基于“异地同构”鲁班工坊的硬件体系建设研究

摘要：天津职业技术师范大学和埃塞俄比亚技术大学共同建设的埃塞俄比亚鲁班工坊，是由技能大师组成教师团队，针对鲁班工坊教学硬件体系建设进行研究和设计，采用“异地同构”的方式进行硬件体系建设，为打造非洲鲁班工坊标杆奠定了坚实的基础，同时对中非合作建设鲁班工坊的具体实施提供了重要的参考意义和实践经验。

关键词：鲁班工坊；异地同构；硬件体系建设；共享；多元化

中图分类号：G718    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2023）05-0029-05

作者简介：闫虎民（1974—），男，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心高级实验师，研究方向为工业电气自动化技术；刘建强（1990—），男，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心助教，研究方向为智能制造技术应用；郝飞（1987—），男，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心讲师，研究方向为工业电气自动化技术；刘海培（1994—），女，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心助教，研究方向为智能制造技术应用。

基金项目：2022年度天津市教育科学规划重点课题“‘鲁班工坊’对接合作国师资双语能力提升研究”（项目编号：BJE220012）

鲁班工坊是中国职业教育对外输出的集中体现，是将中国职业教育的教学模式、专业标准、技术装备、教学方案与世界分享的实体化平台[1-2]，服务于“一带一路”建设和国际产能合作，服务于构建人类命运共同体。由天津职业技术师范大学和埃塞俄比亚技术大学共同建设的鲁班工坊已于2021年正式成立。为了实现将埃塞俄比亚鲁班工坊打造成非洲鲁班工坊的标杆这一总体目标，学校组建了由技能大师牵头的教学团队，按照具有中国特色的工程实践创新项目（EPIP）[3]“以工程项目为引导，以培养学生综合能力为目标，以项目实践为统领的技术技能型人才培养新途径”的先进教学模式进行建设。以工程实践创新项目教学模式为指导，教学团队集中研究了基于“异地同构”方式的鲁班工坊教育硬件体系，建设了世界先进、行业领先、兼顾实际生产和训练教学的硬件体系，为鲁班工坊建设实践提供了“天津方案”。

一、基于“异地同构”教学硬件体系的建设意义

（一）先进强大的教学硬件体系是开展鲁班工坊培训教学的基础

先进强大的教学硬件体系是实施职业教育的基础，也是鲁班工坊建设的基础。在职业教育教学中引入当下较为先进的硬件体系，将工业实际所应用的装备、生产工艺和产品经过改进应用到职业教育中，搭建一个职业教育实施平台，在该平台上开展职业教育，能够紧贴科技工业发展，培养实际需求的人才。天津职业技术师范大学工程实训中心（以下简称“工程实训中心”）经过多年发展，建设了较为成熟的实训硬件体系，如数字制造教学工厂、工业控制技术实训基地、机电气一体化实训室以及工业机器人实训基地，这为鲁班工坊建设夯实了基础。教学团队根据当下国际工业发展形势，以及在2025年打造非洲轻工业中心的发展目标[4]，研究建设先进、强大、兼顾实际生产需求和教学训练标准的教学硬件体系。

（二）共享是鲁班工坊建设的特色

中国职业教育经过多年的发展，从最开始学习和引入西方发达国家的职业教学模式到现在形成具有中国特色的职业教育发展道路[5]，积累了丰富的职业教育发展经验。经过多年发展，工程实训中心不仅建设了较为成熟的实训硬件体系，同时也培养了一支具有较高专业素养和丰富教学经验的专业教师团队。工程实训中心具有优势的教育资源，结合埃塞俄比亚技术大学的实际需求，将丰富的教学硬件资源和教学经验共享于鲁班工坊合作中。在鲁班工坊的电气与控制技术方向硬件体系建设中引入了工程实训中心优势的学科和硬件体系，将鲁班工坊建设的硬件体系与工程实训中心的硬件体系相结合。在工程实训中心接受培训的鲁班工坊硕士和博士研究生通过工程实训中心的培养，将工程实训中心优势教育资源无障碍地共享于鲁班工坊建设。

（三）多元化硬件体系是鲁班工坊建设的优势

强大的硬件体系是职业教育教学的基础，但基于现有的硬件体系建设鲁班工坊往往会有所局限。因此，鲁班工坊的硬件体系建设需要多元化，应灵活多变，尽可能实现多场景、多类型、多技术的融合。在与埃塞俄比亚技术大学合作的鲁班工坊建设中，打破了原硬件设备固定化的模式，建立了一个开放式平台，并且设计多种类型的模块，各个模块可以自由拆装和组合，可以组成不同的场景，增强了教学的多元化。

二、基于“异地同构”鲁班工坊教学硬件体系建设方式

目前，我国与非洲国家合作的鲁班工坊采用的方式大多是：由中国大学结合当地的实际情况和需求，提供相应的职业教育培训体系、教育硬件体系，帮助非洲国家的大学完成相应的场地建设及教育实训硬件体系建设。采用具有中国特色的工程实践创新项目（EPIP）教学模式，由非洲国家的大学遴选教师到中国接受培训，同时中方也会选派教师赴当地进行教学。其中，实训硬件体系占据十分重要的位置。鲁班工坊的建设是中外双方持续、共享以及多元化的合作，因此，鲁班工坊的教学硬件体系建设也应满足该需求。

基于鲁班工坊的特点，根据埃塞俄比亚“2025年成为非洲轻工业制造业中心”的产业发展目标，结合工程实训中心优势学科，由国家级技能大师牵头建设鲁班工坊的硬件体系。在硬件体系建设中，采用“异地同构”方式，“异地同构”是指不同地方具有较多相同的元素或者结构特征，即在我方开展培训的硬件体系和在埃塞俄比亚鲁班工坊建设的教学硬件体系基本相同，用硬件体系支撑起双方教育培训的基础，具体结构如图1所示。基于“异地同构”的鲁班工坊建设，由于两地所建设的教学硬件体系基本相同，极大地方便了两地的交流与合作，打破了异地培训合作的技术障碍，为打造非洲鲁班工坊标杆提供了基础。

由天津职业技术师范大学参与建设的埃塞俄比亚“鲁班工坊”定位于人工智能领域。针对该领域面向电气与控制技术开发了工业控制技术、机电一体化技术、工业传感器技术以及工业机器人技术四个技术方向，这四门课程是当下人工智能和智能制造应用技术较为主流的技术方向，也是工程实训中心较有优势的学科。

三、基于“异地同构”电气与控制技术四门课程硬件体系建设

（一）工业控制技术实训项目

工业控制技术是实现工业化的重要基础，主要涵盖了工业生产过程中检测、决策、加工以及人机交互等方面。目前，国内部分高校一般是分成几个模块进行教学，主要针对其中的单一项目进行训练，难以形成全局的训练。有的高校采用一体成型的教学设备，学生主要针对成型的设备进行学习训练，很难涉及工业控制技术一些基础型教学。埃塞俄比亚鲁班工坊开设的工业控制技术课程依据世界技能大赛“工业控制”项目进行教学硬件体系建设，参考世界技能大赛工业控制项目的硬件体系，同时结合培训教师团队在世界技能大赛中的裁判经验，为该课程的实施提供了雄厚的教学资源。同时，将以赛促学的教学理念引入鲁班工坊培训中，将该课程设为鲁班工坊电气与控制技术方向的一门课程，把优秀的教学经验引入鲁班工坊，提高鲁班工坊建设质量，为打造鲁班工坊标杆提供有力的保障。

工业控制技术硬件体系内容包括电器选型、电气原理图和布局图设计、工作面安装设计、电气配线布局、可编程逻辑控制器以及HMI人机交互等。将该硬件体系应用于鲁班工坊的培训教学中，受培训人员可以从零基础开始接受培训。例如，从电器选型、电气原理图和布局图设计、工作面安装设计、电气配线布局开始，进而进阶至较高级的培训，如可编程逻辑控制器以及HMI人机交互等方面，涵盖工业控制技术从底层基础规划到顶层控制系统的全部培训，扎实地掌握一般工业控制技术。工业控制技术也是工程实训中心机电方向具有优势的技术方向，依据该硬件体系开发了《工业控制技术应用》教材匹配运用于教学。

（二）机电一体化技术实训项目

在工业发展过程中，机电一体化技术是很重要的部分，同时也是新型智能制造的基础[6]。机电一体化在我国发展已经有较长的时间，技术也较为成熟。机电一体化融合了多种技术、多个专业，包含了机械自动化技术、电气自动化技术以及传感器技术等多方面的技术。随着科技发展，新的机电一体化会包含更多的新技术，进而促进智能制造技术的发展。

机电一体化技术也是工程实训中心较有优势的学科，拥有优秀的教师团队和丰富的教学经验。在鲁班工坊建设中，机电一体化技术实训硬件采用了一种模块化体系，该硬件体系打破原实训设备固定化的模式，采用可拆装、可自由组合、可重组模块进行创新设计的硬件体系，增加了硬件体系教学的灵活性以及创新性。结合埃塞俄比亚技术大学的实际需求和天津职业技术师范大学的办学优势，鲁班工坊机电一体化硬件体系建设包括内容如图2所示。

首先是设计一个机电一体化基础平台，其他模块均可在其上面进行安装和固定，可以在该平台上进行硬件系统设计。其他模块包括：供料模块、传送模块、物料检测模块、加工模块、仓库存储模块、搬送模块、人机交互模块等。各模块相互独立，但又可以通过设计进行组合，可以模拟不同的生产工艺，也可以模拟不同生产对象。利用该硬件体系可以设计自动粘盖生产线、自动筛选物料生产线、自动搬运存储生产线，通过不同设计思路利用不同模块进行设计，教师和学员也可以自由设计生产工艺。在教学过程中，首先可以确定任务目标，然后选取具体需要的模块单元，进而将各个模块进行设计组合，进一步完成布线和气管铺设。这样，根据实际需求，一步一步地实现一个完整的生产单元，最后通过程序设计，完成实际的控制要求。这样的机电一体化硬件体系设计，满足不同类型、不同场合的机电技术教学要求，激发学员的创新性思维。

（三）工业传感器技术实训项目

传感器技术已经应用于各行各业，是工业发展和实现智能制造不可缺少的重要组成部分。在智能化时代，传感器可以感知万物，检测多种多样的信号。正因为传感器技术是工业自动化、智能化的关键，将传感器技术单独设计成一门培训课程是十分必要的。但传感器并不是一个独立体系，而是配合工业控制技术、机电一体化技术、工业机器人技术等应用场合，重点传感器硬件如表1所示。

（四）工业机器人技术实训项目

工业机器人技术是实现工业自动化、智能化的重要发展领域，“中国制造2025”明确提出将工业机器人列为十大重点技术发展领域[7]。在新型制造业中，很多生产加工使用工业机器人代替人工实现智能化生产。例如最典型的汽车行业，工业机器人可以应用于汽车生产的各个环节，如汽车装配、钣金喷漆等，在这些环节中，已经实现了高度自动化。

工程实训中心已经成功建设了工业机器人实训基地，面向全校以及社会开展培训工作，拥有一支具有丰富教学经验和工程经验的教学团队，依据实训需求开发了专门教材《工业机器人系统操作与维护》。这为鲁班工坊的课程建设打下了基础。在鲁班工坊课程中，依据已有教学经验，结合埃塞俄比亚技术大学的实际需求，将该硬件体系引入鲁班工坊建设中。该硬件体系采用库卡机器人建立一个基础硬件平台，以该平台为基础建设一个开放式体系，可以自由设计其他应用，也可以创新设计模拟应用环境；包括运动轨迹模块、物料检测模块、龙门检测机床上下料模块、智能装配模块，同时可以实现机器人与西门子PLC综合应用，具体设计如图3所示。

依据该硬件体系，可以模拟多种生产加工工艺和应用场合，极大地丰富了该硬件体系的应用范围，同时为接受培训者提供了更多的创新性选择。

四、埃塞俄比亚鲁班工坊成效

由天津职业技术师范大学和埃塞俄比亚技术大学合作建设的鲁班工坊采用EPIP标准化进阶式培训，主要分三个阶段进行：第一阶段是所有课程集中进行基础性培训；第二阶段是先进行公共课程集中培训，然后分方向进行侧重培训；第三阶段是录制视频，编写教材，验证方法和效果。通过这三个阶段进阶式的全方位培养，为鲁班工坊培养出合格的师资。目前，该鲁班工坊正处于第二阶段，依据工业控制技术、机电一体化技术、传感器技术以及工业机器人技术的硬件体系，为不同的方向进行侧重培训。在天津职业技术师范大学进修的留学生，由工程实训中心按照要求对其进行培训。由于鲁班工坊的硬件体系和天津职业技术师范大学的硬件体系一致，这些留学生在回到埃塞俄比亚后能无障碍地施展所学技能。同时，基于“异地同构”教育模式的优势，打破了 “空间距离”，可以持续对埃塞俄比亚鲁班工坊提供畅通的教学支持。