三維仿真輔助教學模型庫探討與初步設計—以高職物流管理教學為例

楊東海，胡 凌，錢 瑩

（深圳信息職業技術學院 商務管理學院，廣東 深圳 518172）

三維仿真輔助教學模型庫探討與初步設計—以高職物流管理教學為例

楊東海，胡 凌，錢 瑩

（深圳信息職業技術學院 商務管理學院，廣東 深圳 518172）

提出利用Flexsim軟件來搭建一套三維仿真輔助教學模型庫的設想，分析了其在技術應用方面的可行性；按照不同的數理邏輯難度將物流管理教學環節中的典型知識場景分為兩類，以此為基礎描述了該模型庫的初步設計方案和兩個具體知識場景的建模思路，并簡單介紹了模型實現浸潤式虛擬現實的方法，為模型庫后續的開發提供了理論基礎和實施框架。

三維仿真；輔助教學；模型庫；Flexsim

1 研究背景

根據國家“十三五”規劃，高職院校已經成為了培養實用技能型人才的主要基地。但是受生源質量所限，多數高職院校學生的數理基礎不夠扎實，邏輯思維能力不強，在面對復雜問題時缺乏足夠的分析能力。然而物流管理恰恰又是一個交叉型學科，其融合了管理學、運籌學、現代裝備技術、IT技術等多個學科門類的知識，涉及的知識覆蓋面廣、環節多[1]。所以在物流管理專業的教學中，如果教師單純地按照傳統經管類教學的思維進行講授，則很容易與實際脫節。特別是在一些理論性較強、數理邏輯較復雜的課程中，學生接受新知識的意愿不強，在課堂上與老師的互動效果差強人意，直接導致了對知識點的學習流于表面，不能深入理解，甚至產生厭煩情緒，影響后續課程的學習。

為了幫助學生更好地理解課堂內容，越來越多的優秀教師將層出不窮的信息化手段引入課堂，期望提高學生的學習興趣并保持聽課的專注力，例如在課堂上播放相關的音頻和視頻，利用云平臺、手機App來進行知識的多次傳播等。這些輔助教學的舉措確實在某種程度上增加了課堂的趣味性，吸引了學生的注意力并增強了師生互動，取得了一定的效果。然而，這些信息化手段也存在相應的問題，其最大的弊端就是以提高學生感性認知為主，卻很難提高其邏輯思維能力。尤其是面對數理邏輯復雜、需要進行量化分析的知識點時，往往就無法以合適的形式輔助教師進行教學。例如，根據我們的教學經驗，在講解《運輸實務》課程中的“最短路經法”時，相對復雜的算法會對高職學生的理解造成很大的困擾，教學上迫切需要有一種工具來輔助教師的講授和提高學生的理解。

根據以上分析和多年的一線教學經驗，我們在本文提出建立一套三維仿真輔助教學模型庫。在課堂上，通過教師對模型的演示或學生的親身操作，對學生進行視覺感官上的刺激，吸引其注意力，改善教師與學生之間的課堂互動。更主要的是能夠激發學生的深層次思考，加深對復雜知識點的理解。本文首先對使用三維仿真技術來改善教學的研究現狀進行了回顧，并對選擇Flexsim軟件作為搭建模型庫的主要工具進行了技術可行性分析。為了便于模型庫的使用，我們根據數理邏輯難度將物流管理教學中的典型知識場景分為簡單演示型和優化決策型兩類，在模型庫的初步設計方案中列舉了每種類型涵蓋的知識點，并以兩個具體知識場景為例說明其建模思路。在最后的部分簡單介紹了模型實現浸潤式虛擬現實的方法。這些分析討論和設計思路，都為模型庫的實現提供了理論基礎和實施框架。

2 研究現狀及存在問題

隨著教育信息化進程的不斷發展，國內很多高校和教師都意識到三維仿真軟件在教學和實訓中的重要應用價值。胡凌等人提出了一種物流決策模擬教學平臺的構建新思路，使用專業的三維物流仿真軟件，設計帶有決策分析功能的3D物流決策模型，以方便學習者深入理解物流原理[1]。熊小婷等人描述了學校物流管理實驗室引進的3D倉儲與配送模擬實訓系統，并分析了該系統的教學方案實施[2]。曲慧等人以建立自動化倉庫模型為例進行了物流仿真教學建模研究，并討論了Flexsim仿真軟件在教學中的應用[3]。邢大寧等人以集美大學為例，提出建設基于計算機仿真技術的物流實驗室建設方案，并規劃了仿真實驗室的基本模塊架構[4]。魚明以基于Flexsim仿真軟件的倉儲入/出庫仿真為例，探討了仿真模擬技術在物流管理專業教學中的應用實踐[5]。

從以上的文獻回顧中可以獲知，無論是本科院校還是高職院校，都已經把仿真軟件廣泛應用到日常教學中。然而，在應用中普遍存在兩個主要的問題：（1）多數學校和教師把仿真軟件作為實訓教學的主要工具，通過軟件的模擬環境來鍛煉學生的實際操作能力。但是仿真軟件僅僅被視為一個為學生提供虛擬實訓環境的媒介，卻忽視了它們能夠在理論教學方面為教師提供幫助。（2）由于學科背景的原因，大部分物流管理專業的教師并不是IT技術專家，他們僅僅能夠使用軟件的既有功能，而無法做到企業級的定制化開發。這種使用方法不僅容易受到特殊應用場景的限制，而且浪費了仿真軟件的復雜建模和二次開發功能。為了解決第二個問題，我們在前期的研究中以CAPS電子標簽輔助揀選系統為例，提出以3D物流決策模型來解釋復雜的物流原理[1]。但是面對物流管理課程體系中繁多的知識點，僅僅一個模型的應用是不足以對提出的觀點形成有效的驗證，因此本文對前期的研究成果進行了擴展和深化，提出建立三維仿真輔助教學模型庫的構想，期待可以解決前述普遍存在的兩個問題。

3 可行性分析

在當前工業界，能夠進行仿真的軟件有很多，例如Flexsim，Witness，Automod等，綜合各個軟件的優缺點，我們擬選擇Flexsim作為模型庫的主要開發工具。Flexsim是源自美國的一款三維仿真軟件，能用于系統建模、仿真以及實現業務流程可視化，是新一代的面向對象的仿真建模工具，它是迄今為止世界上唯一一個在圖形建模環境中繼承了C++IDE和編譯器的仿真軟件。通過建立實體模型，它可以幫助使用者在虛擬現實環境中檢驗新的設想是否可行，對不同的參數進行分析，以及優化整個流程或系統。同時，Flexsim還展現出很強的柔性和可編程性，能夠支持使用者做不同層次和深度的定制化開發。因此，Flexsim在學術界和工業界都得到了認可，目前廣泛應用于科研、物流、生產制造、交通運輸等行業。

深圳信息職業技術學院物流管理專業在過去幾年為學生開設了《物流系統設計與仿真》課程，講授物流系統的設計原理和Flexsim軟件的操作方法，期望學生可以將Flexsim作為工具實現對物流系統的設計與仿真。通過對Flexsim軟件的學習，學生不僅掌握了軟件本身的使用方法，還借此起到了仿真實訓的效果。然而，當前的課程對Flexsim的使用還僅僅停留在比較淺的層次上，沒有對Flexsim優秀的建模和分析能力加以利用。因此，我們在本文提出一個建立Flexsim模型庫的構想，利用其強大的建模和二次開發能力，針對物流管理專業某些理論性較強、具有復雜數理邏輯的知識點進行建模，從而輔助教師進行理論課的教學。

4 三維仿真輔助教學模型庫初步設計

4.1 模型庫設計與實施步驟

我們的最終目的是要開發一套三維仿真輔助教學模型庫，在講授某些理論知識時，由教師做相關的模型演示或者由學生親身體驗，從而讓學生在三維虛擬場景中增強感性認知、加深理解。整個項目需要四個階段來完成，即模型設計、模型開發、模型應用與教師反饋、模型優化，見圖1。各個階段需要完成的任務主要有：

（1）對物流管理專業課程涉及到的知識點進行系統性地遴選，確定哪些知識點適合在Flexsim場景中進行模擬；

（2）由教師做出需求文檔，由建模人員進行Flexsim建模及開發；

（3）教師根據自己的使用心得和學生的反饋提出改進意見；

（4）建模人員根據教師的反饋意見對模型進行優化。

圖1 三維仿真輔助教學模型庫的設計與實施步驟

4.2 模型庫的主要內容

模型庫的主要目的是輔助教學，但并不是每個知識點都可以用仿真模型來模擬，因此需要根據物流管理的課程體系將適合Flexsim建模的知識點進行歸納。在進行系統性遴選時，為了方便后續的使用，將準備納入模型庫的知識點按照復雜程度分為兩種類型，即簡單演示型和優化決策型，見表1。簡單演示型主要是針對簡單的、不涉及復雜數理邏輯的知識點，模型開發以定性為主、定量為輔，以單純動畫和簡略提示信息的形式幫助教師進行直觀的演示，基于Flexsim的既有功能即可完成建模，需要進行二次開發的程度不深。而優化決策型則側重理論性較強、需要定量分析、涉及復雜數理邏輯的知識點，開發的模型除了能夠進行動畫展示外，還應提供交互接口供使用者進行環境變量配置，并可以通過圖表等形式對不同環境參數下的運行結果進行定量比較，引導學生主動學習并啟發其邏輯分析能力，因此需要進行復雜建模或深度二次開發。

表1 輔助教學模型庫的知識點分類解析

在模型庫的初步設計中，我們在前期的研究成果（CAPS電子標簽輔助揀選系統[1]基礎上力求結合不同的知識點背景，提供多樣化的模型庫，覆蓋更多的知識場景。因此我們對物流管理的核心專業課程進行系統式掃描，遴選的知識場景涵蓋了倉儲、裝卸搬運、流通加工（或生產加工）、運輸、配送等環節，得到了一系列可供Flexsim建模的知識場景，見表2。其中相對復雜的優化決策型模型是整個模型庫開發的重點內容，應將該種類型的模型進行適度的封裝，通過設置交互接口為使用者提供機會設置不同的運行參數及管理策略，通過對比不同管理策略下的仿真結果，來理解不同策略及參數的管理學含義，加深對理論的理解。

4.3 模型舉例

為了更好地理解包含在模型庫中的知識場景，我們在本小節對兩種類型的場景案例分別用一個具體的例子加以闡述。

（1）庫位分配。商品庫位的分配是入庫作業環節必須考慮的一個問題，不同的分配方案會對出庫作業效率和安排方式產生較大的影響。良好的庫位分配策略可以減少出入庫移動的距離、縮短作業時間，甚至能夠提高存儲空間的利用率。雖然庫位分配在實務中存在不同的策略，但在模型庫中做了適度的簡化，主要考慮采用ABC分類法進行庫位分配。根據物品的周轉率將全部貨物分為ABC三類，周轉率較高的視為A類物品，較低的視為C類物品，其他的視為B類物品。在模型中，以一系列貨架表示倉庫的主體布局，分別采用不同顏色的實體表示ABC三類物品，將周轉率高的A類物品擺放在距離倉庫出口最近的位置，而將周轉率較低的C類物品擺放在距離出口最遠的位置。通過Flexsim的既有功能將物品類型與貨架進行關聯，可以實現ABC分類法的庫位分配策略。在教師演示過程中，不同顏色實體的移動即可體現庫位分配策略是如何通過ABC分類法來實現的。作為對比，還可以建立不同的模型（將物品進行重新分類和擺放）并運行得到不同的結果，從而讓學生了解到庫位分配策略對于出入庫移動距離和運行效率的影響。

表2 三維仿真輔助教學模型庫擬包含的知識場景

（2）揀貨行走/搬運方式的比較。減少揀貨過程中的無效行走和搬運動作，是物流優化考慮的重點內容之一[6]。一般來講，揀貨方式主要分為“人到貨”和“貨到人”兩種。由于設備和資金等方面的條件限制，傳統的揀貨還是以“人到貨”方式為主，其需要人員較多，移動距離和時間較長。近兩年來，國內外一些設備廠商在電商倉儲行業成功部署了高度自動化的機器人揀選系統，通過高度智能化的移動機器人（AGV）搬運貨架實現了“貨到人”的揀選方式。從實際應用效果看，這種“貨到人”的揀選方式能夠極大地提高運作效率，替代人工作業，是以后揀選作業的發展趨勢。對于“人到貨”和“貨到人”兩種揀貨方式的講解，目前更偏重于傳統的理論教學模式，只能在形式上進行說明，學生無法從準確的數據比較中理解兩種方式的內涵差別。因此在模型庫中開發相應的模型，來比較“人到貨”和“貨到人”兩種方式在揀貨過程中的表現。該模型應具有用戶交互接口，使用者可以設置不同的揀貨行走/搬運方式、出庫訂單組、揀貨人員數量、智能AGV數量等；可執行揀貨過程并實時記錄揀貨過程中人員、設備等關鍵資源的工作負荷和作業效率，并將運行結果用圖表可視化形式來展現。在模型應用過程中，學生可以通過交互接口來設置不同的參數、運行仿真過程并比較不同業務參數下的運行結果，通過這種不斷試驗的過程來加深對于不同揀貨行走/搬運方式的理解。

4.4 模型庫應用的“虛”與“實”

利用Flexsim開發的模型庫，雖然是對真實物流系統的仿真，但其搭建的模型僅僅存在于電腦中，與使用者“屏幕相隔”，顯得并不真實，這也是其他三維仿真軟件的共同缺點。為了讓使用者有更加真實、身臨其境的感覺，可以將模型通過沉浸式虛擬現實技術來呈現。隨著近兩年軟硬件技術的發展，沉浸式虛擬現實技術方興未艾，在游戲、仿真、醫療、教育等多個行業嶄露頭角，顯示了其在各種應用場景的巨大潛力。與以前普通的虛擬現實技術不同，沉浸式虛擬現實技術利用頭戴式顯示器、手持控制器、追蹤顯示器與控制器的定位系統等設備，能夠創造一個更加逼真、身臨其境的虛擬環境，使用者可以在虛擬世界中移動并操作虛擬實體。在Flexsim最新發布的版本中，通過簡單的設置（“視圖”—“視景設置”—勾選“VR模式”）即可實現與沉浸式虛擬現實設備的良好集成[7]。基于此，我們已經成功地將Flexsim與HTC Vive頭戴式顯示器進行了集成，利用已經開發完成的模型搭建了虛擬現實課堂。戴上HTC Viv“e頭盔”后，學生以第一人視角進入模型的虛擬世界，幾乎感受不到“屏幕”的概念，可以感受到置身于各種物流設備之中。這種沉浸感可以帶來普通多媒體技術無法實現的效果，是對當前廣泛使用的信息化教學技術的有力補充。實際教學中，學生不僅可以“進入”虛擬世界中觀看模型的運作過程、體會物流基礎操作的環節，教學過程會因此變得生動而有趣；還可以“返回”現實世界，分析Flexsim采集到的物流系統運營過程數據，從而理解物流運作背后蘊含的管理方法和控制要點。

5 結論

在當前的物流管理專業課程教學中，三維仿真軟件多用于實訓教學，而其復雜建模和深度二次開發功能并沒有被教師在理論教學中有效的利用。基于Flexsim軟件優秀的建模能力和二次開發功能，本文探討了構建一套三維仿真輔助教學模型庫的可行性并提出了初步設計方案，根據知識點的數理邏輯復雜程度將其分為簡單演示型和優化決策型，詳細列舉了對應不同知識點的業務場景，具體描述了兩個特定知識場景的建模思路及浸潤式虛擬現實的實現方法，從而為后續模型庫的開發提供了理論基礎和實施框架。

[1]胡凌,楊東海,錢瑩.基于仿真技術的物流復雜原理可視化研究[J].物流技術,2015(14):197-198.

[2]熊小婷,張佺舉.3D模擬實訓系統在物流實踐教學體系中的應用研究[J].物流技術,2015(15):303-305.

[3]曲慧,蘇同江.基于Flexsim的物流仿真教學研究與實踐[J].青島遠洋船員職業學院學報,2013(4):63-67.

[4]邢大寧,初良勇.基于計算機仿真技術的物流實驗室建設[J].航海教育研究,2012(1):69-72.

[5]魚明.模擬仿真技術在物流管理專業中的實踐教學應用研究[J].赤峰學院學報(自然科學版),2016(2):267-268.

[6]錢瑩,吳潤玉,陳春李.倉儲與配送管理實踐教程(第1版)[M].西安:西北工業大學出版社,2015.

[7]USER MANUAL(FlexSim 2017 Update 1)[M].FlexSim Software Products,Inc.,2017.

Discussion and Preliminary Design of 3D Simulation Assisted Teaching Model Library:In the Case of Higher Vocational Logistics Management Specialty

Yang Donghai,Hu Ling,Qian Ying
(School of Business Administration,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China)

In this paper,according to the conception of building the 3D simulation assisted teaching model library using Flexsim,we analyzed the feasibility of this technology in such respect,then by mathematical logic difficulty,divided the typical knowledge scenarios in logistics management teaching into two categories,on such basis,described the preliminary design of the model library and the line of thinking for the constructing of the two specific knowledge scenarios,and at the end,briefly introduced the way to construct immersive virtual reality using this model.

3D simulation;assisted teaching;model library;Flexsim

G71;F252

A

1005-152X(2017)08-0184-05

2017-07-04

深圳市教育科學“十三五”規劃2016年招標課題“Flexsim三維建模仿真在高職信息化教學中的應用研究”（ybzz16009）

楊東海（1979-），男，黑龍江哈爾濱人，博士，深圳信息職業技術學院物流管理專業講師，研究方向：物流及供應鏈管理，數據挖掘，動態系統規劃和預測；胡凌（1979-），男，湖北武漢人，碩士，深圳信息職業技術學院物流管理專業主任，副教授，研究方向：企業信息化，數據挖掘，物流管理；錢瑩（1980-），女，云南楚雄人，博士，深圳信息職業技術學院物流管理專業講師，研究方向：物流與供應鏈管理。

doi∶10.3969/j.issn.1005-152X.2017.08.043