物流包裝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)與實踐

王君 劉華瓊 李秋霞 侯貽蒙

摘要：為踐行我國物流專業(yè)“文工融合”，培養(yǎng)能夠適應(yīng)現(xiàn)代物流發(fā)展的實踐型應(yīng)用復(fù)合人才，以山東交通學(xué)院為例，建設(shè)了物流包裝設(shè)計與測評虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，闡述了該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計思路、建設(shè)內(nèi)容和實踐應(yīng)用。系統(tǒng)真實還原電視機、電冰箱、木質(zhì)家具、浴室柜四類典型產(chǎn)品，嵌入物流包裝工程實踐中必備的緩沖包裝設(shè)計、外包裝設(shè)計、包裝件性能實驗三大模塊相關(guān)知識體系，采用“線上學(xué)習(xí)+實驗認(rèn)知+仿真實訓(xùn)+實驗驗證+見習(xí)實踐”五階段多維度重復(fù)訓(xùn)練的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的工程實踐能力，提升了物流包裝實驗教學(xué)效果，實現(xiàn)了實驗教學(xué)資源的高效利用與共享。

關(guān)鍵詞：物流包裝；設(shè)計；測評；虛擬仿真；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0；TB48 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 12-0045-06

基金項目：山東交通學(xué)院本科教學(xué)改革研究項目（2020YB23）；山東交通學(xué)院博士科研啟動基金（BS201901032）

Establishment and Practice of Virtual Simulation Experimental Teaching System for Logistics Packaging

WANG Jun， LIU Hua-qiong， LI Qiu-xia， HOU Yi-meng（Shandong jiaotong university， Jinan 250357， China）

Abstract： To realize “Liberal arts - Engineering Integration” of logistics specialty in China， and to train the modern logistics applied compound talents， Shandong Jiaotong University established the logistics packaging design and evaluation of virtual simulation experiment teaching system. Herein， the design ideas， contents and practice of the teaching system were elaborated. In the system， four types of typical products （TV， refrigerator， wooden furniture， bathroom cabinet） were virtually restored， and three related knowledge modules （cushion packaging design， packaging design， packaging performance experiment） were embedded. The five-phase teaching method which is “online learning + cognitive training + simulation virtual experiments + field experimental verification + trainee practice” was adopted multidimensionally and repeatedly in practice. It can fully mobilize the engineering operation ability for the students， improve the experimental teaching effect of logistics packaging， and realize the usage efficiency and sharing of the virtual experimental teaching resources.

Key words： logistics packaging； design； testing and evaluation； virtual simulation； experimental teaching

教育信息化是信息時代深化人才培養(yǎng)教育改革、加強實踐教學(xué)的必然要求。以信息技術(shù)應(yīng)用為本質(zhì)特征的虛擬仿真教學(xué)可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的開放共享，有效解決傳統(tǒng)教學(xué)實踐過程中出現(xiàn)的實驗條件嚴(yán)苛、消耗污染高、極端危險環(huán)境、不可逆操作、資源受限等問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主創(chuàng)新性和趣味性，提高教師隊伍的教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)是當(dāng)前國內(nèi)外高等教育改革的熱點[1-3]。

2013年8月，我國教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。2013-2015年，教育部已遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，推動了實驗教學(xué)方法改革與實驗資源建設(shè)創(chuàng)新。2019年10月，教育部提出，從2019年到2021年，要完成1500門左右國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。在政策驅(qū)動下，國內(nèi)高校掀起了積極開發(fā)應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)項目的熱潮。如，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了機械與農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心[4]；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家級農(nóng)業(yè)機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心構(gòu)建了較為完善的平臺建設(shè)和管理體系[2]；北京郵電大學(xué)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)、通訊、電子三門學(xué)科的虛擬實驗系統(tǒng)，解決了高校實驗教學(xué)設(shè)備及場地日益緊張等諸多問題[5]。

在物流領(lǐng)域，國內(nèi)高校也相繼建立了虛擬仿真試驗項目，然而專門針對物流包裝的虛擬仿真項目建設(shè)數(shù)量不多[6]。為此，山東交通學(xué)院立足于現(xiàn)代物流發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)需求，針對物流包裝領(lǐng)域面臨的實際問題，根據(jù)“能實不虛、虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，構(gòu)建了物流包裝設(shè)計與測評虛擬仿真綜合實驗系統(tǒng)，結(jié)合典型工程案例，真實還原產(chǎn)品物流包裝實驗場景，采用交互式虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，使學(xué)生能夠在虛擬場景中最大程度地感受實際工程設(shè)計與測評場景，掌握緩沖包裝設(shè)計原則與方法，熟悉包裝應(yīng)力應(yīng)變、緩沖系數(shù)及產(chǎn)品脆值的實際應(yīng)用，理解物流環(huán)境條件對包裝件物理性能的影響，增強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為踐行我國物流專業(yè)“文工融合”、培養(yǎng)能夠適應(yīng)現(xiàn)代物流發(fā)展的應(yīng)用型復(fù)合型人才提供必要的教學(xué)手段。

1 物流包裝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計思路

為使教學(xué)設(shè)計科學(xué)合理，該實驗教學(xué)從設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計原則、設(shè)計內(nèi)容及實現(xiàn)路徑四方面入手，重點考慮行業(yè)發(fā)展需求、物流管理與工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課程教學(xué)大綱與實驗教學(xué)目標(biāo)，嵌入相關(guān)的最新國家標(biāo)準(zhǔn)要求，融入教師團隊的實際工程經(jīng)驗與積累的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)置原則，綜合性地對該實驗系統(tǒng)進行科學(xué)設(shè)計，見圖1所示。

1.1 教學(xué)設(shè)計目標(biāo)支撐專業(yè)人才培養(yǎng)方案

該系統(tǒng)立足于現(xiàn)代物流發(fā)展和人才需求，依據(jù)物流工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱進行設(shè)計，以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為核心，確定了切實可行的實驗教學(xué)目標(biāo)與實施計劃，培養(yǎng)能適應(yīng)物流領(lǐng)域生產(chǎn)和管理發(fā)展，具有較強的物流設(shè)計管理能力、工程實踐能力和工程素養(yǎng)的現(xiàn)代物流復(fù)合型人才。

1.2 教學(xué)設(shè)計內(nèi)容遵循國家標(biāo)準(zhǔn)要求

系統(tǒng)設(shè)計融合了物流專業(yè)的包裝技術(shù)、物流技術(shù)裝備與運用、物流系統(tǒng)仿真技術(shù)等課程知識體系，且遵循、植入最新國家標(biāo)準(zhǔn)要求，采用虛擬技術(shù)對物流包裝結(jié)構(gòu)、尺寸、性能試驗和程序等進行標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)設(shè)置和建模仿真，通過實驗過程中的實物認(rèn)知、知識點回顧、考核答題等環(huán)節(jié)，使學(xué)生在熟練掌握完整知識體系的同時，學(xué)習(xí)到了國家標(biāo)準(zhǔn)對物流包裝設(shè)計與測評的相關(guān)要求。

1.3 教學(xué)設(shè)計理念遵守虛擬仿真實驗原則

根據(jù)已有物流包裝現(xiàn)場實驗資源，將安全的、具體的、獨立的、低損耗的、場景小的、較易實現(xiàn)的實踐教學(xué)內(nèi)容融入現(xiàn)場實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，將危險的、抽象的、系統(tǒng)的、成本高的、場景大的、較難實現(xiàn)的實踐教學(xué)內(nèi)容融入虛擬仿真實驗教學(xué)中，以“虛實結(jié)合、以虛補實”的原則進行設(shè)計，符合虛擬仿真實驗教學(xué)理念。

1.4 教學(xué)設(shè)計路徑符合知識掌握的客觀規(guī)律

物流包裝設(shè)計測評知識體系的教學(xué)設(shè)計實行“在線學(xué)習(xí)→實驗認(rèn)知→課前預(yù)習(xí)→答題過關(guān)→領(lǐng)取任務(wù)→包裝設(shè)計實驗性能試驗評估→提交實驗報告”的實驗教學(xué)路徑，采用人機交互、師生交互和自主式等實驗教學(xué)模式與方法，結(jié)合現(xiàn)場實驗、基地實踐，實現(xiàn)了“理論指導(dǎo)實踐、實踐反哺教學(xué)”的仿真實驗教學(xué)目標(biāo)，也符合“從易到難、由簡入繁”的螺旋上升式知識掌握的一般規(guī)律。

2 物流包裝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 實驗教學(xué)知識體系

實驗系統(tǒng)以市場中典型產(chǎn)品物流運輸包裝設(shè)計與測評為核心內(nèi)容，利用三維建模、人機互動、虛擬仿真等技術(shù)，嵌入物流運輸包裝涉及的理論基礎(chǔ)和基本方法，對緩沖包裝設(shè)計、外包裝設(shè)計和包裝件性能試驗三大核心實驗?zāi)K進行了全面仿真，對所涉及的主要實驗原理和知識點進行了交互設(shè)計，共涉及3大核心模塊、18個重要知識點，其涵蓋的知識體系見圖2所示。

2.1.1 產(chǎn)品脆值

脆值[G]是產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計中的一項重要參數(shù)，為保證物品不發(fā)生破損，包裝件產(chǎn)生的實際最大加速度Gmax應(yīng)不大于包裝件的許用脆值[G]。

2.1.2 緩沖包裝尺寸設(shè)計

緩沖墊尺寸通常采用緩沖系數(shù)與最大應(yīng)力（C-σm）曲線和最大加速度與靜應(yīng)力（Gm-σm）曲線兩種方法來計算，系統(tǒng)仿真了（C-σm）設(shè)計方法，該方法一般包括最小緩沖系數(shù)法和最省材料法兩種，如圖3所示。

2.1.3 外包裝設(shè)計

該項目主要考慮瓦楞紙箱作為運輸外包裝，其次為木箱。對于瓦楞紙箱，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6543-2008、GB/T 16717-2013規(guī)定，瓦楞紙箱的選擇需要根據(jù)包裝件質(zhì)量、流通環(huán)境條件等因素綜合考量。對于瓦楞紙箱結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的結(jié)構(gòu)進行了建模仿真，供設(shè)計使用。

2.1.4 包裝件性能試驗

對包裝件開展環(huán)境試驗、沖擊試驗、堆碼抗壓試驗、振動試驗等，依據(jù)GB/T 4857系列標(biāo)準(zhǔn)要求和給定的具體流通環(huán)境條件，分別虛擬試驗參數(shù)，通過測定包裝件變形量與額定載荷，觀察有無破損等方法，科學(xué)評估包裝件在實際倉儲、運輸?shù)攘魍ㄟ^程中的耐侯（溫濕度）性、耐沖擊性、耐壓強度和抗振性能，以及對內(nèi)裝物的保護能力。

2.2 核心要素仿真設(shè)計

實驗系統(tǒng)核心要素仿真設(shè)計以電視機、電冰箱、浴室柜、木質(zhì)茶幾四類真實產(chǎn)品為原型，100%還原實物建立模型，仿真產(chǎn)品預(yù)設(shè)流通任務(wù)場景，嵌入緩沖包裝、外包裝模型構(gòu)件庫，將試驗場景、包裝件性能試驗機按原型和實驗原理進行建模還原。

2.2.1 緩沖包裝設(shè)計核心要素仿真

仿真和植入緩沖包裝材質(zhì)、結(jié)構(gòu)素材庫，針對不同的緩沖包裝材質(zhì)，嵌入相應(yīng)的緩沖系數(shù)與最大應(yīng)力曲線（C-σm），可根據(jù)素材庫和（C-σm）曲線進行材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的自主選取，及緩沖墊面積和厚度的計算，如圖4、5所示。

2.2.2 外包裝設(shè)計核心要素仿真

系統(tǒng)將瓦楞紙箱的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、結(jié)構(gòu)進行了仿真建模且將其植入實驗系統(tǒng)，將外包裝與產(chǎn)品尺寸、緩沖包裝尺寸等進行關(guān)聯(lián)計算，如圖6、7所示。

2.2.3 包裝件性能實驗核心要素仿真

基于不同包裝件性能實驗原理和力學(xué)模型，通過預(yù)設(shè)實驗參數(shù)，使溫濕度環(huán)境實驗、壓力實驗、振動實驗、沖擊實驗結(jié)果或?qū)嶒炃€符合相應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，圖8-10分別為包裝件性能實驗參數(shù)選擇、跌落實驗過程、破損檢查的虛擬仿真實驗界面。

3 物流包裝虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐

物流包裝設(shè)計與測評虛擬仿真實驗教學(xué)堅持“以學(xué)生為主體、以能力培養(yǎng)為核心、以問題任務(wù)為驅(qū)動、倡導(dǎo)自主創(chuàng)新”的實驗教學(xué)理念，采用“一個中心、兩種互動、五個階段、N種資源和方法”的教學(xué)思路，創(chuàng)新線上與線下相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)“能實不虛、以虛補實、虛實結(jié)合、循序漸進、融會貫通”的實驗教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力和實踐能力。

3.1 一個中心：以學(xué)生為中心

物流包裝設(shè)計與測評仿真實驗項目以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動性，完全讓學(xué)生主導(dǎo)實驗過程，選擇試驗參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、參數(shù)測量、操作包裝件性能實驗設(shè)備，增強學(xué)生對知識獲取的興趣和能力。

3.2 兩種互動：人機互動、師生互動

人機互動—實驗過程中，通過植入?yún)?shù)和構(gòu)件元素模塊，允許學(xué)生在參數(shù)調(diào)節(jié)和計算模塊中輸入不同數(shù)值，確保不同學(xué)生產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)、實驗曲線等具有多樣性，關(guān)鍵點提示啟發(fā)人機互動設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，最終完成相應(yīng)的任務(wù)，培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考、分析問題與解決問題的能力。

師生互動—教學(xué)過程中，教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生想象力，通過師生互動，發(fā)掘?qū)W生的自主創(chuàng)新力，引導(dǎo)學(xué)生提高解決實際問題的綜合能力。

3.3 五個階段：“虛-實-虛-實-實”相結(jié)合

全教學(xué)過程分為“線上學(xué)習(xí)（虛）、實驗認(rèn)知（實）、虛擬仿真實驗（虛）、實驗驗證（實）、基地見習(xí)實踐（實）”五階段螺旋式上升的教學(xué)環(huán)節(jié)。

3.4 N種教學(xué)資源和方法

實驗教學(xué)利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，集合慕課、虛仿等多種現(xiàn)代化教學(xué)資源優(yōu)勢，在上述全過程五階段分別實行自主式學(xué)習(xí)、交互式、探究式、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)和拓展式實踐的實驗教學(xué)方法，創(chuàng)新線上與線下相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。

本實驗項目經(jīng)過兩個學(xué)期的教學(xué)實踐證實，實驗教學(xué)目標(biāo)清晰、考核標(biāo)準(zhǔn)明確，不論是課上還是利用空閑時間均可登錄使用，操作練習(xí)和考核途徑便捷方便。借助仿真平臺豐富的教學(xué)內(nèi)容，形象、生動、直觀的教學(xué)形式和靈活多樣的教學(xué)方法，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到了明顯提高，學(xué)習(xí)質(zhì)量得到了提升，同時豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑，提高了實驗的積極主動性。

4 結(jié)語

物流包裝設(shè)計與測評虛擬仿真實驗系統(tǒng)三維還原電視機、電冰箱、木質(zhì)家具、浴室柜四類大件產(chǎn)品和試驗機、流通環(huán)境等設(shè)備場景原型，涵蓋了物流包裝相關(guān)課程的完整知識體系，嵌入相關(guān)的最新國家標(biāo)準(zhǔn)要求，融入教師團隊的實際工程經(jīng)驗與數(shù)據(jù)積累，采用模塊化、場景化、簡約化、一體化的方式呈現(xiàn)實驗結(jié)果。在教學(xué)實踐中，采用“線上學(xué)習(xí)+實驗認(rèn)知+仿真實訓(xùn)+實驗驗證+見習(xí)實踐”五階段多維度重復(fù)訓(xùn)練的教學(xué)過程，實行自主式學(xué)習(xí)、任務(wù)式驅(qū)動、交互式教學(xué)和拓展式實踐的實驗教學(xué)方法，創(chuàng)新“線上線下相混合、理論與實踐相融合”的教學(xué)形式與思維，充分利用人機交互、虛擬仿真等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，在深度和廣度上延伸拓展了傳統(tǒng)的單線程實驗教學(xué)形式和方法，提高了學(xué)生的綜合性、實踐性、創(chuàng)新性能力，極大提升了實驗教學(xué)效果，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學(xué)資源的高效利用與共享。

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