智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗設計與探索

(湖北大學商學院 湖北 武漢 430062)

習近平總書記多次講到：“實體經濟是一國經濟的立身之本，是財富創造的根本源泉，是國家強盛的重要支柱，要大力發展實體經濟，筑牢現代化經濟體系的堅實基礎”。制造業是實體經濟的一個關鍵。抓實體經濟一定要抓好制造業。推動制造業加速向數字化、網絡化、智能化發展是推動實體經濟高質量發展的有效方式。

2018年，教育部《高等學校人工智能創新行動計劃》提到，人工智能具有技術屬性和社會屬性高度融合的特點，是經濟發展新引擎、社會發展加速器，要重視人工智能與社會學、經濟學、管理學等學科專業教育的交叉融合，為社會經濟發展提供理論支撐和戰略指導。作為工商管理類專業核心課程“生產與運作管理”應該將人工智能與制造業有機融合產生的新知識、新原理、新方法和新形式納入教學中來，以順應人工智能的發展大趨勢，突出人才培養的時代性，增強學生制造業運作管理能力，更好地為中國制造業的蓬勃發展服務。

一、智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗教學的必要性

生產與運作管理是一門貼近制造業、實踐性和操作性強的課程，也是制造企業高素質人才所必需要掌握的知識與技能。但是“生產與運作管理”課程的真實實驗或傳統的教學方式卻存在以下難以克服的問題：

(一)真實實驗實際運行困難

高等院校因為成本、場地的原因難以建立起一個真實的制造企業讓學生進行實驗，即使建立了這樣的一個真實實驗，也難以模擬出真實制造企業生產與運作管理的決策過程。

(二)真實實驗有一定的局限性

生產與運作管理實驗是一個系統性實驗，包括多個子系統，子系統與子系統之間的關系是學習的難點與重點。而真實實驗多數只能針對某個子系統，覆蓋的知識點較少。

(三)真實實驗周期長，且具有一定的危險性

真實制造企業生產與運作管理流程較長，包括需求預測、綜合生產計劃制訂、物料需求計劃、裝配流水線優化等，因此造成生產運作管理真實實驗周期長。并且真實大型工業品裝配生產實驗現場有較多的工業機器，具有一定危險性。

(四)傳統的教學方式難以滿足培養學生實踐動手能力的需求

“生產與運作管理”傳統的教學中多是采用參觀生產制造企業、觀看生產現場視頻錄像、邀請生產制造一線專家講座和企業實習的教學方式，但是這些方式都不是真正的實驗。而且，真實企業實習無法接收大量的學生，即使少量學生可以在實際中進行實習參與決策，也由于成本原因不可能重復進行決策。

(五)傳統的教學方式難以體現智能制造的“智能性”

智能制造的關鍵是在傳統的制造過程中大量運用通信和信息技術。制造企業通過智能機器和算法來協助或監督人的工作，提升企業的管理效率，強化企業快速響應需求的能力。這些知識和內容與制造企業實際生產過程關聯度較高，但是在課堂教學中卻是一個難點、痛點，無法單純地依靠課堂中教師的講課來傳授智能制造知識，必須要讓學生“身臨其境”進行學習，才能產生良好的學習效果。

由于以上問題的存在使得“生產與運作管理”的課程教學以理論教學為主，實驗教學相對不足，對于學生實踐能力的培養不夠，造成理論與實際脫節，人才培養質量達不到真實制造企業的要求。為此，湖北大學經濟管理虛擬仿真實驗教學省級示范中心教師團隊以大型卡車生產制造過程為載體，通過虛擬仿真生產過程，將生產現場的裝配流水線操作與汽車產品生產管理進行融合，開展智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗教學，期望提高學生的實踐能力，培養出企業需要的優質人才。

二、智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗原理

(一)實驗目的

智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗的目的，具體可以從傳授知識、培養能力和提高素質三個方面來闡述。

1.傳授知識

①掌握真實制造企業生產運作與管理基本過程。本實驗以大型汽車裝配流水線虛擬仿真3D場景為背景，要求學生利用仿真軟件模擬需求計劃、需求預測、生產計劃、物料需求計劃、裝配流水線優化等全過程，學會按照實際制造型企業生產運作流程進行管理控制的現代技術手段、方法和工具，為生產流程全過程計劃管理奠定全局戰略思維習慣和思路。

②理解需求預測的含義，能夠選擇合適的市場預測方法進行預測。需求預測與大型汽車制造企業生產經營活動關系最緊密，尤其是在虛擬仿真的實戰條件下學習運用定量預測和定性預測方法預測大型汽車產品未來1年時間需求的期望水平，為制定后續綜合計劃和控制決策提供依據；以虛補實，在虛擬環境中鍛煉實際規劃能力，進一步體現理論與實踐的指導作用，增強專業實驗教學效果。

③理解生產計劃的基本類型，掌握生產計劃制定的基本方法。綜合生產計劃是“生產與運作管理”的核心知識點，也是真實企業中高層管理者一個重要的管理內容。本項目通過大型汽車虛擬仿真環境完成綜合生產計劃制定，并引導學生在多種生產計劃策略下探索成本更低的綜合生產計劃，掌握制定最優生產計劃的方法。

④掌握物料需求計劃的基本知識，能夠計算物料需求計劃(MRP)和制定供應鏈計劃。生產與運作管理的核心內容是物料需求計劃。通過虛擬仿真真實汽車企業制定物料需求計劃情境和過程，學生可以在虛擬環境完成真實企業物料需求計劃和供應鏈計劃制定任務，從而理解物料需求計劃的含義、原理和計算邏輯，學會基于最小成本供應鏈制定的方法。

⑤熟悉汽車裝配流水線，掌握對裝配流水線進行優化的方法。通過虛擬仿真汽車裝配流水線強化制造業運營優化的形象思維能力，為今后解決復雜生產管理問題積累重要的實際經驗和感性知識，并在虛擬仿真的環境中對真實仿真的裝配流水線進行分析與優化，學會裝配流水線優化的基本原理和方法。

2.培養能力

①培養具有制訂生產計劃的能力。制訂生產計劃是一項綜合性工程。在校大學生很難有實際制訂生產計劃的機會。在本實驗的虛擬環境中，通過角色扮演完成真實制造企業實際的生產運作管理任務。學生在人機交互的引導下發現基于兩種基本策略制訂的生產計劃不是最優計劃，然后在虛擬角色的指導下自我思索最優生產計劃的原理與方法，最后自主探究最優生產方案，鍛煉學生制訂生產計劃的能力。

②培養具有優化生產的能力。生產優化是真實制造企業生產管理經常面對的問題。本實驗以真實制造企業生產運作管理實際流程和虛擬仿真3D場景為背景，要求學生在虛擬的環境中從不同的職能部門出發來進行生產優化，并反復進行實驗，理解真實制造企業生產優化的邏輯和流程，鍛煉學生優化生產的能力。

③培養生產決策能力。“管理就是決策”是美國著名管理學家西蒙的一句名言。這句名言切中管理的要害，也表明生產決策能力培養是“生產與運作管理”課程教學的關鍵。本實驗彌補傳統課堂教學無法有效鍛煉學生決策能力的不足，利用真實制造企業生產與運作管理決策流程，通過真實情境仿真，虛實結合，以虛練實，讓學生可以在虛擬環境中遵循真實制造企業生產與運作管理決策流程與要求下反復做生產決策，強化學生的生產決策能力。

3.提高素質

通過本實驗的學習，提高學生生產與運作管理素質，提升學生參與實際制造企業生產與運作管理的水平。“生產與運作管理”的課程教學一直存在理論與實際脫節，人才培養質量達不到真實制造企業要求的問題。本實驗以生產與運作管理的基本知識、基本原理和基本方法為基礎，利用真實制造企業生產運作管理真實數據和真實流程構建一個具有真實感、沉浸感、智慧感的虛擬環境。學生在這個虛擬環境中通過自主式、引導式和探究式實驗，獲得綜合性、系統性知識傳授和能力，達到具備真實制造企業生產與運作管理基本素質的目標，滿足實際制造企業對高素質生產與運作管理人才的需求。

(二)實驗設計思路

本實驗方案按照“實驗前的理論學習，實驗中的操作實踐，實驗后的學習反饋”進行設計。具體闡述如下：

實驗前，學生通過課堂學習需求預測、綜合生產計劃、物料需求計劃和裝配流水線優化的基礎理論以及對實驗要求、要點和注意事項的學習，完成實驗準備工作。

實驗中，學生在具有真實感、沉浸感和智慧感的虛擬仿真環境中，通過自主式、探究式和交互式操作實驗，真實感受現實制造企業生產與運作管理的流程，理論與實踐相聯系，達到傳授知識、培養能力和提高素質的實驗效果。

實驗后，學生根據自身在實驗操作中遇到的問題，自主在課堂理論教學中尋找答案。教師根據學生在實驗中的評價結果和實驗報告的批閱成績，促進理論課堂教學效率和效果的改善。

本實驗方案設計思路如圖1所示。

圖1 本實驗教學項目實驗方案設計思路

(三)實驗內容

根據實驗設計思路，本實驗的內容可以分為四個模塊，具體見表1。

表1 實驗模塊及課時設計

(四)實驗教學方法

本實驗通過虛擬仿真生產過程，將生產現場的裝配流水線操作與汽車產品生產過程計劃管理進行融合，遵循“學生中心、問題導向、學科融合、創新實踐”的實驗教學理念，實行“三感三式教學法”——以自主式、探究式、交互式教學為核心，強化實驗的真實感、沉浸感、智慧感，致力于培養學生的問題意識、決策思維、創新精神。

圖2 實驗教學方法實施過程

1.沉浸式環境漫游

學生進入虛擬仿真卡車裝配流水線工廠，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領略卡車裝配流水線物理環境的空間、布局和結構；掌握工藝流程設計的要點、設備設施的配備規范；學會規劃裝配流水線空間布局、提出合乎生產規范和效率優先的裝配流水線布置方案。

2.真實感受制造企業運作管理過程

進入本實驗教學項目的任何一個模塊后，系統自動賦予學生真實角色，通過與系統的角色人機互動，感受真實制造企業生產與運作管理決策的過程。本實驗要求學生對虛擬人物提出的運作管理任務進行分析與決策，分層遞進地解決真實制造企業生產運作管理的各階段實際管理問題，形象感知實際運作管理的全部工作過程。

3.友好界面和智慧感知教學

進入本實驗后，學生與線上教師可以進行互動提問與答疑；也可與虛擬人物、各類生產數據和零部件實時互動，進行操作練習。系統自動進行錯誤提示、正確操作提示和自動評價，學生通過人機友好交互界面，在智慧提示過程中邊練習、邊學習、邊探究，實現自動反饋與糾錯，在人工智能的指導下完成基本知識與原理的學習。

4.自主式設計

在本實驗中，學生可根據基本實驗數據，自主設計供應鏈計劃，有針對性地進行實驗練習，提高創新能力。

5.交互式引導

在本實驗中，通過角色扮演與虛擬人物進行人機交互完成實驗。系統能夠自動生成可追溯實驗全過程的記錄，便于學生及時了解與掌握學習的進程；教師也能夠通過后臺看到每一個學生的實驗操作。整個實驗過程中提問與答疑、體驗與感知、模擬與操作、決策與判斷、分析與評價、反饋與糾錯無處不在。

6.探究式完成實驗

學生在實驗過程中反復操作虛擬仿真實驗，探究自身在實驗中遇到的問題，探索實驗方案是否最優，驗證實驗結果的正確性。在本實驗中，通過人機交互引導學生探究綜合生產計劃、供應鏈計劃的最小成本最優方案，思索真實制造企業管理過程中如何發現問題、分析問題和解決問題。

三、智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗教學效果

本實驗自2019年9月在實驗空間上線以來，已經有601人通過該平臺完成了實驗，實驗通過率為88.9%，實驗評分為4.9分(滿分為5分)。湖北大學商學院信息管理與信息系統、大數據管理與應用等專業的學生都把該實驗作為生產與運作管理核心實驗教學內容，激發了學生學習興趣。通過對照項目上線前后學生《生產運作與管理》課程成績，發現應用本實驗后，學生對于需求預測、綜合生產計劃、物料需求計劃和裝配流水線平衡等核心知識掌握程度更好。同時，追蹤學生就業情況可以發現，應用本實驗后，學生在制造企業的就業人數有較為顯著的增長。

四、結語

生產與運作管理虛擬仿真實驗教學不僅可以彌補傳統教學的缺陷，達到“以虛補實”的目的，還能通過構建綜合的虛擬仿真環境和底層智能算法設計模擬制造企業智能制造過程，有效地培養學生的專業實踐能力。