數字孿生技術助力管理科學與工程學科高質量創新發展

摘" " 要：隨著數字經濟時代的到來，管理科學與工程學科重點前沿研究領域發生了重大變化，數字孿生作為一項前沿數字化技術既是該學科的研究重點，同時其技術優勢也是該學科開展相關研究的發力點。然而，在高等教育研究中有關兩者協同發展的研究成果較少，教研融合的成熟路徑還有待探索。文章通過研究管理科學與工程學科布局及其與數字孿生之間的關系，結合當前人才培養中存在的問題提出了數字孿生技術融合管理科學與工程學科發展的路徑，從而促進教研融合，提升培養成效，以期為其他學科人才培養與學科發展提供借鑒和參考。

關鍵詞：管理科學與工程；數字孿生技術；教研融合；培養路徑

中圖分類號：G642" " " " " 文獻標識碼：A" " " " " 文章編號：1002-4107（2024）08-0001-04

數字技術重塑了傳統經濟模式，在大數據、物聯網和人工智能等技術的推動下，以創新為驅動、數據為要素、新技術應用為場景的數字經濟形態得以高速發展，數字經濟與實體經濟的加速融合為中國產業高質量發展注入了新的動力[1]。產業數字化升級必然會影響相關學科發展，管理科學與工程作為一門結合信息技術研究解決社會、經濟、工程等方面管理問題的交叉學科和一門隨著產業發展不斷創新升級的服務型學科，在新技術、新信息、新產業的融合中面臨一系列嚴峻的挑戰[2]。時代的要求使管理科學與工程學科的研究戰略布局深入到數字化的各個方面，因此無論是市場對于數字人才的需求還是管理科學與工程學科的研究需求，都迫使高校必須注重管理科學與工程專業學生數字化能力的培養，而在數字化能力培養的過程中引入先進的數字技術是必不可少的。數字孿生作為一項實現物理實體世界與數字孿生世界交互融合的前沿技術，被認為是未來教育方式變革的重要技術之一[3]。如何以數字孿生技術支撐管理科學與工程學科高質量創新發展，是當前教育界新文科建設的新課題。

一、管理科學與工程學科發展新形勢

（一）“十四五”時期管理科學與工程學科前沿領域新布局

在我國管理學領域的各學科中，管理科學與工程是發展最早、基礎最厚實的學科。自創立以來，管理科學與工程學科始終立足于中國國情，緊跟時代發展步伐，服務于國家重大發展戰略，為我國各階段各行業發展提供了關鍵助力。

作為一門為現實發展服務的學科，管理科學與工程有著很強的需求導向性。目前，我國處于“十四五”建設的關鍵時期，協同推動數字產業化和產業數字化轉型，助力數字經濟與實體經濟深度融合，為經濟高質量發展提供新動能是目前的主要目標和任務[4]。在這樣的戰略導向下，管理科學與工程學科頂層布局有了全新調整，學者研討后，確定了現階段引發學科研究革新的四個重大驅動因素：方法瓶頸、科技發展、全球治理和中國情景。其中，科技發展要素研究指出，新技術驅動的管理科學共性理論與方法和面向新產業的管理科學理論及應用將成為管理科學與工程學科的重要研究方向，這些研究將直接面向數字經濟時代下形成的新產業的管理科學問題和由此產生的新管理對象（如智能

工廠）與新管理現象[5]。在該研究中特別指出基于數字孿生的智能制造企業全生命周期管理等方向將成為學科內重點前沿研究領域，基于人工智能的大型復雜工程系統研究、突發公共衛生事件下應急運作管理理論方法、平臺供應鏈管理理論與方法等將成為交叉領域的重點研究方向。

由此可見，管理科學與工程學科將與數字產業化和產業數字化的相關研究深度融合，其中如何助力“實體”與“數字”的良性融合是重點任務。

（二）管理科學與工程學科發展中的問題

高等教育作為市場經濟體系的一部分，需要保證一定的超前性與適用性，學生作為其教育產品必會經受企業與組織的檢驗，教育發展的動力也源于社會市場的發展與進步。在社會生產中，數字孿生技術逐漸成為企業管理員工時需要掌握的一門技術，并彰顯出在未來的發展潛力，現有的培養模式無法完全滿足由數字孿生技術等組成的高新技術對高等教育產品所提出的高標準、高要求。在管理科學與工程學科中普遍存在著重視基礎理論教學，輕視實踐能力培養的現象，弱化了技能實踐，導致學生在就業初期難以適應企業的實際工作。教學模式單一，教師注重課堂教學，過度依靠教材進行課堂講授，僅僅為了完成教學計劃而推進教學，且課程考核方式教條化[6]。考核多采用閉卷考試的方式，導致學生僅死記硬背教材上的概念、原理和方法，不僅沒有培養學生的創造能力，也弱化了實踐技能。數字孿生技術在各行業的推廣使得這種培養模式問題更加凸顯，現代信息技術的參與使管理科學與工程具備了跨學科、跨專業的特性，這要求高等教育培養模式中數字孿生技術的參與度要進一步提高。

管理科學與工程學科包含許多不同種類的方向，包括建造、制造、采購、倉儲、運輸和物流、現場服務等，其本身就具有一定的學科復雜性，課程方面雖有融合，但也僅是簡單重疊，獨立的課程沒有系統地考慮面對不同的專業方向應該產生多樣化融合，相應的也缺乏多門課程與指定專業之間的深度融合。數字孿生技術的出現可以幫助建立專業與專業之間的聯系，數字孿生本身就連接著多種業務的應用程序，可作用于多行業、多種類的管理范疇，在流程或者制造生態系統數字孿生中，幾乎任何生產流程中的突發情況都可以使用數字孿生進行建模，而不會對“真實”流程或工廠形成干擾。合理地將數字孿生技術融入管理科學與工程學科的教學，會直接幫助學生提前感受制造或工業流程的具體細節，并且數字孿生技術本身也是一種跨專業的職業技能，在教學中怎樣利用數字孿生、傳授數字孿生是管理科學與工程學科課程設計面臨的新挑戰。

平臺建設在專業發展中扮演著重要角色，強有力的平臺支撐可以幫助各專業共同發展。管理科學與工程學科下設多種方向，經常出現各自為政的情況，實驗室不能共用，實踐機會不能共享。在數字孿生技術的驅動下，不論是制造方向或是建筑方向，都將需要一個可以實現數字孿生技術教學的平臺，使專業平臺建設統籌化發展。數字孿生技術本身也可以幫助教學解決不同專業的分化問題，幫助搭建鏈接各學科的專業化平臺，使資源利用最大化，實現同學科專業共建和共享。

教研團隊在教學中占據重要的地位。但隨著時代的推移、人工智能的發展，以往以專業及課程劃分的教研團隊無法滿足其需求。過去教研團隊的劃分以“術業有專攻”為旨，利用教師研究方向的不斷細化來進行教學，但如今對跨領域、跨專業要求逐漸提高，傳統的教研團隊難以適應對復合型人才培養的要求。數字孿生技術具備高保真、實時洞見等特性[7]，可以幫助教研團隊改進教學，在孿生空間重構教育模式，使教師自身具備融合意識與能力，以便更好地指導學生。

二、數字孿生技術對管理科學與工程學科發展的促進作用

（一）數字孿生技術發展歷程

數字孿生技術面向生命周期全過程，能夠很好地發揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務。數字孿生設想首次出現是在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上，由Grieves 教授提出，當時被稱為“鏡像空間模型”[8]。直到2011年，Grieves教授引用了其合作者Vickers用于描述此概念的新名詞“數字孿生體”，此后一直沿用至今。數字孿生最早被應用在航天及軍工業領域。2011年，美國空軍研究實驗室出于對實時數據監控飛行器壽命的需求，與美國國家航天局合作，首次提出飛行器的數字孿生體的概念[9]。此后，數字孿生在航空領域逐漸應用于更多場景。在2014年前后，PTC、西門子、達索等工業巨頭公司也都接受了數字孿生的概念，并在市場上進行相應的數字化業務，數字孿生技術也逐步進入多領域推廣期。

（二）數字孿生應用在管理科學與工程學科的優勢

面對新一輪科技革命和產業革命，管理科學與工程學科面臨諸多挑戰。在數字時代，數據成為管理科學與工程學科研究問題的關鍵，但受限于數據的可獲得性、成本和時效性等，學者能直接處理的數據是有限的和局部的[2]。大數據底層支撐技術不足、數據如何同物理現實相融合、數據結果如何進行管理學解釋等問題也使得管理科學與工程在與新技術、新產業、新信息融合中面臨一系列嚴峻挑戰。而數字孿生技術的發展與應用，成為該學科研究的重要抓手。

數字孿生的最大技術優勢在于能夠實現物理層和信息層的雙向映射。通過數據分析、高保真仿真模型等，數字孿生可以完成對現實物理系統的設計、監控、評估、預測、優化和控制，進而達到信息世界和物理世界互聯互通的效果，這與數字產業轉型中數字與實體相融合的目標是一致的[10]。目前，已經有多個學者提出了數字孿生和管理科學與工程融合發展的新應用場景，如數字孿生智慧城市系統、數字孿生供應鏈管理、數字孿生企業全生命周期管理、數字孿生突發災害事件應急管理等[11-14]。這些研究充分表明，數字孿生對管理科學與工程學科前沿領域研究有著重大推進作用，數字孿生的種種優勢極大提高了管理科學與工程的技術驅動能力。

管理科學與工程的新發展需要新型人才來支撐，而新型人才的培養離不開高等教育模式的創新。通過上述研究了解到數字孿生驅動下的管理科學與工程應用研究具有巨大的潛力，但利用數字孿生技術推動管理科學與工程教育創新還鮮有研究，這就使得人才培養與應用研究出現脫節的現象。數字孿生支撐下的管理科學與工程人才培養模式創新，一方面，要結合數字孿生優化現有的課程體系，為傳統專業課程注入新的動力；另一方面，要利用數字孿生的技術優勢為學生搭建新的數字化研究平臺，如虛擬仿真實驗教學中心等。

三、數字孿生技術助力管理科學與工程學科

高質量發展的實現路徑

數字技術帶來的產業改革正在重構人們的生產方式、生活模式，同時也對學科發展提出新挑戰。針對管理科學與工程人才培養現存不足之處，融合數字孿生技術將管理科學與工程學科的發展路徑劃分為培養體系、課程體系、平臺建設、教研組織四類。數字孿生技術驅動管理科學與工程學科發展路徑如圖1所示。具體而言，培養體系是新時期管理科學與工程高等教育實現發展需要具備的最關鍵要素，對結果起著決定性作用，包括培養目標設置、學生創新能力培養水平等。課程體系是人才培養的依托，從孿生共存視角，構建學科交叉融合新型課程體系。平臺建設有效地提升了學習效率，是學科發展的重要途徑，基于數字孿生技術，實現多種類實踐教學智能化。教研組織是保障教育質量的重要支撐，包括加強教研員培訓，突出全面育人研究。

（一）數字孿生空間下重構培養體系

為適應新時期管理科學與工程學科發展需求，高校應圍繞數字技術，培養學生數字思維和治理能力，打破固化的人才培養模式，在制定人才培養方案時利用數字孿生特點鏈接各專業，深度滲透管理科學與工程下屬學科。打造全新培養模式，由“理論基礎+實踐操作+應用案例+多樣化課程作業+課程評估”的體系

組建新模式，考核標準不再單純依賴試卷分數，以綜合考核分數為達標標準，培養“理論型+實踐型”人才，適應當今數字化進程的高新企業要求。在學生的實踐操作與應用上投入更多的精力，通過數字孿生的多業務應用程序，實現同一門課程針對不同專業方向的多樣化教學。例如“建模與仿真”這一門課程，應實現其與工程管理、工業工程、物流工程等課程相融合，這種融合關系需要根據每個專業特性分別細化，形成同課程模塊化教學。教師利用數字孿生仿真軟件的多類型仿真能力，布置不同方向的課程作業以達到實踐目的，并對真實的應用案例進行講解，使學生通過數字仿真感受真實工業流程，依靠仿真系統的可視化能力直觀參與管理數據的采集與分析。以此課程為例，基于Anylogic仿真軟件，以數字化方式模擬物理對象、流程、人物、地域、系統和設備等，通過對仿真結果進行分析優化，以提高制造業、運輸業、供應鏈、交通等行業的能效水平，模擬流程見圖2。并且，培養成果的檢驗不以試卷分數為評價結果，而是以課程作業的完成情況和實踐操作最終考試結果為評價結果。

（二）設計融合數字技術的課程體系

為了保證課程對于人才培養的前瞻性，對課程進行融合數字技術的設計，并且通過孿生空間搭建跨學科、跨平臺、跨專業的教學課程體系。不同于原有的單一專業化設置，結合管理科學與工程的基本特點，組合多種數字孿生技術提供的應用接口，融入物流專業、工業制造專業、工程管理專業、信息技術專業等多門類專業特性，針對不同門類管理科學的差異利用數字孿生技術的高保真性組建全新課程體系。將各課程內容分解、組成相關的課程模塊，形成獨立的課程群，實現數字孿生仿真與各專業的課程融合，這種類型的融合方式不是簡單的獨立課程數量的提升，而是在針對同一專業課程上進行交叉融合。考慮各個專業的實際需求，體系化、系統化地融入以培養具有跨專業思維、創新思維的新型人才。比如，利用數字孿生技術與生產運作的融合，可以創建流程鏡像和提供所有供應鏈相關業務信息，創建一個連續循環、快速、持續的微調供應鏈網絡[15]，為虛擬產品線和基準流程設定標準做出明智的決策，幫助學生深度理解物流效率；在供應鏈管理的課程中，可以利用數字孿生技術對虛擬客戶進行劃分，并建立仿真模型，幫助學生從上級視角評估供應鏈流程的執行情況，觀察供應鏈中物理資源和人力資源的利用方式，提前與企業管理方式接軌。

（三）共享數字化實踐平臺建設

遵循專業協同發展的原則進行數字化實驗室、研究中心的建設，不以單一專業為基準，以整個學科為核心，建立各專業共享平臺，集約化發展。高性能數字化實驗室可以實現海量數據的采集與傳輸，幫助各專業具備獲取物理目標或系統目標的運行狀態及大量的基礎數據，各類高精度傳感器幫助實現目標實時動態的超現實映射，例如物流工程可以利用物流工廠真實案例去虛擬跟蹤物料、直觀調整供需平衡，如圖3所示。又例如工程管理可以通過建筑結構所需的大量數據優化建造過程，并利用虛擬模型對智能建造、綠色建造等對指標值敏感的建造方式進行實驗。數字化實驗室可以實現全生命周期的數據管理及高性能計算，幫助管理科學與工程學科各專業進行對應長時間跨度的工程項目模擬，允許任意歷史時刻的回放與智能解析，并且提供可視化功能，可以幫助學生在學習與操作過程中理解工業流程與管理中的關鍵時間點。教師在通過數字孿生技術加深學生體會的同時也可利用實驗室的教學培養學生企業管理人員需要具備的輔助建模能力。另外，實踐環節同樣可以由數字孿生技術支撐，采用VR技術將工程或工業的實際問題結合起來，在虛擬空間進行實訓，在同樣的虛擬平臺可以實現多種類教學，從產品設計到加工制造、物流運輸等全產業線學生均能參與，通過虛實結合的方式改進學生思維方式，推動學生思考，鍛煉個人能力。

（四）再組新型教研組織

數字技術指導教育革新的關鍵在于教師，高校應當積極推進教師的專業培訓。在教學端融入數字意識，同時也需深度參與教師的教研分配計劃的制定，打破固定式教育模式，不以單一的專業名稱分組，對每一位教師的研究方向匹配度、專業相關程度進行評估，在原有的團隊基礎上，針對跨專業、跨平臺的研究方向組建臨時研究團隊，并且在需要跨院系溝通時為研究團隊提供一定的支持。在解決數字問題、構建孿生空間方面，教研團隊應當由本專業教師為主導，專業的信息技術能力教師與產業人員輔助參與，建立一支具有融合IE+IT技術能力的師資隊伍，不僅能使學生提升對管理科學的認知，還可以鍛煉其數字技術能力，吸取真實案例的經驗，使學生有所學、有所得、有所問。跨專業教研團隊需要在課程設計、數字技術教學改革、科學研究中發揮關鍵性作用。

四、結論與展望

數字孿生既是管理科學與工程學科的前沿研究方向，也是在其他領域開展研究的重要抓手，為了促進兩者教研融合協同發展，探索一條新的高等教育路徑是重要且必要的。本文針對教學模式單一、課程設計不足、實驗平臺欠缺等問題，通過探索數字孿生技術、分析管理科學與工程學科培養方式，結合當下企業的人才需求，提出由“理論基礎+實踐操作+應用案例+多樣化課程作業+課程評估”的體系組建新模式，培養“理論型+實踐型”人才，應用數字技術的深度滲透、數據的共享與流動，進而通過網絡平臺實現匯聚，使教與學變得更加智能。該研究也為其他專業的培養提供了新的方向，相信在未來數字孿生將助力更多學科專業蓬勃發展。

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[責任編輯" 韓曉雨]

收稿日期：2023-09-12

作者簡介：劉亮，天津工業大學經濟與管理學院教授，博士

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“經營管理數字孿生仿真系統建設”（230801456020830）；科技部創新方法工作專項“創新三師管理服務體系與信息化平臺建設及其應用示范”（2020IM030300）