汽車生產(chǎn)運作與管理虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)研究

萬衛(wèi)紅，謝學軍，張予川

（1.湖北大學 國資處，湖北 武漢 430062；2.湖北大學 商學院，湖北 武漢 430062）

國家建設高水平示范性虛擬仿真實驗教學“金課”，是以提高在校大學生知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高的效率和效果為重點，以培養(yǎng)新時代大學生創(chuàng)新精神、實踐能力和社會責任感為核心的[1]。按照《2018年國家本科專業(yè)質(zhì)量標準》要求，工商管理類專業(yè)培養(yǎng)方案中將“生產(chǎn)與運作管理”設置為專業(yè)核心課。該課程實踐性、操作性強，涉及生產(chǎn)制造一線知識多，教學的關鍵是讓學生產(chǎn)生“真實感”“沉浸感”[2-3]，但其傳統(tǒng)的實驗教學存在一些問題。

首先，高校因為成本和場地原因，無法建立起一個生產(chǎn)線來讓學生進行實驗；其次，生產(chǎn)與運作管理是一條系統(tǒng)性的決策過程，高校即使建立了一條生產(chǎn)線來讓學生實習實訓，也難以模擬出整個決策過程；最后，真實的生產(chǎn)線可能存在一定的安全性隱患。針對這些問題所采取的一些舉措，如觀看視頻錄像、去制造企業(yè)實地參觀、邀請企業(yè)專家講座、案例教學與討論、操作實驗教學軟件等[4-8]，雖然可以解燃眉之急，卻無法給學生“真實感”，無法在真實環(huán)境中培養(yǎng)學生的實踐能力[9-10]。

我校經(jīng)濟管理虛擬仿真實驗教學省級示范中心教師團隊自主研發(fā)了“汽車生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”，希望通過虛擬仿真實驗突破實驗教學的瓶頸。以下對此進行具體介紹。

1 實驗設計的背景與目的

1.1 實驗背景

實體經(jīng)濟是一國經(jīng)濟的立身之本，是財富創(chuàng)造的根本源泉，是國家強盛的重要支柱。制造業(yè)是實體經(jīng)濟的關鍵，而汽車制造業(yè)則是制造業(yè)的關鍵。在這個背景下，通過設計“汽車生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”提高“生產(chǎn)與運作管理”課程教學質(zhì)量，具有重要的現(xiàn)實意義，也是服務地方經(jīng)濟發(fā)展的有益嘗試。

1.2 實驗目的

1）激發(fā)學習興趣。

在虛擬環(huán)境中，學生可以直接觀察汽車裝配流水線生產(chǎn)真實場景，能夠與虛擬仿真企業(yè)市場部、生產(chǎn)部、供應鏈部等不同部門負責人互動，深入細致地學習真實企業(yè)的生產(chǎn)運作管理流程和決策過程，弄懂綜合生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、供應鏈計劃和裝配流水線優(yōu)化原理，了解真實制造企業(yè)生產(chǎn)計劃管理與裝配流水線運作管理的全過程。這種直觀、探究和互動的特點有助于激發(fā)學生學習和參與制造業(yè)生產(chǎn)管理的興趣。

2）提升學習能力。

在實驗中，學生需要在虛擬制造企業(yè)的多個職能部門進行角色扮演，解決真實企業(yè)生產(chǎn)與運作管理遇到的問題。通過在不同職能部門以及不同參數(shù)設置場景中反復進行生產(chǎn)與運作管理實驗，既能深化對已有理論知識的理解，又能獲得真實制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理實際經(jīng)驗和解決實際管理問題的能力。學生在具有真實感、沉浸感、智慧感的仿真環(huán)境中，利用人機交互方式自主探究實際管理問題，既能養(yǎng)成主動掌握知識和不斷反思的習慣，又能促進將理論知識應用于實踐。

3）提高學習效率。

仿真實驗為學生提供了交互式、自主式和探究式的網(wǎng)絡實驗室及實時在線的“虛擬教室”，學生沉浸其中，不受時間和空間限制，能夠隨時隨地進行實驗，大大縮短了實驗周期。系統(tǒng)的自動評分功能能使學生及時得到反饋，從而及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，學習效率因此大幅提高。

2 實驗原理與效果

2.1 實驗原理

按照國家建設高水平示范性虛擬仿真實驗教學項目的目標，結(jié)合生產(chǎn)運作管理課程實驗教學中存在的問題，通過Unity3D 開發(fā)平臺，構(gòu)建了實驗所需的三維虛擬仿真場景，并融合了Unity3D 特征造型技術(shù)，借助人工智能、三維建模和人機交互等技術(shù)，開發(fā)了汽車生產(chǎn)運作虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大型卡車產(chǎn)品裝配流水線為虛擬仿真背景，共包括4 個實驗模塊，實驗學時為4 個課時，如表1 所示。

表1 實驗模塊及課時設計

根據(jù)各實驗模塊的具體內(nèi)容，本實驗的流程圖如圖1 所示。需要重點說明的是，本實驗系統(tǒng)既可以讓學生單獨就4 個模塊進行實驗，也可以按照圖1 的流程進行全流程實驗，從而兼顧不同學生的學習情況和不同的學習時間安排。整個虛擬仿真系統(tǒng)以實際汽車制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理流程為基礎，結(jié)合自主研發(fā)的卡車裝配流水線模型，實現(xiàn)了對實際裝配制造型企業(yè)的運作管理虛擬仿真。學生通過實驗，能夠了解汽車制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理中各管理部門的職能及其相互的協(xié)調(diào)與制約關系，形象感知大型卡車制造企業(yè)的需求預測→綜合生產(chǎn)計劃→物料需求計劃→裝配流水線優(yōu)化等真實過程，掌握市場預測、綜合生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、供應鏈計劃、裝配流水線生產(chǎn)線優(yōu)化等的基本知識、基本原理和基本方法。

2.2 實驗教學方法

本實驗教學項目以服務湖北省地方經(jīng)濟為出發(fā)點，堅持“學生中心、問題導向、學科融合、創(chuàng)新實踐”的實驗教學理念，利用現(xiàn)代信息技術(shù)等手段，大力推進實驗教學改革，結(jié)合學校的實際教學情況，實行“三感三式教學法”（真實感、沉浸感、智慧感及自主式、探究式、交互式）（見圖2），致力于培養(yǎng)學生的問題意識、創(chuàng)新精神及主動學習和自我反思能力。

真實感、沉浸感和智慧感是本實驗項目的基礎和關鍵。通過3D 和VR 技術(shù)，實驗項目為學生構(gòu)建了一個完全模擬真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理的環(huán)境和情境，彌補了傳統(tǒng)教學中學生無法做實驗的不足，達到了以虛補實的目的。通過虛擬仿真，該實驗項目為學生提供了一個“無限可能”的實驗環(huán)境，學生在這個環(huán)境中可以安全、低成本、重復地進行自主性、探究性實驗。同時，通過該實驗項目的智慧程序設計，在程序自動運行下，“后臺機器人”可以與每一位學生進行交流溝通，并對學生的個性化問題或超出程序自動應答的問題，通過信息交互系統(tǒng)實現(xiàn)學生與教師的直接溝通，使每一個學生都能通過不斷交流溝通逐 步完善自己的實驗方案，持續(xù)提高實驗結(jié)果的準確度。

圖1 實驗流程圖

圖2 實驗教學方法實施過程

2.3 實驗效果

該實驗項目自運行以來，95%的學生能夠在4 個課時內(nèi)完整地完成4 個模塊的實驗，平均實驗時間為156 分鐘。從追蹤學生的就業(yè)情況以及對比該實驗項目上線前后的學生滿意度情況來看，整個實驗教學的效果令人滿意。

本實驗項目的開發(fā)突破了時間和空間的限制，學生可以隨時隨地進行實驗。同時，軟件中設有糾錯和提示功能，學生可以反復進行練習。在具有真實感、沉浸感、智慧感的虛擬實驗環(huán)境里，通過自主式、探究式、交互式實驗教學，學生增加了“真實企業(yè)”實際管理經(jīng)驗，達到了制造企業(yè)對他們的技能要求。該實驗項目的開展，提升了學生面向大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)運作管理的能力，增加了學生的就業(yè)機會。自2018 年9月以來，已有300 余名學生完成了該項目實驗。畢業(yè)生在大規(guī)模制造型企業(yè)就業(yè)的比例顯著增加，受到用人單位歡迎。

該實驗項目模擬了一個制造企業(yè)計劃管理與運作決策的真實環(huán)境，目前支持并發(fā)訪問達150 人，解決了真實大型裝配制造企業(yè)無法接收高頻次、大批量學生參與見習或?qū)嵙暤碾y題，也解決了學生無法用真實數(shù)據(jù)進行反復練習及現(xiàn)實中決策周期長的問題。通過虛擬仿真環(huán)境的學習，激發(fā)了學生對專業(yè)的熱情和興趣，教學效果明顯提升。通過比較項目上線前后學生對“生產(chǎn)運作與管理”教學評價，可以看到學生對教學的滿意度從90%提升至97%。

3 結(jié)語

實驗教學是高等教育中人才培養(yǎng)的重要組成部分，更是培養(yǎng)人才實踐能力、創(chuàng)新能力的重要方式與方法。在“新文科”建設背景下進行實驗教學改革勢在必行，對于生產(chǎn)與運作管理專業(yè)，也必須要改變傳統(tǒng)的實驗教學理念和教學模式。本文通過介紹汽車生產(chǎn)與運作管理實驗教學項目的實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗教學方法、實驗效果等，對我校汽車生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學中的一些做法和經(jīng)驗進行了總結(jié)。