德國工業4.0“精益學習工廠”系統化構建與啟示

摘 要 德國工業4.0“精益學習工廠”以行為主義為引領，以能力本位為導向，以學習者面向工業4.0需求的能力培養為目標，通過教育界和企業界的合作，將價值鏈管理貫穿于整個教學過程，通過在宏觀層面的學習工廠 、中觀層面的教學模塊和微觀層面的教學情境三個維度的一體化設計，實現了技術、生產、教學要素的系統整合，發展了一套致力于培養和提升學習者實踐能力的系統方法，為培養學習者面向工業4.0需求的能力提供了有效途徑。德國工業4.0“精益學習工廠”為我國培養面向智能工業發展需求的工程技術與管理人才提供了如下借鑒：明確面向我國智能工業發展需求的人才能力培養目標，實現實踐教學機構從宏觀建設運營到微觀教學實施的系統化設計，借助工業4.0技術手段將價值鏈管理和精益生產融入教學過程以實現生產、技術和教學的深度融合。

關鍵詞 產教融合;德國;工業4.0;精益學習工廠

中圖分類號 G719.516 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2020）10-0068-06

一、德國工業4.0“精益學習工廠”出現的背景

“工業4.0”又被稱為“第四次工業革命”，其利用信息物理系統使產品生產遵從客戶的個性化愿望，通過網絡實時獲取產品從開發、生產到交付的所有相關信息，并從中獲得最佳價值流。工業4.0通過網絡將人員、對象和系統進行信息聯通，創建動態、自組織、跨組織和實時價值網絡，減低中間成本，優化產品和服務，以提高勞動生產率[1]。

“工業4.0”的概念首先由德國政府于2011年提出，是德國《2020高技術戰略》的一個重要組成部分，其目的是通過工業生產與信息和通信技術之間的融合提升本國制造業的國際競爭力[2]。近年來，德國正在通過加強工業系統與信息通信技術相關聯的舉措積極推動工業4.0的發展。與此同時，美國、法國、中國也提出了相似的智能工業發展戰略，美國的“工業互聯網”、法國的“未來工業”、中國的“中國制造2025”都強調工業生產的自動化、信息化和智能化，并通過現代技術手段轉變生產和業務流程，以實現更高的商業價值。

（一）工業4.0的人才能力需求

在工業4.0背景下，工業的智能化發展與變革使當今的工業化生產呈現出一系列變化：以往孤立的生產制造單元被自動化集成生產線所取代，產品的生產周期進一步縮短，生產過程更加靈活，定制化生產成為新的發展趨勢;企業員工所面臨的生產環境更加復雜化，虛擬的混合人機界面以及遠程操控成為生產工作區的新型溝通和協作方式。

工業4.0的發展迫切需要大批能夠適應這些變化，并能推動其發展的高素質人才。工業4.0要求從業者不僅要有復雜環境下的工作能力和協調能力，還要有創新創造能力、知識管理能力和商業思維。具體來說，面向工業4.0需求的8大關鍵能力包括：領導與決策能力、支持與合作能力、互動與呈現能力、分析與闡釋能力、創新與概念化能力、組織與執行能力、適應與調整能力、思維與表現[3]。

（二）傳統實踐教學的不足

在針對能力有效發展方面，傳統的教學方法效果有限，以往以實踐為導向的教學方法僅僅為學生提供了較為固定的、被動的學習場景，教學過程往往以企業人員的示范和口頭傳授為主，而對學生的自我反思和自我組織能力缺乏關注，容易造成學習者自身行動能力缺乏和學習惰性的形成。此外，現有的學習工廠通常由模擬環境的技術專家設計，側重學習工廠對真實工廠場景的復制和映射，而在學習者能力培養效率和有效性方面有所欠缺。面對傳統工程教育實踐教學的不足，德國教育界提出，要加強學習工廠在教學層面的設計，進一步完善學習工廠在教學分析、評估和驗證等方面的整體設計與安排;無論是學習工廠的教學媒介和手段，還是課程設計和技術應用，都必須致力于面向行業發展需求能力的有效開發[5]。

為了培養學習者面向工業4.0需求的核心能力，德國高校通過和產業界合作，構建了一種面向工業4.0需求的“精益學習工廠”，這種新型學習工廠將價值鏈管理貫穿于整個學習過程，通過“學習工廠”“教學模塊”和“學習情境”3個層面的系統設計與整合，實現了以能力為導向的教學過程與生產過程的深度互嵌。德國工業4.0“精益學習工廠”模式是以能力為導向的一整套系統化的學習工廠構建方法，其解決了傳統學習工廠存在的問題，能夠有效發展學習者面向工業4.0需求的能力。

二、德國工業4.0“精益學習工廠”的內涵與特征

（一）德國工業4.0“精益學習工廠”的內涵

學習工廠最早于20世界90年代在美國出現，近年來，隨著全球智能工業的發展，由于其能夠提供符合現實的生產環境作為學習環境，因而用于培訓、教育和研究的學習工廠在全球各地紛紛建立[6]。

與傳統學習工廠不同，德國精益學習工廠是針對工業4.0對企業人才能力需求而設計和構建的一種基于真實的工業流程和實踐操作，并將價值鏈管理整合于整個學習過程的系統化運營機構和學習、培訓的場所。精益學習工廠的學員不僅可以熟悉真實的工作場景和完成真實的工作任務，而且可以在學習過程中掌握精益管理方法，更好地發揮自身在組織中的作用。德國精益學習工廠的主要目標是提升學員面向工業4.0的核心能力，這種能力不僅包括與機器操作等方面的專業技能，而且包含動機和情感方面能力的發展，以及在復雜多變情況下處理和解決問題的能力。

為應對工業4.0的發展需求，德國已經有一批高校建立了以精益生產、精益管理、生產過程優化和流程改善為主題的精益學習工廠，建立工業4.0精益學習工廠的德國高校包括亞琛工業大學、波鴻魯爾大學、達姆施塔特大學、漢諾威大學以及慕尼黑工業大學等[7]。

（二）德國工業4.0“精益學習工廠”的特征

德國工業4.0“精益學習工廠”作為一種以工業4.0能力為導向的系統化設計，與傳統的學習工廠以及其他的實踐教學機構呈現出較大的差異性，德國工業4.0“精益學習工廠”的特征主要體現在5個方面：一是以行為主義為引領，以能力本位為導向。面向工業4.0的德國“精益學習工廠”以行為主義為引領，倡導“學中做”和“做中學”的“知行合一”行動理念，并將能力目標作為學習工廠模式構建的根本出發點，更加強調學習工廠教學目標的達成和實踐教學的目的性和有效性。二是以面向工業4.0的能力培養為目標。德國工業4.0“精益學習工廠”以培養面向工業4.0需求的核心能力為目標，著力培養學習者在復雜環境下的工作能力和協調能力，以及創新創造能力、知識管理能力和商業思維，其培養目標體現了工業4.0背景下人才能力的新特點與新需求。三是將精益生產整合于完整的學習過程。德國工業4.0“精益學習工廠”將精益生產中的看板、價值流、拉動式生產等概念通過學習工廠的項目設計貫穿其中，并通過真實項目的操作，使學生能夠將理論聯系實際，更好地了解和掌握精益生產的方法和內容。四是商業運營和教育過程互嵌的整體化設計。德國工業4.0“精益學習工廠”將商業運營和教育過程進行整合設計，將價值鏈貫穿整個學習過程，實現了價值鏈與教育鏈的無縫對接。五是具有自我更新和可持續發展的能力。德國工業4.0“精益學習工廠”致力于發展可持續發展的運行模式，通過運行監控與反饋，動態調整面向行業需求和不同目標群體的學習環境與教學手段及內容。

（三）德國工業4.0“精益學習工廠”的構成要素

由于德國工業4.0“精益學習工廠”是一套整合了商業運營和教學過程的完整設計，是一個具有多價值鏈的生產主體和商業主體，具有教育功能的學習和實踐場所，因此，其運營和運作過程更為復雜，并牽涉到多方面要素，見表2。

三、德國工業4.0“精益學習工廠”系統化設計與運行——以德國達姆施塔特大學的“精益學習工廠”為例

達姆施塔特工業大學的CiP（工業生產力中心）學習工廠創建于2007年，該學習工廠 500平方米空間、2條加工線、9臺機床和2條裝配線，是一家以工業4.0精益生產為特色的學習工廠。CiP為學習者提供了15門課程和27天的工作坊學習實踐體驗，學習內容涵蓋了精益基礎知識、精益物料流、精益加工、精益質量、精益思維等模塊[8]。該中心通過數字技術與精益生產的深度融合，為受訓者提供真實生產流程、真實生產環境并能夠生產真實產品的整個企業價值鏈的實現過程的參與體驗，使學習者深度參與并了解產品從入庫原材料一直到成品包裝和運輸的整個生產流程，以提升受訓者面向工業4.0需求的實際工作實踐能力。

（一）總體設計與規劃

傳統的學習工廠基本都是由技術專家設計，側重于真實生產過程和真實工作條件的復制和影射，但是缺乏教學層面的整體設計，對于能力的有效性開發方面存在不足。面向工業4.0的德國“精益學習工廠”，以工業4.0能力培養為目標，融合了技術層面和教育層面的整體設計，因而有效解決了傳統學習工廠的不足，使面向工業4.0的人才培養更具實效性。

面向工業4.0的德國“精益學習工廠”的系統化設計圍繞3個層面進行：在宏觀層面，主要針對學習工廠的建設運營進行總體設計，包括學習工廠基礎設施的設計、生產環境以及教學部分的總體設計與安排;在中觀層面，主要對教學模塊的選擇和設定，以及子能力的確定和教學過程的規劃;在微觀層面，主要根據教學模塊和基本能力和子能力進行特殊教學情境的設定。這3個層面相互聯系，學習工廠的基礎設施建設需服務于教學模塊的設定，再根據教學模塊設定特殊教學情境，通過3個不同層面的設計與安排，最終實現從學習目標到學習能力的轉化。

（二）運行模式與操作

1.宏觀水平——學習工廠設計

在宏觀層面，首先需要確定學習工廠的基礎設計。學習工廠的基礎設計需滿足技術和教學兩方面目標的需要。傳統學習工廠的培養重點是技術和方法能力，而面向工業4.0的德國“精益學習工廠”則根據工業4.0的需求，對培養目標進行調整，使其側重于精益管理、運維、自動化和能源效率等方面的能力培養。

面向工業4.0的德國“精益學習工廠”學習目標，更加強調根據行業企業組織的發展要求來設定學習工廠的組織環境、組織目標和目標群體。組織環境主要關注成本壓力和質量問題，組織目標所關注的是縮短創新周期、減少浪費、提高績效和領導力等。學習工廠的基礎設施和教學環境需滿足真實生產和市場需求，需映射真實的工廠和產品生命周期的選擇，并構建工作站、工作單元和生產部門。在學習目標的指引下，運營組織將發揮重要作用，運營組織將根據組織環境來確定學習工廠的生產類型和產品類型，如孵化生產抑或是批量生產，是真實產品還是虛擬產品等。作為學習工廠的運營方，需考慮自身的組織目標，并同時考慮目標群體的需求，進行學習工廠的整體運營和管理設計。學習工廠的目標群體主要是指企業員工、學生、社會人員等。見圖1。

學習工廠的生產環境和教學環境的創設是相互影響和相互制約的，其設計需遵循真實性與廣泛性相結合的最優原則，真實性決定了學習環境的效果，廣泛性決定了能力應用的靈活性[10]。教學環境決定了發展和培養學習者預期能力所使用的教學方法和教學媒介，教學方法的選擇需依據教師的角色、學習過程的類型、材料資源等予以確定。

2.中觀水平——教學模塊的設計

在中觀層面，主要是進行學習模塊設計。教學模塊對應的是基本能力，這種能力來自于宏觀層面對于培養目標預期能力的設定。根據教學模塊所涉及的內容，可以將教學模塊分為若干主題，每個主題模塊都對應相應的子能力，并對應不同主題模塊的學習目標。為了使學習者獲得相關的子能力，需通過一系列教學活動使學習者獲取相應的子能力，同時還需要為學生提供相關的知識基礎作為行動能力的支撐，這些知識包括技術知識、過程知識和概念知識。在教學模塊設計時，應考慮所有類型的知識，以保證學習模塊的教學方向。教學模塊作為一套系統性的結構化設計，可以保證知識與行動相對應，從而保證學習者所需能力的達成。教學模塊設計具有針對性，即只針對所需的能力進行設計，與預期能力不相關的活動將不會出現在教學模塊活動當中，以確保能力培養的目標性和實效性。

以下，將通過達姆施塔特大學精益學習工廠 CiP的具體案例，介紹工業4.0精益學習工廠的教學模塊設計。

表4展示了達姆施塔特大學精益學習工廠CiP的學習模塊“精益生產的質量技術”的具體設計。該學習模塊的目標能力是熟練應用Jidoka的方法和工具，Jidoka是豐田生產系統的一部分，用于消除和預防缺陷和返工。學習模塊的設定中，核心能力被分解為包括Andon①工具的開發與應用在內的若干子能力，相應行動能力和所需知識的基礎也隨之確定。針對Andon開發與利用所需的行動能力包括Andon system②的設計與物理實現和使用Andon規劃問題升級的流程，所需的知識基礎包括Andonboard③的基本概念、功能以及Andon規劃與升級的相關知識。

在具體操作層面，學習者首先需設計一個物理層面的Andon系統，接下來他們需要在工廠中使用給定的邊界和條件來規劃升級過程。在學習模塊的理論部分，需通過概念介紹的方法給定學生相關的知識，并作為獲取實踐能力的基礎。作為學習活動的實驗和探索活動與專業表現有關，例如生成專業信息材料，解決與工作相關的問題，制定、實現和審查目標。探究法是發現新知識的有效行動方法，實驗法則可以將新的知識和行動方法加以應用、實施和實現。根據理論教學和實驗活動的先后順序，教學方式可以分為“理論推動型學習”或“問題拉動式學習”。所謂“理論推動型學習”是指先傳授關于某個主題的理論之后解決出現的問題情況;“問題拉動式學習”指在面對未知問題的情況下，通過探究尋求問題解決的途徑，然后針對問題傳授相關知識和理論，在學習中測試建議的解決方案，最后通過反思和檢查活動，比較分析得出結果，進而對學習模塊進行反饋更新。學習者通過反思活動，可以檢查自身決策和行動的正確性和有效性，教師則可以通過考核檢視學生的學習效果，并對教學質量進行評估[13]。

3.微觀水平——學習情境的設計

微觀層面指微觀層面的學習活動設計。微觀層面的設計根據中觀層面的子能力設定，進行具體的教學場景設計實現相應的活動安排。微觀層面的設計以培養面向工業4.0能力為目標，致力于培養和提升學習者在未知環境中的自組織能力和解決問題的能力。在微觀層面，需要進行具體學習活動的設定。微觀教學情境設定以中觀層面的能力識別為基礎，設計具體的學習活動以及執行這些操作的具體場景。通過問題情境的設置，學習者在行動組織和行動中獲取未知環境中自組織的行動能力，從而最終實現預期的目標能力。

以下以達姆施塔特大學精益學習工廠CiP的學習模塊“柔性生產系統”為例，介紹精益學習工廠微觀層面教學情境的具體設計和實施步驟。

表5顯示了學習工廠微觀層面教學情境設定中的3個步驟：步驟一，對能力進行分解;步驟二，創建活動場景;步驟三，創建活動任務。通過以上3個步驟，子能力目標被轉化為具體的教學活動場景，并通過具體行動任務將目標轉化為具體能力的實現。在具體的目標任務執行過程中，要選擇相應的教學媒介、學習產品、教學活動和方法以及學習交互方式。選擇的教學媒體可以是演示文稿、生產設施、組件、模型、圖紙等，學習產品包括草圖、筆記、活動掛圖、工作表等，學習任務和教學方法要根據學習目標進行系統設計，交互規劃確定培訓師、媒體和學習者之間的互動關系（例如團隊合作、獨立工作、合作伙伴等）[14]。

四、德國工業4.0“精益學習工廠”模式對我國產教融合人才培養的啟示

德國工業4.0“精益學習工廠”通過對以能力為導向和以科學為基礎的教學理念進行改造，發展了一套致力于學習者面向工業4.0需求能力培養的系統方法，通過學習環境的系統化配置，為學習者提供更具實效性的學習實踐體驗。為我國培養面向未來智能工業發展需求的工程技術與管理人才提供了啟示。

（一）明確面向智能工業發展需求的能力培養目標

為提升本國制造業的國際競爭力，德國政府不遺余力地推動面向未來的智能工業發展，以國家政策引導的方式，積極推進工業4.0的發展進程，將工業4.0人才培養作為教育與培訓領域優先發展的戰略重點。德國教育界，特別是各大高校積極響應，對于面向工業4.0需求的人才能力體系和培養目標進行了深入研究，形成了與行業發展緊密關聯的科學的人才能力培養預測機制，為面向工業4.0人才培養提供了堅實的基礎和準確的依據。此外，德國高校還展開了一系列面向工業4.0的教學改革，工業4.0“精益學習工廠”就是面向智能產業發展需求的一種全新探索與嘗試。面向工業4.0的德國“精益學習工廠”將工業4.0的信息聚集、工業自動化、精益生產等概念融入實踐教學，通過產業界與教育界的跨界合作，構建集教學、培訓、研究功能為一體的實踐型學習工廠，通過真實的場景和產品生產過程，使學生在實踐操作中全面獲取面向工業4.0的實際社會技術和管理經驗。

在全球智能工業迅速發展和激烈競爭的背景下，培養適應未來智能工業發展需求的高素質創新型人才，已成為各國高等教育發展的重點。當前，我國高等教育實踐教學還存在著理論與實踐脫節、教學內容與產業發展相對滯后的問題。因而，我國應當借鑒德國面向工業4.0的學習工廠教學模式，明確人才培養目標，更新教學方法和理念，加強產教融合，將智能工業生產要素融入教學，培養適應我國智能工業發展需要的高素質人才。

（二）實現從宏觀的建設運營到微觀教學實施的系統化設計

德國工業4.0“精益學習工廠”實現了教學、工廠和技術的系統設計和統合管理，能夠更為精準并更具實效性地培養學習者面向未來工業發展需求的能力。在宏觀層面，對學習工廠的建設運營進行總體設計，確定了學習工廠的社會技術目標和教學的根本目標及與之匹配的軟硬件條件;在中觀層面，對教學模塊進行選擇和設定，確定了子能力目標和具體教學過程;在微觀層面，對特殊教學情境進行了具體設定。這3個層面相互聯系，實現了各種要素的整合設計和管理，為學習者提供了在真實工廠環境中進行自主學習的機會，保證了教學設施、環境、內容、方法聚焦于和服務于學習者面向工業4.0能力目標的達成。

借鑒德國工業4.0精益學習工廠的經驗，我國高等教育實踐教學應加強高校和產業界之間的聯系，通過技術專家和教育專家的深度合作，共同商討實踐教學的整體設計方案，根據面向未來智能工業發展對人才能力的需求，有針對性地在建設目標、基礎設施、教學環境、教學方法與手段、教資配備、教學模塊設計、教學情境設定和教學過程與實施、教學跟蹤與反饋等方面進行系統化設計，以保證實踐教學與產業發展的緊密聯系，實現實踐教學的高實效性和高產出率。

（三）將價值鏈管理和精益生產融入教學過程

工業4.0時代，信息通訊技術的應用使得精益管理在企業生產和管理中發揮出更大作用。德國的高等教育越來越意識到價值鏈管理與精益生產在推動工業4.0發展中的作用，已將其列為面向工業4.0需求的重要培養目標，并在實踐教學過程中予以側重。為發展學生面向工業4.0的商業管理和運維能力，德國的亞琛工業大學、波鴻魯爾大學、達姆施塔特大學、多特蒙德大學、漢諾威大學、卡爾斯魯厄大學、布萊梅大學、凱澤斯勞騰大學、慕尼黑工業大學等都建立了精益學習工廠，通過精益組織與管理、流程改造等方式，將精益生產的概念與內容融入教學過程。

針對當前我國企業的發展瓶頸，有專家指出中國企業與世界先進企業之間的距離主要不在于生產設備等硬件層面，而是在于管理和生產方式等軟實力，實行精益生產是解決中國企業發展問題的一個良好對策[15]。未來我國智能工業發展更加需要把先進的信息通信技術應用于精益生產和管理中，如何在實踐教學中更好地將兩者相結合，德國工業4.0精益學習工廠在課程模塊開發設計、教學情境設定和教學過程實施方面提供了有益借鑒。目前，我國已經有高校開始借鑒德國精益學習工廠模式開展實踐教學，如同濟大學就率先建立以“價值流程圖”為主題的精益學習工廠，并取得了積極效果[16]。但是，從全國范圍來看，精益學習工廠在我國的發展還僅僅處于一個開端，需要進一步根據我國產業發展需求，對德國的工業4.0精益學習工廠進行吸收借鑒，并逐漸加以推廣應用。

參 考 文 獻

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Abstract ?Guided by behaviorism and ability-based orientation conceptions， the Industry 4.0“Lean Learning Factory”in Germany is aiming at fostering and promoting the learnerscomprehensive ability to meet the demands of Industry 4.0. Through cooperation between the stakeholders of education and industry， the value chain management is carried out throughout the learning process. With an organic design of the learning factory in three levels as a whole， namely， the factory facilities and management at the macro level， the teaching module at the meso level and the teaching situation at the micro level， the systematic construction of the learning factory is realized with the integration of technology， production and teaching elements， which can promote the learnerscompetence for the demand of Industry 4.0 in an effective way. With reference to Industry 4.0“Lean Learning Factory”in Germany， suggestions for the innovative development of “industry-education integration”talent training model of China's intelligent industry are put forward.

Key words ?industry-education integration; Germany; industry 4.0; Lean Learning Factory

Author ?Li Yi， research associate of Shenzhen Institute of Information Technology （Shenzhen 518172）