一、实验的必要性
1、紧扣国家邮政战略需要
本实验贯彻落实国家邮政局《邮政强国建设行动纲要》和《邮政业发展“十三五”规划》等文件精神，在科技与经济深度融合，信息化变革持续推进的形势下，培养行业急需的各类人才，助力提升行业科技创新水平，提高快递产业的竞争能力。现代邮政物流服务体系当前已成为国家重要的战略基础设施和经济社会发展的组织系统之一，与产业上下游、社会生活、技术创新发展程度等都有着密切关联。在当前供应链全球化的发展趋势下，加之后疫情时代线上购物的蓬勃发展，中国的快递市场格局不断演变，边界也在不断拓展。随着我国快递行业高质量发展，行业进入3.0时代，逐步从关注服务支持，向供应链整体效率改造的方向进阶，技术要素作为新生产力工具，与快递行业深度融合，而快递生产运作流程的自动化改革是技术要素推进的重点。在夯实理论知识的基础上，开展符合最新国家战略和行业需求的实践训练是当前物流快递业发展的必然要求，也是国家推动综合运输体系发展的任务之一。
2、弥补专业培养方案不足
围绕邮政工程专业的培养方案，为培养具有基础扎实，知识面宽，实践能力强，具备运用专业知识和工程技术解决邮政行业及相关领域复杂工程技术问题的实际工作能力的高素质人才，开展智能快递派送流程的实训模拟是十分必要的。现代邮政快递行业具有实践性强、新技术融合等特点，掌握新一代信息技术的快递人才缺乏，仅从理论教学中去学习不能完全满足行业实践中变化的需求。通过虚拟仿真实验，能够进一步提升学生对快递行业运作流程的认识和理解，将理论与实践教学相结合，使其迅速成长为推动行业进步的中坚力量。
3、针对大型快递派送系统实训困难
我国快递企业的选址派送系统正在向信息化、智能化的方向不断进步。然而对教学实训来说，智能快递选址派送系统实验属于大型综合训练，涉及仓储建设、货物分拣、派送以及路面环境等一系列复杂因素，实物实训的成本高、难度大、突发情况多，并具有较高的安全风险，使用实际的设备进行实验难以开展。此外，快递物流行业具有高度网络化的特性，其实际的生产运作涉及要素与环节非常复杂，在教学环节要让学生对其产生全面深刻的认识具有一定难度。因此，本项目以新一代信息化技术为支撑，能够很好地解决上述困难问题，构建现代物流的可视化系统。虚拟仿真实验能够向学生提供能随时随地进行虚拟仿真的实验条件，让学生在虚拟环境中开展实验并可设置生成各种复杂场景和数据，可规避快递派送实际过程中潜在的各种安全性风险，提高面对快递派送过程中突发局面的应变处置能力，弥补了真实环境下开展实训中的不足，提高实训的可行性和效果。
4、针对可重复快递选址和派送实验需求
虚拟仿真实验可以快速地模拟和重现快递派送场景，能够适应快递行业的快速发展速度。随着新技术的应用，快递派送的流程也在随时发生变化，传统实际派送的训练过程难以及时体现行业运作模式和快递选址派送流程的变化，也无法对各种智能技术引入的影响进行分析和评估。虚拟仿真实验能够让学生身临其境地观察智能快递派送系统的重要问题，设计相关算法后即时看到实际效果，要求可重复多次观察运行结果，探究智能算法在快递系统中的有效应用。
二、实验的实用性
1、助力邮政行业发展，落实人才培养目标
本实验贯彻落实教育部高等教育司《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》的文件精神，基于以学生为中心的项目宗旨，立足于本科人才培养方案（图1），根据物流工程和物流管理专业课程的建设需求，开发设计智能快递选址派送仿真实验。在学生掌握快递系统规划和设计基础理论知识的基础上，通过仿真实验，能够对快递派送过程中涉及的各类场景具有更加的直观认识。将理论与实践相结合，提高人才培养的质量和效果。通过仿真实验与课程教学的结合，对于学生全面了解快递企业中各类智能系统应用的情况具有重要作用，帮助学生深入了解如何利用智能系统工具来改善运营和管理效率，培养他们从智能系统的角度出发设计解决方案的能力。
图1：人才培养方案
2、开展大型综合训练，探究科学前沿问题
通过虚拟仿真实验，加深学生对智能快递派送的理解，能够克服传统快递派送过程的难以完全复现、特殊事件处理等复杂问题，仿真实验将有利于提高课程教学的实际效果，实现课程教学目标。本实验围绕《快递系统规划与设计》课程的教学目标，通过三维建模、智能算法可视化等技术手段，全景复现了快递选址和派送的整个过程，突破了实际环境下快递选址派送的教学实践难题。此外，与真实环境相比，仿真实验在复杂场景构建、突发状况设置、实时数据采集、派送方案评价等方面有显著的优势，能够培养学生解决实际问题和应对复杂情况的能力，熟悉和掌握快递行业中的大数据分析能力，从而达到课程教学的预期效果，解决快递派送的实训难题。
虚拟仿真实验能够适应快递行业的快速发展，中国的快递行业的发展历程是由下而上的，因而随着智能化、信息化水平的不断提升，生产运作流程也在实时发展变化，传统实际派送过程难以及时体现行业模式和格局的变化，也无法快速的对新技术引入的影响进行分析和评估。通过构建虚拟仿真实验平台，学生在实验时能够参照实际行业模式，进行环境模拟和派送网络建模，并配置新的算法优化方案，采用不同的数据分析和评估方案，能够体会和掌握动态变化的快递业务场景，实现对快递新技术新模式的实践。
三、教学设计的合理性
1、教学目标明确、重点突出、难点把握准确
该虚拟仿真实验围绕相关专业的人才培养方案和课程教学大纲，紧扣智能快递中心选址和派送系统中需要掌握的重要知识点和需要培养的关键技能，准确把握中心选址和派送路径优化方法等教学难点，合理设计实验环节，适宜安排实验任务，提高学生对快递智能中心选址和派送路径优化的理解和掌握。通过实验模拟形式进行快递智能选址派送的教学能够直观深刻地提升学生对行业生产运作的认识与理解，有助于学生将学到的理论及技术知识通过虚拟仿真迅速转化为对实践的应用与理解。
2、成果导向、以学生为中心、持续改进的教学理念
实验设计遵循成果导向、以学生为中心、持续改进的先进教学理念。实验教学实施的目标是学生通过实验过程掌握智能快递系统、派送中心选址和派送路径规划等知识点，培养学生进行问题分析和算法设计的能力。为达成学习目标，在实验前学生预习相关的知识点，熟悉派送中心选址和派送路径规划的常用算法；在实验中指派具体任务，学生通过与虚拟现实系统交互完成相应的任务，培养问题建模和算法设计能力。实验系统采用过程性评价方法对学生的任务完成情况进行评价和反馈，辅助教师分析学生在实验过程中容易出现错误的操作，为持续改进实验设计提供必要的支撑。
3、循序渐进、操作可逆的实验流程
该虚拟仿真实验系统中，学生可通过各交互操作正确步骤，完整模拟快递智能中心选址和派送路径优化的过程。智能快递选址派送系统实验在实际中难以开展，操作过程不可逆。本项目提出使用虚拟仿真技术，以“理、虚、实”一体化的教学方式，构建虚拟仿真软件平台，向学生提供能随时随地进行虚拟仿真的实验条件，让学生在虚拟环境中开展实验，弥补实际实验实训中的不足，提高实训效果。此过程中，各实验步骤分割合理，环节安排适宜，难度循序渐进。各环节的操作中，学生可通过仿真系统，自主开展系统设备组合、算法参数设置、中心选址、派送路径优化，结合控制参数的优化设计，并可反复调整方案，完成最优的快递中心选址和派送路径优化。以此引导学生自主探究，提升学生解决智能快递中心选址和派送路径优化问题的综合能力，提高教学效果。
4、实验评估合理、全面、系统
该虚拟仿真实验分为过程性评价和形成性评价两个部分，实验评估合理、全面、系统。过程性评价侧重对实验者在实验完成过程中操作规程、操作步骤的考察；形成性评价侧重对实验者所得到实验结果的考察，主要包括实验报告的规范性、实验相关计算结果的正确率、实验结论分析的合理性等标准进行评价。该虚拟仿真实验系统实验评估克服了传统作业评判中以教师意见为主的弊端，利用实验平台的特点和优势，通过过程性评价和形成性评价，完成客观和主观评估，生成系统、全面的评估报告，使学生对自己掌握相关知识和能力的情况有清晰、明确的认识，以更好推动智能快递中心选址和派送路径优化相关知识点和技能的进一步学习和提高。
四、实验系统的先进性
1、探索学科前沿的先进算法
针对城市快递智能派送系统的复杂性，本课题拟采用“分步建模、逐层分析、分层整体优化”的做法，结合智能算法解决快递系统的核心问题是邮政工程相关专业的科学研究前沿。其中，以模拟退火算法为代表的随机搜索算法，通过不断的迭代，确定快递派送节点的最优位置，达到服务成本（运输成本、时间成本）最小的目标；而以蚁群算法为代表的体智能算法能够基于信息正反馈原理，自适应地搜索最佳路径，能够很好的优化快递派送中心选址和派送路径优化等复杂问题。该仿真实验系统结合邮政快递领域的科研成果，融入智能快递派送系统的实验教学，发挥专业特长，激发学生探索学科前沿问题的兴趣。
2、营造虚实融合的先进交互体验
该实验系统，将真实项目实践融合进虚拟现实实验中，通过虚拟现实交互式沉浸式体验，让学生对智能快递系统进行深度学习。实验系统对真实场景和流程进行仿真，以虚拟浏览、虚拟设计和虚拟派送进行训练和学习，并结合系统实验验证进行实验成果的评价和反馈。达到以虚拟方式进行现实实验的训练，以虚拟技术增强现实实验效果，营造出虚实有机融合交互式沉浸体验式的虚拟仿真实验系统。
本虚拟仿真实验根据某快递物流企业的实际市场需求出发，经脱敏后建成实验应用环境，指导选修《快递智能系统规划与设计》课程的学生进行智能快递选址派送的虚拟仿真实验。本项目实验要求学生理解派送系统的组成和原理、分析快递派送场景和影响因素并构造快递派送网络模型，在此基础上掌握解决快递派送中心选址和快递派送路径优化问题的智能算法。仿真实验环节包括派送系统认知、派送中心选址和派送路径优化（图2）。
图2：智能快递选址派送虚拟仿真实验原理
（1）快递派送系统认知
快递派送系统是物流供应链中产品流向目标用户的重要渠道，整个派送系统涉及备货、仓储、分拣及配货、配送等多个部分。在快递派送环节，设置合适的派送中心和派送路径可以提升派送过程的运转效率，提高用户体检，降低快递企业的运行成本。
（2）快递派送中心选址算法原理
快递派送中心选址算法包括交叉中值法和精确重心法。交叉中值法是常用的物流选址模型算法，该方法通过标记区域内各个需求点的坐标和权重值，将各点坐标结合各点的需求权重进行计算，选出区域内最合适的中心点，将其作为驿站的选址点以最大化收益。精确重心法利用地图确定各点的位置，将物流系统中的需求点和资源点看成是分布在某一平面范围内的物流系统，各点的需求量和资源量分别看成是物体的重量，利用求物体系统重心的方法来确定物流驿站点位置。
（3）快递派送路径优化算法原理
快递派送路径的优化算法包括动态规划算法、模拟退火算法和蚁群算法。动态规划是一种通过把原问题分解为相对简单的子问题进行求解的方法。基本思想是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。动态规划算法求解派送路径优化问题时考虑最短路径和最短耗时两种情况，分别进行实验。模拟退火算法是一种将退火思想引入到组合优化问题求解的随机优化算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性，从某一较高初温出发，伴随温度参数的不断下降，能概率性地跳出局部最优解，并最终趋于全局最优解。蚁群算法是一种寻找优化路径的概率算法，其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。蚁群算法应用于解决优化问题的基本思路为：用蚂蚁的行走路径表示待优化问题的可行解，整个蚁群的所有路径构成待优化问题的解空间。整个蚁群会在正反馈的作用下集中到最佳的路径上，此时对应的就是待优化问题的最优解。
知识点：共11个（图3）
图3：知识点思维导图
图3：实验教学过程与实验方法
一、教学过程
本实验教学过程与实验方法（图3），分为实验理论知识认知、实验操作分析以及结果分析评价三个阶段。
阶段一：实验背景及介绍
本实验项目通过虚拟仿真技术构建了包含10多个小区的快递派送模型，在虚拟仿真快递派送环境中直观地呈现快递派送中心选址和快递派送路径优化的可视化效果。学生能够在了解实验基础原理和操作步骤的基础上，通过实验加深对快递派送过程的认识和理解。该阶段的主要目的是让学生能够理解快递派送系统的组成和原理，并系统性掌握快递派送所涉及的基础知识。该环节基于《快递智能系统规划与设计》课程中的知识点，在实验过程中通过实物立体展示、部件细节详解等形式，使学生能以交互操作模式和多角度的观察，详细了解派送系统所涉及的主要设备及其组成部件，学生可以通过交互操作实现对相关设备进行模块化组装，并建立对派送系统相关知识的认知和理解。
阶段二：实验操作及分析
实验操作部分包含三个主要的实验环节，在实验教学过程中将综合采用观察法、控制变量法和比较法等方法，使学生能够掌握快递网络模型的评估方法以及影响快递派送中心选址和派送路径的因素。
（1）派送网络建模实验
这个环节采用交互式教学和探索性教学结合的方法，学生可以通过交互操作来构造快递派送网络模型，并分析快递派送网络的组成和影响因素，引导学生进行实验探索和思考。平台基于真实地图和交通状况来构建仿真模型，并结合快递派送企业的相关模型来生成仿真数据，学生在建模时将面对贴近现实的场景，从而可使解决实际问题的能力得到训练。学生在实验时需分析实际环境所涉及的位置空间、道路交通等多种影响因素，通过交互不断尝试更换模型，进一步提升探索研究能力。
（2）派送中心选址实验
在快递派送中心选址实验设计中，影响因素较多，不同的算法与快递派送效率相关。为深化对选址过程和算法的理解，采用任务驱动教学法可提高教学效率，加强学生的任务目标意识。在教学过程中，主要通过给学生布置实验任务的模式实现，让学生掌握快递派送中心选址算法。在进行实验的过程中，可以对班级学生进行分组，每组基于一项任务研究某一种算法。在此基础上将每一个团队的任务方案进行汇总，比较交叉中值算法和精确中心算法的时间复杂度和空间复杂度，以及在实际问题中的性能。
（3）派送路径优化实验
本环节通过探索与互动教学相结合，引导学生掌握派送路径优化算法的基本概念和原理，熟悉相关算法步骤和参数，突破传统的算法类教学方法的局限。实验平台从基础的算法开始，帮助学生了解派送中心选址和派送路径优化任务的特点，理解基础算法的原理，以及存在的问题。进一步，实验平台引导学生采用更复杂的算法解决上述任务，并比较不同算法的特点，了解其适用场景，从而更深刻地理解相关算法的优点和缺点，掌握其使用场景。而基于虚拟仿真平台，学生以互动的方式能观察到小区地图、道路、派送中心位置、派送路线等的联动变化，随着算法参数的调整实时体验动态情境。在虚拟仿真效果中对比算法理论分析和实际运行结果，实现算法设计构想。
阶段三：实验报告及讨论
本环节重点考察学生在完成所有实现步骤后对快递选址派送过程的认识和理解程度，实验报告的内容涵盖派送网络建模、派送中心选址和派送路径优化等实验环节，记录了算法运用和参数调整的每步操作，实验完成后系统将自动生成实验报告，与此同时学生对实验过程与结果进行讨论分析，并撰写实验总结报告。通过实验记录的分值和实验分析评价来考察学生对整个实验的掌握程度。