基于虚拟仿真技术的“智能物流系统”课程教学方法创新与实践

赵东杰，郭童洁，孙慧芳

（北京物资学院 信息学院，北京 100149）

0 引言

近年来，随着物流行业大发展，企业对物流人才的需求越来越多，要求也越来越高，这也对物流人才的培养和物流教学提出了更多和更高的要求。2017年初，教育部提出了“新工科”的概念，教学改革是其中一个很重要的内容。而教学模式研究又是教学改革的一项重要内容，是“在教学实践中基于教学形式和方法的系统结合而产生的一种综合性方式”。如何在当前物流行业大发展的背景下，进行物流教学模式研究成为待解决的问题。为深入推进信息技术与教育教学的深度融合，构建适应新工科人才培养的模块化课程体系，根据新工科人才培养理念和要求，系统梳理物联网专业的知识体系，利用人工智能、云计算、物联网、虚拟仿真、区块链、数据挖掘等新型技术促进教学方法创新。2018年4月，教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，支持以示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，推动仿真实验教学。

以“学生为中心，产出导向，科教互补，培养创新拔尖一流人才”为教学理念，坚持“虚实结合、优势互补”的原则，解决学生在“智能物流系统”“物联网概论”“RFID与EPC”等课程的知识点无法在具体生产实践中应用。仓储是物流活动进行的重要场所，以智能仓储为切入点，涵盖物联网感知、网络、处理、应用等多项技术，让学生能够快速对智能仓储有整体认知。该虚拟仿真实验项目对培养具有工程技术和工程实践认知和了解的应用物联网人才，提升学生的创新能力。

1 虚拟仿真实验平台的必要性

1.1 有效解决专业实训教学难题

物流技术的掌握对实践性要求非常高，必须要进行相关实验才能充分理解相关知识、具备相关能力。比如仓储作业全流程全貌、RFID读写器的特性与安装要求。本文设计的基于物联网与区块链的智能仓储识别与溯源虚拟仿真实验实现了对学生实验课程的支撑，不再受实验教具、场地、时间和环境的制约，提高了实验教学的灵活度，能够随时随地在线开展实验教学。解决了传统物联网仓储实验需要较大场地（大于500m）、学生观测不方便、学生操作存在较大危险的问题。

1.2 有效促进实践能力培养

虚拟仿真实验是解决高校中当前教学方式与学生综合能力培养要求之间的矛盾，是高校专业实验教学的有益补充和创新，是实现对物联网人才能力培养的一种很好的方式和选择。该虚拟平台以学科发展需求为前提，以社会对人才需求为导向，搭建智能物流虚拟仿真实验平台。通过本项目的建设，能够构建准确适宜的实验教学内容，创新多样的教学方法，大大提高学生的实践能力。

1.3 有效激发学生的学习兴趣

借助虚拟仿真实验，学生自主体验实际的仓储流程，通过自主改变参数设置，学生参与实验的积极性和主动性被充分调动起来。随着现代科技的发展，先进的仿真研发技术使得实验项目的界面非常有趣、真实，学生可以在仿真极高的虚拟世界里通过不断探索、互动进行学习，极大提高了学习兴趣。

2 基于虚拟仿真平台的教学创新与实践

2.1 虚拟仿真实验的教学特色

“基于物联网与区块链的智能仓储识别与溯源虚拟仿真实验”承担了计算机科学与技术、物联网工程等专业的实验、实训及实践教学。其依托北京物资学院国家级物流系统与技术实验教学示范中心、“北京市智能物流重点实验室”、“北京市智能物流校内创新实践基地”3个国家和市级重点实验平台，以及“国家一流专业-物联网工程专业”，秉承新工科人才培养理念，培养一流拔尖创新实践型人才。主要特色如下：

（1）实验设计。全流程注重“前沿性、交叉性、综合性”，细节处凸显“沉浸与互动”。

该实验融入RFID、区块链等前沿技术，通过三维仿真技术，以“全视角展示、工作视角布置任务”的方式再现大型智能物流仓储运输的真实场景，还原了货物从识别、分拣、搬运到存储、环境监测的整个过程。对RFID识别、环境监测、区块链溯源等重点环节设置任务。学习者通过该项目，不仅对智能物流运输的过程全面了解和掌握，而且还能熟练掌握、操作物流运输所需的各种设备。

（2）教学方法。“以学生为中心”，围绕“理论-实践-再理论-再实践”核心，遵循“应用导向、理实交融、一专多能”教学理念，采用“多样化、多层次、多重性”的“多元”教学方法。采用理论与实践相融合的迭代教学方式，以任务驱动实验，鼓励学生自己动手、主动动脑、协同合作，如图1所示。与传统以演示为主的仿真平台相比，这种教学方式更能体现出学生为主体，充分激发主动参与、自主探究。

图1 主要实验特色

（3）评价体系。面向创新实践能力培养，开展“可灵活配置、全过程记录、多维度考评”的评价。

本项目对实验全过程中的操作次数、操作时间、交互操作要点等进行多维度考核，对每一步操作、参数设置等设置相应的评价权重，系统能自动打分并计算总分，实现实验过程的可追溯。再结合实验分析作业，可全方位地展示学生的创新实践能力。

2.2 实验教学过程与教学方法

实验教学注重教学过程和方法，依据新的实验教学体系，采用“以学为主”，强调学生主体作用的“多元”的实验教学，“多元”虚拟实验教学过程即采用“多元化教学方法”，利用“多样化实验形式”，开展“多层次教学活动”，进行“多形式考核”，实现对学生“多重专业技能培养”（如图2所示）。采用“多元”将实验教学课前、实验教学课中、实验教学课后和实验考核以学生为中心完成整个实验教学过程。

图2 “多元”虚拟实验教学过程

（1）“多元”课前。“多元”课前，利用现代教育技术手段，采用任务式示范教学方法使学生完成课前学习。本课程中是利用公众号移动学习平台和学校的“超星”教育平台以及学校图书馆的“数字资源”实现实验预习，采用任务驱动法，由教师提前设计制作实验范例和提供类似实验范本，为学生自主独立设计提供参考和借鉴，使学生更好地理解设计课题的功能、性能及相关要求，带领学生完成“多元”课前。

（2）“多元”课中。“多元”课中是以项目学习为核心，采用案例教学方法、逻辑引导教学方法和开放式教学方法相融合的“多元”教学方法，将网上演示实验、虚拟仿真实验和课外实际操作“多样化的”实验形式相融合，通过知识传授与自主实践相结合、课堂实验与课外科技活动相结合、教学实践与科学研究相结合“多层级”教学活动，带领学生完成“多元”课中。

（3）“多元”课后。采用基于问题的启发式教学方法和探究式教学方法，从实际的物联网工程技术问题出发，层层设问，带领学生探究实验过程遇到的问题、实验的扩展问题等，激发学生探索与学习的兴趣，同时实验的总结和反思也为后续实验打下良好基础。

（4）“多重”课外。带领学生积极参加课外的实训、企业实习、毕业设计、教研项目、网络比赛等，为学生在实验技能知识上的巩固和扩展创造了良好条件，使学生一直紧跟前沿先进的物联网技术，熟悉物联网设计、管理及实施等技术流程，同时大大培养了学生创新应用能力、综合解决实际问题的能力。

（5）“多形式”考核。根据虚拟仿真实验项目的特点，从有利于激发学生实验兴趣和主观能动性，提高实验能力为目的，确定实验考核方式。采用多元化的实验考核办法，根据不同实验项目类型采取不同考核办法。

2.3 基于虚拟仿真平台的实验流程

本实验项目分3个实验子模块（如图3所示）：系统认知、基于RFID的智能仓储识别仿真子系统和基于区块链的智能仓储商品溯源仿真子系统。

图3 虚拟仿真教学的三个主要实验模块

其中，实验流程包含13个交互步骤。通过虚拟仿真技术，构建虚拟智能仓储环境，模拟商品出入库过程、区块链仓储商品溯源过程，学生可通过直观、动态的场景中进行。

实验流程为：登录系统—仓储系统认知—设备选型与安装—RFID读写器设置—中间件配置—RFID读写器安装—商品出入库—区块链网络搭建—商品数据上链—链上商品数据查询—实验结论—实验结束—退出系统—教师发布成绩。

本实验的核心要素包括：

（1）智能仓储系统虚拟仿真。该要素模拟智能仓储系统真实环境，通过虚拟仿真，从细节上动态演示各个子系统的运行过程，如图4所示。

图4 智能仓储系统虚拟仿真子系统运行过程

（2）RFID读写器设置及中间件配置。该要素模拟了基于RFID商品出入库系统，形象地仿真了RFID作为识别装置，在商品出入库各环节中的应用，如图5所示。重点将读写器设置、安装、中间件配置作为考核点。

图5 物品电子标签识别过程

（3）区块链网络搭建及商品数据上链和查询。该要素以具体商品的出入库信息作为应用对象，模拟了基于区块链的仓储商品溯源仿真实验系统。实验中将区块链网络成员选择、共识过程、区块链出块、区块数据结构、数据上链及查询等过程直观地呈现，实现了“形象展现抽象”，如图6所示。

图6 区块链数据上传

3 结语

该实验课程适应我国物联网行业发展的需求，以培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新应用型复合人才为目标。以典型智能仓储为切入点，选取智能仓储的商品出入库操作情景，利用传感器、RFID技术与装备、区块链技术等构建智能仓储的关键环节与部件，采用3D建模、动画、人机交互等技术自主研发了基于物联网与区块链的智能仓储识别与溯源虚拟仿真实验，以解决现实中专业化物联网人才培养的瓶颈问题，使学生能够快速对智能仓储有整体认知。该虚拟仿真实验项目能够培养具有工程技术和工程实践认知和了解的应用物联网人才，提升学生的创新能力。