而导致原子的电子云形状发生改变）。就物理教材所举摩擦起电和静电感应的例子而言，摩擦起电的实质是由于构成不同物体的原子或分子对电子的引力不同，在环境的作用（摩擦）下迫使电子从一个物体转移到了另一个物体而使两个物体带有不同种电荷；静电感应的实质是在环境（带电体）的作用下迫使电子从导体的一部分转移到了另一部分而使导体两端带有不同种电荷。同样，在氧化还原反应中，诸如2Na+Cl2=2NaCl、Fe+CuSO4=FeSO4+Cu等这一类涉及到离子键的氧化还原反应，其实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子从一个微粒（Na、Fe）转移到另一个微粒（Cl、Cu2+）而发生电子的得失；而H2+Cl2=2HCl、H2O+C=H2+CO等这类只涉及共价键的氧化还原反应，其实质是电子从某些微粒（H、Cl和H、O、C）的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移。

（4）系统的电荷的代数和保持不变。电荷守恒定律现在的表述是将电荷及其发生转移的媒介（电荷发生转移的不同物体或者某一物体）看作一个系统，那么，“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变”；同样，在氧化还原反应系统中，虽然通过氧化还原反应使该系统的电子发生了转移，但电子只是发生了转移，电子的个数自然不会发生改变，电荷的代数和必然保持不变。

2.2 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的差异

电荷守恒定律与氧化还原反应实质又是从“不同学科视角”来描述电荷转移情况，两者之间的差异具体如下。

（1）所属学科不同。很显然，电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，是对电荷在不同物体之间或者同一物体不同部分之间发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律的描述；而认清氧化还原反应实质则是学习化学学科重点理论知识氧化还原反应的关键，氧化还原反应实质是对电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生转移的这一微观现象及其所遵循规律的描述。

（2）所描述的电荷不同。电荷守恒定律描述的电荷包括正电荷和负电荷，是对电荷在物体上发生转移的现象及其所遵循规律的描述；而氧化还原反应实质描述的电荷就是电子，是对电子在氧化还原反应中发生转移的现象及其所遵循规律的描述。

（3）所描述的电荷转移媒介不同。电荷守恒定律中电荷发生转移的媒介为物体；而氧化还原反应中电子发生转移的媒介为微粒（包括原子和离子）。

2.3 电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的联系

原子是构成物质的最小单元，从原子结构知识可知，原子是由原子核和核外电子构成，原子核中的质子和核外电子所带的电荷数量相等符号相反，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。要产生电荷守恒定律中所描述的正负电荷和发生电荷转移，其前提条件是必须要使构成物体的物质的部分或全部原子发生电子转移，即只有发生电子转移才会产生电荷和电荷转移。而构成物体的物质的部分或全部原子发生电子定向转移，则必然会发生“电荷从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分”的宏观现象。同样，通过运用原子结构知识以及与电荷在物体上的转移进行对比分析很容易理解，氧化还原反应实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生的转移，且电子在转移的过程中遵守电荷守恒。

3 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的系统整合

知识需要不断地整合，产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，实现知识整体化，从而形成完整的知识体系[4]。高中各门课程作为学校所开设课程体系这个大系统中的子系统，它们之间必然有着密切的联系[5]。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的自然科学，其特征是研究分子和创造分子。物理学与化学的关系是唇齿相依、息息相关的，无论是从宏观上还是从微观上都是相辅相成、共同发展的[6]。对物理知识与化学知识进行系统整合包括在学科之间不同层次上的纵向整合和同一层次上的横向整合。而对物理与化学的基础知识进行整合是进行学科知识整合的基础，是学生认知结构进行重组的关键，是帮助学生对物理与化学知识进行系统整合的重点[7]。在物理教学中，我们理应在讲解电荷守恒定律时，引导学生将电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律与电子在微粒上发生转移（氧化还原反应实质）的这一微观现象及其所遵循规律进行对比分析，注重引导学生运用氧化还原反应实质来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。在化学教学中，我们理应在讲解氧化还原反应时，引导学生将电子在微粒上发生转移的这一微观现象及其所遵循规律与电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律进行对比分析，并注重引导学生运用电荷守恒定律来理解和掌握氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。通过物理和化学两门学科的教学，帮助学生从不同学科视角来理解和掌握电荷转移知识，通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析和系统整合帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。

4 电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合对教学的启示

总之，知识的生成和发展过程已经由知识的分化占主导地位转变为知识的整合占主导地位，自然科学也在分科越来越细致、更加具体化的基础上正逐渐走向统一与整合[8]。物理和化学作为自然科学中联系最为紧密的两门学科，其相互交叉和融合程度也必然越来越高。通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合，必然会产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，通过系统的整体涌现实现“整体大于部分之和”的效果。在指导学生对电荷守恒定律与氧化还原反应实质进行对比分析与系统整合的基础上，力求对各学科中的相关知识进行系统整合而形成完整的知识，进而对各学科知识体系进行系统整合而形成完整的知识体系，有利于帮助学生构建起符合素质教育要求的知识体系，有利于帮助学生不断提高综合应用知识的能力。

参考文献：

[1][2]张大昌，张维善.物理选修3-1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2010：4.

[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书・化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：35～37.

[4]李喜先等.知识系统论[M].北京：科学出版社，2011：123.

[5]陈伟，谢铁丽.系统学习法的学习方法指导――基于系统论的学习方法指导[J].学园（教育科研），2012，（11）：93～94.

[6]李晔，周青.学科教学之间的交叉与融合――对美国高中化学教材Prentice Hall 中物理知识作用的分析[J].外国中小学教育，2008，（4）：30～34.

系统生物学应用篇(6)

1实验室的建设思路

实验室的建设思路是将“工业工程专业”同“物流工程与管理专业”进行有效融合，又不失各自特色，更好地体现工业工程的系统性和现代工业信息化的发展。实验室模拟生产制造企业布局，以工厂物流设施及装配流水线为平台模拟典型的生产运行流程，结合先进的物流理念，进行“模拟、综合、设计”多层次的实验研究工作。

1．1以“基础IE理论为依托，IE理论体系为架构”的工业工程实验设置思路

“基础工业工程”、“生产计划与控制”、“质量管理”、“精益生产”等各门专业课根据工业工程专业总体培养目标，结合该课程本身知识点，围绕统一的实验对象开发实验，体现课程间的联系，从而突出IE的系统性，建立有效贯穿理论课程的实验教学体系［1］。系统规划和实验设置要充分考虑IE的系统工程的特点，不仅对学生的基本技能进行训练，更要注重训练学生采用系统论的方法，综合所掌握的工程理论知识来解决工业现场的实际问题;能够合理调度工业现场的各种资源，使效益实现最大化。这就要求实验系统不但能够使学生对相应专业课程得到认知和训练;更要求实验系统能够综合贯穿IE理论体系，通过一个共同的实验载体，将各项实验联系起来，形成有机整体，让学生以面向现代工业制造、体现供应链流程的实验系统为平台，进行综合性、系统性的工程实践与管理作业。

实验设置可划分为以下三个层面:

(1)工程基础认知层面

以工程实际为背景，提供工业化设备，并且保证设备中基本涵盖工业领域正在得到广泛应用的各种先进控制技术和正处于物流前沿领域的物流装备，得以让学生接触实际的工业设备，且营造一个模拟离散型生产制造企业的实验室环境［2］，增加学生对工程实际的感性认识。

(2)基础工业工程理论层面

让学生选择感兴趣的模型亲自进行生产并分析，延续经典工业工程实验如工作研究、时间测定、动作分析等，旨在掌握基础IE的知识和技能，树立工业工程意识，为日后应用IE技术和方法解决生产实际问题奠定基础。

(3)工程实际研究层面

使实验体系能够模拟企业的生产制造、供应，物流、质量管理、信息交换等包括物流、信息流、资金流的大部分综合IE活动，让学生通过实际操作和接触IE活动来增强“应用IE手段提高生产率和保证质量”的各项技能，从而使学生加深对IE课程体系和研究方向的理解，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。

1．2以“供应链管理”为核心理念的宏观企业及第三方物流实验设置思路

供应链管理的核心为反应敏捷(Agile)和能让各方利益协调一致(Aligned)、适应性强(Adapta-ble)。对供应链进行综合分析，应用供应链的策略、基本方法，可以帮助企业降低库存、降低成本、提升反应速度、提升企业竞争力和创造可持续的竞争优势。因此，物流实验室的建设要以供应链管理为核心，以物流业务流程为基础，以先进的物流设备如立体库、条码、射频、电子标签为实现手段，搭建一个兼具前瞻性、实用性、开放性的现代物流综合模拟实验室［3］。实验设置通过物流流程让学生体验现代物流的核心活动:订单、仓储配送、运输、库存控制、客户服务等，达到让学生体验真实物流场景的效果，培养学生对复杂的物流系统进行设施规划、设计、过程优化以及流程管理的实际能力［4］。

实验设置可划分为以下两个层面:

(1)了解体验供应链的流程

学生可以通过系统模拟:从货代/报关/检验/检疫等进出口货物的管理，以及货物到达物流中心、通过入库线进行货物入库操作、到原材料出库送至装配流水线加工、到成品入库等一系列的供应链流程;还可进行成品出库、终端配送等第三方物流流程，及超市仓储物流的管理和配送实验，从而提高学生对物流综合知识的理解，扩充感性认识，综合培养学生库存管理、生产物流方面的意识和理念。

(2)物流系统规划与研究

结合理论知识和经典案例，鼓励学生进行实际问题解决的实验实践活动，运用运筹学的知识进行库存管理、资源优化配置和决策分析等，利用系统仿真软件进行生产物流设施规划方案的设计优化等，以加深对现代物流工程的理解，培养自身的物流规划执行能力［5］。

1．3建立适应“教学+科研+培训”三层需求的综合实验室平台

(1)工业工程及物流工程专业本科生基础性教学实验平台

以“工业工程和物流专业”本科教学大纲和实验教材为指导，进行基础IE的“动作研究”、“标准工时”、“操作分析”、“流程程序分析”等实验;更可作为“现代物流设施与规划”、“自动化物流系统的设计与研究”、“物流装备”等课程的配套实验平台，将典型的物流流程设计为实验，深化学生对理论知识的理解。

(2)供应链管理研究方向的科研平台

实验室的硬件设备灵活性强，且软件的源代码公开，可作为研究生进行相应课题的研究平台［6］。如:可以通过修改“自动化物流系统终端任务执行软件”的流程来重新规划物流过程，以用来模拟宏观物流系统的各个环节，包括供应商供货、立体仓库补货、立体仓库出货、给超市终端配货等一系列的供应链运作和管理流程。

(3)可作为“物流工程与管理”方向的培训开放平台

利用实验室空闲时间，广泛开展校外及社会物流人才的专业物流培训，以达到最佳实验室利用效率，更可以对实验室维护资金形成有效的补充来源。

2实验室的主要建设内容

实验室的平面布局如图1所示，全部硬件设备通过工业现场总线和计算机网络互相连通。实验系统具有良好的可重组性，基于ProfiBus－DP工业现场总线的I/O模块的研发，使得流水线设备的任意组合得以实现，而基于开放式编程平台的程序架构及ProfiBus－DP的专用通讯协议的定制，使得软件修改相对容易，更易于满足实验系统要根据教学任务进行调整的需求。整体上可划分为物流仓储系统和生产工程系统。

2．1物流仓储系统

硬件以自动化立体库为中心，配置多种周边输送设备，包括辊筒式输送线、倍速链输送线、皮带线及平移机等，还配备有AGV小车，电子标签货架，终端手持，自动标签机等设备，并且模拟实际企业物流中心的布局特点和作业流程。软件包括仓库信息管理系统(WMS)和输送设备控制系统(WCS)。WMS用于实现管理自动化仓库中心的库存物料，管理出库、入库、盘点、拣选、补货等任务的生成、执行和结束，管理有关的查询及报表等。WCS用于处理来自WMS和自动化设备的信息，调度并控制自动化设备的动作，并提供设备运行的监控界面给操作人员。

2．2生产工程系统

硬件以装配流水线为中心，各工位配置一体机，摄像头，RFID(射频识别)读卡器，光传感器，电子卡尺，电子千分尺等，模拟小型企业的组装车间;此外还配有小型数控机加单元和信息处理单元(配有12台PC)，分别模拟企业的制造车间和信息中心。软件包括MES(制造执行系统)，达宝易工业工程软件，Witness生产与服务运作仿真系统，flexsim仿真系统等。基于现场总线技术的MES系统通过电子看板，RFID卡，传感器，测量仪等设备采集实验过程中的生产数据(如合格数，加工总数等)，学生可根据采集数据进行在线质量监控，生产计划调整等实验。

3工业工程实验平台的建设

3．1工业工程综合实验平台的构建

集成生产物流设备、柔性制造系统、生产信息管理软件、实验信息采集与分析工具等［7］，考虑面向现代大制造、全过程［8］，构建一个融合工业工程与物流工程、兼顾基础IE与现代IE、为学生提供体验供应链流程的综合实验平台。实验平台结构图如图2，该平台配置有三个模块。

(1)基础知识技能模块

该模块是整个实验平台的基础模块，为工业工程及分支提供普遍适用的分析问题、解决问题的技术与方法。学生自主选择实验对象(提供两类工艺不同的产品)，延续经典的工艺程序分析、动作研究、工时评价、秒表测时、环境照明、环境噪声、劳动强度等实验，培养其基本的IE知识和技能，为下一实验模块奠定基础。

(2)生产运行模块

该模块是实验平台的核心模块，既巩固第一模块的知识技能，又为下一模块做必要的准备。搭建接近生产制造企业的物理环境，模拟企业从订单、采购、生产计划、现场加工、检验、直到成品入库整个生产运行过程，尽量再现生产中各个子系统之间的相互关系，让学生通过体验供应链流程来联系和应用所学的专业知识，增强对工业工程综合知识的理解。该模块开设了ERP软件熟悉、物料需求计划、生产线平衡、生产线混流装配、MES应用、在线质量追踪、仓储与分拣、牛鞭效应等综合性实验。

(3)数据分析研究模块

经过前两个实验模块的锻炼，学生增强了对生产系统实际运行的理解，也应具有一定的应用IE手段解决问题的能力。此时，学生采用上一模块的实验数据进行生产物流追溯、过程能力分析、流水线仿真实验，同时配以案例实践活动，进行精益改善降低成本沙盘模拟，优化库存、仿真建模优化设计生产物流设施和决策分析等综合实践活动。

3．2实验平台的特色

(1)创新性

实验平台以培养学生应用系统论的方法综合所学专业知识解决工程实践问题的IE素质为目标，有效融合工业工程与物流工程，兼顾基础IE与现代IE，涉及多学科的专业技术，不过分强调学科化而割裂工程本身［9］，具有一定的创新性。

(2)开放性

实验平台选用的基于PC和DSP运动器的开放性硬件平台，硬件可拓展，软件提供完善接口;且软件采用模块化及面向对象的设计方法，源代码开放，学生可根据实际需要进行重新设计开发控制软件。

(3)先进性

实验平台使用了主流的运动控制技术、交流伺服技术、现场总线等技术，与同类设备相比具有一定的先进性。

(4)实践性

单元设备具有较好的拆装方便性，允许学生对某些设备进行拆装、更改，且实验平台强调学生参与的主动性，打破以往被动学习的局面［10］，实验过程为学生与平台系统的信息交换过程，突出学生的主体性与实践性。

系统生物学应用篇(7)

关键词：物联网；传感器；网络；实验室

中图分类号：TP391

从“智慧地球”到“感知中国”，从新的经济增长点到政府支持鼓励的一系列措施，从国家中长期科学与技术发展规划到各高校、科研院所的研究，都可以看出物联网在当今科学技术领域的重要地位。物联网并非新技术，而是将现有的传感技术、计算机网络技术、通信技术以及自动控制技术等各种技术的高度融合。作为培养市场需求人才的各类高等院校，职业教育院校及培训机构，开设物联网相关专业及课程，或在现有专业中引入物联网技术，建设物联网相关实验室，成为当务之急。本文将从实验室建设的核心理念、特色、内容等方面对感知实验室的建设提出符合我院实践教学需求方案。

1 实验室建设核心理念

物联网实验室在教育行业的地位无容置疑，但目前各个学校实验室的发展存在着偏重单项技能和素质的培养，实验课程实用性不强，并且多为验证性实验等问题。针对以上问题，本文以“把握发展趋势，提高应用能力”为目标，提出物联网信息平台及应用实验室解决方案，其意义在于：提高教学科研水平、提高学生应用能力、促进学生就业、提升学校竞争力，其建设和发展的理念主要体现在：“充分体验、激发兴趣，应用为先、提升能力，三个层次、全面覆盖”。高职学生与普通高校的学生培养定位不同，高职院校主要培养的是应用型人才，以满足经济社会对高素质劳动者和技能型人才的需要，学生对于科研、开发等方面基础相对薄弱，因此，高职院校实验室建设应突出在应用层方向。

2 实验室建设特色

从“智慧地球”到“感知中国”，从“感知校园”到“感知实验室”。所谓“感知实验室”，一方面突出物联网是感知网络，是物与物之间的网络；二是突出学生感知实验室环境，在真实环境下去实践，去学习。在进行感知实验室建设过程中，应该着力改变实验室环境，改变实验建设思路。高职院校的教学重在培养学生的应用能力，在教学中首要问题是要激发学生兴趣，而兴趣主要来源于体验。在实践过程中，应该让学生感知到物联网的存在，而不能空洞的去讲如何去应用，如何去验证，而是当指令发出物体后，能够目睹其结果，让大家感知到网络的作用，电脑、网络和实物联系在一起的效果。因此，物联网感知实验室的建设应该体现“在现实中学习、在开放的环境中学习、在应用中学习”等特色。

3 实验室建设内容

3.1 实验室系统组成

感知实验室由智能安全系统（防盗报警系统、视频监控系统、门锁门禁系统），环境控制系统（制冷取暖系统、通风控制系统、除尘控制系统、智能灯光控制系统）、智能家具控制系统（窗帘控制系统、窗户控制系统、电视控制系统等），智能识别与条码系统、智能供电系统五个子系统组成。

智能安全系统：进行身份识别与认证管理，非法用户进入时报警，刷卡或指纹识别系统进入实验室、开启管理设备，以及对实验室设备及人员动作情况进行监控；以及电子标签识别功能，对室内设备设施出入实验室进行监控。

环境控制系统：利用温度、温度、光等传感器对环境进行全面感知，根据环境探测结果，启动制冷取暖系统、通风控制系统、除尘控制系统、智能灯光控制系统等，对室内环境进行全面控制，以达到理想的环境状态。

智能家具控制系统：通过电脑、遥控器或手机对家电、门窗等进行控制，体验物与物相连的效果。

智能识别与条码系统：对室内设备进行电子标签标注，以便于管理与使用。

智能供电系统：在物联网应用中，网络传输是以传感网络为主体，在传感网络中最大的难题是供电问题，节点分布分散，难以实现有源电源，在实验室内部可采用有源供电。

3.2 实验室系统功能

认知与体验功能：物联网是一个空洞的概念，大家对其非常模糊，通过对整个实验室的体验，可感知到物联网的存在，物与物相连的整个过程以及智能控制的实现，提高学员对物联网的认知能力，明确物联网领域实用性所在。

系统集成化功能：绝大部分物联网实验室是以实验箱或实验台为主体，只能进行模块化的实验，系统集成化低，缺乏关联性。在本实验室中，可进行集成化系统的开发，提供系统化教学方案，能使学员了解系统开发的整个流程，整体设计理念与思想，实用性强。

多功能化：在此实验室内包括智能安全系统、环境控制系统、智能家具控制系统、智能识别与条码系统以及智能供电系统，通过对这些系统的使用与验证性开发，能够培养实用性多方位人才。

三层覆盖功能：利用传感器、RFID进行数据采集，通过无线传感网络进行数据传输，使用电脑、遥控器或手机终端设备进行控制，三层覆盖，实现数据采集、网络传输、终端控制过程系统化。

3.3 实验室系统工作流程

本实验室是一个全面感知、全智能控制的实验室，人员进入时进行身份识别，身份正常允许进入，关闭报警系统，启动供电系统，对室内设备进行供电，进入全面工作状态；感知设备启动，进入全面感受知，对室内环境进行监控，根据环境情况来开启灯光、通风、除尘、排湿、取暖、制冷等相关设备，控制室内环境。

室内人员可通过电脑、遥控器或手机等对室内所有的设备（电视、空调、窗帘、窗户等）进行控制，体验智能控制效果。监控系统对其进行全面监控，保证设备设施安全。

人员离开实验室，智能控制系统将自动关闭实验室，关闭门窗，关闭供电系统，开启警报系统。具体工作流程图如图1所示。

4 结束语

物联网有着极大的发展空间，它必将成为中国及世界经济的一个新的增长点，它将极大地影响和改变着人类的生活方式。目前我国大多数高校，特别是作为直接服务于市场经济的高职院校，物联网专业建设尚不完善，实验室建设几乎都是实验箱式的实验环境。因此建设感知实验室是物联网教学必须的，也是可行的。

参考文献：

[1]梁湖辉.高职院校设置“物联网”专业可行性探讨[J].成人教育，2011.