基于虛擬仿真技術(shù)的“智能物流系統(tǒng)”課程教學方法創(chuàng)新與實踐

趙東杰，郭童潔，孫慧芳

（北京物資學院 信息學院，北京 100149）

0 引言

近年來，隨著物流行業(yè)大發(fā)展，企業(yè)對物流人才的需求越來越多，要求也越來越高，這也對物流人才的培養(yǎng)和物流教學提出了更多和更高的要求。2017年初，教育部提出了“新工科”的概念，教學改革是其中一個很重要的內(nèi)容。而教學模式研究又是教學改革的一項重要內(nèi)容，是“在教學實踐中基于教學形式和方法的系統(tǒng)結(jié)合而產(chǎn)生的一種綜合性方式”。如何在當前物流行業(yè)大發(fā)展的背景下，進行物流教學模式研究成為待解決的問題。為深入推進信息技術(shù)與教育教學的深度融合，構(gòu)建適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的模塊化課程體系，根據(jù)新工科人才培養(yǎng)理念和要求，系統(tǒng)梳理物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的知識體系，利用人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)挖掘等新型技術(shù)促進教學方法創(chuàng)新。2018年4月，教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》，支持以示范性虛擬仿真實驗教學項目等建設(shè)為載體，推動仿真實驗教學。

以“學生為中心，產(chǎn)出導向，科教互補，培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖一流人才”為教學理念，堅持“虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補”的原則，解決學生在“智能物流系統(tǒng)”“物聯(lián)網(wǎng)概論”“RFID與EPC”等課程的知識點無法在具體生產(chǎn)實踐中應(yīng)用。倉儲是物流活動進行的重要場所，以智能倉儲為切入點，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)感知、網(wǎng)絡(luò)、處理、應(yīng)用等多項技術(shù)，讓學生能夠快速對智能倉儲有整體認知。該虛擬仿真實驗項目對培養(yǎng)具有工程技術(shù)和工程實踐認知和了解的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)人才，提升學生的創(chuàng)新能力。

1 虛擬仿真實驗平臺的必要性

1.1 有效解決專業(yè)實訓教學難題

物流技術(shù)的掌握對實踐性要求非常高，必須要進行相關(guān)實驗才能充分理解相關(guān)知識、具備相關(guān)能力。比如倉儲作業(yè)全流程全貌、RFID讀寫器的特性與安裝要求。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的智能倉儲識別與溯源虛擬仿真實驗實現(xiàn)了對學生實驗課程的支撐，不再受實驗教具、場地、時間和環(huán)境的制約，提高了實驗教學的靈活度，能夠隨時隨地在線開展實驗教學。解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)倉儲實驗需要較大場地（大于500m）、學生觀測不方便、學生操作存在較大危險的問題。

1.2 有效促進實踐能力培養(yǎng)

虛擬仿真實驗是解決高校中當前教學方式與學生綜合能力培養(yǎng)要求之間的矛盾，是高校專業(yè)實驗教學的有益補充和創(chuàng)新，是實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)人才能力培養(yǎng)的一種很好的方式和選擇。該虛擬平臺以學科發(fā)展需求為前提，以社會對人才需求為導向，搭建智能物流虛擬仿真實驗平臺。通過本項目的建設(shè)，能夠構(gòu)建準確適宜的實驗教學內(nèi)容，創(chuàng)新多樣的教學方法，大大提高學生的實踐能力。

1.3 有效激發(fā)學生的學習興趣

借助虛擬仿真實驗，學生自主體驗實際的倉儲流程，通過自主改變參數(shù)設(shè)置，學生參與實驗的積極性和主動性被充分調(diào)動起來。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，先進的仿真研發(fā)技術(shù)使得實驗項目的界面非常有趣、真實，學生可以在仿真極高的虛擬世界里通過不斷探索、互動進行學習，極大提高了學習興趣。

2 基于虛擬仿真平臺的教學創(chuàng)新與實踐

2.1 虛擬仿真實驗的教學特色

“基于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的智能倉儲識別與溯源虛擬仿真實驗”承擔了計算機科學與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的實驗、實訓及實踐教學。其依托北京物資學院國家級物流系統(tǒng)與技術(shù)實驗教學示范中心、“北京市智能物流重點實驗室”、“北京市智能物流校內(nèi)創(chuàng)新實踐基地”3個國家和市級重點實驗平臺，以及“國家一流專業(yè)-物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)”，秉承新工科人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)一流拔尖創(chuàng)新實踐型人才。主要特色如下：

（1）實驗設(shè)計。全流程注重“前沿性、交叉性、綜合性”，細節(jié)處凸顯“沉浸與互動”。

該實驗融入RFID、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，通過三維仿真技術(shù)，以“全視角展示、工作視角布置任務(wù)”的方式再現(xiàn)大型智能物流倉儲運輸?shù)恼鎸崍鼍?，還原了貨物從識別、分揀、搬運到存儲、環(huán)境監(jiān)測的整個過程。對RFID識別、環(huán)境監(jiān)測、區(qū)塊鏈溯源等重點環(huán)節(jié)設(shè)置任務(wù)。學習者通過該項目，不僅對智能物流運輸?shù)倪^程全面了解和掌握，而且還能熟練掌握、操作物流運輸所需的各種設(shè)備。

（2）教學方法?！耙詫W生為中心”，圍繞“理論-實踐-再理論-再實踐”核心，遵循“應(yīng)用導向、理實交融、一專多能”教學理念，采用“多樣化、多層次、多重性”的“多元”教學方法。采用理論與實踐相融合的迭代教學方式，以任務(wù)驅(qū)動實驗，鼓勵學生自己動手、主動動腦、協(xié)同合作，如圖1所示。與傳統(tǒng)以演示為主的仿真平臺相比，這種教學方式更能體現(xiàn)出學生為主體，充分激發(fā)主動參與、自主探究。

圖1 主要實驗特色

（3）評價體系。面向創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，開展“可靈活配置、全過程記錄、多維度考評”的評價。

本項目對實驗全過程中的操作次數(shù)、操作時間、交互操作要點等進行多維度考核，對每一步操作、參數(shù)設(shè)置等設(shè)置相應(yīng)的評價權(quán)重，系統(tǒng)能自動打分并計算總分，實現(xiàn)實驗過程的可追溯。再結(jié)合實驗分析作業(yè)，可全方位地展示學生的創(chuàng)新實踐能力。

2.2 實驗教學過程與教學方法

實驗教學注重教學過程和方法，依據(jù)新的實驗教學體系，采用“以學為主”，強調(diào)學生主體作用的“多元”的實驗教學，“多元”虛擬實驗教學過程即采用“多元化教學方法”，利用“多樣化實驗形式”，開展“多層次教學活動”，進行“多形式考核”，實現(xiàn)對學生“多重專業(yè)技能培養(yǎng)”（如圖2所示）。采用“多元”將實驗教學課前、實驗教學課中、實驗教學課后和實驗考核以學生為中心完成整個實驗教學過程。

圖2 “多元”虛擬實驗教學過程

（1）“多元”課前?！岸嘣闭n前，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，采用任務(wù)式示范教學方法使學生完成課前學習。本課程中是利用公眾號移動學習平臺和學校的“超星”教育平臺以及學校圖書館的“數(shù)字資源”實現(xiàn)實驗預習，采用任務(wù)驅(qū)動法，由教師提前設(shè)計制作實驗范例和提供類似實驗范本，為學生自主獨立設(shè)計提供參考和借鑒，使學生更好地理解設(shè)計課題的功能、性能及相關(guān)要求，帶領(lǐng)學生完成“多元”課前。

（2）“多元”課中?！岸嘣闭n中是以項目學習為核心，采用案例教學方法、邏輯引導教學方法和開放式教學方法相融合的“多元”教學方法，將網(wǎng)上演示實驗、虛擬仿真實驗和課外實際操作“多樣化的”實驗形式相融合，通過知識傳授與自主實踐相結(jié)合、課堂實驗與課外科技活動相結(jié)合、教學實踐與科學研究相結(jié)合“多層級”教學活動，帶領(lǐng)學生完成“多元”課中。

（3）“多元”課后。采用基于問題的啟發(fā)式教學方法和探究式教學方法，從實際的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)問題出發(fā)，層層設(shè)問，帶領(lǐng)學生探究實驗過程遇到的問題、實驗的擴展問題等，激發(fā)學生探索與學習的興趣，同時實驗的總結(jié)和反思也為后續(xù)實驗打下良好基礎(chǔ)。

（4）“多重”課外。帶領(lǐng)學生積極參加課外的實訓、企業(yè)實習、畢業(yè)設(shè)計、教研項目、網(wǎng)絡(luò)比賽等，為學生在實驗技能知識上的鞏固和擴展創(chuàng)造了良好條件，使學生一直緊跟前沿先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，熟悉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計、管理及實施等技術(shù)流程，同時大大培養(yǎng)了學生創(chuàng)新應(yīng)用能力、綜合解決實際問題的能力。

（5）“多形式”考核。根據(jù)虛擬仿真實驗項目的特點，從有利于激發(fā)學生實驗興趣和主觀能動性，提高實驗能力為目的，確定實驗考核方式。采用多元化的實驗考核辦法，根據(jù)不同實驗項目類型采取不同考核辦法。

2.3 基于虛擬仿真平臺的實驗流程

本實驗項目分3個實驗子模塊（如圖3所示）：系統(tǒng)認知、基于RFID的智能倉儲識別仿真子系統(tǒng)和基于區(qū)塊鏈的智能倉儲商品溯源仿真子系統(tǒng)。

圖3 虛擬仿真教學的三個主要實驗模塊

其中，實驗流程包含13個交互步驟。通過虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬智能倉儲環(huán)境，模擬商品出入庫過程、區(qū)塊鏈倉儲商品溯源過程，學生可通過直觀、動態(tài)的場景中進行。

實驗流程為：登錄系統(tǒng)—倉儲系統(tǒng)認知—設(shè)備選型與安裝—RFID讀寫器設(shè)置—中間件配置—RFID讀寫器安裝—商品出入庫—區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)搭建—商品數(shù)據(jù)上鏈—鏈上商品數(shù)據(jù)查詢—實驗結(jié)論—實驗結(jié)束—退出系統(tǒng)—教師發(fā)布成績。

本實驗的核心要素包括：

（1）智能倉儲系統(tǒng)虛擬仿真。該要素模擬智能倉儲系統(tǒng)真實環(huán)境，通過虛擬仿真，從細節(jié)上動態(tài)演示各個子系統(tǒng)的運行過程，如圖4所示。

圖4 智能倉儲系統(tǒng)虛擬仿真子系統(tǒng)運行過程

（2）RFID讀寫器設(shè)置及中間件配置。該要素模擬了基于RFID商品出入庫系統(tǒng)，形象地仿真了RFID作為識別裝置，在商品出入庫各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，如圖5所示。重點將讀寫器設(shè)置、安裝、中間件配置作為考核點。

圖5 物品電子標簽識別過程

（3）區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)搭建及商品數(shù)據(jù)上鏈和查詢。該要素以具體商品的出入庫信息作為應(yīng)用對象，模擬了基于區(qū)塊鏈的倉儲商品溯源仿真實驗系統(tǒng)。實驗中將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成員選擇、共識過程、區(qū)塊鏈出塊、區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)上鏈及查詢等過程直觀地呈現(xiàn)，實現(xiàn)了“形象展現(xiàn)抽象”，如圖6所示。

圖6 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)上傳

3 結(jié)語

該實驗課程適應(yīng)我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的需求，以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和社會適應(yīng)能力的創(chuàng)新應(yīng)用型復合人才為目標。以典型智能倉儲為切入點，選取智能倉儲的商品出入庫操作情景，利用傳感器、RFID技術(shù)與裝備、區(qū)塊鏈技術(shù)等構(gòu)建智能倉儲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與部件，采用3D建模、動畫、人機交互等技術(shù)自主研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的智能倉儲識別與溯源虛擬仿真實驗，以解決現(xiàn)實中專業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)的瓶頸問題，使學生能夠快速對智能倉儲有整體認知。該虛擬仿真實驗項目能夠培養(yǎng)具有工程技術(shù)和工程實踐認知和了解的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)人才，提升學生的創(chuàng)新能力。