学习工厂4.0：德国数字化学习场所的内涵阐释与实践向度

摘要：德国学习工厂4.0是为应对数字经济变化而产生的数字化学习场所，由职业院校、企业和科研机构等多元主体共同参与，以培养学生的跨学科生产技术能力及数字能力为目标，为学习者提供真实的数字化生产学习环境，实现技术、生产、教学、研究各要素的融合。德国学习工厂4.0的建设经验可为我国建设科学有效的数字化智能实训基地和推动产教融合提供借鉴。

关键词：学习工厂4.0；德国职业教育；数字化学习场所

中图分类号：G719    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2024）12-0085-07

作者简介：王诗乔（1996—），女，天津职业技术师范大学职业教育学院2022级硕士研究生，研究方向为比较教育学；李文静（1987—），女，博士，天津职业技术师范大学职业教育学院副教授，天津市普通高等学校人文社会科学重点研究基地职业教育发展研究中心研究人员，研究方向为比较职业教育、职业教育测评。

基金项目：2024年人力资源社会保障部重大课题“加快技工教育高质量特色发展的路径研究”（编号：RSZD2024-9）

随着互联网、云计算、人工智能等技术的迅猛发展，数字经济已成为未来世界经济发展的核心动力。为塑造国际竞争新优势，德国早在2013年就提出“工业4.0”概念，旨在利用网络平台实现工业的数字化转型。此外，为适应数字经济带来的新业态、新职业、新岗位变化，德国提出数字化战略，为各行业的数字化转型确定了具体目标，建设了新的学习场所，即学习工厂，用新的教育理念与先进的技术设备为数字经济培养和储备人才。

一、学习工厂的历史发展脉络

（一）学习工厂1.0：萌芽期

学习工厂根植于德国双元制职业教育体系，是随着经济发展变化产生的新型学习场所。在中世纪行会手工业时期，职业教育的主流模式是学徒制，此时的工作地点和学习地点是一致的。随着第二次工业革命席卷欧洲，传统的职业教育人才培养模式面临危机，工厂和学校承担学徒制的教育职能。最初，以企业作为学习地点的职业培训与以学校为主要教学地点的职业学校教育是相互独立的。随着经济社会发展，职业教育的目标定位与经济发展相结合，形成了工作和学习相结合的资格认证体系，并持续发展到20世纪下半叶。

从1945年开始，联邦德国的职业学校将职业培训和教学自主权放在首位，开始与企业寻求合作，在尝试与探索中达到职业培训与职业学校教育相融合。1969年出台的《职业培训法》以法律法规的形式将分割开的工作与学习形成一个连贯、协调和规范的系统[1]。德国双元制职业教育体系基本确立，工作地点与学习场所逐渐融合，为学习工厂的出现创造了良好的国内环境。

（二）学习工厂2.0：生长期

随着第二次工业革命的落幕，信息时代来临。大批量的标准化工业产品不再受消费者的青睐，个性化产品对现存的生产模式提出了新要求。在这种背景下出现的学习工厂，从形式到内容都与普通的双元制学习场所有很大不同，主要体现在以下两方面：一是在教学形式上，随着非正式学习的发展，学习场所从教室逐渐扩大到工作生产车间，公司内部及跨企业的培训中心纷纷建立。单一的学习地点已不能满足学生综合职业能力的提升，对职业教育学习场所的研究重点从学校逐步向环境复杂的工作地点转移。二是在教学内容上，由于不同的学习场所在学习过程中所发挥的功能不同，使用的教材和组织运行模式会根据自身情况实现个性化发展。学习工厂的教学内容紧跟工业发展的真实状况，力图在真实生产环境下培养学生应对复杂问题的能力。但是，此时的学习工厂依然以实体工厂为主，围绕特定工程实践项目培养人才。

（三）学习工厂3.0：快速发展期

基于生产过程与生产设备的数字化转型，工业4.0逐渐成为现实。为真实重现当前工业生产的流程步骤，适应生产领域数字化趋势，学习工厂在形态上发挥了VR、AR等新技术在教育领域的作用，打破了时间与空间的局限，由实体工厂逐步向以数字化为关键特征的学习工厂转变。此时，“权力下放”的概念从经济领域渗透到学习场所的理论构建中，主要体现在学习场所的扩大与相对自治，人才培养的职能也被下放到相应的学习地点。学习工厂为学习者配备先进的数字设备，利用新技术构建虚拟学习实践平台。在职能上，学习工厂将人才培养与项目设计相互融合，推动精密的工作流程、独特的教育方式及经过实践检验的课程融为一体。

（四）学习工厂4.0：成熟期

学习工厂4.0的数字化学习逐渐不再受限于实践的复杂性和数字环境中物质的无形化。抽象的、不可见的工作过程及无法在现实中复制的特定环境，可以通过数字技术模拟让学生学习体验。比如，通过模拟工作中的危险情境，使学生在沉浸式体验中受到安全教育。随着计算机技术与虚拟现实技术的不断发展，学生可以在学习工厂4.0中构建更加真实与灵活的虚拟形象。目前，虚拟现实技术能够为提高学生在数字化学习空间的具身体验提供支撑，学生现在不仅可以在学习空间中使用手势，还可以实时模拟个人面部表情。基于此，教师和学生可以在数字学习空间中摆脱简单、僵硬的互动，实现更高阶的社交。在VR和AR技术支持下，数字学习空间打破了现实世界的条件束缚，为学习和教学创造了一些个性化的、全新的工作场景。

二、学习工厂4.0的内涵阐释

（一）学习工厂4.0是模拟真实生产工作流程的数字化学习空间

1.学习工厂4.0构建智慧学习空间

随着技术手段与空间理论研究的发展，现阶段学习空间的划分在结构上主要包括物质学习空间、社会学习空间和精神学习空间[2]。物质学习空间是有具体形式的学习空间，即针对特定的学习过程和需求所设置的学习设备和建筑设计；社会学习空间是以群体间交往互动为导向的学习空间；精神学习空间是以反观自身存在为导向的学习空间。从学习空间的层级属性而言，技术支持下的学习空间包含现实层、虚拟层及虚拟与现实交互的增强现实层，学习工厂4.0实现了层级属性与结构属性相融合，即每个层级中都包含物质学习空间、社会学习空间和精神学习空间。

首先，运用VR与AR等前沿技术的最新成果，将所有工作流程、产品及资源嵌入数字模型中，构成了数字学习空间的物质基础。其次，建立一个尽可能开放互动的学习空间，将交互性的社会学习空间与个性化的精神学习空间相融合。基于体验式学习理论，一方面，将对现实事物的感知融入模拟环境，让VR用户在模拟环境中最大程度体验真实；另一方面，让数字化的学习空间具备根据个人或群体的学习目标和学习内容进行调整的功能，针对不同的学习速度和学习层次设计个性化学习过程。最后，为了深化学习内容，模拟区域可以采用模块化设计，并根据需要重复使用。借助协作互动程序，不仅有助于加强学习者之间的合作交流，还有助于促进师生互动。

2.以工作过程为导向面向多元群体

学习工厂4.0是职业学校将传统的学习实验室与虚拟数字实践平台融合创造的学习空间[3]，目的是在真实条件下再现生产与工作的流程步骤，反映当前工业生产的变化，体现工业4.0的要求与特点。真实再现不是对工厂生产环节的简单复制，而是在行动与过程教学的基础上，让学生体验最新的工作组织流程。学习工厂4.0能准确呈现个性化的工作过程、快速的创新周期和可持续的资源管理流程。这种真实、动态的生产学习环境对双元制学生、企业实习生及专业技术人才都具备很强的吸引力。

（二）学习工厂4.0是以工作学习为主要任务的空间合作组织

1.资格认证网络协助不同学习地点间的合作更具有灵活性

德国双元制职业教育体系并不是预先设计好的，而是随着职业教育发展的历史进程不断完善的，学习地点之间的合作探索也随着职业教育体系的完善同步发展[4]。学习地点的合作可理解为不同学习地点的机构、组织、教学方法和人员的合作，目的是帮助个人或者团体获取资格证书、提高学历和提升能力。合作范围很广，从相互交流信息、组织协调教学到联合开发教材。合作机构逐渐从20世纪90年代的职业学校与企业之间的试点合作，包括公司内部和跨公司的培训中心，发展为以职业协会为主体的合作，比如培训小组与头部公司合作或者订单培养。

随着网络与信息技术的应用，以自我控制和高度灵活性为特点的网络被引入学习地点间的合作，也意味着远距离合作成为可能。不同学习地点所拥有的独特教学资源在网络的介入下合作，个人职业能力的提升和相应资格证书的获得也变得更为便捷。这种网络化学习地点的合作被称为资格认证网络或职业能力发展网络。资格认证网络所链接的学习场所与机构原则上由私营部门、公共部门和非营利性的学习场所组成，例如由公司、外部教育机构、商会、就业机构、普通教育学校和职业学校等组成的区域资格认证网络。

2.工作与学习相结合的空间合作组织

空间理论认为，学生的学习过程受制于学习空间的设施配置和构造设计。学生在组织学习活动时，学习空间中更先进的设施配备和更为科学的空间构造都将影响学习的效率和成果。在模仿真实工作流程组织学习任务时，传统的学习空间被改变，新的学习空间被创造。也就是说，学习空间在影响学习过程的同时，学习过程也反过来影响了学习空间的塑造。在德国双元制职业教育体系中，公司的学习场所在工作行为导向下进行了拓展和深化，形成了工作与学习相结合的空间合作组织。比如企业中的学习岛，既是企业实际生产环境中的一个工作区域，又是学习者发展自身能力的学习空间。

同样，德国职业学校的学习工厂4.0是工作与学习相结合的空间合作组织。其系统调整了个人理论学习和工作实践步骤之间的联系，表现出了以实际增值链为模型的生产周期的灵活性与可调整性。学习工厂4.0发布的工作任务需要材料科学与工程、信息技术、电气工程、机电一体化和商业等多个职业学科相互合作。

3.传统实验室基础上进一步创建的智能工厂

学习工厂在教学模式上采用了模块化结构，以应对工作岗位不断变化的要求。目前，在职业学校内以工业4.0为学习重点的学习工厂既配备传统的基础实验室，也搭建创新性的学习工厂。

在基础实验室中，学生需要学习支撑数字化生产的高新技术，将现代工业生产的诸多问题以模块的形式进行教学传授，主要包括传感器/执行器技术、机器人系统、识别技术、通信架构、MES和数据库系统等。学习工厂将基础实验室的模块整合连接，形成一个整体的工作学习流程。学生在映射真实工作环境的学习工厂中体验符合工业生产标准的智能生产流程，提升技术水平。由此可见，教学要求更高、技术更复杂的学习工厂试图将工业4.0的复杂技术和创新成果转移到现实条件下的学习场景，构建一个新型的空间合作组织。这是德国双元制职业教育体系对相互关联的合作学习地点的进一步发展。

（三）学习工厂4.0是以网络物理系统为核心技术的工作学习空间

1.网络物理系统赋能德国职业教育

在学习工厂4.0中，网络物理系统（Cyber Physische System，简称CPS）成为构建现代培训场所学习空间的决定性创新因素。CPS经常被用来描述由计算算法和物理组件的无缝整合而建立的技术系统[5]。其中，“网络”指的是支持系统内决策的计算机、软件、数据结构等。“物理”不仅指物理系统的各个部分（如自动驾驶汽车的机械和电气部件等），还包括支持系统互动的装置设备，如生产线或模块化学习工厂。

CPS与物联网、工业互联网、智慧城市、机器人学和系统工程领域密切相关，其核心是互联与技术系统的整合。CPS与以智能工业制造为代表的数字产业息息相关，是德国工业数字化转型的核心技术。

2.学生掌握使用网络物理系统的能力是工业4.0的新要求

德国工业4.0倡导的工作流程是在生产领域运用网络物理系统，将现实世界的动态物理过程与网络系统融合在一起，实现数据的实时获取、交换、处理和反馈，便于工作人员做出高效可靠的决策。

在学习工厂中，设计以CPS为核心的实践教学基地是一个复杂的过程，需要针对不同方面制定详细且可操作性强的方案，将传统孤立的自动化系统转变为现代的、相互连接的智能系统。为了更好地挖掘学习工厂CPS的潜力，开发学习工厂作为未来动态工作场所与学习场所的潜力，有必要以模块化和网络化的方式思考和规划学习工厂。