德国工业4.0产教融合“智慧学习 工厂”的构建理念与实施路径

摘 要 为应对工业4.0对职业教育的挑战，德国实施了职业教育4.0战略。在此背景下，德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”应运而生。“智慧学习工厂”以行为主义为指引，以学习者面向工业4.0的能力需求为目标，通过 “教育层”“管理层”和“技术层”三个层面的系统化设计，实现了工业4.0技术、智慧生产与教育的深度融合，形成了一套致力于培养智能工业时代高素质人才的有效方法，成为全球智能工业人才培养的经典范例，为我国职业教育产教融合、科教融汇的纵深推进及培养智能工业高素质人才提供了借鉴：明确智能工业人才能力培养目标；以产教融合平台为载体促进智能工业与教育的资源整合；实现智能工业教学实践平台管理与运营的系统化设计；加强智能工业数字技术与教育的系统集成。

关键词 工业4.0；职业教育4.0；双元制；产教融合；“智慧学习工厂”

中图分类号 G719.516 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2023）34-0073-07

当今世界已经进入了以“智慧生产”为标志的智能工业时代，科技发展使产业结构发生了巨大变化，如何培养适应智能工业发展和时代需求的合格人才，成为支撑各国未来工业发展的关键。学习工厂作为一种将教育与生产结合最为紧密的教学模式，20世纪90年代诞生于北美，后来在欧洲、南美、亚洲等地区陆续出现。为了应对工业4.0对职业教育的挑战，德国提出了教育4.0战略，在这一战略实施的背景下，德国职业教育各参与主体通过协作创新，将以人工智能、大数据、5G技术为主要标志的工业4.0技术与生产和教学进行深度融合，构建了全新样态的工业4.0“智慧学习工厂”，在智能工业人才培养方面表现出独特优势，受到全球教育界的广泛关注。

德国的职业教育历来有产教融合和双元育人的传统，凯兴斯泰纳的国民教育理论奠定了德国双元制的基石[1]。通过产业界与职业院校的密切合作，使学生同时掌握理论知识和实践能力，是德国职业教育一直秉持的传统与特色。德国工业4.0“智慧学习工厂”不仅承袭了这一传统，而且在德国职业教育4.0改革背景下，通过对学习系统的数字化、智慧化改造，将企业资源和学校资源进行整合，实现了工业4.0技术、智慧生产和教育的深度融合，为受训者提供了真实的工业4.0生产环境和真实产品生产过程的全参与式体验，能够全方位提高受训者与产业发展同步的技术技能和软技能，极大提高了智能工业时代产教融合双元育人的效率和有效性，成为全球职业教育4.0改革的典范，为我国职业教育产教融合、科教融汇的纵深推进及智能工业人才培养改革创新提供了有益借鉴。

一、德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”出现的背景

（一）从“工业4.0”到“职业教育4.0”——德国职业教育改革新动向

数字化时代，智能数字化已经成为社会发展进步的重要动力和源泉，产业的升级与发展将越来越依赖于智能与资源使用效率的提高和信息通信技术的进步，物联网和智能制造对于未来完全数字化生产愿景的实现将产生决定性作用，这一生产制造业的重要发展与变革，通常被业界和学术界称为“第四次工业革命”或“工业4.0”[2]。

工业4.0引发了经济社会领域的数字化创新，同时也加速了工作世界的结构转型和培训职业的变迁，给职业教育的整体目标、教育理念、学习环境和培养方案带来新挑战[3]。对此，德国提出了职业教育数字化战略，即“职业教育4.0”战略，该战略致力于推进德国的职业教育数字化转型，突出教育过程中数字技术的应用。从2016年开始，德国联邦政府颁布了一系列政策文件，推动职业教育的数字化发展，包括《面向数字化知识社会的教育行动》《“职业教育4.0”框架倡议》等。此外，德国还将数字化作为中长期教育改革的重点内容[4]。

德国的职业教育从注重面向日常生活的“职业教育1.0”，注重工作专业化的“职业教育2.0”，注重行动过程导向的“职业教育3.0”，发展到了当今以数字化为导向的“职业教育4.0”。德国“职业教育4.0”战略致力于通过数字技术革命推进职业教育的改革创新。为推动德国职业教育的数字化发展，德国积极利用高校、企业和跨企业培训中心创设数字化教学与学习环境，建设覆盖多元参与主体日常运行的智能终端，以科技赋能教育，利用前沿数字科技实现优质资源整合与职业教育人才培养质量“共生共长”[5]。

（二）德国工业4.0时代人力资源能力需求与职业教育培养目标的新变化

工业4.0时代，生产方式的变革促进了人力资源能力需求的新变化。以往重复性或常规性的工作任务将主要由机器完成，对于企业员工而言，更加需要他们具备创新和创造能力以及在未知情况下解决问题的能力[6]。此外，由于智能机器人和智能系统的介入，使得指导和监视活动不断增加，企业员工需要处理实时生成的大量信息，以及进行人机交互和机器通信，因而个人的主体性、自组织能力和行动能力也被认为是工业4.0时代企业员工不可或缺的重要能力[7]。

工业4.0时代需要大批具备包括个人能力、社交能力、行动能力、数字能力等的技术技能和软技能在内的自组织能力和工作胜任力的管理者和企业员工。生产领域这一人力资源需求的变化，无疑对职业教育的发展提出了更高要求。工业智能化、数字化召唤着职业教育的数字化变革与进步，德国职业教育4.0战略提出通过数字化策略和创新解决方案提升职业教育和培训与产业发展的契合度和人才供给能力，在培养目标的设定上不仅关注学生的专业技术技能，而且特别注重学生在工业4.0环境中可迁移职业能力的培养，包括批判性思维、团队意识、交际能力和创新能力等。

（三）工业4.0时代学习工厂数字化、智能化升级与迭代

学习工厂并不是一个全新的概念，最早的学习工厂出现在美国，美国早期的学习工厂又被称为“教学工厂”，因其较侧重于学生在教师口传身授下利用学科知识来解决工业中的实际问题，并开发和设计新的产品以获取真实生产环境的实践经验[8]。21世纪以来，“学习工厂”的热度逐渐增加，其重心也由美国转移至欧洲，在德国、丹麦、奥地利、瑞典、希腊等国出现了多种形式的旨在增强学员在一个或多个知识领域学习体验的“学习工厂”。2007年，德国的达姆施塔特技术大学建立了CiP学习工厂，成为这一新浪潮的早期学习工厂之一。在CiP学习工厂，可以生产与真实工厂相同的产品，并可呈现产品从原材料到运输产品的完整价值流。2014年，由德国等国发起，在国际范围内启动了“CIRP学习工厂协作工作组”，以构建围绕行动导向的学习和学习工厂的共同纲领和话语，加强全球最新学习工厂理论和经验的交流与分享。

近年来，在德国工业4.0战略以及职业教育4.0战略的积极推动下，以物联网、云计算、人工智能等工业4.0技术应用为标志的新型智慧学习工厂的探索和实践日益成为学习工厂发展的新方向和新亮点[9]。面对工业4.0对人才能力的新需求，如何确定进行数字化教学的适当领域并使信息技术在教育领域得以有效利用，如何使学习者获取面向工业4.0需求的能力，已经成为当今教育要解决的根本问题。通过科技赋能，结合高校、企业的双元优势，以高信息化、智能化为主要特征的德国工业4.0“智慧学习工厂”为工业4.0时代教育所面临的种种挑战提供了有效的解决途径，为推动全球教育4.0改革提供了实践支撑。

二、德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”的内涵与特征

（一）德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”的内涵

为提升德国本土制造业的国际竞争力，提升德国人力资源水平，并使之成为工业4.0的重要支撑，德国积极发展各种面向工业4.0的企业人员和学生的能力培训。通过与产业界和企业的密切合作，德国高校构建了一种面向智能工业需求的工业4.0产教融合“智慧学习工厂”。

德国最初的学习工厂诞生于20世纪90年代，这些学习工厂以应用为导向，通过真实的生产任务训练学生在真实工作场景中的实际工作能力。此后，德国又出现了以“学习车间”为标签的“教学工厂”，此种教学工厂主要以教师为主体，强调教师（师傅）对学生（学徒）技能的传授与指导。而工业4.0智慧学习工厂则通过数字技术的赋能，重构了教学主体的关系，更加注重学生主体性的发挥，通过智慧化教学环境和真实的生产任务训练和培养学生在真实生产环境中的工作胜任力。在这一过程中，教师和技术成为学生获取能力的促进者和辅助手段。

德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”是一种以能力为导向，整合了工业4.0技术、商业运营和教学过程的完整设计。一方面，其是一个多价值链的生产主体和商业主体；另一方面，其是具有丰富和强大教育教学功能的学习和实践场所，为学习者提供了更具实效性的工业4.0学习实践体验。德国工业4.0“智慧学习工厂”通过工业4.0 CPS平台的构建和部署，使整个教学过程实现仿真化和可视化，实现了企业价值流的数字化全过程呈现。受训者可以在这一实操过程中对生产流程和工业4.0技术获得更全面的了解，并能够胜任工业4.0的工作任务，从而更好地通过数字化技术的应用提升企业的生产效能。德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”不仅为学习者提供真实的产业工作场景和实践体验，而且能够使学习者接触到最新的工业数字化技术应用，因而被认为是培养面向工业4.0的企业生产、管理人才的有效途径。德国工业4.0产教融合学习工厂为面向工业4.0需求的人才培养提供了有效解决方案，受到各国工业界和教育界的关注。

（二）德国工业4.0产教融合“智慧学习工厂”的特征

德国工业4.0“智慧学习工厂”为学习者提供了在真实工厂环境中进行自主学习的机会，并通过实践将学习者已掌握的概念转移到未知问题情境中以发展其新的能力。作为一种以工业4.0能力为导向的系统化设计，德国工业4.0“智慧学习工厂”能够提供真实的工业4.0生产环境，对于学习者理论知识和实践能力的发展具有突出优势和特色，为面向工业4.0人力资源的职业教育与培训提供了有力支撑。德国工业4.0“智慧学习工厂”与传统的学习工厂以及其他实践教学机构相比较，具有以下特征。

1.基于工业4.0能力需求的教学目标与定位

德国工业4.0“智慧学习工厂”根据工业4.0时代人力资源必备能力，确定数字化技术环境和培训目标，并在学习和培训中通过复杂的任务实操，对学习者进行工业4.0能力的塑造与提升。德国工业4.0“智慧学习工厂”将工业自动化、精益生产、工业信息聚集等概念融入教学，通过与产业界的跨界合作，构建以实践为基础，集教学、科研与培训等功能为一体的学习集群型组织。学生通过真实的场景和真实产品生产过程的实践操作体验，能够获得面向工业4.0的工作技能和管理经验。

2.基于产业价值链的教学模块与教学活动设计

德国工业4.0“智慧学习工厂”强调完整的价值链创造，其教学模块与教学活动均围绕价值链的形成进行组织和设计。工业4.0“智慧学习工厂”运用产品生产周期管理（PLM）平台进行产品信息管理，赋予学习者以生产管理者的角色，使学习者深度参与并体验工业价值链形成的全过程。价值链活动往往包含新产品的开发与设计，工业4.0“学习工厂”通过精益生产、生产管理和可变制造系统和面向产品生命周期的设计面向产品生命周期各环节的设计①（DFX）等教学模块和教学活动的设计与安排，以全面提升学生知识和技能的迁移能力，使学生适应不断变化的生产条件和市场需求。

3.基于智慧工业CPS的教学平台构建与部署

物理信息系统（CPS）是物理的资产和计算能力之间相互连接的管理系统。这种系统使得工厂组织的全部产能可以通过信息的可视化呈现和管理，最大限度地实现决策的优化、效率的提升和生产资源最有效的利用，以最终实现生产系统的去中心化和自动化。

德国工业4.0“智慧学习工厂”通过CPS平台的构建和部署，使整个教学过程实现仿真化和可视化，实现了企业价值流的全过程呈现，使学习者能够在实操过程中对流程和新技术有更全面的了解，并能够胜任工业4.0新型技能的工作任务，更好地通过数字化技术提升企业的生产效能。

4.基于ICT技术的智能工业教学环境创设

工业4.0利用ICT技术实现客户、供应商、机器和操作者之间的信息传输和信息实时管理，并籍此进行生产要素系统评估以实现科学和优化决策，这是工业4.0的重要特征。为了培养学生面向工业4.0的数字技术认知和应用能力，德国工业4.0“智慧学习工厂”以ICT基础设施作为生产和教学的支持。ICT基础设施包括PLM平台、无线因特网、无线3D打印机、远程在线系统和信息展示设备、智能装配产线等。这些ICT基础设施能够支持完整的价值链，并通过数据来源、数据获取、数据传输、数据信息转换、信息管理、信息可视化技术实现对生产的全流程可视化管理[10]。