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

趙東杰，郭童潔，孫慧芳

（北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 100149）

0 引言

近年來(lái)，隨著物流行業(yè)大發(fā)展，企業(yè)對(duì)物流人才的需求越來(lái)越多，要求也越來(lái)越高，這也對(duì)物流人才的培養(yǎng)和物流教學(xué)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(xué)改革是其中一個(gè)很重要的內(nèi)容。而教學(xué)模式研究又是教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是“在教學(xué)實(shí)踐中基于教學(xué)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(dāng)前物流行業(yè)大發(fā)展的背景下，進(jìn)行物流教學(xué)模式研究成為待解決的問(wèn)題。為深入推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)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(shí)體系，利用人工智能、云計(jì)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(jìn)教學(xué)方法創(chuàng)新。2018年4月，教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，支持以示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等建設(shè)為載體，推動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

以“學(xué)生為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，科教互補(bǔ)，培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖一流人才”為教學(xué)理念，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的原則，解決學(xué)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(shí)點(diǎn)無(wú)法在具體生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。倉(cāng)儲(chǔ)是物流活動(dòng)進(jìn)行的重要場(chǎng)所，以智能倉(cāng)儲(chǔ)為切入點(diǎn)，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)感知、網(wǎng)絡(luò)、處理、應(yīng)用等多項(xiàng)技術(shù)，讓學(xué)生能夠快速對(duì)智能倉(cāng)儲(chǔ)有整體認(rèn)知。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)培養(yǎng)具有工程技術(shù)和工程實(shí)踐認(rèn)知和了解的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)人才，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的必要性

1.1 有效解決專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)難題

物流技術(shù)的掌握對(duì)實(shí)踐性要求非常高，必須要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)才能充分理解相關(guān)知識(shí)、具備相關(guān)能力。比如倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)全流程全貌、RFID讀寫(xiě)器的特性與安裝要求。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)儲(chǔ)識(shí)別與溯源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的支撐，不再受實(shí)驗(yàn)教具、場(chǎng)地、時(shí)間和環(huán)境的制約，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活度，能夠隨時(shí)隨地在線開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。解決了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)需要較大場(chǎng)地（大于500m）、學(xué)生觀測(cè)不方便、學(xué)生操作存在較大危險(xiǎn)的問(wèn)題。

1.2 有效促進(jìn)實(shí)踐能力培養(yǎng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是解決高校中當(dāng)前教學(xué)方式與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)要求之間的矛盾，是高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)以學(xué)科發(fā)展需求為前提，以社會(huì)對(duì)人才需求為導(dǎo)向，搭建智能物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)本項(xiàng)目的建設(shè)，能夠構(gòu)建準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新多樣的教學(xué)方法，大大提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

1.3 有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主體驗(yàn)實(shí)際的倉(cāng)儲(chǔ)流程，通過(guò)自主改變參數(shù)設(shè)置，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，先進(jìn)的仿真研發(fā)技術(shù)使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的界面非常有趣、真實(shí)，學(xué)生可以在仿真極高的虛擬世界里通過(guò)不斷探索、互動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，極大提高了學(xué)習(xí)興趣。

2 基于虛擬仿真平臺(tái)的教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)特色

“基于物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)儲(chǔ)識(shí)別與溯源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”承擔(dān)了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)及實(shí)踐教學(xué)。其依托北京物資學(xué)院國(guó)家級(jí)物流系統(tǒng)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、“北京市智能物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“北京市智能物流校內(nèi)創(chuàng)新實(shí)踐基地”3個(gè)國(guó)家和市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及“國(guó)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(shí)踐型人才。主要特色如下：

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。全流程注重“前沿性、交叉性、綜合性”，細(xì)節(jié)處凸顯“沉浸與互動(dòng)”。

該實(shí)驗(yàn)融入RFID、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，通過(guò)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(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)恼鎸?shí)場(chǎng)景，還原了貨物從識(shí)別、分揀、搬運(yùn)到存儲(chǔ)、環(huán)境監(jiān)測(cè)的整個(gè)過(guò)程。對(duì)RFID識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)、區(qū)塊鏈溯源等重點(diǎn)環(huán)節(jié)設(shè)置任務(wù)。學(xué)習(xí)者通過(guò)該項(xiàng)目，不僅對(duì)智能物流運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程全面了解和掌握，而且還能熟練掌握、操作物流運(yùn)輸所需的各種設(shè)備。

（2）教學(xué)方法。“以學(xué)生為中心”，圍繞“理論-實(shí)踐-再理論-再實(shí)踐”核心，遵循“應(yīng)用導(dǎo)向、理實(shí)交融、一專多能”教學(xué)理念，采用“多樣化、多層次、多重性”的“多元”教學(xué)方法。采用理論與實(shí)踐相融合的迭代教學(xué)方式，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手、主動(dòng)動(dòng)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(tái)相比，這種教學(xué)方式更能體現(xiàn)出學(xué)生為主體，充分激發(fā)主動(dòng)參與、自主探究。

圖1 主要實(shí)驗(yàn)特色

（3）評(píng)價(jià)體系。面向創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，開(kāi)展“可靈活配置、全過(guò)程記錄、多維度考評(píng)”的評(píng)價(jià)。

本項(xiàng)目對(duì)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中的操作次數(shù)、操作時(shí)間、交互操作要點(diǎn)等進(jìn)行多維度考核，對(duì)每一步操作、參數(shù)設(shè)置等設(shè)置相應(yīng)的評(píng)價(jià)權(quán)重，系統(tǒng)能自動(dòng)打分并計(jì)算總分，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可追溯。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析作業(yè)，可全方位地展示學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程與教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重教學(xué)過(guò)程和方法，依據(jù)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，采用“以學(xué)為主”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體作用的“多元”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，“多元”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程即采用“多元化教學(xué)方法”，利用“多樣化實(shí)驗(yàn)形式”，開(kāi)展“多層次教學(xué)活動(dòng)”，進(jìn)行“多形式考核”，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生“多重專業(yè)技能培養(yǎng)”（如圖2所示）。采用“多元”將實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課中、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課后和實(shí)驗(yàn)考核以學(xué)生為中心完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。

圖2 “多元”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

（1）“多元”課前。“多元”課前，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，采用任務(wù)式示范教學(xué)方法使學(xué)生完成課前學(xué)習(xí)。本課程中是利用公眾號(hào)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)和學(xué)校的“超星”教育平臺(tái)以及學(xué)校圖書(shū)館的“數(shù)字資源”實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，由教師提前設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)范例和提供類似實(shí)驗(yàn)范本，為學(xué)生自主獨(dú)立設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，使學(xué)生更好地理解設(shè)計(jì)課題的功能、性能及相關(guān)要求，帶領(lǐng)學(xué)生完成“多元”課前。

（2）“多元”課中。“多元”課中是以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為核心，采用案例教學(xué)方法、邏輯引導(dǎo)教學(xué)方法和開(kāi)放式教學(xué)方法相融合的“多元”教學(xué)方法，將網(wǎng)上演示實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)際操作“多樣化的”實(shí)驗(yàn)形式相融合，通過(guò)知識(shí)傳授與自主實(shí)踐相結(jié)合、課堂實(shí)驗(yàn)與課外科技活動(dòng)相結(jié)合、教學(xué)實(shí)踐與科學(xué)研究相結(jié)合“多層級(jí)”教學(xué)活動(dòng)，帶領(lǐng)學(xué)生完成“多元”課中。

（3）“多元”課后。采用基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)方法和探究式教學(xué)方法，從實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)問(wèn)題出發(fā)，層層設(shè)問(wèn)，帶領(lǐng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展問(wèn)題等，激發(fā)學(xué)生探索與學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和反思也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。

（4）“多重”課外。帶領(lǐng)學(xué)生積極參加課外的實(shí)訓(xùn)、企業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、教研項(xiàng)目、網(wǎng)絡(luò)比賽等，為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)技能知識(shí)上的鞏固和擴(kuò)展創(chuàng)造了良好條件，使學(xué)生一直緊跟前沿先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，熟悉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、管理及實(shí)施等技術(shù)流程，同時(shí)大大培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力、綜合解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（5）“多形式”考核。根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)，從有利于激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和主觀能動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰槟康模_定實(shí)驗(yàn)考核方式。采用多元化的實(shí)驗(yàn)考核辦法，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型采取不同考核辦法。

2.3 基于虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分3個(gè)實(shí)驗(yàn)子模塊（如圖3所示）：系統(tǒng)認(rèn)知、基于RFID的智能倉(cāng)儲(chǔ)識(shí)別仿真子系統(tǒng)和基于區(qū)塊鏈的智能倉(cāng)儲(chǔ)商品溯源仿真子系統(tǒng)。

圖3 虛擬仿真教學(xué)的三個(gè)主要實(shí)驗(yàn)?zāi)K

其中，實(shí)驗(yàn)流程包含13個(gè)交互步驟。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬智能倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，模擬商品出入庫(kù)過(guò)程、區(qū)塊鏈倉(cāng)儲(chǔ)商品溯源過(guò)程，學(xué)生可通過(guò)直觀、動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景中進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)流程為：登錄系統(tǒng)—倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)認(rèn)知—設(shè)備選型與安裝—RFID讀寫(xiě)器設(shè)置—中間件配置—RFID讀寫(xiě)器安裝—商品出入庫(kù)—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(shí)驗(yàn)結(jié)論—實(shí)驗(yàn)結(jié)束—退出系統(tǒng)—教師發(fā)布成績(jī)。

本實(shí)驗(yàn)的核心要素包括：

（1）智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬仿真。該要素模擬智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)真實(shí)環(huán)境，通過(guò)虛擬仿真，從細(xì)節(jié)上動(dòng)態(tài)演示各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，如圖4所示。

圖4 智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬仿真子系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

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

圖5 物品電子標(biāo)簽識(shí)別過(guò)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(kù)信息作為應(yīng)用對(duì)象，模擬了基于區(qū)塊鏈的倉(cāng)儲(chǔ)商品溯源仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成員選擇、共識(shí)過(guò)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(guò)程直觀地呈現(xiàn)，實(shí)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(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)課程適應(yīng)我國(guó)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(huì)適應(yīng)能力的創(chuàng)新應(yīng)用型復(fù)合人才為目標(biāo)。以典型智能倉(cāng)儲(chǔ)為切入點(diǎn)，選取智能倉(cāng)儲(chǔ)的商品出入庫(kù)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(cāng)儲(chǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與部件，采用3D建模、動(dòng)畫(huà)、人機(jī)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(cāng)儲(chǔ)識(shí)別與溯源虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以解決現(xiàn)實(shí)中專業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)的瓶頸問(wèn)題，使學(xué)生能夠快速對(duì)智能倉(cāng)儲(chǔ)有整體認(rèn)知。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠培養(yǎng)具有工程技術(shù)和工程實(shí)踐認(rèn)知和了解的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)人才，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。