(湖北大學商學院 湖北 武漢 430062)

習近平總書記多次講到：“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，要大力發(fā)展實體經(jīng)濟，筑牢現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的堅實基礎”。制造業(yè)是實體經(jīng)濟的一個關鍵。抓實體經(jīng)濟一定要抓好制造業(yè)。推動制造業(yè)加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展是推動實體經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的有效方式。

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

一、智能制造背景下生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學的必要性

生產(chǎn)與運作管理是一門貼近制造業(yè)、實踐性和操作性強的課程，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)與運作管理”課程的真實實驗或傳統(tǒng)的教學方式卻存在以下難以克服的問題：

(一)真實實驗實際運行困難

高等院校因為成本、場地的原因難以建立起一個真實的制造企業(yè)讓學生進行實驗，即使建立了這樣的一個真實實驗，也難以模擬出真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理的決策過程。

(二)真實實驗有一定的局限性

生產(chǎn)與運作管理實驗是一個系統(tǒng)性實驗，包括多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的關系是學習的難點與重點。而真實實驗多數(shù)只能針對某個子系統(tǒng)，覆蓋的知識點較少。

(三)真實實驗周期長，且具有一定的危險性

真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理流程較長，包括需求預測、綜合生產(chǎn)計劃制訂、物料需求計劃、裝配流水線優(yōu)化等，因此造成生產(chǎn)運作管理真實實驗周期長。并且真實大型工業(yè)品裝配生產(chǎn)實驗現(xiàn)場有較多的工業(yè)機器，具有一定危險性。

(四)傳統(tǒng)的教學方式難以滿足培養(yǎng)學生實踐動手能力的需求

“生產(chǎn)與運作管理”傳統(tǒng)的教學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)實習的教學方式，但是這些方式都不是真正的實驗。而且，真實企業(yè)實習無法接收大量的學生，即使少量學生可以在實際中進行實習參與決策，也由于成本原因不可能重復進行決策。

(五)傳統(tǒng)的教學方式難以體現(xiàn)智能制造的“智能性”

智能制造的關鍵是在傳統(tǒng)的制造過程中大量運用通信和信息技術。制造企業(yè)通過智能機器和算法來協(xié)助或監(jiān)督人的工作，提升企業(yè)的管理效率，強化企業(yè)快速響應需求的能力。這些知識和內(nèi)容與制造企業(yè)實際生產(chǎn)過程關聯(lián)度較高，但是在課堂教學中卻是一個難點、痛點，無法單純地依靠課堂中教師的講課來傳授智能制造知識，必須要讓學生“身臨其境”進行學習，才能產(chǎn)生良好的學習效果。

由于以上問題的存在使得“生產(chǎn)與運作管理”的課程教學以理論教學為主，實驗教學相對不足，對于學生實踐能力的培養(yǎng)不夠，造成理論與實際脫節(jié)，人才培養(yǎng)質(zhì)量達不到真實制造企業(yè)的要求。為此，湖北大學經(jīng)濟管理虛擬仿真實驗教學省級示范中心教師團隊以大型卡車生產(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)管理進行融合，開展智能制造背景下生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學，期望提高學生的實踐能力，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)與運作管理虛擬仿真實驗原理

(一)實驗目的

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

1.傳授知識

①掌握真實制造企業(yè)生產(chǎn)運作與管理基本過程。本實驗以大型汽車裝配流水線虛擬仿真3D場景為背景，要求學生利用仿真軟件模擬需求計劃、需求預測、生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、裝配流水線優(yōu)化等全過程，學會按照實際制造型企業(yè)生產(chǎn)運作流程進行管理控制的現(xiàn)代技術手段、方法和工具，為生產(chǎn)流程全過程計劃管理奠定全局戰(zhàn)略思維習慣和思路。

②理解需求預測的含義，能夠選擇合適的市場預測方法進行預測。需求預測與大型汽車制造企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動關系最緊密，尤其是在虛擬仿真的實戰(zhàn)條件下學習運用定量預測和定性預測方法預測大型汽車產(chǎn)品未來1年時間需求的期望水平，為制定后續(xù)綜合計劃和控制決策提供依據(jù)；以虛補實，在虛擬環(huán)境中鍛煉實際規(guī)劃能力，進一步體現(xiàn)理論與實踐的指導作用，增強專業(yè)實驗教學效果。

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

④掌握物料需求計劃的基本知識，能夠計算物料需求計劃(MRP)和制定供應鏈計劃。生產(chǎn)與運作管理的核心內(nèi)容是物料需求計劃。通過虛擬仿真真實汽車企業(yè)制定物料需求計劃情境和過程，學生可以在虛擬環(huán)境完成真實企業(yè)物料需求計劃和供應鏈計劃制定任務，從而理解物料需求計劃的含義、原理和計算邏輯，學會基于最小成本供應鏈制定的方法。

⑤熟悉汽車裝配流水線，掌握對裝配流水線進行優(yōu)化的方法。通過虛擬仿真汽車裝配流水線強化制造業(yè)運營優(yōu)化的形象思維能力，為今后解決復雜生產(chǎn)管理問題積累重要的實際經(jīng)驗和感性知識，并在虛擬仿真的環(huán)境中對真實仿真的裝配流水線進行分析與優(yōu)化，學會裝配流水線優(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)計劃的能力。制訂生產(chǎn)計劃是一項綜合性工程。在校大學生很難有實際制訂生產(chǎn)計劃的機會。在本實驗的虛擬環(huán)境中，通過角色扮演完成真實制造企業(yè)實際的生產(chǎn)運作管理任務。學生在人機交互的引導下發(fā)現(xiàn)基于兩種基本策略制訂的生產(chǎn)計劃不是最優(yōu)計劃，然后在虛擬角色的指導下自我思索最優(yōu)生產(chǎn)計劃的原理與方法，最后自主探究最優(yōu)生產(chǎn)方案，鍛煉學生制訂生產(chǎn)計劃的能力。

②培養(yǎng)具有優(yōu)化生產(chǎn)的能力。生產(chǎn)優(yōu)化是真實制造企業(yè)生產(chǎn)管理經(jīng)常面對的問題。本實驗以真實制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理實際流程和虛擬仿真3D場景為背景，要求學生在虛擬的環(huán)境中從不同的職能部門出發(fā)來進行生產(chǎn)優(yōu)化，并反復進行實驗，理解真實制造企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化的邏輯和流程，鍛煉學生優(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)與運作管理”課程教學的關鍵。本實驗彌補傳統(tǒng)課堂教學無法有效鍛煉學生決策能力的不足，利用真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理決策流程，通過真實情境仿真，虛實結(jié)合，以虛練實，讓學生可以在虛擬環(huán)境中遵循真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理決策流程與要求下反復做生產(chǎn)決策，強化學生的生產(chǎn)決策能力。

3.提高素質(zhì)

通過本實驗的學習，提高學生生產(chǎn)與運作管理素質(zhì)，提升學生參與實際制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理的水平?！吧a(chǎn)與運作管理”的課程教學一直存在理論與實際脫節(jié)，人才培養(yǎng)質(zhì)量達不到真實制造企業(yè)要求的問題。本實驗以生產(chǎn)與運作管理的基本知識、基本原理和基本方法為基礎，利用真實制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理真實數(shù)據(jù)和真實流程構(gòu)建一個具有真實感、沉浸感、智慧感的虛擬環(huán)境。學生在這個虛擬環(huán)境中通過自主式、引導式和探究式實驗，獲得綜合性、系統(tǒng)性知識傳授和能力，達到具備真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理基本素質(zhì)的目標，滿足實際制造企業(yè)對高素質(zhì)生產(chǎn)與運作管理人才的需求。

(二)實驗設計思路

本實驗方案按照“實驗前的理論學習，實驗中的操作實踐，實驗后的學習反饋”進行設計。具體闡述如下：

實驗前，學生通過課堂學習需求預測、綜合生產(chǎn)計劃、物料需求計劃和裝配流水線優(yōu)化的基礎理論以及對實驗要求、要點和注意事項的學習，完成實驗準備工作。

實驗中，學生在具有真實感、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驗，真實感受現(xiàn)實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理的流程，理論與實踐相聯(lián)系，達到傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)的實驗效果。

實驗后，學生根據(jù)自身在實驗操作中遇到的問題，自主在課堂理論教學中尋找答案。教師根據(jù)學生在實驗中的評價結(jié)果和實驗報告的批閱成績，促進理論課堂教學效率和效果的改善。

本實驗方案設計思路如圖1所示。

圖1 本實驗教學項目實驗方案設計思路

(三)實驗內(nèi)容

根據(jù)實驗設計思路，本實驗的內(nèi)容可以分為四個模塊，具體見表1。

表1 實驗模塊及課時設計

(四)實驗教學方法

本實驗通過虛擬仿真生產(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)過程計劃管理進行融合，遵循“學生中心、問題導向、學科融合、創(chuàng)新實踐”的實驗教學理念，實行“三感三式教學法”——以自主式、探究式、交互式教學為核心，強化實驗的真實感、沉浸感、智慧感，致力于培養(yǎng)學生的問題意識、決策思維、創(chuàng)新精神。

圖2 實驗教學方法實施過程

1.沉浸式環(huán)境漫游

學生進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、感知與領略卡車裝配流水線物理環(huán)境的空間、布局和結(jié)構(gòu)；掌握工藝流程設計的要點、設備設施的配備規(guī)范；學會規(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.真實感受制造企業(yè)運作管理過程

進入本實驗教學項目的任何一個模塊后，系統(tǒng)自動賦予學生真實角色，通過與系統(tǒng)的角色人機互動，感受真實制造企業(yè)生產(chǎn)與運作管理決策的過程。本實驗要求學生對虛擬人物提出的運作管理任務進行分析與決策，分層遞進地解決真實制造企業(yè)生產(chǎn)運作管理的各階段實際管理問題，形象感知實際運作管理的全部工作過程。

3.友好界面和智慧感知教學

進入本實驗后，學生與線上教師可以進行互動提問與答疑；也可與虛擬人物、各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)和零部件實時互動，進行操作練習。系統(tǒng)自動進行錯誤提示、正確操作提示和自動評價，學生通過人機友好交互界面，在智慧提示過程中邊練習、邊學習、邊探究，實現(xiàn)自動反饋與糾錯，在人工智能的指導下完成基本知識與原理的學習。

4.自主式設計

在本實驗中，學生可根據(jù)基本實驗數(shù)據(jù)，自主設計供應鏈計劃，有針對性地進行實驗練習，提高創(chuàng)新能力。

5.交互式引導

在本實驗中，通過角色扮演與虛擬人物進行人機交互完成實驗。系統(tǒng)能夠自動生成可追溯實驗全過程的記錄，便于學生及時了解與掌握學習的進程；教師也能夠通過后臺看到每一個學生的實驗操作。整個實驗過程中提問與答疑、體驗與感知、模擬與操作、決策與判斷、分析與評價、反饋與糾錯無處不在。

6.探究式完成實驗

學生在實驗過程中反復操作虛擬仿真實驗，探究自身在實驗中遇到的問題，探索實驗方案是否最優(yōu)，驗證實驗結(jié)果的正確性。在本實驗中，通過人機交互引導學生探究綜合生產(chǎn)計劃、供應鏈計劃的最小成本最優(yōu)方案，思索真實制造企業(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)與運作管理虛擬仿真實驗教學效果

本實驗自2019年9月在實驗空間上線以來，已經(jīng)有601人通過該平臺完成了實驗，實驗通過率為88.9%，實驗評分為4.9分(滿分為5分)。湖北大學商學院信息管理與信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理與應用等專業(yè)的學生都把該實驗作為生產(chǎn)與運作管理核心實驗教學內(nèi)容，激發(fā)了學生學習興趣。通過對照項目上線前后學生《生產(chǎn)運作與管理》課程成績，發(fā)現(xiàn)應用本實驗后，學生對于需求預測、綜合生產(chǎn)計劃、物料需求計劃和裝配流水線平衡等核心知識掌握程度更好。同時，追蹤學生就業(yè)情況可以發(fā)現(xiàn)，應用本實驗后，學生在制造企業(yè)的就業(yè)人數(shù)有較為顯著的增長。

四、結(jié)語

生產(chǎn)與運作管理虛擬仿真實驗教學不僅可以彌補傳統(tǒng)教學的缺陷，達到“以虛補實”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計模擬制造企業(yè)智能制造過程，有效地培養(yǎng)學生的專業(yè)實踐能力。