智能制造背景下基于数字孪生技术的仓储与配送管理课程教学改革研究

［摘要］数字孪生技术作为推动智能制造发展的重要技术，近年来备受教育界关注。为适应智能制造背景下物流行业转型升级对高素质技术技能型人才的需求，本文以仓储与配送管理课程为例，在分析课程教学存在问题的基础上，把数字孪生技术作为教学改革的切入点，通过升级教学内容、创新教学模式、丰富数字化教学资源、提升教师教学能力等，进行基于数字孪生技术的课程教学改革探索，以期对提升课程教学效果和提高人才培养质量提供参考和借鉴。［关键词］数字孪生；课程教学改革；智能制造0引言国家明確提出，要加快物流业智能化、数字化发展，提升物流运作效率和智能化水平，推进制造业与物流业深度融合，引领制造业向智能化、数字化转型升级。在此背景下，技术赋能让物流行业越来越智能化、智慧化的同时，也引发了就业岗位及就业环境的相应调整，这对个人技术技能提出了新的挑战。职业教育作为高素质技术技能型人才的主要供给方，传统的教学模式和教学内容已经无法完全适应智能制造背景下的人才发展要求，职业教育教学改革任务迫在眉睫。数字孪生作为推动智能制造发展的重要技术之一，正受到工业界和学术界的高度关注，将数字孪生技术应用于教学，也是当前职业教育数字化转型改革的新方向。本文以仓储与配送管理这门专业课程为例，针对当前教学中存在问题和不足，探索基于数字孪生技术的课程教学改革，以期为物流管理专业人才培养和课程改革提供新的思路和借鉴。1仓储与配送管理课程教学中存在的问题1.1课程授课内容相对陈旧现有仓储与配送管理课程教学内容主要包括仓储管理认知、仓储设施设备管理、仓储作业管理、仓储经营管理、配送认知、配送作业管理等，课程培养目标以仓储管理和配送管理的综合知识传授和仓储与配送作业组织与操作为主。随着仓储与配送的数字化、智能化发展，人的角色正在经历转型，企业需要的是能够掌握与运用现代信息技术和智能化设备技术，能够配合智能制造进行仓配活动的智慧化设备改造与布局规划，能够完成智能化运营目标并不断优化运营绩效的复合型、综合型高素质技术技能人才。而现有课程教学内容相对陈旧，与物流行业的数字化发展融合不足，对学生的信息技术发展变化适应能力、规划设计和创新能力培养不够，导致学生的综合素质与智能制造背景下企业数字化转型人才需求脱节。1.2课程实践教学资源不足当前，绝大多数职业院校仓储与配送管理课程的实践教学中，会使用到如RF手持、电子标签货架、拣选台车、立体自动化仓库等实训设备。尽管这些实训设备对培养学生智能化设备操作技能有一定的帮助。但随着AGV机器人、机器臂、无人仓、无人机、无人配送车等越广泛应用到仓储与配送作业场景，仓储与配送运营模式正随之转变。对很多院校来说，新设备需要巨大投入，受制于资金压力无法及时更换或升级现有实训设备。实践教学资源的不足，使得教师和学生无法接触到最新技术，因此，一些新的实训项目如智能设备运行与维护、智慧仓配规划与设计、智慧仓配运营管理等也无法开展。人才培养前瞻性的缺乏，导致技能人才在智能制造环境下的职业发展后劲不足。1.3智慧仓配数字化教学资源匮乏仓储与配送管理作为物流管理专业的核心课程，大多数职业院校该门课都建有网络学习平台，配有一些相关的文档、课件、微课、动画、图片、视频等数字化资源。然而，这些资源大都是基于传统仓配入库、出库、配送业务流程开发出来的，教学资源侧重于仓配业务操作能力培养，其中涉及智慧仓应用场景、智慧仓业务需求分析、智慧仓设备配置、智慧仓布局规划、智慧仓仿真分析等方面的数字化教学资源非常稀少，智能制造背景下与制造业深度融合的智慧仓配设备配置、布局规划和运营仿真等数字化教学资源更是匮乏。1.4教师教学能力有待提升目前，物流管理专业的教师团队中绝大多数教师毕业于经济管理类专业，其中具有工科背景的教师非常少。其在信息技术知识与技能方面的短板，导致他们对新技术的理解深度不够，因而在教学过程中，对于如何把行业新发展的智慧仓配内容引入课堂，如何结合智能制造背景有针对性地设计智慧仓配实训项目等都无所适从。加之，大多数教师真正的企业实战经验缺乏，走出去参与新技术学习培训的机会又较少，致使课堂中在教授物流行业新技术的发展与应用时，仍然采取较为传统的教学模式，授课方式以教师口头讲授为主，辅助一些图片或视频让学生简单了解。这样既无法达到培养学生创新思维和实践技能的目标，也无法真正调动学生的学习热情和积极性。2数字孪生技术及其在教育领域的应用研究数字孪生技术，也称为“信息镜像模型”。它能够将物理实体高保真映射到孪生的虚拟模型上，借助孪生的虚拟模型来复制和映射物理实体的状态，并通过虚实互联融合，最终实现以虚控实、以虚促实目标的一种先进技术。在智能制造活动中，利用数字孪生技术可以搭建虚拟生产制造模型，模拟、监控、预测生产活动扰动因素，开展更加科学的生产调度分析，制定更加准确的管理控制优化策略，并用于指导现实生产实践［1-3］，这也是数字孪生技术服务于智能制造最主要的价值体现之一。在教育领域，数字孪生技术的应用研究还处于起步阶段。兰国帅等（2019）指出数字孪生技术为学习者描绘了一个虚实映射的新领域，带来了全新的学习体验，并开拓了实体操控的新空间［4］。张乐敏等（2021）在未来城市课程教改中构建了数字孪生智慧教学系统框架，展示了数字孪生技术在教育领域的应用［5］。张天驰等（2023）在智慧虚拟现实与元宇宙课程中探讨了基于数字孪生技术的教学改革探索及改革效果，进一步推动了數字孪生技术在教育领域的应用和发展［6］。此外，还有学者从自适应学习、学情智能诊断、智慧课堂评价等角度进行了相关探索，并取得了很好的研究成果。然而，在实践操作层面，基于数字孪生技术的课程教学改革研究还不够深入。因此，笔者尝试将数字孪生技术应用于仓储与配送管理课程开展教学改革探索。3基于数字孪生技术的仓储与配送管理课程教学改革建议3.1借助数字孪生技术升级仓储与配送管理课程教学内容智能制造背景下仓储与配送管理课程的教学重点应从“面向操作能力设计”转变为“面向职业未来发展设计”，要更加重视学生的信息技术发展变化适应能力和规划设计与创新能力培养，提高学习内容的前瞻性，增强学生职业发展后劲。因此，仓储与配送管理课程教学内容也需要不断更新和完善，新的课程体系应增加智慧仓应用场景、智慧仓设备配置需求分析、智慧仓布局规划、智慧仓仿真与运营成本分析等教学内容，丰富课程体系。针对新增加的教学内容，依托现有实训室建设基础，借助数字孪生技术将企业实际案例设计成数字化的虚拟教学载体，在虚拟教学空间中，让学生利用所学知识，开展智慧仓的规划与设计，进行动态的仿真模拟，并根据实时接收的数据反馈信息，评估智慧仓运行绩效，完成智慧仓运行策略调整优化。这样既能让学生直观体验所学专业知识的应用，加深对知识点的理解和掌握，也能培养学生分析问题和解决问题的能力，真正实现教、学、做的深度融合。3.2借助数字孪生技术创新教学模式，提升教学效果基于数字孪生技术可以重新思考教学内容的呈现以及传递的途径，开展基于数字孪生技术虚实融合的一体化教学模式改革。以智慧仓布局与规划为例，在教学过程中可以引入企业真实项目，聚焦企业痛点来展开项目化学习。课前教师利用课程学习平台，将相关资源推给学生，学生可以利用数字孪生体模型开展自主探索学习；课中学生可以利用数字孪生体模型进行智慧仓的功能区域规划、设施设备位置规划、设备参数配置等，再结合智慧仓的空间布局进行AGV机器人的动线规划及设施设备站节点在不同功能区域的点位设计等。然后，可以将原材料存储信息、出入库任务数据等导入数字孪生体上，对智慧仓的布局规划进行运行仿真，以验证布局规划的有效性和合理性。最后，可以根据仿真结果，让学生进行仿真运行数据分析，提出优化改进方案；课后学生还可以再进一步针对更多不同的工作场景进行虚拟拓展训练，增强实践经验。可见，基于数字孪生技术开展的虚实融合教学模式，整个教学过程以学生为主体，以行动导向教学法为中心，改造了传统教学与实践方式，将枯燥知识趣味化、抽象问题形象化，提升了课程内容直观性与互动性，最大限度地挖掘了学生的兴趣和潜能，知识技能有序推进、重点难点逐层突破，实现了教学目标的有效达成。3.3借助数字孪生技术丰富数字化教学资源，注重课程思政建设丰富优质的数字化教学资源，是推动课程模式变革，是学生开展自主、探究、合作学习的重要支撑。因此，为了融入企业最先进的生产力要素，保证教学内容与时代技术发展同步，建设基于数字孪生技术的课程数字化教学资源迫在眉睫。为此，应以《高职物流管理专业教学标准》和《物流服务师国家职业技能标准（二级）》为依据，以“智慧物流”技能大赛为抓手，融入物流管理“1+X”职业技能等级考试，按照“课岗对接、课证融合，课赛融通”育人理念，以企业真实工作过程中的典型案例为载体，与行业企业合作，共同开发出满足教学需要的课件、动画、视频、图片、试题等，丰富现有的数字化教学资源，为开展虚实融合的教学提供强有力支撑。同时，要注重课程思政建设，应以践行社会主义核心价值观为主线，从“知、意、行、思”四阶深入挖掘课程思政元素，将思政教育有机融合到数字化资源中，培育学生的劳模精神、劳动精神、工匠精神，增强学生的民族自豪感、科技强国梦、职业荣誉感，同时，还需注重培养学生的逻辑分析、演绎归纳、科学创新等思维方法，努力把学生培养成有灵魂、有技术、德技兼备的新型职业物流人。3.4借助数字孪生技术提升教师教学能力，建设高水平“双师”团队教师是课程教学改革与实施的主体，“谁来教”是育人的根本问题。学生新技能的获得与发展必然要求与之相适应的教师作为“催化剂”来引导、促进。习近平总书记在全国教育大会上特别指出，坚持把教师队伍建设作为基础工作，强教必先强师。基于数字孪生技术的课程教学改革应关注教师发展，解决目前课程教师教学能力有待提升的问题。可在原有专业教学团队建设工作基础上，依托教师教育、日常教学和教研活动等，发挥教学团队协作优势，开展老中青“传帮带”活动，帮助教师提升教学能力。同时，与行业企业建立深度的合作关系，融合多方优质资源，加大对教师专业技能培训力度，鼓励教师赴企业一线锻炼、考取职业技能等级相关师资证书等，实现教师自我知识储备的不断更新迭代。此外，还可聘请企业技术技能人才到学校参与课程教学，通过企业兼职教师与专任教师的相互合作、优势互补，建设一支具有较高教学水平和较强实践能力、专兼职结合、结构合理的德技双馨高水平“双师”团队，进而实现课堂教学的深度变革。4结束语在智能制造背景下基于数字孪生技术对物流管理专业仓储与配送管理课程进行探索性改革