德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”的構(gòu)建理念與實施路徑

李 一

當(dāng)今世界已經(jīng)進(jìn)入了以“智慧生產(chǎn)”為標(biāo)志的智能工業(yè)時代，科技發(fā)展使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，如何培養(yǎng)適應(yīng)智能工業(yè)發(fā)展和時代需求的合格人才，成為支撐各國未來工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。學(xué)習(xí)工廠作為一種將教育與生產(chǎn)結(jié)合最為緊密的教學(xué)模式，20世紀(jì)90年代誕生于北美，后來在歐洲、南美、亞洲等地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)。為了應(yīng)對工業(yè)4.0對職業(yè)教育的挑戰(zhàn)，德國提出了教育4.0戰(zhàn)略，在這一戰(zhàn)略實施的背景下，德國職業(yè)教育各參與主體通過協(xié)作創(chuàng)新，將以人工智能、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)為主要標(biāo)志的工業(yè)4.0技術(shù)與生產(chǎn)和教學(xué)進(jìn)行深度融合，構(gòu)建了全新樣態(tài)的工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”，在智能工業(yè)人才培養(yǎng)方面表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，受到全球教育界的廣泛關(guān)注。

德國的職業(yè)教育歷來有產(chǎn)教融合和雙元育人的傳統(tǒng)，凱興斯泰納的國民教育理論奠定了德國雙元制的基石[1]。通過產(chǎn)業(yè)界與職業(yè)院校的密切合作，使學(xué)生同時掌握理論知識和實踐能力，是德國職業(yè)教育一直秉持的傳統(tǒng)與特色。德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”不僅承襲了這一傳統(tǒng)，而且在德國職業(yè)教育4.0改革背景下，通過對學(xué)習(xí)系統(tǒng)的數(shù)字化、智慧化改造，將企業(yè)資源和學(xué)校資源進(jìn)行整合，實現(xiàn)了工業(yè)4.0技術(shù)、智慧生產(chǎn)和教育的深度融合，為受訓(xùn)者提供了真實的工業(yè)4.0生產(chǎn)環(huán)境和真實產(chǎn)品生產(chǎn)過程的全參與式體驗，能夠全方位提高受訓(xùn)者與產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步的技術(shù)技能和軟技能，極大提高了智能工業(yè)時代產(chǎn)教融合雙元育人的效率和有效性，成為全球職業(yè)教育4.0改革的典范，為我國職業(yè)教育產(chǎn)教融合、科教融匯的縱深推進(jìn)及智能工業(yè)人才培養(yǎng)改革創(chuàng)新提供了有益借鑒。

一、德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”出現(xiàn)的背景

（一）從“工業(yè)4.0”到“職業(yè)教育4.0”——德國職業(yè)教育改革新動向

數(shù)字化時代，智能數(shù)字化已經(jīng)成為社會發(fā)展進(jìn)步的重要動力和源泉，產(chǎn)業(yè)的升級與發(fā)展將越來越依賴于智能與資源使用效率的提高和信息通信技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)和智能制造對于未來完全數(shù)字化生產(chǎn)愿景的實現(xiàn)將產(chǎn)生決定性作用，這一生產(chǎn)制造業(yè)的重要發(fā)展與變革，通常被業(yè)界和學(xué)術(shù)界稱為“第四次工業(yè)革命”或“工業(yè)4.0”[2]。

工業(yè)4.0引發(fā)了經(jīng)濟(jì)社會領(lǐng)域的數(shù)字化創(chuàng)新，同時也加速了工作世界的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和培訓(xùn)職業(yè)的變遷，給職業(yè)教育的整體目標(biāo)、教育理念、學(xué)習(xí)環(huán)境和培養(yǎng)方案帶來新挑戰(zhàn)[3]。對此，德國提出了職業(yè)教育數(shù)字化戰(zhàn)略，即“職業(yè)教育4.0”戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略致力于推進(jìn)德國的職業(yè)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，突出教育過程中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用。從2016年開始，德國聯(lián)邦政府頒布了一系列政策文件，推動職業(yè)教育的數(shù)字化發(fā)展，包括《面向數(shù)字化知識社會的教育行動》《“職業(yè)教育4.0”框架倡議》等。此外，德國還將數(shù)字化作為中長期教育改革的重點內(nèi)容[4]。

德國的職業(yè)教育從注重面向日常生活的“職業(yè)教育1.0”，注重工作專業(yè)化的“職業(yè)教育2.0”，注重行動過程導(dǎo)向的“職業(yè)教育3.0”，發(fā)展到了當(dāng)今以數(shù)字化為導(dǎo)向的“職業(yè)教育4.0”。德國“職業(yè)教育4.0”戰(zhàn)略致力于通過數(shù)字技術(shù)革命推進(jìn)職業(yè)教育的改革創(chuàng)新。為推動德國職業(yè)教育的數(shù)字化發(fā)展，德國積極利用高校、企業(yè)和跨企業(yè)培訓(xùn)中心創(chuàng)設(shè)數(shù)字化教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，建設(shè)覆蓋多元參與主體日常運行的智能終端，以科技賦能教育，利用前沿數(shù)字科技實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源整合與職業(yè)教育人才培養(yǎng)質(zhì)量“共生共長”[5]。

（二）德國工業(yè)4.0時代人力資源能力需求與職業(yè)教育培養(yǎng)目標(biāo)的新變化

工業(yè)4.0時代，生產(chǎn)方式的變革促進(jìn)了人力資源能力需求的新變化。以往重復(fù)性或常規(guī)性的工作任務(wù)將主要由機(jī)器完成，對于企業(yè)員工而言，更加需要他們具備創(chuàng)新和創(chuàng)造能力以及在未知情況下解決問題的能力[6]。此外，由于智能機(jī)器人和智能系統(tǒng)的介入，使得指導(dǎo)和監(jiān)視活動不斷增加，企業(yè)員工需要處理實時生成的大量信息，以及進(jìn)行人機(jī)交互和機(jī)器通信，因而個人的主體性、自組織能力和行動能力也被認(rèn)為是工業(yè)4.0時代企業(yè)員工不可或缺的重要能力[7]。

工業(yè)4.0時代需要大批具備包括個人能力、社交能力、行動能力、數(shù)字能力等的技術(shù)技能和軟技能在內(nèi)的自組織能力和工作勝任力的管理者和企業(yè)員工。生產(chǎn)領(lǐng)域這一人力資源需求的變化，無疑對職業(yè)教育的發(fā)展提出了更高要求。工業(yè)智能化、數(shù)字化召喚著職業(yè)教育的數(shù)字化變革與進(jìn)步，德國職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略提出通過數(shù)字化策略和創(chuàng)新解決方案提升職業(yè)教育和培訓(xùn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契合度和人才供給能力，在培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定上不僅關(guān)注學(xué)生的專業(yè)技術(shù)技能，而且特別注重學(xué)生在工業(yè)4.0環(huán)境中可遷移職業(yè)能力的培養(yǎng)，包括批判性思維、團(tuán)隊意識、交際能力和創(chuàng)新能力等。

（三）工業(yè)4.0時代學(xué)習(xí)工廠數(shù)字化、智能化升級與迭代

學(xué)習(xí)工廠并不是一個全新的概念，最早的學(xué)習(xí)工廠出現(xiàn)在美國，美國早期的學(xué)習(xí)工廠又被稱為“教學(xué)工廠”，因其較側(cè)重于學(xué)生在教師口傳身授下利用學(xué)科知識來解決工業(yè)中的實際問題，并開發(fā)和設(shè)計新的產(chǎn)品以獲取真實生產(chǎn)環(huán)境的實踐經(jīng)驗[8]。21世紀(jì)以來，“學(xué)習(xí)工廠”的熱度逐漸增加，其重心也由美國轉(zhuǎn)移至歐洲，在德國、丹麥、奧地利、瑞典、希臘等國出現(xiàn)了多種形式的旨在增強(qiáng)學(xué)員在一個或多個知識領(lǐng)域?qū)W習(xí)體驗的“學(xué)習(xí)工廠”。2007年，德國的達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)建立了CiP學(xué)習(xí)工廠，成為這一新浪潮的早期學(xué)習(xí)工廠之一。在CiP學(xué)習(xí)工廠，可以生產(chǎn)與真實工廠相同的產(chǎn)品，并可呈現(xiàn)產(chǎn)品從原材料到運輸產(chǎn)品的完整價值流。2014年，由德國等國發(fā)起，在國際范圍內(nèi)啟動了“CIRP學(xué)習(xí)工廠協(xié)作工作組”，以構(gòu)建圍繞行動導(dǎo)向的學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)工廠的共同綱領(lǐng)和話語，加強(qiáng)全球最新學(xué)習(xí)工廠理論和經(jīng)驗的交流與分享。

近年來，在德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略以及職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略的積極推動下，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等工業(yè)4.0技術(shù)應(yīng)用為標(biāo)志的新型智慧學(xué)習(xí)工廠的探索和實踐日益成為學(xué)習(xí)工廠發(fā)展的新方向和新亮點[9]。面對工業(yè)4.0對人才能力的新需求，如何確定進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)的適當(dāng)領(lǐng)域并使信息技術(shù)在教育領(lǐng)域得以有效利用，如何使學(xué)習(xí)者獲取面向工業(yè)4.0需求的能力，已經(jīng)成為當(dāng)今教育要解決的根本問題。通過科技賦能，結(jié)合高校、企業(yè)的雙元優(yōu)勢，以高信息化、智能化為主要特征的德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”為工業(yè)4.0時代教育所面臨的種種挑戰(zhàn)提供了有效的解決途徑，為推動全球教育4.0改革提供了實踐支撐。

二、德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”的內(nèi)涵與特征

（一）德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”的內(nèi)涵

為提升德國本土制造業(yè)的國際競爭力，提升德國人力資源水平，并使之成為工業(yè)4.0的重要支撐，德國積極發(fā)展各種面向工業(yè)4.0的企業(yè)人員和學(xué)生的能力培訓(xùn)。通過與產(chǎn)業(yè)界和企業(yè)的密切合作，德國高校構(gòu)建了一種面向智能工業(yè)需求的工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”。

德國最初的學(xué)習(xí)工廠誕生于20世紀(jì)90年代，這些學(xué)習(xí)工廠以應(yīng)用為導(dǎo)向，通過真實的生產(chǎn)任務(wù)訓(xùn)練學(xué)生在真實工作場景中的實際工作能力。此后，德國又出現(xiàn)了以“學(xué)習(xí)車間”為標(biāo)簽的“教學(xué)工廠”，此種教學(xué)工廠主要以教師為主體，強(qiáng)調(diào)教師（師傅）對學(xué)生（學(xué)徒）技能的傳授與指導(dǎo)。而工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠則通過數(shù)字技術(shù)的賦能，重構(gòu)了教學(xué)主體的關(guān)系，更加注重學(xué)生主體性的發(fā)揮，通過智慧化教學(xué)環(huán)境和真實的生產(chǎn)任務(wù)訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生在真實生產(chǎn)環(huán)境中的工作勝任力。在這一過程中，教師和技術(shù)成為學(xué)生獲取能力的促進(jìn)者和輔助手段。

德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”是一種以能力為導(dǎo)向，整合了工業(yè)4.0技術(shù)、商業(yè)運營和教學(xué)過程的完整設(shè)計。一方面，其是一個多價值鏈的生產(chǎn)主體和商業(yè)主體；另一方面，其是具有豐富和強(qiáng)大教育教學(xué)功能的學(xué)習(xí)和實踐場所，為學(xué)習(xí)者提供了更具實效性的工業(yè)4.0學(xué)習(xí)實踐體驗。德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”通過工業(yè)4.0 CPS平臺的構(gòu)建和部署，使整個教學(xué)過程實現(xiàn)仿真化和可視化，實現(xiàn)了企業(yè)價值流的數(shù)字化全過程呈現(xiàn)。受訓(xùn)者可以在這一實操過程中對生產(chǎn)流程和工業(yè)4.0技術(shù)獲得更全面的了解，并能夠勝任工業(yè)4.0的工作任務(wù)，從而更好地通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”不僅為學(xué)習(xí)者提供真實的產(chǎn)業(yè)工作場景和實踐體驗，而且能夠使學(xué)習(xí)者接觸到最新的工業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，因而被認(rèn)為是培養(yǎng)面向工業(yè)4.0的企業(yè)生產(chǎn)、管理人才的有效途徑。德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合學(xué)習(xí)工廠為面向工業(yè)4.0需求的人才培養(yǎng)提供了有效解決方案，受到各國工業(yè)界和教育界的關(guān)注。

（二）德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”的特征

德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”為學(xué)習(xí)者提供了在真實工廠環(huán)境中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的機(jī)會，并通過實踐將學(xué)習(xí)者已掌握的概念轉(zhuǎn)移到未知問題情境中以發(fā)展其新的能力。作為一種以工業(yè)4.0能力為導(dǎo)向的系統(tǒng)化設(shè)計，德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”能夠提供真實的工業(yè)4.0生產(chǎn)環(huán)境，對于學(xué)習(xí)者理論知識和實踐能力的發(fā)展具有突出優(yōu)勢和特色，為面向工業(yè)4.0人力資源的職業(yè)教育與培訓(xùn)提供了有力支撐。德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)工廠以及其他實踐教學(xué)機(jī)構(gòu)相比較，具有以下特征。

1.基于工業(yè)4.0能力需求的教學(xué)目標(biāo)與定位

德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”根據(jù)工業(yè)4.0時代人力資源必備能力，確定數(shù)字化技術(shù)環(huán)境和培訓(xùn)目標(biāo)，并在學(xué)習(xí)和培訓(xùn)中通過復(fù)雜的任務(wù)實操，對學(xué)習(xí)者進(jìn)行工業(yè)4.0能力的塑造與提升。德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”將工業(yè)自動化、精益生產(chǎn)、工業(yè)信息聚集等概念融入教學(xué)，通過與產(chǎn)業(yè)界的跨界合作，構(gòu)建以實踐為基礎(chǔ)，集教學(xué)、科研與培訓(xùn)等功能為一體的學(xué)習(xí)集群型組織。學(xué)生通過真實的場景和真實產(chǎn)品生產(chǎn)過程的實踐操作體驗，能夠獲得面向工業(yè)4.0的工作技能和管理經(jīng)驗。

2.基于產(chǎn)業(yè)價值鏈的教學(xué)模塊與教學(xué)活動設(shè)計

德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”強(qiáng)調(diào)完整的價值鏈創(chuàng)造，其教學(xué)模塊與教學(xué)活動均圍繞價值鏈的形成進(jìn)行組織和設(shè)計。工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”運用產(chǎn)品生產(chǎn)周期管理（PLM）平臺進(jìn)行產(chǎn)品信息管理，賦予學(xué)習(xí)者以生產(chǎn)管理者的角色，使學(xué)習(xí)者深度參與并體驗工業(yè)價值鏈形成的全過程。價值鏈活動往往包含新產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計，工業(yè)4.0“學(xué)習(xí)工廠”通過精益生產(chǎn)、生產(chǎn)管理和可變制造系統(tǒng)和面向產(chǎn)品生命周期的設(shè)計面向產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計①DF X 是De s i g n for X（面向產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計）的英文縮寫，其中X代表產(chǎn)品生命周期的某一環(huán)節(jié)或特性，如可制造性（Manufacturability）、可裝配性（Assembly）、可靠性（Reliability）等。DFX主要包括：可制造性設(shè)計DFM（Design for Manufacturability）、可裝配性設(shè)計DFA（Design for Assembly）、可靠性設(shè)計DFR（Design for Reliability）、可服務(wù)性設(shè)計DFS（Design for Serviceability）、可測試性設(shè)計DFT（Design for Test）、面向環(huán)保的設(shè)計DFE（Design for Environment）等。（DFX）等教學(xué)模塊和教學(xué)活動的設(shè)計與安排，以全面提升學(xué)生知識和技能的遷移能力，使學(xué)生適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)條件和市場需求。

3.基于智慧工業(yè)CPS的教學(xué)平臺構(gòu)建與部署

物理信息系統(tǒng)（CPS）是物理的資產(chǎn)和計算能力之間相互連接的管理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使得工廠組織的全部產(chǎn)能可以通過信息的可視化呈現(xiàn)和管理，最大限度地實現(xiàn)決策的優(yōu)化、效率的提升和生產(chǎn)資源最有效的利用，以最終實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的去中心化和自動化。

德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”通過CPS平臺的構(gòu)建和部署，使整個教學(xué)過程實現(xiàn)仿真化和可視化，實現(xiàn)了企業(yè)價值流的全過程呈現(xiàn)，使學(xué)習(xí)者能夠在實操過程中對流程和新技術(shù)有更全面的了解，并能夠勝任工業(yè)4.0新型技能的工作任務(wù)，更好地通過數(shù)字化技術(shù)提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。

4.基于ICT技術(shù)的智能工業(yè)教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè)

工業(yè)4.0利用ICT技術(shù)實現(xiàn)客戶、供應(yīng)商、機(jī)器和操作者之間的信息傳輸和信息實時管理，并籍此進(jìn)行生產(chǎn)要素系統(tǒng)評估以實現(xiàn)科學(xué)和優(yōu)化決策，這是工業(yè)4.0的重要特征。為了培養(yǎng)學(xué)生面向工業(yè)4.0的數(shù)字技術(shù)認(rèn)知和應(yīng)用能力，德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”以ICT基礎(chǔ)設(shè)施作為生產(chǎn)和教學(xué)的支持。ICT基礎(chǔ)設(shè)施包括PLM平臺、無線因特網(wǎng)、無線3D打印機(jī)、遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)和信息展示設(shè)備、智能裝配產(chǎn)線等。這些ICT基礎(chǔ)設(shè)施能夠支持完整的價值鏈，并通過數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換、信息管理、信息可視化技術(shù)實現(xiàn)對生產(chǎn)的全流程可視化管理[10]。

三、德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”的實施路徑

德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”以行為主義為指引，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者面向工業(yè)4.0需求的能力為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在工業(yè)4.0真實工作場景中和數(shù)字化工作環(huán)境中自組織、自適應(yīng)性的形成和自我賦能過程，致力于學(xué)習(xí)者基于工業(yè)4.0工作的綜合實踐能力與實際工作勝任力的提升。通過 “教學(xué)層”“管理層”和“技術(shù)層”三個層面的系統(tǒng)設(shè)計與整合，實現(xiàn)了教學(xué)過程與生產(chǎn)過程的深度互嵌。本研究以德國CiP學(xué)習(xí)工廠②達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)的工業(yè)生產(chǎn)力中心（CiP）學(xué)習(xí)工廠占地面積共500平方米。CiP學(xué)習(xí)工廠得到了德國博世（Bosch）、德國塞爾（SEW）和德國麥肯錫（McKinsey）等知名企業(yè)的資金和技術(shù)支持，并與20多家企業(yè)形成了長期的合作伙伴關(guān)系。在聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部的資助下，CiP學(xué)習(xí)工廠在萊茵-美因地區(qū)建立了CiP學(xué)習(xí)工廠的SME能力發(fā)展中心（中小企業(yè)能力發(fā)展中心），該中心針對工業(yè)4.0的主題進(jìn)行培訓(xùn)，并針對中小型企業(yè)推廣生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化的概念。為例，解析“智慧學(xué)習(xí)工廠”的實施路徑。

（一）教學(xué)層

德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”根據(jù)工業(yè)4.0的人才培養(yǎng)目標(biāo)，將真實項目融入教學(xué)模塊和教學(xué)情景的設(shè)計，系統(tǒng)再現(xiàn)4.0的真實工作任務(wù)和工作場景，突出學(xué)習(xí)內(nèi)容的真實性和學(xué)習(xí)的實效性。

CiP學(xué)習(xí)工廠根據(jù)工業(yè)4.0對精益生產(chǎn)和柔性加工能力發(fā)展的需求，將提升學(xué)習(xí)者（高校學(xué)生、企業(yè)員工等）數(shù)字信息識別能力、獨立4.0價值流分析能力、工業(yè)4.0環(huán)境下的團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力作為教學(xué)目標(biāo)。該中心通過先進(jìn)數(shù)字技術(shù)與生產(chǎn)管理深度融合，為受訓(xùn)者提供真實生產(chǎn)流程、生產(chǎn)環(huán)境和真實產(chǎn)品生產(chǎn)的參與體驗，并讓受訓(xùn)者在真實學(xué)習(xí)環(huán)境中訓(xùn)練后，直接在虛擬空間中進(jìn)行遷移導(dǎo)向的動作任務(wù)，使學(xué)習(xí)者能夠深度了解整個生產(chǎn)流程，并實現(xiàn)生產(chǎn)的個性化適配和調(diào)整，以最終提升受訓(xùn)者面向工業(yè)4.0需求的工作能力[11]。

（二）管理層

德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”將基于價值鏈形成的生產(chǎn)管理與教學(xué)過程相整合，操作過程覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、物流管理、生產(chǎn)計劃和控制活動的全過程等活動，以提升學(xué)習(xí)者的工業(yè)系統(tǒng)化思維和全價值鏈能力。

CiP學(xué)習(xí)工廠采用真實的產(chǎn)品生產(chǎn)項目實施教學(xué)，這些項目包括氣壓缸（全生產(chǎn)流程）、齒輪電動機(jī)（可變組件）等的生產(chǎn)加工，完整模擬了工業(yè)4.0生產(chǎn)的真實生產(chǎn)環(huán)境，將緊湊型氣缸的完整生產(chǎn)價值鏈映射到多階段制造過程中，整個操作涵蓋了原材料的交付、加工、質(zhì)量控制、組裝和包裝及運輸?shù)娜^程。學(xué)習(xí)工廠圍繞內(nèi)部物流和工廠管理進(jìn)行映射，組裝單元的模塊化設(shè)計允許參與者快速更改組織和生產(chǎn)線設(shè)計。通過教學(xué)模塊的實操和學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的經(jīng)驗理解概念，設(shè)計和應(yīng)用精益生產(chǎn)方法。CiP學(xué)習(xí)工廠的教學(xué)過程主要分為三個階段：第一階段，從理論上講授工業(yè)4.0精益生產(chǎn)的概念和方法；第二階段，對學(xué)習(xí)者進(jìn)行包括加工、組裝、物流和質(zhì)量保證等流程的講解和訓(xùn)練；第三階段，為學(xué)習(xí)者提供更多示例，說明如何使用工業(yè)4.0技術(shù)工具優(yōu)化生產(chǎn)過程。最后，通過實操訓(xùn)練，學(xué)習(xí)者提出自己的優(yōu)化方案，進(jìn)行實際測試，并直接進(jìn)行實施[12]。

為保證CiP學(xué)習(xí)工廠的教學(xué)模塊與產(chǎn)業(yè)發(fā)展保持同步，該中心通過云服務(wù)器在全球范圍內(nèi)尋求最佳解決方案，并據(jù)此創(chuàng)建學(xué)習(xí)工廠模塊，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)、構(gòu)建并配備了必要的軟件，以物理、移動演示程序的形式確定具體的學(xué)習(xí)工廠模塊，在CiP學(xué)習(xí)工廠內(nèi)搭建與之匹配的軟硬件環(huán)境，通過在不同合作企業(yè)及分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，然后將其用于培訓(xùn)和演示，并在實踐中對于培訓(xùn)模塊進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化。

（三）技術(shù)層

德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Iiot）、數(shù)字物理系統(tǒng)（CPS）、工業(yè)自動化、智能機(jī)器人、PLM③PLM，即產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management）的英文縮寫，PLM是一種應(yīng)用于在單一地點的企業(yè)內(nèi)部、分散在多個地點的企業(yè)內(nèi)部，以及在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域具有協(xié)作關(guān)系的企業(yè)之間的，支持產(chǎn)品全生命周期的信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應(yīng)用的一系列應(yīng)用解決方案，它能夠集成與產(chǎn)品相關(guān)的人力資源、流程、應(yīng)用系統(tǒng)和信息。等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新技術(shù)融入整個教學(xué)過程，以提升學(xué)習(xí)者面向工業(yè)4.0的數(shù)字化思維和數(shù)字化能力。

CiP學(xué)習(xí)工廠真實產(chǎn)線環(huán)境搭建，硬件設(shè)施包括：車床索引C65、銑床Deckel Maho DMC 50H超市、流水線氣缸、示范者精益加工學(xué)習(xí)單元Heijunka-Board④Heijunka即均衡化生產(chǎn)，均衡化生產(chǎn)是指在固定的生產(chǎn)周期內(nèi)，平衡產(chǎn)品的類型與數(shù)量，以避免大量生產(chǎn)的同時，有效地滿足顧客的需求，最終帶來整個價值流的最優(yōu)化的庫存、投資成本、人力資源以及產(chǎn)品交付期。Heijunka-Board（均衡化生產(chǎn)板）是一種應(yīng)用精益原則和流程的制造和服務(wù)組織提供創(chuàng)新有效的精益視覺管理工具和解決方案。、裝配線減速電機(jī)等。CiP學(xué)習(xí)工廠使用CPS智慧數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行操控，以實現(xiàn)可變的價值鏈。通過工業(yè)4.0技術(shù)的介入，提高工廠的產(chǎn)能和效能，降低成本和能耗，靈活滿足客戶的個性化需求。學(xué)習(xí)者通過一系列的理論學(xué)習(xí)和實操，掌握店面管理策劃和實施的數(shù)字能力，并能夠運用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)精益化生產(chǎn)以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和效能。CiP學(xué)習(xí)工廠的工業(yè)4.0培訓(xùn)平臺可以提供預(yù)測性維護(hù)、能耗監(jiān)控、循環(huán)取貨或集貨配送4.0、引導(dǎo)過程、數(shù)字車間管理、產(chǎn)品導(dǎo)向流程、智能工人輔助系統(tǒng)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)等培訓(xùn)[13]。

為推動職業(yè)教育的數(shù)字化升級，德國政府提出并實施了職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略，并出臺相關(guān)法律加強(qiáng)職業(yè)院校的數(shù)字化建設(shè)。此外，德國還提供數(shù)億歐元的專項資金，推動職業(yè)教育的數(shù)字化改革與升級。政府的政策推動和資金支持為工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠的建設(shè)提供了政策和資金保障，同時也為德國工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠的數(shù)字化與智慧化迭代升級提供了條件。通過工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠學(xué)習(xí)實踐平臺的構(gòu)建，讓學(xué)生了解并參與到工業(yè)4.0環(huán)境下智慧生產(chǎn)的全過程，并在此過程中提升其技術(shù)創(chuàng)新、技能遷移和可持續(xù)發(fā)展能力。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要職業(yè)教育各參與主體的協(xié)同創(chuàng)新、深度合作，全方位提高職業(yè)教育的數(shù)字化育人能力，多元主體的深度參與與協(xié)作創(chuàng)新是工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠建設(shè)的重要前提。

總體來看，職業(yè)教育的數(shù)字化變革，不僅需要教師和學(xué)生掌握信息化技能和工具，而且更重要的是管理者能夠從宏觀角度進(jìn)行教育技術(shù)和信息化集成的設(shè)計與實現(xiàn)。充分利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段賦能職業(yè)教育，實現(xiàn)生產(chǎn)、管理、技術(shù)三者的系統(tǒng)化設(shè)計，并實現(xiàn)教學(xué)組織、管理、評價、教學(xué)方法和手段的系統(tǒng)化整合，這是工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠建設(shè)的根本路徑。

四、德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”對我國智能制造人才培養(yǎng)的啟示

（一）智能工業(yè)時代我國智能制造人才培養(yǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)

隨著全球競爭的加劇，為了適應(yīng)不斷變化的技術(shù)、社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，我國需要培養(yǎng)大批具有廣闊視野、掌握新技術(shù)并具備數(shù)字能力的高素質(zhì)人才。此外，工業(yè)4.0的發(fā)展使現(xiàn)代制造系統(tǒng)的設(shè)計和操作變得越來越復(fù)雜，需要將技術(shù)運用的整體思維與能力全面擴(kuò)展到學(xué)生實踐教學(xué)和培訓(xùn)的整體內(nèi)容中。然而我國傳統(tǒng)的教育模式存在一系列問題，如缺乏明確的針對智能工業(yè)新發(fā)展需求的人才培養(yǎng)目標(biāo)定位，教育教學(xué)的內(nèi)容缺乏全面性，對學(xué)生新技術(shù)的意識和素養(yǎng)的培訓(xùn)不足，教學(xué)內(nèi)容和平臺與最新的工業(yè)技術(shù)結(jié)合不緊密，這些問題影響了實踐教學(xué)的質(zhì)量和效果。

1.缺乏對于智能工業(yè)的深刻理解

目前，我國在智能工業(yè)人才培養(yǎng)方面雖然已經(jīng)認(rèn)識到了工業(yè)4.0技術(shù)對智能制造帶來的巨大變革，但是對于智能工業(yè)仍缺乏深刻的理解，這導(dǎo)致智能工業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格的模糊不清?！爸悄芄I(yè)”作為一種新鮮事物，對其的接受和理解還需要一個過程。如若不能明確新的智能工業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，就無法有針對性地培養(yǎng)符合未來行業(yè)發(fā)展和崗位需求的新時代智能工業(yè)人才，無法為中國智造提供充分的人力資源支持。

2.缺乏系統(tǒng)化的設(shè)計與運營

我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學(xué)缺乏系統(tǒng)化設(shè)計與運營。在缺乏整體的建設(shè)目標(biāo)、基礎(chǔ)設(shè)施、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法與手段、教資配備、教學(xué)模塊設(shè)計、教學(xué)情境設(shè)定和教學(xué)過程與實施、教學(xué)跟蹤與反饋等方面進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計的前提下，將無法實現(xiàn)實踐教學(xué)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的緊密聯(lián)系，也無法保障實踐教學(xué)的高實效性和高產(chǎn)出率。

3.缺乏行業(yè)企業(yè)的深度參與互動

我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)長期存在著理論與實踐相脫節(jié)、學(xué)校教學(xué)與行業(yè)發(fā)展相脫節(jié)、教學(xué)人員缺乏產(chǎn)業(yè)背景和生產(chǎn)技術(shù)與商業(yè)運行相結(jié)合的整體思維，教學(xué)項目單一孤立，缺少企業(yè)真實項目的支撐，缺乏真實項目教學(xué)運行的條件和環(huán)境支撐等一系列問題。校企合作普遍存在“局域合作”“表層合作”“碎片合作”等低效循環(huán)現(xiàn)象[14]。對于實踐教學(xué)項目的設(shè)計，通常是局部引用企業(yè)的簡單項目操作，由于缺乏真實的企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境支持，教學(xué)和培訓(xùn)的效果大打折扣。

4.缺乏教學(xué)、生產(chǎn)、新技術(shù)的系統(tǒng)化整合

工業(yè)4.0技術(shù)與生產(chǎn)的融合是智能工業(yè)發(fā)展的重要前提。在職業(yè)教育與培訓(xùn)中，僅僅進(jìn)行單一的技術(shù)培訓(xùn)是不夠的，更重要的是使學(xué)習(xí)者形成技術(shù)與生產(chǎn)相結(jié)合的整體思維，并在教學(xué)項目的設(shè)計、教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)、教學(xué)實施的過程中著力實現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)與教學(xué)之間的高度整合。然而在我國當(dāng)前的職業(yè)教育與培訓(xùn)中，教學(xué)、生產(chǎn)、新技術(shù)往往處于相互分離的狀態(tài)，無法滿足智能工業(yè)人才培養(yǎng)的新要求。

近年來，在我國職業(yè)教育領(lǐng)域，盡管已經(jīng)進(jìn)行了一些有益的探索，但仍不足以滿足當(dāng)前和未來的需求。因此，有必要進(jìn)一步深化教育教學(xué)方法的改革，借鑒德國先進(jìn)的工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠的教育模式，提升我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)的水平。

（二）德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”對我國智能制造人才培養(yǎng)的啟示

為了推動德國制造業(yè)的數(shù)字化升級，培養(yǎng)德國智能制造的高素質(zhì)人才，德國通過政策驅(qū)動和資金投入支持德國職業(yè)教育的數(shù)字化變革，這為德國工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠的建設(shè)提供了保障，為德國工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠的迭代與升級提供了條件。職業(yè)教育各參與主體的深度合作與協(xié)同創(chuàng)新，為德國工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠建設(shè)與實現(xiàn)提供了重要前提。利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段賦能職業(yè)教育，實現(xiàn)學(xué)習(xí)工廠生產(chǎn)、管理、技術(shù)的系統(tǒng)化設(shè)計和整合，是工業(yè)4.0智慧學(xué)習(xí)工廠建設(shè)與實現(xiàn)的根本路徑。德國工業(yè)4.0產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”模式為我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)提供了先進(jìn)的方法和借鑒。

1.以產(chǎn)教融合平臺為載體促進(jìn)智能工業(yè)教育資源的整合

未來的中國制造，需要掌握獨特的工業(yè)4.0“工業(yè)語言”。工業(yè)生產(chǎn)不應(yīng)局限在生產(chǎn)領(lǐng)域的狹窄范圍內(nèi)，而需要與信息技術(shù)緊密結(jié)合，更好地發(fā)揮信息技術(shù)的作用。教學(xué)方面，應(yīng)注重理論與實踐的結(jié)合以及學(xué)科交叉，通過工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”產(chǎn)教融合平臺，讓不同學(xué)科的人員組成智能制造項目組，實現(xiàn)教學(xué)部門與生產(chǎn)部門、技術(shù)研發(fā)部門的深度合作，實現(xiàn)行業(yè)、學(xué)科的跨界融合。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要政校行企在人才培養(yǎng)方面進(jìn)行有效合作。政府方面需要通過政策供給和政策引導(dǎo)鼓勵和支持院校與行業(yè)之間深度合作，建立和發(fā)展產(chǎn)教融合共同體。院校應(yīng)打破學(xué)科界限，實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)資源的共享與利用。院校可以以產(chǎn)教融合“智慧學(xué)習(xí)工廠”平臺構(gòu)建為契機(jī)，在教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)計與教學(xué)手段上改革創(chuàng)新，以培養(yǎng)適應(yīng)智能工業(yè)所需的復(fù)合型人才。同時，通過“智慧學(xué)習(xí)工廠”平臺的構(gòu)建，院校可以與企業(yè)深度合作，整合教育資源，實現(xiàn)教育資源的共享和有效利用，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐活動提供有利條件。

2.實現(xiàn)智能工業(yè)實踐教學(xué)管理與運營的系統(tǒng)化設(shè)計

德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”之所以比傳統(tǒng)的實訓(xùn)場所在能力培養(yǎng)方面更具優(yōu)勢，是因為它實現(xiàn)了教學(xué)、工廠和工業(yè)4.0技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計和統(tǒng)合管理，將工廠和實驗室轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔嶋H教育意義的學(xué)習(xí)場所，能夠更為精準(zhǔn)并更具實效性地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者面向智能工業(yè)發(fā)展需求的能力[15]。

借鑒德國工業(yè)4.0“智慧學(xué)習(xí)工廠”模式，首先，應(yīng)加強(qiáng)對學(xué)習(xí)工廠建設(shè)運營的總體設(shè)計，確定其社會技術(shù)目標(biāo)和教學(xué)的根本目標(biāo)以及與之匹配的軟硬件條件。其次，應(yīng)選擇和設(shè)定教學(xué)模塊，并確定子能力目標(biāo)和具體教學(xué)過程。再次，要對教學(xué)情境進(jìn)行具體設(shè)定。以上三個方面相互聯(lián)系，共同服務(wù)于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。技術(shù)專家與教育專家共同參與，可以實現(xiàn)各種要素的整合，以保證教學(xué)設(shè)施與環(huán)境、內(nèi)容與方法聚焦和服務(wù)于面向工業(yè)4.0能力培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

3.加強(qiáng)智能工業(yè)數(shù)字技術(shù)與教育的系統(tǒng)集成

要培養(yǎng)面向工業(yè)4.0需求的高素質(zhì)人才，就需要將新興的數(shù)字化趨勢整合到生產(chǎn)系統(tǒng)的教學(xué)和培訓(xùn)概念中，為學(xué)生提供具有真實數(shù)字化、智能化環(huán)境的實踐體驗，并使他們了解技術(shù)如何影響產(chǎn)品設(shè)計和制造，以幫助企業(yè)更好地實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

通過工業(yè)4.0的CPS平臺的構(gòu)建，可以對生產(chǎn)的全流程實現(xiàn)可視化管理和企業(yè)價值流的全過程呈現(xiàn)，同時也可以實現(xiàn)整個教學(xué)過程的仿真化和可視化，從而使學(xué)習(xí)者能夠在實操過程中全面了解生產(chǎn)流程和技術(shù)應(yīng)用，以勝任工業(yè)4.0新型技能的工作任務(wù)，并利用數(shù)字化技術(shù)提升企業(yè)的生產(chǎn)效能。為推動我國智能制造發(fā)展，助力中國制造與工業(yè)4.0深度融合，培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才，需要院校與智能化制造企業(yè)共同合作，引入CPS工業(yè)4.0智能制造管理系統(tǒng)、PLM信息傳輸和信息實時管理系統(tǒng)，以及與之相配套的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等軟硬件系統(tǒng)，打造集教學(xué)、科研、應(yīng)用與轉(zhuǎn)化于一體的工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠，共同制訂人才培養(yǎng)解決方案和認(rèn)證體系。