(湖北大學(xué)商學(xué)院 湖北 武漢 430062)

習(xí)近平總書記多次講到：“實(shí)體經(jīng)濟(jì)是一國經(jīng)濟(jì)的立身之本，是財(cái)富創(chuàng)造的根本源泉，是國家強(qiáng)盛的重要支柱，要大力發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)，筑牢現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)”。制造業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。抓實(shí)體經(jīng)濟(jì)一定要抓好制造業(yè)。推動制造業(yè)加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展是推動實(shí)體經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的有效方式。

2018年，教育部《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》提到，人工智能具有技術(shù)屬性和社會屬性高度融合的特點(diǎn)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎、社會發(fā)展加速器，要重視人工智能與社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論支撐和戰(zhàn)略指導(dǎo)。作為工商管理類專業(yè)核心課程“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”應(yīng)該將人工智能與制造業(yè)有機(jī)融合產(chǎn)生的新知識、新原理、新方法和新形式納入教學(xué)中來，以順應(yīng)人工智能的發(fā)展大趨勢，突出人才培養(yǎng)的時(shí)代性，增強(qiáng)學(xué)生制造業(yè)運(yùn)作管理能力，更好地為中國制造業(yè)的蓬勃發(fā)展服務(wù)。

一、智能制造背景下生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

生產(chǎn)與運(yùn)作管理是一門貼近制造業(yè)、實(shí)踐性和操作性強(qiáng)的課程，也是制造企業(yè)高素質(zhì)人才所必需要掌握的知識與技能。但是“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”課程的真實(shí)實(shí)驗(yàn)或傳統(tǒng)的教學(xué)方式卻存在以下難以克服的問題：

(一)真實(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行困難

高等院校因?yàn)槌杀?、場地的原因難以建立起一個(gè)真實(shí)的制造企業(yè)讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即使建立了這樣的一個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，也難以模擬出真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理的決策過程。

(二)真實(shí)實(shí)驗(yàn)有一定的局限性

生產(chǎn)與運(yùn)作管理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，包括多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的關(guān)系是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)與重點(diǎn)。而真實(shí)實(shí)驗(yàn)多數(shù)只能針對某個(gè)子系統(tǒng)，覆蓋的知識點(diǎn)較少。

(三)真實(shí)實(shí)驗(yàn)周期長，且具有一定的危險(xiǎn)性

真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理流程較長，包括需求預(yù)測、綜合生產(chǎn)計(jì)劃制訂、物料需求計(jì)劃、裝配流水線優(yōu)化等，因此造成生產(chǎn)運(yùn)作管理真實(shí)實(shí)驗(yàn)周期長。并且真實(shí)大型工業(yè)品裝配生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場有較多的工業(yè)機(jī)器，具有一定危險(xiǎn)性。

(四)傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以滿足培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力的需求

“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”傳統(tǒng)的教學(xué)中多是采用參觀生產(chǎn)制造企業(yè)、觀看生產(chǎn)現(xiàn)場視頻錄像、邀請生產(chǎn)制造一線專家講座和企業(yè)實(shí)習(xí)的教學(xué)方式，但是這些方式都不是真正的實(shí)驗(yàn)。而且，真實(shí)企業(yè)實(shí)習(xí)無法接收大量的學(xué)生，即使少量學(xué)生可以在實(shí)際中進(jìn)行實(shí)習(xí)參與決策，也由于成本原因不可能重復(fù)進(jìn)行決策。

(五)傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以體現(xiàn)智能制造的“智能性”

智能制造的關(guān)鍵是在傳統(tǒng)的制造過程中大量運(yùn)用通信和信息技術(shù)。制造企業(yè)通過智能機(jī)器和算法來協(xié)助或監(jiān)督人的工作，提升企業(yè)的管理效率，強(qiáng)化企業(yè)快速響應(yīng)需求的能力。這些知識和內(nèi)容與制造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程關(guān)聯(lián)度較高，但是在課堂教學(xué)中卻是一個(gè)難點(diǎn)、痛點(diǎn)，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(xué)生“身臨其境”進(jìn)行學(xué)習(xí)，才能產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)效果。

由于以上問題的存在使得“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”的課程教學(xué)以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對不足，對于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)不夠，造成理論與實(shí)際脫節(jié)，人才培養(yǎng)質(zhì)量達(dá)不到真實(shí)制造企業(yè)的要求。為此，湖北大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)省級示范中心教師團(tuán)隊(duì)以大型卡車生產(chǎn)制造過程為載體，通過虛擬仿真生產(chǎn)過程，將生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配流水線操作與汽車產(chǎn)品生產(chǎn)管理進(jìn)行融合，開展智能制造背景下生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，期望提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)出企業(yè)需要的優(yōu)質(zhì)人才。

二、智能制造背景下生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理

(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

智能制造背景下生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的，具體可以從傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)三個(gè)方面來闡述。

1.傳授知識

①掌握真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作與管理基本過程。本實(shí)驗(yàn)以大型汽車裝配流水線虛擬仿真3D場景為背景，要求學(xué)生利用仿真軟件模擬需求計(jì)劃、需求預(yù)測、生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃、裝配流水線優(yōu)化等全過程，學(xué)會按照實(shí)際制造型企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作流程進(jìn)行管理控制的現(xiàn)代技術(shù)手段、方法和工具，為生產(chǎn)流程全過程計(jì)劃管理奠定全局戰(zhàn)略思維習(xí)慣和思路。

②理解需求預(yù)測的含義，能夠選擇合適的市場預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測。需求預(yù)測與大型汽車制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動關(guān)系最緊密，尤其是在虛擬仿真的實(shí)戰(zhàn)條件下學(xué)習(xí)運(yùn)用定量預(yù)測和定性預(yù)測方法預(yù)測大型汽車產(chǎn)品未來1年時(shí)間需求的期望水平，為制定后續(xù)綜合計(jì)劃和控制決策提供依據(jù)；以虛補(bǔ)實(shí)，在虛擬環(huán)境中鍛煉實(shí)際規(guī)劃能力，進(jìn)一步體現(xiàn)理論與實(shí)踐的指導(dǎo)作用，增強(qiáng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

③理解生產(chǎn)計(jì)劃的基本類型，掌握生產(chǎn)計(jì)劃制定的基本方法。綜合生產(chǎn)計(jì)劃是“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”的核心知識點(diǎn)，也是真實(shí)企業(yè)中高層管理者一個(gè)重要的管理內(nèi)容。本項(xiàng)目通過大型汽車虛擬仿真環(huán)境完成綜合生產(chǎn)計(jì)劃制定，并引導(dǎo)學(xué)生在多種生產(chǎn)計(jì)劃策略下探索成本更低的綜合生產(chǎn)計(jì)劃，掌握制定最優(yōu)生產(chǎn)計(jì)劃的方法。

④掌握物料需求計(jì)劃的基本知識，能夠計(jì)算物料需求計(jì)劃(MRP)和制定供應(yīng)鏈計(jì)劃。生產(chǎn)與運(yùn)作管理的核心內(nèi)容是物料需求計(jì)劃。通過虛擬仿真真實(shí)汽車企業(yè)制定物料需求計(jì)劃情境和過程，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境完成真實(shí)企業(yè)物料需求計(jì)劃和供應(yīng)鏈計(jì)劃制定任務(wù)，從而理解物料需求計(jì)劃的含義、原理和計(jì)算邏輯，學(xué)會基于最小成本供應(yīng)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(jìn)行優(yōu)化的方法。通過虛擬仿真汽車裝配流水線強(qiáng)化制造業(yè)運(yùn)營優(yōu)化的形象思維能力，為今后解決復(fù)雜生產(chǎn)管理問題積累重要的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和感性知識，并在虛擬仿真的環(huán)境中對真實(shí)仿真的裝配流水線進(jìn)行分析與優(yōu)化，學(xué)會裝配流水線優(yōu)化的基本原理和方法。

2.培養(yǎng)能力

①培養(yǎng)具有制訂生產(chǎn)計(jì)劃的能力。制訂生產(chǎn)計(jì)劃是一項(xiàng)綜合性工程。在校大學(xué)生很難有實(shí)際制訂生產(chǎn)計(jì)劃的機(jī)會。在本實(shí)驗(yàn)的虛擬環(huán)境中，通過角色扮演完成真實(shí)制造企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)作管理任務(wù)。學(xué)生在人機(jī)交互的引導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)基于兩種基本策略制訂的生產(chǎn)計(jì)劃不是最優(yōu)計(jì)劃，然后在虛擬角色的指導(dǎo)下自我思索最優(yōu)生產(chǎn)計(jì)劃的原理與方法，最后自主探究最優(yōu)生產(chǎn)方案，鍛煉學(xué)生制訂生產(chǎn)計(jì)劃的能力。

②培養(yǎng)具有優(yōu)化生產(chǎn)的能力。生產(chǎn)優(yōu)化是真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)管理經(jīng)常面對的問題。本實(shí)驗(yàn)以真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理實(shí)際流程和虛擬仿真3D場景為背景，要求學(xué)生在虛擬的環(huán)境中從不同的職能部門出發(fā)來進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化，并反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，理解真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化的邏輯和流程，鍛煉學(xué)生優(yōu)化生產(chǎn)的能力。

③培養(yǎng)生產(chǎn)決策能力。“管理就是決策”是美國著名管理學(xué)家西蒙的一句名言。這句名言切中管理的要害，也表明生產(chǎn)決策能力培養(yǎng)是“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”課程教學(xué)的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)無法有效鍛煉學(xué)生決策能力的不足，利用真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理決策流程，通過真實(shí)情境仿真，虛實(shí)結(jié)合，以虛練實(shí)，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中遵循真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理決策流程與要求下反復(fù)做生產(chǎn)決策，強(qiáng)化學(xué)生的生產(chǎn)決策能力。

3.提高素質(zhì)

通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生生產(chǎn)與運(yùn)作管理素質(zhì)，提升學(xué)生參與實(shí)際制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理的水平。“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”的課程教學(xué)一直存在理論與實(shí)際脫節(jié)，人才培養(yǎng)質(zhì)量達(dá)不到真實(shí)制造企業(yè)要求的問題。本實(shí)驗(yàn)以生產(chǎn)與運(yùn)作管理的基本知識、基本原理和基本方法為基礎(chǔ)，利用真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理真實(shí)數(shù)據(jù)和真實(shí)流程構(gòu)建一個(gè)具有真實(shí)感、沉浸感、智慧感的虛擬環(huán)境。學(xué)生在這個(gè)虛擬環(huán)境中通過自主式、引導(dǎo)式和探究式實(shí)驗(yàn)，獲得綜合性、系統(tǒng)性知識傳授和能力，達(dá)到具備真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理基本素質(zhì)的目標(biāo)，滿足實(shí)際制造企業(yè)對高素質(zhì)生產(chǎn)與運(yùn)作管理人才的需求。

(二)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)方案按照“實(shí)驗(yàn)前的理論學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)中的操作實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)后的學(xué)習(xí)反饋”進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體闡述如下：

實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)需求預(yù)測、綜合生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃和裝配流水線優(yōu)化的基礎(chǔ)理論以及對實(shí)驗(yàn)要求、要點(diǎn)和注意事項(xiàng)的學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在具有真實(shí)感、沉浸感和智慧感的虛擬仿真環(huán)境中，通過自主式、探究式和交互式操作實(shí)驗(yàn)，真實(shí)感受現(xiàn)實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理的流程，理論與實(shí)踐相聯(lián)系，達(dá)到傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生根據(jù)自身在實(shí)驗(yàn)操作中遇到的問題，自主在課堂理論教學(xué)中尋找答案。教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的評價(jià)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批閱成績，促進(jìn)理論課堂教學(xué)效率和效果的改善。

本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路

(三)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容可以分為四個(gè)模塊，具體見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K及課時(shí)設(shè)計(jì)

(四)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

本實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真生產(chǎn)過程，將生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配流水線操作與汽車產(chǎn)品生產(chǎn)過程計(jì)劃管理進(jìn)行融合，遵循“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、學(xué)科融合、創(chuàng)新實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，實(shí)行“三感三式教學(xué)法”——以自主式、探究式、交互式教學(xué)為核心，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感、沉浸感、智慧感，致力于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、決策思維、創(chuàng)新精神。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法實(shí)施過程

1.沉浸式環(huán)境漫游

學(xué)生進(jìn)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(yàn)、感知與領(lǐng)略卡車裝配流水線物理環(huán)境的空間、布局和結(jié)構(gòu)；掌握工藝流程設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、設(shè)備設(shè)施的配備規(guī)范；學(xué)會規(guī)劃裝配流水線空間布局、提出合乎生產(chǎn)規(guī)范和效率優(yōu)先的裝配流水線布置方案。

2.真實(shí)感受制造企業(yè)運(yùn)作管理過程

進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的任何一個(gè)模塊后，系統(tǒng)自動賦予學(xué)生真實(shí)角色，通過與系統(tǒng)的角色人機(jī)互動，感受真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理決策的過程。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生對虛擬人物提出的運(yùn)作管理任務(wù)進(jìn)行分析與決策，分層遞進(jìn)地解決真實(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理的各階段實(shí)際管理問題，形象感知實(shí)際運(yùn)作管理的全部工作過程。

3.友好界面和智慧感知教學(xué)

進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生與線上教師可以進(jìn)行互動提問與答疑；也可與虛擬人物、各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)和零部件實(shí)時(shí)互動，進(jìn)行操作練習(xí)。系統(tǒng)自動進(jìn)行錯(cuò)誤提示、正確操作提示和自動評價(jià)，學(xué)生通過人機(jī)友好交互界面，在智慧提示過程中邊練習(xí)、邊學(xué)習(xí)、邊探究，實(shí)現(xiàn)自動反饋與糾錯(cuò)，在人工智能的指導(dǎo)下完成基本知識與原理的學(xué)習(xí)。

4.自主式設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自主設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈計(jì)劃，有針對性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)，提高創(chuàng)新能力。

5.交互式引導(dǎo)

在本實(shí)驗(yàn)中，通過角色扮演與虛擬人物進(jìn)行人機(jī)交互完成實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)能夠自動生成可追溯實(shí)驗(yàn)全過程的記錄，便于學(xué)生及時(shí)了解與掌握學(xué)習(xí)的進(jìn)程；教師也能夠通過后臺看到每一個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中提問與答疑、體驗(yàn)與感知、模擬與操作、決策與判斷、分析與評價(jià)、反饋與糾錯(cuò)無處不在。

6.探究式完成實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中反復(fù)操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，探究自身在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，探索實(shí)驗(yàn)方案是否最優(yōu)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。在本實(shí)驗(yàn)中，通過人機(jī)交互引導(dǎo)學(xué)生探究綜合生產(chǎn)計(jì)劃、供應(yīng)鏈計(jì)劃的最小成本最優(yōu)方案，思索真實(shí)制造企業(yè)管理過程中如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。

三、智能制造背景下生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)自2019年9月在實(shí)驗(yàn)空間上線以來，已經(jīng)有601人通過該平臺完成了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過率為88.9%，實(shí)驗(yàn)評分為4.9分(滿分為5分)。湖北大學(xué)商學(xué)院信息管理與信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用等專業(yè)的學(xué)生都把該實(shí)驗(yàn)作為生產(chǎn)與運(yùn)作管理核心實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過對照項(xiàng)目上線前后學(xué)生《生產(chǎn)運(yùn)作與管理》課程成績，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對于需求預(yù)測、綜合生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃和裝配流水線平衡等核心知識掌握程度更好。同時(shí)，追蹤學(xué)生就業(yè)情況可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在制造企業(yè)的就業(yè)人數(shù)有較為顯著的增長。

四、結(jié)語

生產(chǎn)與運(yùn)作管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷，達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)”的目的，還能通過構(gòu)建綜合的虛擬仿真環(huán)境和底層智能算法設(shè)計(jì)模擬制造企業(yè)智能制造過程，有效地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力。