學習工廠4.0：德國數字化學習場所的內涵闡釋與實踐向度

摘要：德國學習工廠4.0是為應對數字經濟變化而產生的數字化學習場所，由職業院校、企業和科研機構等多元主體共同參與，以培養學生的跨學科生產技術能力及數字能力為目標，為學習者提供真實的數字化生產學習環境，實現技術、生產、教學、研究各要素的融合。德國學習工廠4.0的建設經驗可為我國建設科學有效的數字化智能實訓基地和推動產教融合提供借鑒。

關鍵詞：學習工廠4.0；德國職業教育；數字化學習場所

中圖分類號：G719" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1672-5727（2024）12-0085-07

作者簡介：王詩喬（1996—），女，天津職業技術師范大學職業教育學院2022級碩士研究生，研究方向為比較教育學；李文靜（1987—），女，博士，天津職業技術師范大學職業教育學院副教授，天津市普通高等學校人文社會科學重點研究基地職業教育發展研究中心研究人員，研究方向為比較職業教育、職業教育測評。

基金項目：2024年人力資源社會保障部重大課題“加快技工教育高質量特色發展的路徑研究”（編號：RSZD2024-9）

隨著互聯網、云計算、人工智能等技術的迅猛發展，數字經濟已成為未來世界經濟發展的核心動力。為塑造國際競爭新優勢，德國早在2013年就提出“工業4.0”概念，旨在利用網絡平臺實現工業的數字化轉型。此外，為適應數字經濟帶來的新業態、新職業、新崗位變化，德國提出數字化戰略，為各行業的數字化轉型確定了具體目標，建設了新的學習場所，即學習工廠，用新的教育理念與先進的技術設備為數字經濟培養和儲備人才。

一、學習工廠的歷史發展脈絡

（一）學習工廠1.0：萌芽期

學習工廠根植于德國雙元制職業教育體系，是隨著經濟發展變化產生的新型學習場所。在中世紀行會手工業時期，職業教育的主流模式是學徒制，此時的工作地點和學習地點是一致的。隨著第二次工業革命席卷歐洲，傳統的職業教育人才培養模式面臨危機，工廠和學校承擔學徒制的教育職能。最初，以企業作為學習地點的職業培訓與以學校為主要教學地點的職業學校教育是相互獨立的。隨著經濟社會發展，職業教育的目標定位與經濟發展相結合，形成了工作和學習相結合的資格認證體系，并持續發展到20世紀下半葉。

從1945年開始，聯邦德國的職業學校將職業培訓和教學自主權放在首位，開始與企業尋求合作，在嘗試與探索中達到職業培訓與職業學校教育相融合。1969年出臺的《職業培訓法》以法律法規的形式將分割開的工作與學習形成一個連貫、協調和規范的系統[1]。德國雙元制職業教育體系基本確立，工作地點與學習場所逐漸融合，為學習工廠的出現創造了良好的國內環境。

（二）學習工廠2.0：生長期

隨著第二次工業革命的落幕，信息時代來臨。大批量的標準化工業產品不再受消費者的青睞，個性化產品對現存的生產模式提出了新要求。在這種背景下出現的學習工廠，從形式到內容都與普通的雙元制學習場所有很大不同，主要體現在以下兩方面：一是在教學形式上，隨著非正式學習的發展，學習場所從教室逐漸擴大到工作生產車間，公司內部及跨企業的培訓中心紛紛建立。單一的學習地點已不能滿足學生綜合職業能力的提升，對職業教育學習場所的研究重點從學校逐步向環境復雜的工作地點轉移。二是在教學內容上，由于不同的學習場所在學習過程中所發揮的功能不同，使用的教材和組織運行模式會根據自身情況實現個性化發展。學習工廠的教學內容緊跟工業發展的真實狀況，力圖在真實生產環境下培養學生應對復雜問題的能力。但是，此時的學習工廠依然以實體工廠為主，圍繞特定工程實踐項目培養人才。

（三）學習工廠3.0：快速發展期

基于生產過程與生產設備的數字化轉型，工業4.0逐漸成為現實。為真實重現當前工業生產的流程步驟，適應生產領域數字化趨勢，學習工廠在形態上發揮了VR、AR等新技術在教育領域的作用，打破了時間與空間的局限，由實體工廠逐步向以數字化為關鍵特征的學習工廠轉變。此時，“權力下放”的概念從經濟領域滲透到學習場所的理論構建中，主要體現在學習場所的擴大與相對自治，人才培養的職能也被下放到相應的學習地點。學習工廠為學習者配備先進的數字設備，利用新技術構建虛擬學習實踐平臺。在職能上，學習工廠將人才培養與項目設計相互融合，推動精密的工作流程、獨特的教育方式及經過實踐檢驗的課程融為一體。

（四）學習工廠4.0：成熟期

學習工廠4.0的數字化學習逐漸不再受限于實踐的復雜性和數字環境中物質的無形化。抽象的、不可見的工作過程及無法在現實中復制的特定環境，可以通過數字技術模擬讓學生學習體驗。比如，通過模擬工作中的危險情境，使學生在沉浸式體驗中受到安全教育。隨著計算機技術與虛擬現實技術的不斷發展，學生可以在學習工廠4.0中構建更加真實與靈活的虛擬形象。目前，虛擬現實技術能夠為提高學生在數字化學習空間的具身體驗提供支撐，學生現在不僅可以在學習空間中使用手勢，還可以實時模擬個人面部表情。基于此，教師和學生可以在數字學習空間中擺脫簡單、僵硬的互動，實現更高階的社交。在VR和AR技術支持下，數字學習空間打破了現實世界的條件束縛，為學習和教學創造了一些個性化的、全新的工作場景。

二、學習工廠4.0的內涵闡釋

（一）學習工廠4.0是模擬真實生產工作流程的數字化學習空間

1.學習工廠4.0構建智慧學習空間

隨著技術手段與空間理論研究的發展，現階段學習空間的劃分在結構上主要包括物質學習空間、社會學習空間和精神學習空間[2]。物質學習空間是有具體形式的學習空間，即針對特定的學習過程和需求所設置的學習設備和建筑設計；社會學習空間是以群體間交往互動為導向的學習空間；精神學習空間是以反觀自身存在為導向的學習空間。從學習空間的層級屬性而言，技術支持下的學習空間包含現實層、虛擬層及虛擬與現實交互的增強現實層，學習工廠4.0實現了層級屬性與結構屬性相融合，即每個層級中都包含物質學習空間、社會學習空間和精神學習空間。

首先，運用VR與AR等前沿技術的最新成果，將所有工作流程、產品及資源嵌入數字模型中，構成了數字學習空間的物質基礎。其次，建立一個盡可能開放互動的學習空間，將交互性的社會學習空間與個性化的精神學習空間相融合。基于體驗式學習理論，一方面，將對現實事物的感知融入模擬環境，讓VR用戶在模擬環境中最大程度體驗真實；另一方面，讓數字化的學習空間具備根據個人或群體的學習目標和學習內容進行調整的功能，針對不同的學習速度和學習層次設計個性化學習過程。最后，為了深化學習內容，模擬區域可以采用模塊化設計，并根據需要重復使用。借助協作互動程序，不僅有助于加強學習者之間的合作交流，還有助于促進師生互動。

2.以工作過程為導向面向多元群體

學習工廠4.0是職業學校將傳統的學習實驗室與虛擬數字實踐平臺融合創造的學習空間[3]，目的是在真實條件下再現生產與工作的流程步驟，反映當前工業生產的變化，體現工業4.0的要求與特點。真實再現不是對工廠生產環節的簡單復制，而是在行動與過程教學的基礎上，讓學生體驗最新的工作組織流程。學習工廠4.0能準確呈現個性化的工作過程、快速的創新周期和可持續的資源管理流程。這種真實、動態的生產學習環境對雙元制學生、企業實習生及專業技術人才都具備很強的吸引力。

（二）學習工廠4.0是以工作學習為主要任務的空間合作組織

1.資格認證網絡協助不同學習地點間的合作更具有靈活性

德國雙元制職業教育體系并不是預先設計好的，而是隨著職業教育發展的歷史進程不斷完善的，學習地點之間的合作探索也隨著職業教育體系的完善同步發展[4]。學習地點的合作可理解為不同學習地點的機構、組織、教學方法和人員的合作，目的是幫助個人或者團體獲取資格證書、提高學歷和提升能力。合作范圍很廣，從相互交流信息、組織協調教學到聯合開發教材。合作機構逐漸從20世紀90年代的職業學校與企業之間的試點合作，包括公司內部和跨公司的培訓中心，發展為以職業協會為主體的合作，比如培訓小組與頭部公司合作或者訂單培養。

隨著網絡與信息技術的應用，以自我控制和高度靈活性為特點的網絡被引入學習地點間的合作，也意味著遠距離合作成為可能。不同學習地點所擁有的獨特教學資源在網絡的介入下合作，個人職業能力的提升和相應資格證書的獲得也變得更為便捷。這種網絡化學習地點的合作被稱為資格認證網絡或職業能力發展網絡。資格認證網絡所鏈接的學習場所與機構原則上由私營部門、公共部門和非營利性的學習場所組成，例如由公司、外部教育機構、商會、就業機構、普通教育學校和職業學校等組成的區域資格認證網絡。

2.工作與學習相結合的空間合作組織

空間理論認為，學生的學習過程受制于學習空間的設施配置和構造設計。學生在組織學習活動時，學習空間中更先進的設施配備和更為科學的空間構造都將影響學習的效率和成果。在模仿真實工作流程組織學習任務時，傳統的學習空間被改變，新的學習空間被創造。也就是說，學習空間在影響學習過程的同時，學習過程也反過來影響了學習空間的塑造。在德國雙元制職業教育體系中，公司的學習場所在工作行為導向下進行了拓展和深化，形成了工作與學習相結合的空間合作組織。比如企業中的學習島，既是企業實際生產環境中的一個工作區域，又是學習者發展自身能力的學習空間。

同樣，德國職業學校的學習工廠4.0是工作與學習相結合的空間合作組織。其系統調整了個人理論學習和工作實踐步驟之間的聯系，表現出了以實際增值鏈為模型的生產周期的靈活性與可調整性。學習工廠4.0發布的工作任務需要材料科學與工程、信息技術、電氣工程、機電一體化和商業等多個職業學科相互合作。

3.傳統實驗室基礎上進一步創建的智能工廠

學習工廠在教學模式上采用了模塊化結構，以應對工作崗位不斷變化的要求。目前，在職業學校內以工業4.0為學習重點的學習工廠既配備傳統的基礎實驗室，也搭建創新性的學習工廠。

在基礎實驗室中，學生需要學習支撐數字化生產的高新技術，將現代工業生產的諸多問題以模塊的形式進行教學傳授，主要包括傳感器/執行器技術、機器人系統、識別技術、通信架構、MES和數據庫系統等。學習工廠將基礎實驗室的模塊整合連接，形成一個整體的工作學習流程。學生在映射真實工作環境的學習工廠中體驗符合工業生產標準的智能生產流程，提升技術水平。由此可見，教學要求更高、技術更復雜的學習工廠試圖將工業4.0的復雜技術和創新成果轉移到現實條件下的學習場景，構建一個新型的空間合作組織。這是德國雙元制職業教育體系對相互關聯的合作學習地點的進一步發展。

（三）學習工廠4.0是以網絡物理系統為核心技術的工作學習空間

1.網絡物理系統賦能德國職業教育

在學習工廠4.0中，網絡物理系統（Cyber Physische System，簡稱CPS）成為構建現代培訓場所學習空間的決定性創新因素。CPS經常被用來描述由計算算法和物理組件的無縫整合而建立的技術系統[5]。其中，“網絡”指的是支持系統內決策的計算機、軟件、數據結構等。“物理”不僅指物理系統的各個部分（如自動駕駛汽車的機械和電氣部件等），還包括支持系統互動的裝置設備，如生產線或模塊化學習工廠。

CPS與物聯網、工業互聯網、智慧城市、機器人學和系統工程領域密切相關，其核心是互聯與技術系統的整合。CPS與以智能工業制造為代表的數字產業息息相關，是德國工業數字化轉型的核心技術。

2.學生掌握使用網絡物理系統的能力是工業4.0的新要求

德國工業4.0倡導的工作流程是在生產領域運用網絡物理系統，將現實世界的動態物理過程與網絡系統融合在一起，實現數據的實時獲取、交換、處理和反饋，便于工作人員做出高效可靠的決策。

在學習工廠中，設計以CPS為核心的實踐教學基地是一個復雜的過程，需要針對不同方面制定詳細且可操作性強的方案，將傳統孤立的自動化系統轉變為現代的、相互連接的智能系統。為了更好地挖掘學習工廠CPS的潛力，開發學習工廠作為未來動態工作場所與學習場所的潛力，有必要以模塊化和網絡化的方式思考和規劃學習工廠。

三、學習工廠4.0的實踐向度

（一）采用以提高學生綜合職業能力為目標的人才培養機制

1.培養學生跨領域的現代生產實踐與創新能力

在工業4.0背景下，工業的智能化發展與變革推動工業化生產發生一系列變化。工業4.0要求從業者具有在復雜環境下工作的能力，包括思維創新創造能力與知識管理能力、對具體工作的分析與執行能力、團隊組織領導與協作能力及處理復雜問題的調整與自我反思能力。學習工廠4.0重現真實的工作場景，以行動導向作為教學策略，教師整合分散的模塊化知識，職業知識被重新劃分為跨領域的主題性知識，每一個主題場景又被分為不同的需求領域，每一個需求領域所需要的主要技術及其相關能力都被列在各自的情景描述中，促進了學生的跨學科能力及專業能力的發展。

自動化技術、電氣工程、機電一體化及材料科學與工程教育等不同的專業資源匯聚到一起，通過學習工廠4.0中模塊式學習島的協同制造模式，實現了從產品設計、性能分析、工藝規劃、加工制造、智能管理及物流服務的全生命周期管理[6]。學生學習跨專業技術的同時了解產品全流程生產環節。學習工廠4.0配備的學習島既能夠承擔學生的技術培養任務，也可以根據不同的工藝要求形成一個新的生產系統，鍛煉學生的商業意識與創新創造能力。

2.培養學生的數字化能力

學習工廠4.0的另一個目標是培養學生的數字化能力。與專業能力相比，數字化能力更為抽象，甚至無法聚焦到具體專業，但學習過程涉及數字化能力。對于接受職業教育的學生而言，培養工業4.0所需的數字化能力包括處理數字設備和軟件、充分的信息素養、數字安全的應用、數字協作的能力，以及解決數字問題的能力[7]。目前，德國對數字化能力的內涵做出了解釋，如表1所示。

數字能力不僅與學生未來面臨的工作有關，而且鍛煉學生的數字思維。因此，數字能力被理解為意愿、能力和個人技能的組合，使個人能夠在專業、社會和個人生活的數字背景下采取適合的行為。

（二）打通產教融合的“最后一公里”

在學習工廠4.0的運行中，學校、企業、研究機構和學生等主體緊密合作，形成了多元利益相關者共同參與的產教融合格局。將學生置身于真實生產教學環境中，從教學設計上，讓企業的人才需求與學校的人才培養目標保持一致。同時，行業信息資源、企業生產資源、職業院校的教學資源及研究機構的學術資源流動共享，進一步加深了產學研深度融合。在具體實踐中，邀請行業專家、企業技能大師、學校教學名師共同協作，緊密圍繞職業教育需求與數字經濟帶來的職業能力變遷，設計工程實踐項目和學習模塊，在此基礎上展開生產教學活動。通過多元主體的共同參與，德國學習工廠4.0 推動了產教融合的升級，打通了產教融合的“最后一公里”，取得了顯著的成效，具體表現在：

首先，在學習工廠4.0內多元主體共建產教融合機制，聚集各主體資源，加快構建了多元主體溝通評價體系，實現共商。德國聯邦政府、行業協會、企業、科研機構與職業院校緊密合作，通過多渠道籌措資金，科學規劃并監督資金流向提升資金的使用效率。同時，匯聚了各合作主體的平臺、人才和科研項目成果等優勢，為實現學習工廠4.0的任務目標奠定了良好的基礎。

其次，學習工廠4.0的產教融合機制貫通了生產與職業教育界，整合了較為分散的生產教學資源，實現共建。“學習工廠”一方面將產業界的新常態、新技術、新知識串聯起來，通過實踐教學模式引入教育界，轉化為新的教學資源；另一方面，將職業院校、科研機構獲得的科研成果有步驟、有規劃地從實驗室融入真實生產環境，逐步引入產業界，轉化為新的生產資源。在這樣的雙向集成過程中，學習工廠4.0實現了技術的持續改進，完成了學習者知識結構的優化，為數字經濟培養高質量人才。

最后，“學習工廠”的產教融合機制還為參與其中的各主體提供了更多的學習機會，擴大了“學習工廠”目標群體的覆蓋范圍[8]，從而實現資源共享。德國學習工廠4.0的設計與運行需要多元主體共同參與。一方面，在共同工作過程中各多元利益相關者長期深度交流，不斷進行知識的共享、共研，保證產教融合機制正常運轉的同時，推動學習工廠轉型升級；另一方面，真實生產環境的再現吸引而來的不只是雙元制學生，更有科研機構的研究人員、企業的技術人才和行業的專業人才，在這一點上擴大了學習工廠的服務與培訓對象，促進了各行業人才的更新迭代。

（三）系統融合先進技術與教育理念，推動人才培養更具實效性

為滿足工業4.0對企業技術技能人才提出的新要求，職業院校將工業價值鏈管理整合到學生的整個學習過程。模擬真實工業生產環境的學習工廠4.0成為最適合的教學實踐場所和系統化運營機構。學生不僅可以在真實的工作場景中掌握過程知識與方法知識，還可以在學習過程中提升生產系統設計與調整的能力，在實踐中培養數字經濟中的工作流程觀念，更好地發揮自身在組織中的作用。

在宏觀層面，針對學習工廠的建設運營施行總體設計。主要分為生產基礎設施與教學的總體設計與安排，比如通過利用先進的數字技術和高級教學設備，借助網絡整合教學所需的物理空間、資源空間和社交空間，讓教學活動的各種要素資源在網絡空間廣泛連通，達到真正意義上的互聯和泛在學習。在數字化學習環境下，工廠技術人員與學習者實現遠程交流互動。技術人員為學生講解實際生產中的問題，讓學生參與實際問題的解決。學習者通過驗證新技術或新概念為實際生產或決策提供服務。

在中觀層面，主要涉及對教學模塊的選擇和設計，以及職業能力的確定和教學過程的規劃。教學模塊的設計打破涇渭分明的學科專業壁壘，圍繞著工業4.0相關的主題創建主題模塊推動教學。不同主題模塊對應著不同的學習目標，學習目標詳細闡釋此模塊要求學生所掌握的職業能力。為了讓學習者掌握相應的職業能力，學習工廠4.0設計安排了一系列教學活動，并且將相關的概念性知識、過程知識、技術知識融入其中。在設計教學模塊時，在一個整合性的主題下考慮學生所應具備的各項知識與能力，實現學習工廠4.0的跨專業教學。同時，教學模塊作為一套系統性的結構化設計，要使得知識與行動相對應，從而保證學習者掌握所需能力。教學模塊針對所需的職業能力進行設計，與預期能力不相關的活動將不會出現在教學模塊活動中，以確保職業能力培養的目標性和實效性。

在微觀層面，學習工廠4.0依據主題式教學模塊和相應的職業能力設定具體的教學情境。通過“能力分解—創建活動場景—創建活動任務”三個步驟，將職業能力目標轉化為具體的教學活動場景，并通過具體行動任務讓學生提升職業能力。在具體的行動任務執行過程中，教師學會選擇合適的教學媒介，如演示文稿、生產設施、組件、模型、圖紙等，引導學生靈活使用學習產品，如草圖、筆記、活動掛圖、工作表等，依據教學目標和現實情境組織教學活動，如獨立學習或者是項目團隊合作等。

從整體上看，宏觀、中觀、微觀三個層面相互聯系，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具體教學情境，最終實現從學習目標到學習能力的有效轉化[9]。

四、啟示

（一）推動智能制造虛擬仿真實訓基地建設

隨著我國數字經濟的發展，制造業領域呈現數字化、網絡化、智能化特點。職業院校為了培養適應智能制造的生態體系，組建專業群，建設虛擬仿真實訓基地等產教融合平臺，但在推行過程中仍存在諸多問題。首先，信息技術與職業教育教學融合不足。網絡課程僅實現了教學課堂的遷移，但學生所需的過程性知識、以實踐教學為導向的職業技能的培養并未進行數字化轉型。其次，虛擬仿真技術在實踐教學中的應用水平不高。一方面，虛擬仿真技術采購與開發成本高昂，阻礙大規模工業生產與廣泛應用；另一方面，虛擬現實情境的構建通常遵循簡化規則的線性理想過程[10]，例如二元任務邏輯，模擬實踐中的不確定性和不可測因素很難進行數字模擬，對虛擬體驗容易產生錯誤評估。最后，虛擬仿真實訓基地利用率不高。基地的相關資源尚未產生集聚效應，導致基地利用造成一定程度的浪費。

對此，可借鑒德國職業院校創建數字化學習空間的經驗，組織行業專家與學者梳理數字經濟在工業制造領域信息，深度調研工業4.0對高技能人才的新要求，重塑人才培養目標。打破專業壁壘，通過網絡將單一教學模塊以系統化流程進行整合，將智能工業生產要素融合到學習工廠的教學設計中。學生在真實的生產教學實踐活動中體驗工作過程，實現職業院校的實踐教學與真實的生產情境相結合，提升實踐教學效率，培養適應我國數字經濟發展的技術技能人才。

（二）建設多元主體共同參與的產教融合平臺

產教融合是多元主體共同參與的實踐活動。借鑒德國“學習工廠”產教融合中的多主體共同參與經驗，我國要繼續深化推動多元主體協同發展模式，整合產教融合的各類資源，建立多元協作的產教融合治理體系。一方面，繼續推動產學研深度融合。職業教育作為與經濟領域聯系最為密切的教育類型，職業院校應保持對市場的敏感度，密切關注企業需求，與產業前沿發展動態保持一致。鼓勵和支持校企雙方的交流合作，及時將產業領域出現的新理念、新知識、新趨勢、新問題等融入職業院校的人才培養方案，共同參與學習內容與教學活動的制定。同時，將研究領域出現的新技術、新模式服務于企業，整合各合作方的信息資源，并進行教學創新。另一方面，激發企業活力，構建多元主體共同參與的產教融合治理體系，建立科學合理的多元評價機制。首先，調節學校人才培養目標與企業崗位需求的矛盾，做到人才培養與企業需求相契合。其次，建立有效的溝通機制，共同探討制定人才培養框架，讓各要素在內部暢通流動。最后，引入行業協會等第三方機構，在政府的引導下，各行業共同進行資格考試評價的調整與革新，做到共商、共建、共享。

（三）聚焦學生綜合職業能力的提升

學習工廠4.0作為虛實結合的工作學習空間，在實踐教學中為學生還原了真實的職業情境。基于體驗式學習理論，學生在真實的工作環境中學習實踐，真實的生產任務成為教學任務，生產中出現的復雜問題成為學生需要思考解決的學習問題，真正實現了教學過程與生產過程的統一，教學內容與生產內容統一，工作能力與學習能力統一。基于此，學習工廠4.0依據真實生產任務構建涵蓋整個生產運營過程的學習生產活動情境，每一個情境對應著學生必須掌握的核心能力，以此保證產業與教學深度融合，職業院校的教學內容可以及時汲取行業生產一線的最新技藝，進而提高學生的綜合職業能力。

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（責任編輯：任學甍）

Learning Factory 4.0： Connotation Illumination and Practical Dimension of

Digital Learning Place in Germany

WANG Shi-qiao， LI Wen-jing

（Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： The German Learning Factory 4.0 is a digital learning place created to cope with the changes of the digital economy. It is jointly participated by multiple subjects such as vocational colleges， enterprises and scientific research institutions. It aims to cultivate students' interdisciplinary production technology ability and digital ability， providing learners with a real digital production learning environment and realizing the integration of technology， production， teaching and research. The construction experience of German learning factory 4.0 can provide reference for China to build a scientific and effective digital intelligent training base and promote industry-education integration.

Key words： learning factory 4.0; German vocational education; digital learning place