智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验设计与探索

(湖北大学商学院 湖北 武汉 430062)

习近平总书记多次讲到：“实体经济是一国经济的立身之本，是财富创造的根本源泉，是国家强盛的重要支柱，要大力发展实体经济，筑牢现代化经济体系的坚实基础”。制造业是实体经济的一个关键。抓实体经济一定要抓好制造业。推动制造业加速向数字化、网络化、智能化发展是推动实体经济高质量发展的有效方式。

2018年，教育部《高等学校人工智能创新行动计划》提到，人工智能具有技术属性和社会属性高度融合的特点，是经济发展新引擎、社会发展加速器，要重视人工智能与社会学、经济学、管理学等学科专业教育的交叉融合，为社会经济发展提供理论支撑和战略指导。作为工商管理类专业核心课程“生产与运作管理”应该将人工智能与制造业有机融合产生的新知识、新原理、新方法和新形式纳入教学中来，以顺应人工智能的发展大趋势，突出人才培养的时代性，增强学生制造业运作管理能力，更好地为中国制造业的蓬勃发展服务。

一、智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验教学的必要性

生产与运作管理是一门贴近制造业、实践性和操作性强的课程，也是制造企业高素质人才所必需要掌握的知识与技能。但是“生产与运作管理”课程的真实实验或传统的教学方式却存在以下难以克服的问题：

(一)真实实验实际运行困难

高等院校因为成本、场地的原因难以建立起一个真实的制造企业让学生进行实验，即使建立了这样的一个真实实验，也难以模拟出真实制造企业生产与运作管理的决策过程。

(二)真实实验有一定的局限性

生产与运作管理实验是一个系统性实验，包括多个子系统，子系统与子系统之间的关系是学习的难点与重点。而真实实验多数只能针对某个子系统，覆盖的知识点较少。

(三)真实实验周期长，且具有一定的危险性

真实制造企业生产与运作管理流程较长，包括需求预测、综合生产计划制订、物料需求计划、装配流水线优化等，因此造成生产运作管理真实实验周期长。并且真实大型工业品装配生产实验现场有较多的工业机器，具有一定危险性。

(四)传统的教学方式难以满足培养学生实践动手能力的需求

“生产与运作管理”传统的教学中多是采用参观生产制造企业、观看生产现场视频录像、邀请生产制造一线专家讲座和企业实习的教学方式，但是这些方式都不是真正的实验。而且，真实企业实习无法接收大量的学生，即使少量学生可以在实际中进行实习参与决策，也由于成本原因不可能重复进行决策。

(五)传统的教学方式难以体现智能制造的“智能性”

智能制造的关键是在传统的制造过程中大量运用通信和信息技术。制造企业通过智能机器和算法来协助或监督人的工作，提升企业的管理效率，强化企业快速响应需求的能力。这些知识和内容与制造企业实际生产过程关联度较高，但是在课堂教学中却是一个难点、痛点，无法单纯地依靠课堂中教师的讲课来传授智能制造知识，必须要让学生“身临其境”进行学习，才能产生良好的学习效果。

由于以上问题的存在使得“生产与运作管理”的课程教学以理论教学为主，实验教学相对不足，对于学生实践能力的培养不够，造成理论与实际脱节，人才培养质量达不到真实制造企业的要求。为此，湖北大学经济管理虚拟仿真实验教学省级示范中心教师团队以大型卡车生产制造过程为载体，通过虚拟仿真生产过程，将生产现场的装配流水线操作与汽车产品生产管理进行融合，开展智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验教学，期望提高学生的实践能力，培养出企业需要的优质人才。

二、智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验原理

(一)实验目的

智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验的目的，具体可以从传授知识、培养能力和提高素质三个方面来阐述。

1.传授知识

①掌握真实制造企业生产运作与管理基本过程。本实验以大型汽车装配流水线虚拟仿真3D场景为背景，要求学生利用仿真软件模拟需求计划、需求预测、生产计划、物料需求计划、装配流水线优化等全过程，学会按照实际制造型企业生产运作流程进行管理控制的现代技术手段、方法和工具，为生产流程全过程计划管理奠定全局战略思维习惯和思路。

②理解需求预测的含义，能够选择合适的市场预测方法进行预测。需求预测与大型汽车制造企业生产经营活动关系最紧密，尤其是在虚拟仿真的实战条件下学习运用定量预测和定性预测方法预测大型汽车产品未来1年时间需求的期望水平，为制定后续综合计划和控制决策提供依据；以虚补实，在虚拟环境中锻炼实际规划能力，进一步体现理论与实践的指导作用，增强专业实验教学效果。

③理解生产计划的基本类型，掌握生产计划制定的基本方法。综合生产计划是“生产与运作管理”的核心知识点，也是真实企业中高层管理者一个重要的管理内容。本项目通过大型汽车虚拟仿真环境完成综合生产计划制定，并引导学生在多种生产计划策略下探索成本更低的综合生产计划，掌握制定最优生产计划的方法。

④掌握物料需求计划的基本知识，能够计算物料需求计划(MRP)和制定供应链计划。生产与运作管理的核心内容是物料需求计划。通过虚拟仿真真实汽车企业制定物料需求计划情境和过程，学生可以在虚拟环境完成真实企业物料需求计划和供应链计划制定任务，从而理解物料需求计划的含义、原理和计算逻辑，学会基于最小成本供应链制定的方法。

⑤熟悉汽车装配流水线，掌握对装配流水线进行优化的方法。通过虚拟仿真汽车装配流水线强化制造业运营优化的形象思维能力，为今后解决复杂生产管理问题积累重要的实际经验和感性知识，并在虚拟仿真的环境中对真实仿真的装配流水线进行分析与优化，学会装配流水线优化的基本原理和方法。

2.培养能力

①培养具有制订生产计划的能力。制订生产计划是一项综合性工程。在校大学生很难有实际制订生产计划的机会。在本实验的虚拟环境中，通过角色扮演完成真实制造企业实际的生产运作管理任务。学生在人机交互的引导下发现基于两种基本策略制订的生产计划不是最优计划，然后在虚拟角色的指导下自我思索最优生产计划的原理与方法，最后自主探究最优生产方案，锻炼学生制订生产计划的能力。

②培养具有优化生产的能力。生产优化是真实制造企业生产管理经常面对的问题。本实验以真实制造企业生产运作管理实际流程和虚拟仿真3D场景为背景，要求学生在虚拟的环境中从不同的职能部门出发来进行生产优化，并反复进行实验，理解真实制造企业生产优化的逻辑和流程，锻炼学生优化生产的能力。

③培养生产决策能力。“管理就是决策”是美国著名管理学家西蒙的一句名言。这句名言切中管理的要害，也表明生产决策能力培养是“生产与运作管理”课程教学的关键。本实验弥补传统课堂教学无法有效锻炼学生决策能力的不足，利用真实制造企业生产与运作管理决策流程，通过真实情境仿真，虚实结合，以虚练实，让学生可以在虚拟环境中遵循真实制造企业生产与运作管理决策流程与要求下反复做生产决策，强化学生的生产决策能力。

3.提高素质

通过本实验的学习，提高学生生产与运作管理素质，提升学生参与实际制造企业生产与运作管理的水平。“生产与运作管理”的课程教学一直存在理论与实际脱节，人才培养质量达不到真实制造企业要求的问题。本实验以生产与运作管理的基本知识、基本原理和基本方法为基础，利用真实制造企业生产运作管理真实数据和真实流程构建一个具有真实感、沉浸感、智慧感的虚拟环境。学生在这个虚拟环境中通过自主式、引导式和探究式实验，获得综合性、系统性知识传授和能力，达到具备真实制造企业生产与运作管理基本素质的目标，满足实际制造企业对高素质生产与运作管理人才的需求。

(二)实验设计思路

本实验方案按照“实验前的理论学习，实验中的操作实践，实验后的学习反馈”进行设计。具体阐述如下：

实验前，学生通过课堂学习需求预测、综合生产计划、物料需求计划和装配流水线优化的基础理论以及对实验要求、要点和注意事项的学习，完成实验准备工作。

实验中，学生在具有真实感、沉浸感和智慧感的虚拟仿真环境中，通过自主式、探究式和交互式操作实验，真实感受现实制造企业生产与运作管理的流程，理论与实践相联系，达到传授知识、培养能力和提高素质的实验效果。

实验后，学生根据自身在实验操作中遇到的问题，自主在课堂理论教学中寻找答案。教师根据学生在实验中的评价结果和实验报告的批阅成绩，促进理论课堂教学效率和效果的改善。

本实验方案设计思路如图1所示。

图1 本实验教学项目实验方案设计思路

(三)实验内容

根据实验设计思路，本实验的内容可以分为四个模块，具体见表1。

表1 实验模块及课时设计

(四)实验教学方法

本实验通过虚拟仿真生产过程，将生产现场的装配流水线操作与汽车产品生产过程计划管理进行融合，遵循“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的实验教学理念，实行“三感三式教学法”——以自主式、探究式、交互式教学为核心，强化实验的真实感、沉浸感、智慧感，致力于培养学生的问题意识、决策思维、创新精神。

图2 实验教学方法实施过程

1.沉浸式环境漫游

学生进入虚拟仿真卡车装配流水线工厂，直观形象、立体生动地体验、感知与领略卡车装配流水线物理环境的空间、布局和结构；掌握工艺流程设计的要点、设备设施的配备规范；学会规划装配流水线空间布局、提出合乎生产规范和效率优先的装配流水线布置方案。

2.真实感受制造企业运作管理过程

进入本实验教学项目的任何一个模块后，系统自动赋予学生真实角色，通过与系统的角色人机互动，感受真实制造企业生产与运作管理决策的过程。本实验要求学生对虚拟人物提出的运作管理任务进行分析与决策，分层递进地解决真实制造企业生产运作管理的各阶段实际管理问题，形象感知实际运作管理的全部工作过程。

3.友好界面和智慧感知教学

进入本实验后，学生与线上教师可以进行互动提问与答疑；也可与虚拟人物、各类生产数据和零部件实时互动，进行操作练习。系统自动进行错误提示、正确操作提示和自动评价，学生通过人机友好交互界面，在智慧提示过程中边练习、边学习、边探究，实现自动反馈与纠错，在人工智能的指导下完成基本知识与原理的学习。

4.自主式设计

在本实验中，学生可根据基本实验数据，自主设计供应链计划，有针对性地进行实验练习，提高创新能力。

5.交互式引导

在本实验中，通过角色扮演与虚拟人物进行人机交互完成实验。系统能够自动生成可追溯实验全过程的记录，便于学生及时了解与掌握学习的进程；教师也能够通过后台看到每一个学生的实验操作。整个实验过程中提问与答疑、体验与感知、模拟与操作、决策与判断、分析与评价、反馈与纠错无处不在。

6.探究式完成实验

学生在实验过程中反复操作虚拟仿真实验，探究自身在实验中遇到的问题，探索实验方案是否最优，验证实验结果的正确性。在本实验中，通过人机交互引导学生探究综合生产计划、供应链计划的最小成本最优方案，思索真实制造企业管理过程中如何发现问题、分析问题和解决问题。

三、智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验教学效果

本实验自2019年9月在实验空间上线以来，已经有601人通过该平台完成了实验，实验通过率为88.9%，实验评分为4.9分(满分为5分)。湖北大学商学院信息管理与信息系统、大数据管理与应用等专业的学生都把该实验作为生产与运作管理核心实验教学内容，激发了学生学习兴趣。通过对照项目上线前后学生《生产运作与管理》课程成绩，发现应用本实验后，学生对于需求预测、综合生产计划、物料需求计划和装配流水线平衡等核心知识掌握程度更好。同时，追踪学生就业情况可以发现，应用本实验后，学生在制造企业的就业人数有较为显著的增长。

四、结语

生产与运作管理虚拟仿真实验教学不仅可以弥补传统教学的缺陷，达到“以虚补实”的目的，还能通过构建综合的虚拟仿真环境和底层智能算法设计模拟制造企业智能制造过程，有效地培养学生的专业实践能力。