基于“異地同構”魯班工坊的硬件體系建設研究

閆虎民 劉建強 郝飛 劉海培

摘要：天津職業技術師范大學和埃塞俄比亞技術大學共同建設的埃塞俄比亞魯班工坊，是由技能大師組成教師團隊，針對魯班工坊教學硬件體系建設進行研究和設計，采用“異地同構”的方式進行硬件體系建設，為打造非洲魯班工坊標桿奠定了堅實的基礎，同時對中非合作建設魯班工坊的具體實施提供了重要的參考意義和實踐經驗。

關鍵詞：魯班工坊；異地同構；硬件體系建設；共享；多元化

中圖分類號：G718? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2023）05-0029-05

作者簡介：閆虎民（1974—），男，碩士，天津職業技術師范大學工程實訓中心高級實驗師，研究方向為工業電氣自動化技術；劉建強（1990—），男，碩士，天津職業技術師范大學工程實訓中心助教，研究方向為智能制造技術應用；郝飛（1987—），男，碩士，天津職業技術師范大學工程實訓中心講師，研究方向為工業電氣自動化技術；劉海培（1994—），女，碩士，天津職業技術師范大學工程實訓中心助教，研究方向為智能制造技術應用。

基金項目：2022年度天津市教育科學規劃重點課題“‘魯班工坊對接合作國師資雙語能力提升研究”（項目編號：BJE220012）

魯班工坊是中國職業教育對外輸出的集中體現，是將中國職業教育的教學模式、專業標準、技術裝備、教學方案與世界分享的實體化平臺[1-2]，服務于“一帶一路”建設和國際產能合作，服務于構建人類命運共同體。由天津職業技術師范大學和埃塞俄比亞技術大學共同建設的魯班工坊已于2021年正式成立。為了實現將埃塞俄比亞魯班工坊打造成非洲魯班工坊的標桿這一總體目標，學校組建了由技能大師牽頭的教學團隊，按照具有中國特色的工程實踐創新項目（EPIP）[3]“以工程項目為引導，以培養學生綜合能力為目標，以項目實踐為統領的技術技能型人才培養新途徑”的先進教學模式進行建設。以工程實踐創新項目教學模式為指導，教學團隊集中研究了基于“異地同構”方式的魯班工坊教育硬件體系，建設了世界先進、行業領先、兼顧實際生產和訓練教學的硬件體系，為魯班工坊建設實踐提供了“天津方案”。

一、基于“異地同構”教學硬件體系的建設意義

（一）先進強大的教學硬件體系是開展魯班工坊培訓教學的基礎

先進強大的教學硬件體系是實施職業教育的基礎，也是魯班工坊建設的基礎。在職業教育教學中引入當下較為先進的硬件體系，將工業實際所應用的裝備、生產工藝和產品經過改進應用到職業教育中，搭建一個職業教育實施平臺，在該平臺上開展職業教育，能夠緊貼科技工業發展，培養實際需求的人才。天津職業技術師范大學工程實訓中心（以下簡稱“工程實訓中心”）經過多年發展，建設了較為成熟的實訓硬件體系，如數字制造教學工廠、工業控制技術實訓基地、機電氣一體化實訓室以及工業機器人實訓基地，這為魯班工坊建設夯實了基礎。教學團隊根據當下國際工業發展形勢，以及在2025年打造非洲輕工業中心的發展目標[4]，研究建設先進、強大、兼顧實際生產需求和教學訓練標準的教學硬件體系。

（二）共享是魯班工坊建設的特色

中國職業教育經過多年的發展，從最開始學習和引入西方發達國家的職業教學模式到現在形成具有中國特色的職業教育發展道路[5]，積累了豐富的職業教育發展經驗。經過多年發展，工程實訓中心不僅建設了較為成熟的實訓硬件體系，同時也培養了一支具有較高專業素養和豐富教學經驗的專業教師團隊。工程實訓中心具有優勢的教育資源，結合埃塞俄比亞技術大學的實際需求，將豐富的教學硬件資源和教學經驗共享于魯班工坊合作中。在魯班工坊的電氣與控制技術方向硬件體系建設中引入了工程實訓中心優勢的學科和硬件體系，將魯班工坊建設的硬件體系與工程實訓中心的硬件體系相結合。在工程實訓中心接受培訓的魯班工坊碩士和博士研究生通過工程實訓中心的培養，將工程實訓中心優勢教育資源無障礙地共享于魯班工坊建設。

（三）多元化硬件體系是魯班工坊建設的優勢

強大的硬件體系是職業教育教學的基礎，但基于現有的硬件體系建設魯班工坊往往會有所局限。因此，魯班工坊的硬件體系建設需要多元化，應靈活多變，盡可能實現多場景、多類型、多技術的融合。在與埃塞俄比亞技術大學合作的魯班工坊建設中，打破了原硬件設備固定化的模式，建立了一個開放式平臺，并且設計多種類型的模塊，各個模塊可以自由拆裝和組合，可以組成不同的場景，增強了教學的多元化。

二、基于“異地同構”魯班工坊教學硬件體系建設方式

目前，我國與非洲國家合作的魯班工坊采用的方式大多是：由中國大學結合當地的實際情況和需求，提供相應的職業教育培訓體系、教育硬件體系，幫助非洲國家的大學完成相應的場地建設及教育實訓硬件體系建設。采用具有中國特色的工程實踐創新項目（EPIP）教學模式，由非洲國家的大學遴選教師到中國接受培訓，同時中方也會選派教師赴當地進行教學。其中，實訓硬件體系占據十分重要的位置。魯班工坊的建設是中外雙方持續、共享以及多元化的合作，因此，魯班工坊的教學硬件體系建設也應滿足該需求。

基于魯班工坊的特點，根據埃塞俄比亞“2025年成為非洲輕工業制造業中心”的產業發展目標，結合工程實訓中心優勢學科，由國家級技能大師牽頭建設魯班工坊的硬件體系。在硬件體系建設中，采用“異地同構”方式，“異地同構”是指不同地方具有較多相同的元素或者結構特征，即在我方開展培訓的硬件體系和在埃塞俄比亞魯班工坊建設的教學硬件體系基本相同，用硬件體系支撐起雙方教育培訓的基礎，具體結構如圖1所示。基于“異地同構”的魯班工坊建設，由于兩地所建設的教學硬件體系基本相同，極大地方便了兩地的交流與合作，打破了異地培訓合作的技術障礙，為打造非洲魯班工坊標桿提供了基礎。

由天津職業技術師范大學參與建設的埃塞俄比亞“魯班工坊”定位于人工智能領域。針對該領域面向電氣與控制技術開發了工業控制技術、機電一體化技術、工業傳感器技術以及工業機器人技術四個技術方向，這四門課程是當下人工智能和智能制造應用技術較為主流的技術方向，也是工程實訓中心較有優勢的學科。

三、基于“異地同構”電氣與控制技術四門課程硬件體系建設

（一）工業控制技術實訓項目

工業控制技術是實現工業化的重要基礎，主要涵蓋了工業生產過程中檢測、決策、加工以及人機交互等方面。目前，國內部分高校一般是分成幾個模塊進行教學，主要針對其中的單一項目進行訓練，難以形成全局的訓練。有的高校采用一體成型的教學設備，學生主要針對成型的設備進行學習訓練，很難涉及工業控制技術一些基礎型教學。埃塞俄比亞魯班工坊開設的工業控制技術課程依據世界技能大賽“工業控制”項目進行教學硬件體系建設，參考世界技能大賽工業控制項目的硬件體系，同時結合培訓教師團隊在世界技能大賽中的裁判經驗，為該課程的實施提供了雄厚的教學資源。同時，將以賽促學的教學理念引入魯班工坊培訓中，將該課程設為魯班工坊電氣與控制技術方向的一門課程，把優秀的教學經驗引入魯班工坊，提高魯班工坊建設質量，為打造魯班工坊標桿提供有力的保障。

工業控制技術硬件體系內容包括電器選型、電氣原理圖和布局圖設計、工作面安裝設計、電氣配線布局、可編程邏輯控制器以及HMI人機交互等。將該硬件體系應用于魯班工坊的培訓教學中，受培訓人員可以從零基礎開始接受培訓。例如，從電器選型、電氣原理圖和布局圖設計、工作面安裝設計、電氣配線布局開始，進而進階至較高級的培訓，如可編程邏輯控制器以及HMI人機交互等方面，涵蓋工業控制技術從底層基礎規劃到頂層控制系統的全部培訓，扎實地掌握一般工業控制技術。工業控制技術也是工程實訓中心機電方向具有優勢的技術方向，依據該硬件體系開發了《工業控制技術應用》教材匹配運用于教學。

（二）機電一體化技術實訓項目

在工業發展過程中，機電一體化技術是很重要的部分，同時也是新型智能制造的基礎[6]。機電一體化在我國發展已經有較長的時間，技術也較為成熟。機電一體化融合了多種技術、多個專業，包含了機械自動化技術、電氣自動化技術以及傳感器技術等多方面的技術。隨著科技發展，新的機電一體化會包含更多的新技術，進而促進智能制造技術的發展。

機電一體化技術也是工程實訓中心較有優勢的學科，擁有優秀的教師團隊和豐富的教學經驗。在魯班工坊建設中，機電一體化技術實訓硬件采用了一種模塊化體系，該硬件體系打破原實訓設備固定化的模式，采用可拆裝、可自由組合、可重組模塊進行創新設計的硬件體系，增加了硬件體系教學的靈活性以及創新性。結合埃塞俄比亞技術大學的實際需求和天津職業技術師范大學的辦學優勢，魯班工坊機電一體化硬件體系建設包括內容如圖2所示。

首先是設計一個機電一體化基礎平臺，其他模塊均可在其上面進行安裝和固定，可以在該平臺上進行硬件系統設計。其他模塊包括：供料模塊、傳送模塊、物料檢測模塊、加工模塊、倉庫存儲模塊、搬送模塊、人機交互模塊等。各模塊相互獨立，但又可以通過設計進行組合，可以模擬不同的生產工藝，也可以模擬不同生產對象。利用該硬件體系可以設計自動粘蓋生產線、自動篩選物料生產線、自動搬運存儲生產線，通過不同設計思路利用不同模塊進行設計，教師和學員也可以自由設計生產工藝。在教學過程中，首先可以確定任務目標，然后選取具體需要的模塊單元，進而將各個模塊進行設計組合，進一步完成布線和氣管鋪設。這樣，根據實際需求，一步一步地實現一個完整的生產單元，最后通過程序設計，完成實際的控制要求。這樣的機電一體化硬件體系設計，滿足不同類型、不同場合的機電技術教學要求，激發學員的創新性思維。

（三）工業傳感器技術實訓項目

傳感器技術已經應用于各行各業，是工業發展和實現智能制造不可缺少的重要組成部分。在智能化時代，傳感器可以感知萬物，檢測多種多樣的信號。正因為傳感器技術是工業自動化、智能化的關鍵，將傳感器技術單獨設計成一門培訓課程是十分必要的。但傳感器并不是一個獨立體系，而是配合工業控制技術、機電一體化技術、工業機器人技術等應用場合，重點傳感器硬件如表1所示。

（四）工業機器人技術實訓項目

工業機器人技術是實現工業自動化、智能化的重要發展領域，“中國制造2025”明確提出將工業機器人列為十大重點技術發展領域[7]。在新型制造業中，很多生產加工使用工業機器人代替人工實現智能化生產。例如最典型的汽車行業，工業機器人可以應用于汽車生產的各個環節，如汽車裝配、鈑金噴漆等，在這些環節中，已經實現了高度自動化。

工程實訓中心已經成功建設了工業機器人實訓基地，面向全校以及社會開展培訓工作，擁有一支具有豐富教學經驗和工程經驗的教學團隊，依據實訓需求開發了專門教材《工業機器人系統操作與維護》。這為魯班工坊的課程建設打下了基礎。在魯班工坊課程中，依據已有教學經驗，結合埃塞俄比亞技術大學的實際需求，將該硬件體系引入魯班工坊建設中。該硬件體系采用庫卡機器人建立一個基礎硬件平臺，以該平臺為基礎建設一個開放式體系，可以自由設計其他應用，也可以創新設計模擬應用環境；包括運動軌跡模塊、物料檢測模塊、龍門檢測機床上下料模塊、智能裝配模塊，同時可以實現機器人與西門子PLC綜合應用，具體設計如圖3所示。

依據該硬件體系，可以模擬多種生產加工工藝和應用場合，極大地豐富了該硬件體系的應用范圍，同時為接受培訓者提供了更多的創新性選擇。

四、埃塞俄比亞魯班工坊成效

由天津職業技術師范大學和埃塞俄比亞技術大學合作建設的魯班工坊采用EPIP標準化進階式培訓，主要分三個階段進行：第一階段是所有課程集中進行基礎性培訓；第二階段是先進行公共課程集中培訓，然后分方向進行側重培訓；第三階段是錄制視頻，編寫教材，驗證方法和效果。通過這三個階段進階式的全方位培養，為魯班工坊培養出合格的師資。目前，該魯班工坊正處于第二階段，依據工業控制技術、機電一體化技術、傳感器技術以及工業機器人技術的硬件體系，為不同的方向進行側重培訓。在天津職業技術師范大學進修的留學生，由工程實訓中心按照要求對其進行培訓。由于魯班工坊的硬件體系和天津職業技術師范大學的硬件體系一致，這些留學生在回到埃塞俄比亞后能無障礙地施展所學技能。同時，基于“異地同構”教育模式的優勢，打破了 “空間距離”，可以持續對埃塞俄比亞魯班工坊提供暢通的教學支持。

為埃塞俄比亞魯班工坊建設的硬件體系中，有一些課程融入了各類各級別的職業技能競賽相關內容。在工業控制實訓項目中利用教師團隊在工業控制項目執裁的優勢，開發出工業控制技術的專用教材。同時，教師經常帶領學員赴世界技能大賽中國集訓基地觀摩學習，極大提高了學員的知識范圍和專業知識素養。在工業機器人實訓項目中，多位教師具有工業機器人相關競賽執裁的經驗，具有扎實的專業知識，對當下工業機器人技術發展非常了解。在培訓過程中，教師團隊帶領學員參加了2021世界機器人大賽。依靠工程實訓中心的優勢學科和優秀教師團隊建設魯班工坊，汲取了工程實訓中心在電氣和控制技術方面多年的豐富教學經驗，先進的硬件資源為學員提供了充足的教學資源，對打造非洲魯班工坊標桿提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]呂景泉.魯班工坊的核心內涵——中國職業教育的國際品牌[J].天津職業院校聯合學報，2020（1）：3-11.

[2]呂景泉.非洲魯班工坊項目建設、發展策略及管理政策研究[J].職業教育研究，2021（5）：10-17.

[3]呂景泉，張維津，米靖.論工程實踐創新項目（EPIP）教學模式的“工程化”——從陶行知的生活教育思想說起[J].中國職業技術教育，2021（2）：14-17.

[4]喻珍，藍宏銳.“一帶一路”背景下中國與非洲國家次區域合作：以中國—非洲經貿博覽會為例[J].湘潭大學學報（哲學社會科學版），2021（4）：146-152.

[5]向麗，劉曉歡.國外技能人才培養模式在我國的試點及反思[J].職教論壇，2015（2）：52-57.

[6]閆虎民，李全利，郝立果.從世界技能大賽看機電一體化技術課程改革方向[J].職業教育研究，2014（6）：116-119.

[7]萬云，韓亞軍，呂值敏.工業機器人專業“四化一體”教學模式的構建研究[J].中國職業技術教育，2019（5）：68-71.

（責任編輯：楊在良）

Abstract： The teaching team of Luban Workshop in Ethiopia， jointly built by Tianjin University of Technology and Education and Ethiopia Technical University， is composed of skilled masters. The hardware system of Luban Workshop education is constructed in a way of isomorphism in different places， which lays a solid foundation for building the benchmark of Luban Workshop in Africa， and provided important reference significance and practical experience for the concrete implementation of Sino-African cooperation in building Luban Workshop.

Key words： Luban Workshop; isomorphismin different places; hardware system construction; share; diversification