三维仿真辅助教学模型库探讨与初步设计—以高职物流管理教学为例

杨东海，胡 凌，钱 莹

（深圳信息职业技术学院 商务管理学院，广东 深圳 518172）

三维仿真辅助教学模型库探讨与初步设计—以高职物流管理教学为例

杨东海，胡 凌，钱 莹

（深圳信息职业技术学院 商务管理学院，广东 深圳 518172）

提出利用Flexsim软件来搭建一套三维仿真辅助教学模型库的设想，分析了其在技术应用方面的可行性；按照不同的数理逻辑难度将物流管理教学环节中的典型知识场景分为两类，以此为基础描述了该模型库的初步设计方案和两个具体知识场景的建模思路，并简单介绍了模型实现浸润式虚拟现实的方法，为模型库后续的开发提供了理论基础和实施框架。

三维仿真；辅助教学；模型库；Flexsim

1 研究背景

根据国家“十三五”规划，高职院校已经成为了培养实用技能型人才的主要基地。但是受生源质量所限，多数高职院校学生的数理基础不够扎实，逻辑思维能力不强，在面对复杂问题时缺乏足够的分析能力。然而物流管理恰恰又是一个交叉型学科，其融合了管理学、运筹学、现代装备技术、IT技术等多个学科门类的知识，涉及的知识覆盖面广、环节多[1]。所以在物流管理专业的教学中，如果教师单纯地按照传统经管类教学的思维进行讲授，则很容易与实际脱节。特别是在一些理论性较强、数理逻辑较复杂的课程中，学生接受新知识的意愿不强，在课堂上与老师的互动效果差强人意，直接导致了对知识点的学习流于表面，不能深入理解，甚至产生厌烦情绪，影响后续课程的学习。

为了帮助学生更好地理解课堂内容，越来越多的优秀教师将层出不穷的信息化手段引入课堂，期望提高学生的学习兴趣并保持听课的专注力，例如在课堂上播放相关的音频和视频，利用云平台、手机App来进行知识的多次传播等。这些辅助教学的举措确实在某种程度上增加了课堂的趣味性，吸引了学生的注意力并增强了师生互动，取得了一定的效果。然而，这些信息化手段也存在相应的问题，其最大的弊端就是以提高学生感性认知为主，却很难提高其逻辑思维能力。尤其是面对数理逻辑复杂、需要进行量化分析的知识点时，往往就无法以合适的形式辅助教师进行教学。例如，根据我们的教学经验，在讲解《运输实务》课程中的“最短路经法”时，相对复杂的算法会对高职学生的理解造成很大的困扰，教学上迫切需要有一种工具来辅助教师的讲授和提高学生的理解。

根据以上分析和多年的一线教学经验，我们在本文提出建立一套三维仿真辅助教学模型库。在课堂上，通过教师对模型的演示或学生的亲身操作，对学生进行视觉感官上的刺激，吸引其注意力，改善教师与学生之间的课堂互动。更主要的是能够激发学生的深层次思考，加深对复杂知识点的理解。本文首先对使用三维仿真技术来改善教学的研究现状进行了回顾，并对选择Flexsim软件作为搭建模型库的主要工具进行了技术可行性分析。为了便于模型库的使用，我们根据数理逻辑难度将物流管理教学中的典型知识场景分为简单演示型和优化决策型两类，在模型库的初步设计方案中列举了每种类型涵盖的知识点，并以两个具体知识场景为例说明其建模思路。在最后的部分简单介绍了模型实现浸润式虚拟现实的方法。这些分析讨论和设计思路，都为模型库的实现提供了理论基础和实施框架。

2 研究现状及存在问题

随着教育信息化进程的不断发展，国内很多高校和教师都意识到三维仿真软件在教学和实训中的重要应用价值。胡凌等人提出了一种物流决策模拟教学平台的构建新思路，使用专业的三维物流仿真软件，设计带有决策分析功能的3D物流决策模型，以方便学习者深入理解物流原理[1]。熊小婷等人描述了学校物流管理实验室引进的3D仓储与配送模拟实训系统，并分析了该系统的教学方案实施[2]。曲慧等人以建立自动化仓库模型为例进行了物流仿真教学建模研究，并讨论了Flexsim仿真软件在教学中的应用[3]。邢大宁等人以集美大学为例，提出建设基于计算机仿真技术的物流实验室建设方案，并规划了仿真实验室的基本模块架构[4]。鱼明以基于Flexsim仿真软件的仓储入/出库仿真为例，探讨了仿真模拟技术在物流管理专业教学中的应用实践[5]。

从以上的文献回顾中可以获知，无论是本科院校还是高职院校，都已经把仿真软件广泛应用到日常教学中。然而，在应用中普遍存在两个主要的问题：（1）多数学校和教师把仿真软件作为实训教学的主要工具，通过软件的模拟环境来锻炼学生的实际操作能力。但是仿真软件仅仅被视为一个为学生提供虚拟实训环境的媒介，却忽视了它们能够在理论教学方面为教师提供帮助。（2）由于学科背景的原因，大部分物流管理专业的教师并不是IT技术专家，他们仅仅能够使用软件的既有功能，而无法做到企业级的定制化开发。这种使用方法不仅容易受到特殊应用场景的限制，而且浪费了仿真软件的复杂建模和二次开发功能。为了解决第二个问题，我们在前期的研究中以CAPS电子标签辅助拣选系统为例，提出以3D物流决策模型来解释复杂的物流原理[1]。但是面对物流管理课程体系中繁多的知识点，仅仅一个模型的应用是不足以对提出的观点形成有效的验证，因此本文对前期的研究成果进行了扩展和深化，提出建立三维仿真辅助教学模型库的构想，期待可以解决前述普遍存在的两个问题。

3 可行性分析

在当前工业界，能够进行仿真的软件有很多，例如Flexsim，Witness，Automod等，综合各个软件的优缺点，我们拟选择Flexsim作为模型库的主要开发工具。Flexsim是源自美国的一款三维仿真软件，能用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化，是新一代的面向对象的仿真建模工具，它是迄今为止世界上唯一一个在图形建模环境中继承了C++IDE和编译器的仿真软件。通过建立实体模型，它可以帮助使用者在虚拟现实环境中检验新的设想是否可行，对不同的参数进行分析，以及优化整个流程或系统。同时，Flexsim还展现出很强的柔性和可编程性，能够支持使用者做不同层次和深度的定制化开发。因此，Flexsim在学术界和工业界都得到了认可，目前广泛应用于科研、物流、生产制造、交通运输等行业。

深圳信息职业技术学院物流管理专业在过去几年为学生开设了《物流系统设计与仿真》课程，讲授物流系统的设计原理和Flexsim软件的操作方法，期望学生可以将Flexsim作为工具实现对物流系统的设计与仿真。通过对Flexsim软件的学习，学生不仅掌握了软件本身的使用方法，还借此起到了仿真实训的效果。然而，当前的课程对Flexsim的使用还仅仅停留在比较浅的层次上，没有对Flexsim优秀的建模和分析能力加以利用。因此，我们在本文提出一个建立Flexsim模型库的构想，利用其强大的建模和二次开发能力，针对物流管理专业某些理论性较强、具有复杂数理逻辑的知识点进行建模，从而辅助教师进行理论课的教学。

4 三维仿真辅助教学模型库初步设计

4.1 模型库设计与实施步骤

我们的最终目的是要开发一套三维仿真辅助教学模型库，在讲授某些理论知识时，由教师做相关的模型演示或者由学生亲身体验，从而让学生在三维虚拟场景中增强感性认知、加深理解。整个项目需要四个阶段来完成，即模型设计、模型开发、模型应用与教师反馈、模型优化，见图1。各个阶段需要完成的任务主要有：

（1）对物流管理专业课程涉及到的知识点进行系统性地遴选，确定哪些知识点适合在Flexsim场景中进行模拟；

（2）由教师做出需求文档，由建模人员进行Flexsim建模及开发；

（3）教师根据自己的使用心得和学生的反馈提出改进意见；

（4）建模人员根据教师的反馈意见对模型进行优化。

图1 三维仿真辅助教学模型库的设计与实施步骤

4.2 模型库的主要内容

模型库的主要目的是辅助教学，但并不是每个知识点都可以用仿真模型来模拟，因此需要根据物流管理的课程体系将适合Flexsim建模的知识点进行归纳。在进行系统性遴选时，为了方便后续的使用，将准备纳入模型库的知识点按照复杂程度分为两种类型，即简单演示型和优化决策型，见表1。简单演示型主要是针对简单的、不涉及复杂数理逻辑的知识点，模型开发以定性为主、定量为辅，以单纯动画和简略提示信息的形式帮助教师进行直观的演示，基于Flexsim的既有功能即可完成建模，需要进行二次开发的程度不深。而优化决策型则侧重理论性较强、需要定量分析、涉及复杂数理逻辑的知识点，开发的模型除了能够进行动画展示外，还应提供交互接口供使用者进行环境变量配置，并可以通过图表等形式对不同环境参数下的运行结果进行定量比较，引导学生主动学习并启发其逻辑分析能力，因此需要进行复杂建模或深度二次开发。

表1 辅助教学模型库的知识点分类解析

在模型库的初步设计中，我们在前期的研究成果（CAPS电子标签辅助拣选系统[1]基础上力求结合不同的知识点背景，提供多样化的模型库，覆盖更多的知识场景。因此我们对物流管理的核心专业课程进行系统式扫描，遴选的知识场景涵盖了仓储、装卸搬运、流通加工（或生产加工）、运输、配送等环节，得到了一系列可供Flexsim建模的知识场景，见表2。其中相对复杂的优化决策型模型是整个模型库开发的重点内容，应将该种类型的模型进行适度的封装，通过设置交互接口为使用者提供机会设置不同的运行参数及管理策略，通过对比不同管理策略下的仿真结果，来理解不同策略及参数的管理学含义，加深对理论的理解。

4.3 模型举例

为了更好地理解包含在模型库中的知识场景，我们在本小节对两种类型的场景案例分别用一个具体的例子加以阐述。

（1）库位分配。商品库位的分配是入库作业环节必须考虑的一个问题，不同的分配方案会对出库作业效率和安排方式产生较大的影响。良好的库位分配策略可以减少出入库移动的距离、缩短作业时间，甚至能够提高存储空间的利用率。虽然库位分配在实务中存在不同的策略，但在模型库中做了适度的简化，主要考虑采用ABC分类法进行库位分配。根据物品的周转率将全部货物分为ABC三类，周转率较高的视为A类物品，较低的视为C类物品，其他的视为B类物品。在模型中，以一系列货架表示仓库的主体布局，分别采用不同颜色的实体表示ABC三类物品，将周转率高的A类物品摆放在距离仓库出口最近的位置，而将周转率较低的C类物品摆放在距离出口最远的位置。通过Flexsim的既有功能将物品类型与货架进行关联，可以实现ABC分类法的库位分配策略。在教师演示过程中，不同颜色实体的移动即可体现库位分配策略是如何通过ABC分类法来实现的。作为对比，还可以建立不同的模型（将物品进行重新分类和摆放）并运行得到不同的结果，从而让学生了解到库位分配策略对于出入库移动距离和运行效率的影响。

表2 三维仿真辅助教学模型库拟包含的知识场景

（2）拣货行走/搬运方式的比较。减少拣货过程中的无效行走和搬运动作，是物流优化考虑的重点内容之一[6]。一般来讲，拣货方式主要分为“人到货”和“货到人”两种。由于设备和资金等方面的条件限制，传统的拣货还是以“人到货”方式为主，其需要人员较多，移动距离和时间较长。近两年来，国内外一些设备厂商在电商仓储行业成功部署了高度自动化的机器人拣选系统，通过高度智能化的移动机器人（AGV）搬运货架实现了“货到人”的拣选方式。从实际应用效果看，这种“货到人”的拣选方式能够极大地提高运作效率，替代人工作业，是以后拣选作业的发展趋势。对于“人到货”和“货到人”两种拣货方式的讲解，目前更偏重于传统的理论教学模式，只能在形式上进行说明，学生无法从准确的数据比较中理解两种方式的内涵差别。因此在模型库中开发相应的模型，来比较“人到货”和“货到人”两种方式在拣货过程中的表现。该模型应具有用户交互接口，使用者可以设置不同的拣货行走/搬运方式、出库订单组、拣货人员数量、智能AGV数量等；可执行拣货过程并实时记录拣货过程中人员、设备等关键资源的工作负荷和作业效率，并将运行结果用图表可视化形式来展现。在模型应用过程中，学生可以通过交互接口来设置不同的参数、运行仿真过程并比较不同业务参数下的运行结果，通过这种不断试验的过程来加深对于不同拣货行走/搬运方式的理解。

4.4 模型库应用的“虚”与“实”

利用Flexsim开发的模型库，虽然是对真实物流系统的仿真，但其搭建的模型仅仅存在于电脑中，与使用者“屏幕相隔”，显得并不真实，这也是其他三维仿真软件的共同缺点。为了让使用者有更加真实、身临其境的感觉，可以将模型通过沉浸式虚拟现实技术来呈现。随着近两年软硬件技术的发展，沉浸式虚拟现实技术方兴未艾，在游戏、仿真、医疗、教育等多个行业崭露头角，显示了其在各种应用场景的巨大潜力。与以前普通的虚拟现实技术不同，沉浸式虚拟现实技术利用头戴式显示器、手持控制器、追踪显示器与控制器的定位系统等设备，能够创造一个更加逼真、身临其境的虚拟环境，使用者可以在虚拟世界中移动并操作虚拟实体。在Flexsim最新发布的版本中，通过简单的设置（“视图”—“视景设置”—勾选“VR模式”）即可实现与沉浸式虚拟现实设备的良好集成[7]。基于此，我们已经成功地将Flexsim与HTC Vive头戴式显示器进行了集成，利用已经开发完成的模型搭建了虚拟现实课堂。戴上HTC Viv“e头盔”后，学生以第一人视角进入模型的虚拟世界，几乎感受不到“屏幕”的概念，可以感受到置身于各种物流设备之中。这种沉浸感可以带来普通多媒体技术无法实现的效果，是对当前广泛使用的信息化教学技术的有力补充。实际教学中，学生不仅可以“进入”虚拟世界中观看模型的运作过程、体会物流基础操作的环节，教学过程会因此变得生动而有趣；还可以“返回”现实世界，分析Flexsim采集到的物流系统运营过程数据，从而理解物流运作背后蕴含的管理方法和控制要点。

5 结论

在当前的物流管理专业课程教学中，三维仿真软件多用于实训教学，而其复杂建模和深度二次开发功能并没有被教师在理论教学中有效的利用。基于Flexsim软件优秀的建模能力和二次开发功能，本文探讨了构建一套三维仿真辅助教学模型库的可行性并提出了初步设计方案，根据知识点的数理逻辑复杂程度将其分为简单演示型和优化决策型，详细列举了对应不同知识点的业务场景，具体描述了两个特定知识场景的建模思路及浸润式虚拟现实的实现方法，从而为后续模型库的开发提供了理论基础和实施框架。

[1]胡凌,杨东海,钱莹.基于仿真技术的物流复杂原理可视化研究[J].物流技术,2015(14):197-198.

[2]熊小婷,张佺举.3D模拟实训系统在物流实践教学体系中的应用研究[J].物流技术,2015(15):303-305.

[3]曲慧,苏同江.基于Flexsim的物流仿真教学研究与实践[J].青岛远洋船员职业学院学报,2013(4):63-67.

[4]邢大宁,初良勇.基于计算机仿真技术的物流实验室建设[J].航海教育研究,2012(1):69-72.

[5]鱼明.模拟仿真技术在物流管理专业中的实践教学应用研究[J].赤峰学院学报(自然科学版),2016(2):267-268.

[6]钱莹,吴润玉,陈春李.仓储与配送管理实践教程(第1版)[M].西安:西北工业大学出版社,2015.

[7]USER MANUAL(FlexSim 2017 Update 1)[M].FlexSim Software Products,Inc.,2017.

Discussion and Preliminary Design of 3D Simulation Assisted Teaching Model Library:In the Case of Higher Vocational Logistics Management Specialty

Yang Donghai,Hu Ling,Qian Ying
(School of Business Administration,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China)

In this paper,according to the conception of building the 3D simulation assisted teaching model library using Flexsim,we analyzed the feasibility of this technology in such respect,then by mathematical logic difficulty,divided the typical knowledge scenarios in logistics management teaching into two categories,on such basis,described the preliminary design of the model library and the line of thinking for the constructing of the two specific knowledge scenarios,and at the end,briefly introduced the way to construct immersive virtual reality using this model.

3D simulation;assisted teaching;model library;Flexsim

G71;F252

A

1005-152X(2017)08-0184-05

2017-07-04

深圳市教育科学“十三五”规划2016年招标课题“Flexsim三维建模仿真在高职信息化教学中的应用研究”（ybzz16009）

杨东海（1979-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，深圳信息职业技术学院物流管理专业讲师，研究方向：物流及供应链管理，数据挖掘，动态系统规划和预测；胡凌（1979-），男，湖北武汉人，硕士，深圳信息职业技术学院物流管理专业主任，副教授，研究方向：企业信息化，数据挖掘，物流管理；钱莹（1980-），女，云南楚雄人，博士，深圳信息职业技术学院物流管理专业讲师，研究方向：物流与供应链管理。

doi∶10.3969/j.issn.1005-152X.2017.08.043