物流包装虚拟仿真实验教学系统建设与实践

王君 刘华琼 李秋霞 侯贻蒙

摘要：为践行我国物流专业“文工融合”，培养能够适应现代物流发展的实践型应用复合人才，以山东交通学院为例，建设了物流包装设计与测评虚拟仿真实验教学系统，阐述了该虚拟仿真实验教学系统的设计思路、建设内容和实践应用。系统真实还原电视机、电冰箱、木质家具、浴室柜四类典型产品，嵌入物流包装工程实践中必备的缓冲包装设计、外包装设计、包装件性能实验三大模块相关知识体系，采用“线上学习+实验认知+仿真实训+实验验证+见习实践”五阶段多维度重复训练的教学方法，充分调动学生的工程实践能力，提升了物流包装实验教学效果，实现了实验教学资源的高效利用与共享。

关键词：物流包装；设计；测评；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G642.0；TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 12-0045-06

基金项目：山东交通学院本科教学改革研究项目（2020YB23）；山东交通学院博士科研启动基金（BS201901032）

Establishment and Practice of Virtual Simulation Experimental Teaching System for Logistics Packaging

WANG Jun， LIU Hua-qiong， LI Qiu-xia， HOU Yi-meng（Shandong jiaotong university， Jinan 250357， China）

Abstract： To realize “Liberal arts - Engineering Integration” of logistics specialty in China， and to train the modern logistics applied compound talents， Shandong Jiaotong University established the logistics packaging design and evaluation of virtual simulation experiment teaching system. Herein， the design ideas， contents and practice of the teaching system were elaborated. In the system， four types of typical products （TV， refrigerator， wooden furniture， bathroom cabinet） were virtually restored， and three related knowledge modules （cushion packaging design， packaging design， packaging performance experiment） were embedded. The five-phase teaching method which is “online learning + cognitive training + simulation virtual experiments + field experimental verification + trainee practice” was adopted multidimensionally and repeatedly in practice. It can fully mobilize the engineering operation ability for the students， improve the experimental teaching effect of logistics packaging， and realize the usage efficiency and sharing of the virtual experimental teaching resources.

Key words： logistics packaging； design； testing and evaluation； virtual simulation； experimental teaching

教育信息化是信息时代深化人才培养教育改革、加强实践教学的必然要求。以信息技术应用为本质特征的虚拟仿真教学可实现优质实验教学资源的开放共享，有效解決传统教学实践过程中出现的实验条件严苛、消耗污染高、极端危险环境、不可逆操作、资源受限等问题，激发学生学习的自主创新性和趣味性，提高教师队伍的教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容。因此，虚拟仿真实验教学是当前国内外高等教育改革的热点[1-3]。

2013年8月，我国教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。2013-2015年，教育部已遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心，推动了实验教学方法改革与实验资源建设创新。2019年10月，教育部提出，从2019年到2021年，要完成1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。在政策驱动下，国内高校掀起了积极开发应用虚拟仿真教学项目的热潮。如，中国农业大学建立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心[4]；山东农业大学国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心构建了较为完善的平台建设和管理体系[2]；北京邮电大学开发了网络、通讯、电子三门学科的虚拟实验系统，解决了高校实验教学设备及场地日益紧张等诸多问题[5]。

在物流领域，国内高校也相继建立了虚拟仿真试验项目，然而专门针对物流包装的虚拟仿真项目建设数量不多[6]。为此，山东交通学院立足于现代物流发展趋势和人才培养需求，针对物流包装领域面临的实际问题，根据“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的原则，构建了物流包装设计与测评虚拟仿真综合实验系统，结合典型工程案例，真实还原产品物流包装实验场景，采用交互式虚拟仿真技术，创新实验教学模式，使学生能够在虚拟场景中最大程度地感受实际工程设计与测评场景，掌握缓冲包装设计原则与方法，熟悉包装应力应变、缓冲系数及产品脆值的实际应用，理解物流环境条件对包装件物理性能的影响，增强学生创新创造能力，为践行我国物流专业“文工融合”、培养能够适应现代物流发展的应用型复合型人才提供必要的教学手段。

1 物流包装虚拟仿真实验教学系统设计思路

为使教学设计科学合理，该实验教学从设计目标、设计原则、设计内容及实现路径四方面入手，重点考虑行业发展需求、物流管理与工程类专业人才培养方案、课程教学大纲与实验教学目标，嵌入相关的最新国家标准要求，融入教师团队的实际工程经验与积累的科学实验数据，依据虚拟仿真实验系统设置原则，综合性地对该实验系统进行科学设计，见图1所示。

1.1 教学设计目标支撑专业人才培养方案

该系统立足于现代物流发展和人才需求，依据物流工程专业人才培养方案和课程教学大纲进行设计，以学生为中心，以能力培养为核心，确定了切实可行的实验教学目标与实施计划，培养能适应物流领域生产和管理发展，具有较强的物流设计管理能力、工程实践能力和工程素养的现代物流复合型人才。

1.2 教学设计内容遵循国家标准要求

系统设计融合了物流专业的包装技术、物流技术装备与运用、物流系统仿真技术等课程知识体系，且遵循、植入最新国家标准要求，采用虚拟技术对物流包装结构、尺寸、性能试验和程序等进行标准化参数设置和建模仿真，通过实验过程中的实物认知、知识点回顾、考核答题等环节，使学生在熟练掌握完整知识体系的同时，学习到了国家标准对物流包装设计与测评的相关要求。

1.3 教学设计理念遵守虚拟仿真实验原则

根据已有物流包装现场实验资源，将安全的、具体的、独立的、低损耗的、场景小的、较易实现的实践教学内容融入现场实验教学环节，将危险的、抽象的、系统的、成本高的、场景大的、较难实现的实践教学内容融入虚拟仿真实验教学中，以“虚实结合、以虚补实”的原则进行设计，符合虚拟仿真实验教学理念。

1.4 教学设计路径符合知识掌握的客观规律

物流包装设计测评知识体系的教学设计实行“在线学习→实验认知→课前预习→答题过关→领取任务→包装设计实验性能试验评估→提交实验报告”的实验教学路径，采用人机交互、师生交互和自主式等实验教学模式与方法，结合现场实验、基地实践，实现了“理论指导实践、实践反哺教学”的仿真实验教学目标，也符合“从易到难、由简入繁”的螺旋上升式知识掌握的一般规律。

2 物流包装虚拟仿真实验教学系统的建设

2.1 实验教学知识体系

实验系统以市场中典型产品物流运输包装设计与测评为核心内容，利用三维建模、人机互动、虚拟仿真等技术，嵌入物流运输包装涉及的理论基础和基本方法，对缓冲包装设计、外包装设计和包装件性能试验三大核心实验模块进行了全面仿真，对所涉及的主要实验原理和知识点进行了交互設计，共涉及3大核心模块、18个重要知识点，其涵盖的知识体系见图2所示。

2.1.1 产品脆值

脆值[G]是产品缓冲包装设计中的一项重要参数，为保证物品不发生破损，包装件产生的实际最大加速度Gmax应不大于包装件的许用脆值[G]。

2.1.2 缓冲包装尺寸设计

缓冲垫尺寸通常采用缓冲系数与最大应力（C-σm）曲线和最大加速度与静应力（Gm-σm）曲线两种方法来计算，系统仿真了（C-σm）设计方法，该方法一般包括最小缓冲系数法和最省材料法两种，如图3所示。

2.1.3 外包装设计

该项目主要考虑瓦楞纸箱作为运输外包装，其次为木箱。对于瓦楞纸箱，国家标准GB/T 6543-2008、GB/T 16717-2013规定，瓦楞纸箱的选择需要根据包装件质量、流通环境条件等因素综合考量。对于瓦楞纸箱结构，系统对标准中规定的结构进行了建模仿真，供设计使用。

2.1.4 包装件性能试验

对包装件开展环境试验、冲击试验、堆码抗压试验、振动试验等，依据GB/T 4857系列标准要求和给定的具体流通环境条件，分别虚拟试验参数，通过测定包装件变形量与额定载荷，观察有无破损等方法，科学评估包装件在实际仓储、运输等流通过程中的耐侯（温湿度）性、耐冲击性、耐压强度和抗振性能，以及对内装物的保护能力。

2.2 核心要素仿真设计

实验系统核心要素仿真设计以电视机、电冰箱、浴室柜、木质茶几四类真实产品为原型，100%还原实物建立模型，仿真产品预设流通任务场景，嵌入缓冲包装、外包装模型构件库，将试验场景、包装件性能试验机按原型和实验原理进行建模还原。

2.2.1 缓冲包装设计核心要素仿真

仿真和植入缓冲包装材质、结构素材库，针对不同的缓冲包装材质，嵌入相应的缓冲系数与最大应力曲线（C-σm），可根据素材库和（C-σm）曲线进行材质和结构的自主选取，及缓冲垫面积和厚度的计算，如图4、5所示。

2.2.2 外包装设计核心要素仿真

系统将瓦楞纸箱的标准规格、结构进行了仿真建模且将其植入实验系统，将外包装与产品尺寸、缓冲包装尺寸等进行关联计算，如图6、7所示。

2.2.3 包装件性能实验核心要素仿真

基于不同包装件性能实验原理和力学模型，通过预设实验参数，使温湿度环境实验、压力实验、振动实验、冲击实验结果或实验曲线符合相应的经验模型，图8-10分别为包装件性能实验参数选择、跌落实验过程、破损检查的虚拟仿真实验界面。

3 物流包装虚拟仿真实验教学的实践

物流包装设计与测评虚拟仿真实验教学坚持“以学生为主体、以能力培养为核心、以问题任务为驱动、倡导自主创新”的实验教学理念，采用“一个中心、两种互动、五个阶段、N种资源和方法”的教学思路，创新线上与线下相结合的实验教学模式，实现“能实不虚、以虚补实、虚实结合、循序渐进、融会贯通”的实验教学目标，提高学生的工程创新能力和实践能力。

3.1 一个中心：以学生为中心

物流包裝设计与测评仿真实验项目以学生为中心，充分发挥学生的积极主动性，完全让学生主导实验过程，选择试验参数、结构构件、参数测量、操作包装件性能实验设备，增强学生对知识获取的兴趣和能力。

3.2 两种互动：人机互动、师生互动

人机互动—实验过程中，通过植入参数和构件元素模块，允许学生在参数调节和计算模块中输入不同数值，确保不同学生产生的实验数据、实验曲线等具有多样性，关键点提示启发人机互动设计，引导学生积极思考，最终完成相应的任务，培养了学生独立思考、分析问题与解决问题的能力。

师生互动—教学过程中，教师通过提问、质疑等方式激发学生想象力，通过师生互动，发掘学生的自主创新力，引导学生提高解决实际问题的综合能力。

3.3 五个阶段：“虚-实-虚-实-实”相结合

全教学过程分为“线上学习（虚）、实验认知（实）、虚拟仿真实验（虚）、实验验证（实）、基地见习实践（实）”五阶段螺旋式上升的教学环节。

3.4 N种教学资源和方法

实验教学利用现代信息技术手段，集合慕课、虚仿等多种现代化教学资源优势，在上述全过程五阶段分别实行自主式学习、交互式、探究式、任务驱动式教学和拓展式实践的实验教学方法，创新线上与线下相结合的实验教学模式，提高学生的创新与实践能力。

本实验项目经过两个学期的教学实践证实，实验教学目标清晰、考核标准明确，不论是课上还是利用空闲时间均可登录使用，操作练习和考核途径便捷方便。借助仿真平台丰富的教学内容，形象、生动、直观的教学形式和灵活多样的教学方法，使学生的学习效率得到了明显提高，学习质量得到了提升，同时丰富了学生的学习途径，提高了实验的积极主动性。

4 结语

物流包装设计与测评虚拟仿真实验系统三维还原电视机、电冰箱、木质家具、浴室柜四类大件产品和试验机、流通环境等设备场景原型，涵盖了物流包装相关课程的完整知识体系，嵌入相关的最新国家标准要求，融入教师团队的实际工程经验与数据积累，采用模块化、场景化、简约化、一体化的方式呈现实验结果。在教学实践中，采用“线上学习+实验认知+仿真实训+实验验证+见习实践”五阶段多维度重复训练的教学过程，实行自主式学习、任务式驱动、交互式教学和拓展式实践的实验教学方法，创新“线上线下相混合、理论与实践相融合”的教学形式与思维，充分利用人机交互、虚拟仿真等现代化信息技术手段，在深度和广度上延伸拓展了传统的单线程实验教学形式和方法，提高了学生的综合性、实践性、创新性能力，极大提升了实验教学效果，能够实现实验教学资源的高效利用与共享。

参考文献：

[1] 王卫国， 胡今鸿， 刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索， 2015， 34（5）：214-219.

[2] 柳洪洁， 宋月鹏， 马兰婷， 等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛， 2020， 17， 124-126.

[3] 石雪飞， 原艳霞.高等教育移动学习现状及未来发展[J].中国教育网络， 2015， 4：35-38.

[4] 宋正河， 陈度， 董向前， 等.机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J].实验技术与管理， 2017， 34（1）： 5-9.

[5] 谢敬伟. 分布式虚拟现实交互仿真系统研究[D].浙江大学硕士专业学位论文， 2017年1月15日.

[6] 李光， 宋海燕， 孙彬青， 等. 包装工程国家级虚拟仿真实验教学中心的建设与实践[J].包装工程， 2019， 40， S1， 47-51.