德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”的構建理念與實施路徑

李 一

當今世界已經進入了以“智慧生產”為標志的智能工業(yè)時代，科技發(fā)展使產業(yè)結構發(fā)生了巨大變化，如何培養(yǎng)適應智能工業(yè)發(fā)展和時代需求的合格人才，成為支撐各國未來工業(yè)發(fā)展的關鍵。學習工廠作為一種將教育與生產結合最為緊密的教學模式，20世紀90年代誕生于北美，后來在歐洲、南美、亞洲等地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)。為了應對工業(yè)4.0對職業(yè)教育的挑戰(zhàn)，德國提出了教育4.0戰(zhàn)略，在這一戰(zhàn)略實施的背景下，德國職業(yè)教育各參與主體通過協(xié)作創(chuàng)新，將以人工智能、大數(shù)據、5G技術為主要標志的工業(yè)4.0技術與生產和教學進行深度融合，構建了全新樣態(tài)的工業(yè)4.0“智慧學習工廠”，在智能工業(yè)人才培養(yǎng)方面表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，受到全球教育界的廣泛關注。

德國的職業(yè)教育歷來有產教融合和雙元育人的傳統(tǒng)，凱興斯泰納的國民教育理論奠定了德國雙元制的基石[1]。通過產業(yè)界與職業(yè)院校的密切合作，使學生同時掌握理論知識和實踐能力，是德國職業(yè)教育一直秉持的傳統(tǒng)與特色。德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”不僅承襲了這一傳統(tǒng)，而且在德國職業(yè)教育4.0改革背景下，通過對學習系統(tǒng)的數(shù)字化、智慧化改造，將企業(yè)資源和學校資源進行整合，實現(xiàn)了工業(yè)4.0技術、智慧生產和教育的深度融合，為受訓者提供了真實的工業(yè)4.0生產環(huán)境和真實產品生產過程的全參與式體驗，能夠全方位提高受訓者與產業(yè)發(fā)展同步的技術技能和軟技能，極大提高了智能工業(yè)時代產教融合雙元育人的效率和有效性，成為全球職業(yè)教育4.0改革的典范，為我國職業(yè)教育產教融合、科教融匯的縱深推進及智能工業(yè)人才培養(yǎng)改革創(chuàng)新提供了有益借鑒。

一、德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”出現(xiàn)的背景

（一）從“工業(yè)4.0”到“職業(yè)教育4.0”——德國職業(yè)教育改革新動向

數(shù)字化時代，智能數(shù)字化已經成為社會發(fā)展進步的重要動力和源泉，產業(yè)的升級與發(fā)展將越來越依賴于智能與資源使用效率的提高和信息通信技術的進步，物聯(lián)網和智能制造對于未來完全數(shù)字化生產愿景的實現(xiàn)將產生決定性作用，這一生產制造業(yè)的重要發(fā)展與變革，通常被業(yè)界和學術界稱為“第四次工業(yè)革命”或“工業(yè)4.0”[2]。

工業(yè)4.0引發(fā)了經濟社會領域的數(shù)字化創(chuàng)新，同時也加速了工作世界的結構轉型和培訓職業(yè)的變遷，給職業(yè)教育的整體目標、教育理念、學習環(huán)境和培養(yǎng)方案帶來新挑戰(zhàn)[3]。對此，德國提出了職業(yè)教育數(shù)字化戰(zhàn)略，即“職業(yè)教育4.0”戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略致力于推進德國的職業(yè)教育數(shù)字化轉型，突出教育過程中數(shù)字技術的應用。從2016年開始，德國聯(lián)邦政府頒布了一系列政策文件，推動職業(yè)教育的數(shù)字化發(fā)展，包括《面向數(shù)字化知識社會的教育行動》《“職業(yè)教育4.0”框架倡議》等。此外，德國還將數(shù)字化作為中長期教育改革的重點內容[4]。

德國的職業(yè)教育從注重面向日常生活的“職業(yè)教育1.0”，注重工作專業(yè)化的“職業(yè)教育2.0”，注重行動過程導向的“職業(yè)教育3.0”，發(fā)展到了當今以數(shù)字化為導向的“職業(yè)教育4.0”。德國“職業(yè)教育4.0”戰(zhàn)略致力于通過數(shù)字技術革命推進職業(yè)教育的改革創(chuàng)新。為推動德國職業(yè)教育的數(shù)字化發(fā)展，德國積極利用高校、企業(yè)和跨企業(yè)培訓中心創(chuàng)設數(shù)字化教學與學習環(huán)境，建設覆蓋多元參與主體日常運行的智能終端，以科技賦能教育，利用前沿數(shù)字科技實現(xiàn)優(yōu)質資源整合與職業(yè)教育人才培養(yǎng)質量“共生共長”[5]。

（二）德國工業(yè)4.0時代人力資源能力需求與職業(yè)教育培養(yǎng)目標的新變化

工業(yè)4.0時代，生產方式的變革促進了人力資源能力需求的新變化。以往重復性或常規(guī)性的工作任務將主要由機器完成，對于企業(yè)員工而言，更加需要他們具備創(chuàng)新和創(chuàng)造能力以及在未知情況下解決問題的能力[6]。此外，由于智能機器人和智能系統(tǒng)的介入，使得指導和監(jiān)視活動不斷增加，企業(yè)員工需要處理實時生成的大量信息，以及進行人機交互和機器通信，因而個人的主體性、自組織能力和行動能力也被認為是工業(yè)4.0時代企業(yè)員工不可或缺的重要能力[7]。

工業(yè)4.0時代需要大批具備包括個人能力、社交能力、行動能力、數(shù)字能力等的技術技能和軟技能在內的自組織能力和工作勝任力的管理者和企業(yè)員工。生產領域這一人力資源需求的變化，無疑對職業(yè)教育的發(fā)展提出了更高要求。工業(yè)智能化、數(shù)字化召喚著職業(yè)教育的數(shù)字化變革與進步，德國職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略提出通過數(shù)字化策略和創(chuàng)新解決方案提升職業(yè)教育和培訓與產業(yè)發(fā)展的契合度和人才供給能力，在培養(yǎng)目標的設定上不僅關注學生的專業(yè)技術技能，而且特別注重學生在工業(yè)4.0環(huán)境中可遷移職業(yè)能力的培養(yǎng)，包括批判性思維、團隊意識、交際能力和創(chuàng)新能力等。

（三）工業(yè)4.0時代學習工廠數(shù)字化、智能化升級與迭代

學習工廠并不是一個全新的概念，最早的學習工廠出現(xiàn)在美國，美國早期的學習工廠又被稱為“教學工廠”，因其較側重于學生在教師口傳身授下利用學科知識來解決工業(yè)中的實際問題，并開發(fā)和設計新的產品以獲取真實生產環(huán)境的實踐經驗[8]。21世紀以來，“學習工廠”的熱度逐漸增加，其重心也由美國轉移至歐洲，在德國、丹麥、奧地利、瑞典、希臘等國出現(xiàn)了多種形式的旨在增強學員在一個或多個知識領域學習體驗的“學習工廠”。2007年，德國的達姆施塔特技術大學建立了CiP學習工廠，成為這一新浪潮的早期學習工廠之一。在CiP學習工廠，可以生產與真實工廠相同的產品，并可呈現(xiàn)產品從原材料到運輸產品的完整價值流。2014年，由德國等國發(fā)起，在國際范圍內啟動了“CIRP學習工廠協(xié)作工作組”，以構建圍繞行動導向的學習和學習工廠的共同綱領和話語，加強全球最新學習工廠理論和經驗的交流與分享。

近年來，在德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略以及職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略的積極推動下，以物聯(lián)網、云計算、人工智能等工業(yè)4.0技術應用為標志的新型智慧學習工廠的探索和實踐日益成為學習工廠發(fā)展的新方向和新亮點[9]。面對工業(yè)4.0對人才能力的新需求，如何確定進行數(shù)字化教學的適當領域并使信息技術在教育領域得以有效利用，如何使學習者獲取面向工業(yè)4.0需求的能力，已經成為當今教育要解決的根本問題。通過科技賦能，結合高校、企業(yè)的雙元優(yōu)勢，以高信息化、智能化為主要特征的德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”為工業(yè)4.0時代教育所面臨的種種挑戰(zhàn)提供了有效的解決途徑，為推動全球教育4.0改革提供了實踐支撐。

二、德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”的內涵與特征

（一）德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”的內涵

為提升德國本土制造業(yè)的國際競爭力，提升德國人力資源水平，并使之成為工業(yè)4.0的重要支撐，德國積極發(fā)展各種面向工業(yè)4.0的企業(yè)人員和學生的能力培訓。通過與產業(yè)界和企業(yè)的密切合作，德國高校構建了一種面向智能工業(yè)需求的工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”。

德國最初的學習工廠誕生于20世紀90年代，這些學習工廠以應用為導向，通過真實的生產任務訓練學生在真實工作場景中的實際工作能力。此后，德國又出現(xiàn)了以“學習車間”為標簽的“教學工廠”，此種教學工廠主要以教師為主體，強調教師（師傅）對學生（學徒）技能的傳授與指導。而工業(yè)4.0智慧學習工廠則通過數(shù)字技術的賦能，重構了教學主體的關系，更加注重學生主體性的發(fā)揮，通過智慧化教學環(huán)境和真實的生產任務訓練和培養(yǎng)學生在真實生產環(huán)境中的工作勝任力。在這一過程中，教師和技術成為學生獲取能力的促進者和輔助手段。

德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”是一種以能力為導向，整合了工業(yè)4.0技術、商業(yè)運營和教學過程的完整設計。一方面，其是一個多價值鏈的生產主體和商業(yè)主體；另一方面，其是具有豐富和強大教育教學功能的學習和實踐場所，為學習者提供了更具實效性的工業(yè)4.0學習實踐體驗。德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”通過工業(yè)4.0 CPS平臺的構建和部署，使整個教學過程實現(xiàn)仿真化和可視化，實現(xiàn)了企業(yè)價值流的數(shù)字化全過程呈現(xiàn)。受訓者可以在這一實操過程中對生產流程和工業(yè)4.0技術獲得更全面的了解，并能夠勝任工業(yè)4.0的工作任務，從而更好地通過數(shù)字化技術的應用提升企業(yè)的生產效能。德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”不僅為學習者提供真實的產業(yè)工作場景和實踐體驗，而且能夠使學習者接觸到最新的工業(yè)數(shù)字化技術應用，因而被認為是培養(yǎng)面向工業(yè)4.0的企業(yè)生產、管理人才的有效途徑。德國工業(yè)4.0產教融合學習工廠為面向工業(yè)4.0需求的人才培養(yǎng)提供了有效解決方案，受到各國工業(yè)界和教育界的關注。

（二）德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”的特征

德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”為學習者提供了在真實工廠環(huán)境中進行自主學習的機會，并通過實踐將學習者已掌握的概念轉移到未知問題情境中以發(fā)展其新的能力。作為一種以工業(yè)4.0能力為導向的系統(tǒng)化設計，德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”能夠提供真實的工業(yè)4.0生產環(huán)境，對于學習者理論知識和實踐能力的發(fā)展具有突出優(yōu)勢和特色，為面向工業(yè)4.0人力資源的職業(yè)教育與培訓提供了有力支撐。德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”與傳統(tǒng)的學習工廠以及其他實踐教學機構相比較，具有以下特征。

1.基于工業(yè)4.0能力需求的教學目標與定位

德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”根據工業(yè)4.0時代人力資源必備能力，確定數(shù)字化技術環(huán)境和培訓目標，并在學習和培訓中通過復雜的任務實操，對學習者進行工業(yè)4.0能力的塑造與提升。德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”將工業(yè)自動化、精益生產、工業(yè)信息聚集等概念融入教學，通過與產業(yè)界的跨界合作，構建以實踐為基礎，集教學、科研與培訓等功能為一體的學習集群型組織。學生通過真實的場景和真實產品生產過程的實踐操作體驗，能夠獲得面向工業(yè)4.0的工作技能和管理經驗。

2.基于產業(yè)價值鏈的教學模塊與教學活動設計

德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”強調完整的價值鏈創(chuàng)造，其教學模塊與教學活動均圍繞價值鏈的形成進行組織和設計。工業(yè)4.0“智慧學習工廠”運用產品生產周期管理（PLM）平臺進行產品信息管理，賦予學習者以生產管理者的角色，使學習者深度參與并體驗工業(yè)價值鏈形成的全過程。價值鏈活動往往包含新產品的開發(fā)與設計，工業(yè)4.0“學習工廠”通過精益生產、生產管理和可變制造系統(tǒng)和面向產品生命周期的設計面向產品生命周期各環(huán)節(jié)的設計①DF X 是De s i g n for X（面向產品生命周期各環(huán)節(jié)的設計）的英文縮寫，其中X代表產品生命周期的某一環(huán)節(jié)或特性，如可制造性（Manufacturability）、可裝配性（Assembly）、可靠性（Reliability）等。DFX主要包括：可制造性設計DFM（Design for Manufacturability）、可裝配性設計DFA（Design for Assembly）、可靠性設計DFR（Design for Reliability）、可服務性設計DFS（Design for Serviceability）、可測試性設計DFT（Design for Test）、面向環(huán)保的設計DFE（Design for Environment）等。（DFX）等教學模塊和教學活動的設計與安排，以全面提升學生知識和技能的遷移能力，使學生適應不斷變化的生產條件和市場需求。

3.基于智慧工業(yè)CPS的教學平臺構建與部署

物理信息系統(tǒng)（CPS）是物理的資產和計算能力之間相互連接的管理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使得工廠組織的全部產能可以通過信息的可視化呈現(xiàn)和管理，最大限度地實現(xiàn)決策的優(yōu)化、效率的提升和生產資源最有效的利用，以最終實現(xiàn)生產系統(tǒng)的去中心化和自動化。

德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”通過CPS平臺的構建和部署，使整個教學過程實現(xiàn)仿真化和可視化，實現(xiàn)了企業(yè)價值流的全過程呈現(xiàn)，使學習者能夠在實操過程中對流程和新技術有更全面的了解，并能夠勝任工業(yè)4.0新型技能的工作任務，更好地通過數(shù)字化技術提升企業(yè)的生產效能。

4.基于ICT技術的智能工業(yè)教學環(huán)境創(chuàng)設

工業(yè)4.0利用ICT技術實現(xiàn)客戶、供應商、機器和操作者之間的信息傳輸和信息實時管理，并籍此進行生產要素系統(tǒng)評估以實現(xiàn)科學和優(yōu)化決策，這是工業(yè)4.0的重要特征。為了培養(yǎng)學生面向工業(yè)4.0的數(shù)字技術認知和應用能力，德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”以ICT基礎設施作為生產和教學的支持。ICT基礎設施包括PLM平臺、無線因特網、無線3D打印機、遠程在線系統(tǒng)和信息展示設備、智能裝配產線等。這些ICT基礎設施能夠支持完整的價值鏈，并通過數(shù)據來源、數(shù)據獲取、數(shù)據傳輸、數(shù)據信息轉換、信息管理、信息可視化技術實現(xiàn)對生產的全流程可視化管理[10]。

三、德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”的實施路徑

德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”以行為主義為指引，以培養(yǎng)學習者面向工業(yè)4.0需求的能力為目標，強調學習者在工業(yè)4.0真實工作場景中和數(shù)字化工作環(huán)境中自組織、自適應性的形成和自我賦能過程，致力于學習者基于工業(yè)4.0工作的綜合實踐能力與實際工作勝任力的提升。通過 “教學層”“管理層”和“技術層”三個層面的系統(tǒng)設計與整合，實現(xiàn)了教學過程與生產過程的深度互嵌。本研究以德國CiP學習工廠②達姆施塔特技術大學的工業(yè)生產力中心（CiP）學習工廠占地面積共500平方米。CiP學習工廠得到了德國博世（Bosch）、德國塞爾（SEW）和德國麥肯錫（McKinsey）等知名企業(yè)的資金和技術支持，并與20多家企業(yè)形成了長期的合作伙伴關系。在聯(lián)邦經濟事務和能源部的資助下，CiP學習工廠在萊茵-美因地區(qū)建立了CiP學習工廠的SME能力發(fā)展中心（中小企業(yè)能力發(fā)展中心），該中心針對工業(yè)4.0的主題進行培訓，并針對中小型企業(yè)推廣生產環(huán)境數(shù)字化的概念。為例，解析“智慧學習工廠”的實施路徑。

（一）教學層

德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”根據工業(yè)4.0的人才培養(yǎng)目標，將真實項目融入教學模塊和教學情景的設計，系統(tǒng)再現(xiàn)4.0的真實工作任務和工作場景，突出學習內容的真實性和學習的實效性。

CiP學習工廠根據工業(yè)4.0對精益生產和柔性加工能力發(fā)展的需求，將提升學習者（高校學生、企業(yè)員工等）數(shù)字信息識別能力、獨立4.0價值流分析能力、工業(yè)4.0環(huán)境下的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力作為教學目標。該中心通過先進數(shù)字技術與生產管理深度融合，為受訓者提供真實生產流程、生產環(huán)境和真實產品生產的參與體驗，并讓受訓者在真實學習環(huán)境中訓練后，直接在虛擬空間中進行遷移導向的動作任務，使學習者能夠深度了解整個生產流程，并實現(xiàn)生產的個性化適配和調整，以最終提升受訓者面向工業(yè)4.0需求的工作能力[11]。

（二）管理層

德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”將基于價值鏈形成的生產管理與教學過程相整合，操作過程覆蓋產品設計、物流管理、生產計劃和控制活動的全過程等活動，以提升學習者的工業(yè)系統(tǒng)化思維和全價值鏈能力。

CiP學習工廠采用真實的產品生產項目實施教學，這些項目包括氣壓缸（全生產流程）、齒輪電動機（可變組件）等的生產加工，完整模擬了工業(yè)4.0生產的真實生產環(huán)境，將緊湊型氣缸的完整生產價值鏈映射到多階段制造過程中，整個操作涵蓋了原材料的交付、加工、質量控制、組裝和包裝及運輸?shù)娜^程。學習工廠圍繞內部物流和工廠管理進行映射，組裝單元的模塊化設計允許參與者快速更改組織和生產線設計。通過教學模塊的實操和學習，學習者可以根據自己的經驗理解概念，設計和應用精益生產方法。CiP學習工廠的教學過程主要分為三個階段：第一階段，從理論上講授工業(yè)4.0精益生產的概念和方法；第二階段，對學習者進行包括加工、組裝、物流和質量保證等流程的講解和訓練；第三階段，為學習者提供更多示例，說明如何使用工業(yè)4.0技術工具優(yōu)化生產過程。最后，通過實操訓練，學習者提出自己的優(yōu)化方案，進行實際測試，并直接進行實施[12]。

為保證CiP學習工廠的教學模塊與產業(yè)發(fā)展保持同步，該中心通過云服務器在全球范圍內尋求最佳解決方案，并據此創(chuàng)建學習工廠模塊，在此基礎上，開發(fā)、構建并配備了必要的軟件，以物理、移動演示程序的形式確定具體的學習工廠模塊，在CiP學習工廠內搭建與之匹配的軟硬件環(huán)境，通過在不同合作企業(yè)及分支機構進行測試，然后將其用于培訓和演示，并在實踐中對于培訓模塊進行不斷迭代優(yōu)化。

（三）技術層

德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”將工業(yè)物聯(lián)網（Iiot）、數(shù)字物理系統(tǒng)（CPS）、工業(yè)自動化、智能機器人、PLM③PLM，即產品生命周期管理（Product Lifecycle Management）的英文縮寫，PLM是一種應用于在單一地點的企業(yè)內部、分散在多個地點的企業(yè)內部，以及在產品研發(fā)領域具有協(xié)作關系的企業(yè)之間的，支持產品全生命周期的信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應用的一系列應用解決方案，它能夠集成與產品相關的人力資源、流程、應用系統(tǒng)和信息。等產業(yè)發(fā)展的新技術融入整個教學過程，以提升學習者面向工業(yè)4.0的數(shù)字化思維和數(shù)字化能力。

CiP學習工廠真實產線環(huán)境搭建，硬件設施包括：車床索引C65、銑床Deckel Maho DMC 50H超市、流水線氣缸、示范者精益加工學習單元Heijunka-Board④Heijunka即均衡化生產，均衡化生產是指在固定的生產周期內，平衡產品的類型與數(shù)量，以避免大量生產的同時，有效地滿足顧客的需求，最終帶來整個價值流的最優(yōu)化的庫存、投資成本、人力資源以及產品交付期。Heijunka-Board（均衡化生產板）是一種應用精益原則和流程的制造和服務組織提供創(chuàng)新有效的精益視覺管理工具和解決方案。、裝配線減速電機等。CiP學習工廠使用CPS智慧數(shù)字系統(tǒng)進行操控，以實現(xiàn)可變的價值鏈。通過工業(yè)4.0技術的介入，提高工廠的產能和效能，降低成本和能耗，靈活滿足客戶的個性化需求。學習者通過一系列的理論學習和實操，掌握店面管理策劃和實施的數(shù)字能力，并能夠運用數(shù)字化技術，實現(xiàn)精益化生產以提升產品的質量和效能。CiP學習工廠的工業(yè)4.0培訓平臺可以提供預測性維護、能耗監(jiān)控、循環(huán)取貨或集貨配送4.0、引導過程、數(shù)字車間管理、產品導向流程、智能工人輔助系統(tǒng)、數(shù)字網絡等培訓[13]。

為推動職業(yè)教育的數(shù)字化升級，德國政府提出并實施了職業(yè)教育4.0戰(zhàn)略，并出臺相關法律加強職業(yè)院校的數(shù)字化建設。此外，德國還提供數(shù)億歐元的專項資金，推動職業(yè)教育的數(shù)字化改革與升級。政府的政策推動和資金支持為工業(yè)4.0智慧學習工廠的建設提供了政策和資金保障，同時也為德國工業(yè)4.0學習工廠的數(shù)字化與智慧化迭代升級提供了條件。通過工業(yè)4.0智慧學習工廠學習實踐平臺的構建，讓學生了解并參與到工業(yè)4.0環(huán)境下智慧生產的全過程，并在此過程中提升其技術創(chuàng)新、技能遷移和可持續(xù)發(fā)展能力。為實現(xiàn)這一目標，需要職業(yè)教育各參與主體的協(xié)同創(chuàng)新、深度合作，全方位提高職業(yè)教育的數(shù)字化育人能力，多元主體的深度參與與協(xié)作創(chuàng)新是工業(yè)4.0智慧學習工廠建設的重要前提。

總體來看，職業(yè)教育的數(shù)字化變革，不僅需要教師和學生掌握信息化技能和工具，而且更重要的是管理者能夠從宏觀角度進行教育技術和信息化集成的設計與實現(xiàn)。充分利用人工智能、機器學習、云計算、大數(shù)據等技術手段賦能職業(yè)教育，實現(xiàn)生產、管理、技術三者的系統(tǒng)化設計，并實現(xiàn)教學組織、管理、評價、教學方法和手段的系統(tǒng)化整合，這是工業(yè)4.0智慧學習工廠建設的根本路徑。

四、德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”對我國智能制造人才培養(yǎng)的啟示

（一）智能工業(yè)時代我國智能制造人才培養(yǎng)面臨的問題與挑戰(zhàn)

隨著全球競爭的加劇，為了適應不斷變化的技術、社會和經濟發(fā)展趨勢，我國需要培養(yǎng)大批具有廣闊視野、掌握新技術并具備數(shù)字能力的高素質人才。此外，工業(yè)4.0的發(fā)展使現(xiàn)代制造系統(tǒng)的設計和操作變得越來越復雜，需要將技術運用的整體思維與能力全面擴展到學生實踐教學和培訓的整體內容中。然而我國傳統(tǒng)的教育模式存在一系列問題，如缺乏明確的針對智能工業(yè)新發(fā)展需求的人才培養(yǎng)目標定位，教育教學的內容缺乏全面性，對學生新技術的意識和素養(yǎng)的培訓不足，教學內容和平臺與最新的工業(yè)技術結合不緊密，這些問題影響了實踐教學的質量和效果。

1.缺乏對于智能工業(yè)的深刻理解

目前，我國在智能工業(yè)人才培養(yǎng)方面雖然已經認識到了工業(yè)4.0技術對智能制造帶來的巨大變革，但是對于智能工業(yè)仍缺乏深刻的理解，這導致智能工業(yè)人才培養(yǎng)目標和規(guī)格的模糊不清。“智能工業(yè)”作為一種新鮮事物，對其的接受和理解還需要一個過程。如若不能明確新的智能工業(yè)人才培養(yǎng)目標，就無法有針對性地培養(yǎng)符合未來行業(yè)發(fā)展和崗位需求的新時代智能工業(yè)人才，無法為中國智造提供充分的人力資源支持。

2.缺乏系統(tǒng)化的設計與運營

我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學缺乏系統(tǒng)化設計與運營。在缺乏整體的建設目標、基礎設施、教學環(huán)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(tǒng)化設計的前提下，將無法實現(xiàn)實踐教學與產業(yè)發(fā)展的緊密聯(lián)系，也無法保障實踐教學的高實效性和高產出率。

3.缺乏行業(yè)企業(yè)的深度參與互動

我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)長期存在著理論與實踐相脫節(jié)、學校教學與行業(yè)發(fā)展相脫節(jié)、教學人員缺乏產業(yè)背景和生產技術與商業(yè)運行相結合的整體思維，教學項目單一孤立，缺少企業(yè)真實項目的支撐，缺乏真實項目教學運行的條件和環(huán)境支撐等一系列問題。校企合作普遍存在“局域合作”“表層合作”“碎片合作”等低效循環(huán)現(xiàn)象[14]。對于實踐教學項目的設計，通常是局部引用企業(yè)的簡單項目操作，由于缺乏真實的企業(yè)生產環(huán)境支持，教學和培訓的效果大打折扣。

4.缺乏教學、生產、新技術的系統(tǒng)化整合

工業(yè)4.0技術與生產的融合是智能工業(yè)發(fā)展的重要前提。在職業(yè)教育與培訓中，僅僅進行單一的技術培訓是不夠的，更重要的是使學習者形成技術與生產相結合的整體思維，并在教學項目的設計、教學環(huán)境的創(chuàng)設、教學實施的過程中著力實現(xiàn)技術、生產與教學之間的高度整合。然而在我國當前的職業(yè)教育與培訓中，教學、生產、新技術往往處于相互分離的狀態(tài)，無法滿足智能工業(yè)人才培養(yǎng)的新要求。

近年來，在我國職業(yè)教育領域，盡管已經進行了一些有益的探索，但仍不足以滿足當前和未來的需求。因此，有必要進一步深化教育教學方法的改革，借鑒德國先進的工業(yè)4.0學習工廠的教育模式，提升我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)的水平。

（二）德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”對我國智能制造人才培養(yǎng)的啟示

為了推動德國制造業(yè)的數(shù)字化升級，培養(yǎng)德國智能制造的高素質人才，德國通過政策驅動和資金投入支持德國職業(yè)教育的數(shù)字化變革，這為德國工業(yè)4.0智慧學習工廠的建設提供了保障，為德國工業(yè)4.0學習工廠的迭代與升級提供了條件。職業(yè)教育各參與主體的深度合作與協(xié)同創(chuàng)新，為德國工業(yè)4.0智慧學習工廠建設與實現(xiàn)提供了重要前提。利用人工智能、機器學習、云計算、大數(shù)據等技術手段賦能職業(yè)教育，實現(xiàn)學習工廠生產、管理、技術的系統(tǒng)化設計和整合，是工業(yè)4.0智慧學習工廠建設與實現(xiàn)的根本路徑。德國工業(yè)4.0產教融合“智慧學習工廠”模式為我國智能工業(yè)人才培養(yǎng)提供了先進的方法和借鑒。

1.以產教融合平臺為載體促進智能工業(yè)教育資源的整合

未來的中國制造，需要掌握獨特的工業(yè)4.0“工業(yè)語言”。工業(yè)生產不應局限在生產領域的狹窄范圍內，而需要與信息技術緊密結合，更好地發(fā)揮信息技術的作用。教學方面，應注重理論與實踐的結合以及學科交叉，通過工業(yè)4.0“智慧學習工廠”產教融合平臺，讓不同學科的人員組成智能制造項目組，實現(xiàn)教學部門與生產部門、技術研發(fā)部門的深度合作，實現(xiàn)行業(yè)、學科的跨界融合。

為實現(xiàn)這一目標，需要政校行企在人才培養(yǎng)方面進行有效合作。政府方面需要通過政策供給和政策引導鼓勵和支持院校與行業(yè)之間深度合作，建立和發(fā)展產教融合共同體。院校應打破學科界限，實現(xiàn)專業(yè)教學資源的共享與利用。院校可以以產教融合“智慧學習工廠”平臺構建為契機，在教學內容、課程設計與教學手段上改革創(chuàng)新，以培養(yǎng)適應智能工業(yè)所需的復合型人才。同時，通過“智慧學習工廠”平臺的構建，院校可以與企業(yè)深度合作，整合教育資源，實現(xiàn)教育資源的共享和有效利用，為學生的學習和實踐活動提供有利條件。

2.實現(xiàn)智能工業(yè)實踐教學管理與運營的系統(tǒng)化設計

德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”之所以比傳統(tǒng)的實訓場所在能力培養(yǎng)方面更具優(yōu)勢，是因為它實現(xiàn)了教學、工廠和工業(yè)4.0技術的系統(tǒng)設計和統(tǒng)合管理，將工廠和實驗室轉變?yōu)楦邔嶋H教育意義的學習場所，能夠更為精準并更具實效性地培養(yǎng)學習者面向智能工業(yè)發(fā)展需求的能力[15]。

借鑒德國工業(yè)4.0“智慧學習工廠”模式，首先，應加強對學習工廠建設運營的總體設計，確定其社會技術目標和教學的根本目標以及與之匹配的軟硬件條件。其次，應選擇和設定教學模塊，并確定子能力目標和具體教學過程。再次，要對教學情境進行具體設定。以上三個方面相互聯(lián)系，共同服務于學習者學習目標的達成。技術專家與教育專家共同參與，可以實現(xiàn)各種要素的整合，以保證教學設施與環(huán)境、內容與方法聚焦和服務于面向工業(yè)4.0能力培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。

3.加強智能工業(yè)數(shù)字技術與教育的系統(tǒng)集成

要培養(yǎng)面向工業(yè)4.0需求的高素質人才，就需要將新興的數(shù)字化趨勢整合到生產系統(tǒng)的教學和培訓概念中，為學生提供具有真實數(shù)字化、智能化環(huán)境的實踐體驗，并使他們了解技術如何影響產品設計和制造，以幫助企業(yè)更好地實現(xiàn)數(shù)字化轉型。

通過工業(yè)4.0的CPS平臺的構建，可以對生產的全流程實現(xiàn)可視化管理和企業(yè)價值流的全過程呈現(xiàn)，同時也可以實現(xiàn)整個教學過程的仿真化和可視化，從而使學習者能夠在實操過程中全面了解生產流程和技術應用，以勝任工業(yè)4.0新型技能的工作任務，并利用數(shù)字化技術提升企業(yè)的生產效能。為推動我國智能制造發(fā)展，助力中國制造與工業(yè)4.0深度融合，培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才，需要院校與智能化制造企業(yè)共同合作，引入CPS工業(yè)4.0智能制造管理系統(tǒng)、PLM信息傳輸和信息實時管理系統(tǒng)，以及與之相配套的物聯(lián)網、大數(shù)據等軟硬件系統(tǒng)，打造集教學、科研、應用與轉化于一體的工業(yè)4.0學習工廠，共同制訂人才培養(yǎng)解決方案和認證體系。