德国工业4.0“精益学习工厂”系统化构建与启示

摘 要 德国工业4.0“精益学习工厂”以行为主义为引领，以能力本位为导向，以学习者面向工业4.0需求的能力培养为目标，通过教育界和企业界的合作，将价值链管理贯穿于整个教学过程，通过在宏观层面的学习工厂 、中观层面的教学模块和微观层面的教学情境三个维度的一体化设计，实现了技术、生产、教学要素的系统整合，发展了一套致力于培养和提升学习者实践能力的系统方法，为培养学习者面向工业4.0需求的能力提供了有效途径。德国工业4.0“精益学习工厂”为我国培养面向智能工业发展需求的工程技术与管理人才提供了如下借鉴：明确面向我国智能工业发展需求的人才能力培养目标，实现实践教学机构从宏观建设运营到微观教学实施的系统化设计，借助工业4.0技术手段将价值链管理和精益生产融入教学过程以实现生产、技术和教学的深度融合。

关键词 产教融合;德国;工业4.0;精益学习工厂

中图分类号 G719.516 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2020）10-0068-06

一、德国工业4.0“精益学习工厂”出现的背景

“工业4.0”又被称为“第四次工业革命”，其利用信息物理系统使产品生产遵从客户的个性化愿望，通过网络实时获取产品从开发、生产到交付的所有相关信息，并从中获得最佳价值流。工业4.0通过网络将人员、对象和系统进行信息联通，创建动态、自组织、跨组织和实时价值网络，减低中间成本，优化产品和服务，以提高劳动生产率[1]。

“工业4.0”的概念首先由德国政府于2011年提出，是德国《2020高技术战略》的一个重要组成部分，其目的是通过工业生产与信息和通信技术之间的融合提升本国制造业的国际竞争力[2]。近年来，德国正在通过加强工业系统与信息通信技术相关联的举措积极推动工业4.0的发展。与此同时，美国、法国、中国也提出了相似的智能工业发展战略，美国的“工业互联网”、法国的“未来工业”、中国的“中国制造2025”都强调工业生产的自动化、信息化和智能化，并通过现代技术手段转变生产和业务流程，以实现更高的商业价值。

（一）工业4.0的人才能力需求

在工业4.0背景下，工业的智能化发展与变革使当今的工业化生产呈现出一系列变化：以往孤立的生产制造单元被自动化集成生产线所取代，产品的生产周期进一步缩短，生产过程更加灵活，定制化生产成为新的发展趋势;企业员工所面临的生产环境更加复杂化，虚拟的混合人机界面以及远程操控成为生产工作区的新型沟通和协作方式。

工业4.0的发展迫切需要大批能够适应这些变化，并能推动其发展的高素质人才。工业4.0要求从业者不仅要有复杂环境下的工作能力和协调能力，还要有创新创造能力、知识管理能力和商业思维。具体来说，面向工业4.0需求的8大关键能力包括：领导与决策能力、支持与合作能力、互动与呈现能力、分析与阐释能力、创新与概念化能力、组织与执行能力、适应与调整能力、思维与表现[3]。

（二）传统实践教学的不足

在针对能力有效发展方面，传统的教学方法效果有限，以往以实践为导向的教学方法僅仅为学生提供了较为固定的、被动的学习场景，教学过程往往以企业人员的示范和口头传授为主，而对学生的自我反思和自我组织能力缺乏关注，容易造成学习者自身行动能力缺乏和学习惰性的形成。此外，现有的学习工厂通常由模拟环境的技术专家设计，侧重学习工厂对真实工厂场景的复制和映射，而在学习者能力培养效率和有效性方面有所欠缺。面对传统工程教育实践教学的不足，德国教育界提出，要加强学习工厂在教学层面的设计，进一步完善学习工厂在教学分析、评估和验证等方面的整体设计与安排;无论是学习工厂的教学媒介和手段，还是课程设计和技术应用，都必须致力于面向行业发展需求能力的有效开发[5]。

为了培养学习者面向工业4.0需求的核心能力，德国高校通过和产业界合作，构建了一种面向工业4.0需求的“精益学习工厂”，这种新型学习工厂将价值链管理贯穿于整个学习过程，通过“学习工厂”“教学模块”和“学习情境”3个层面的系统设计与整合，实现了以能力为导向的教学过程与生产过程的深度互嵌。德国工业4.0“精益学习工厂”模式是以能力为导向的一整套系统化的学习工厂构建方法，其解决了传统学习工厂存在的问题，能够有效发展学习者面向工业4.0需求的能力。

二、德国工业4.0“精益学习工厂”的内涵与特征

（一）德国工业4.0“精益学习工厂”的内涵

学习工厂最早于20世界90年代在美国出现，近年来，随着全球智能工业的发展，由于其能够提供符合现实的生产环境作为学习环境，因而用于培训、教育和研究的学习工厂在全球各地纷纷建立[6]。

与传统学习工厂不同，德国精益学习工厂是针对工业4.0对企业人才能力需求而设计和构建的一种基于真实的工业流程和实践操作，并将价值链管理整合于整个学习过程的系统化运营机构和学习、培训的场所。精益学习工厂的学员不仅可以熟悉真实的工作场景和完成真实的工作任务，而且可以在学习过程中掌握精益管理方法，更好地发挥自身在组织中的作用。德国精益学习工厂的主要目标是提升学员面向工业4.0的核心能力，这种能力不仅包括与机器操作等方面的专业技能，而且包含动机和情感方面能力的发展，以及在复杂多变情况下处理和解决问题的能力。

为应对工业4.0的发展需求，德国已经有一批高校建立了以精益生产、精益管理、生产过程优化和流程改善为主题的精益学习工厂，建立工业4.0精益学习工厂的德国高校包括亚琛工业大学、波鸿鲁尔大学、达姆施塔特大学、汉诺威大学以及慕尼黑工业大学等[7]。

（二）德国工业4.0“精益学习工厂”的特征

德国工业4.0“精益学习工厂”作为一种以工业4.0能力为导向的系统化设计，与传统的学习工厂以及其他的实践教学机构呈现出较大的差异性，德国工业4.0“精益学习工厂”的特征主要体现在5个方面：一是以行为主义为引领，以能力本位为导向。面向工业4.0的德国“精益学习工厂”以行为主义为引领，倡导“学中做”和“做中学”的“知行合一”行动理念，并将能力目标作为学习工厂模式构建的根本出发点，更加强调学习工厂教学目标的达成和实践教学的目的性和有效性。二是以面向工业4.0的能力培养为目标。德国工业4.0“精益学习工厂”以培养面向工业4.0需求的核心能力为目标，着力培养学习者在复杂环境下的工作能力和协调能力，以及创新创造能力、知识管理能力和商业思维，其培养目标体现了工业4.0背景下人才能力的新特点与新需求。三是将精益生产整合于完整的学习过程。德国工业4.0“精益学习工厂”将精益生产中的看板、价值流、拉动式生产等概念通过学习工厂的项目设计贯穿其中，并通过真实项目的操作，使学生能够将理论联系实际，更好地了解和掌握精益生产的方法和内容。四是商业运营和教育过程互嵌的整体化设计。德国工业4.0“精益学习工厂”将商业运营和教育过程进行整合设计，将价值链贯穿整个学习过程，实现了价值链与教育链的无缝对接。五是具有自我更新和可持续发展的能力。德国工业4.0“精益学习工厂”致力于发展可持续发展的运行模式，通过运行监控与反馈，动态调整面向行业需求和不同目标群体的学习环境与教学手段及内容。

（三）德国工业4.0“精益学习工厂”的构成要素

由于德国工业4.0“精益学习工厂”是一套整合了商业运营和教学过程的完整设计，是一个具有多价值链的生产主体和商业主体，具有教育功能的学习和实践场所，因此，其运营和运作过程更为复杂，并牵涉到多方面要素，见表2。

三、德国工业4.0“精益学习工厂”系统化设计与运行——以德国达姆施塔特大学的“精益学习工厂”为例

达姆施塔特工业大学的CiP（工业生产力中心）学习工厂创建于2007年，该学习工厂 500平方米空间、2条加工线、9台机床和2条装配线，是一家以工业4.0精益生产为特色的学习工厂。CiP为学习者提供了15门课程和27天的工作坊学习实践体验，学习内容涵盖了精益基础知识、精益物料流、精益加工、精益质量、精益思维等模块[8]。该中心通过数字技术与精益生产的深度融合，为受训者提供真实生产流程、真实生产环境并能够生产真实产品的整个企业价值链的实现过程的参与体验，使学习者深度参与并了解产品从入库原材料一直到成品包装和运输的整个生产流程，以提升受训者面向工业4.0需求的实际工作实践能力。

（一）总体设计与规划

传统的学习工厂基本都是由技术专家设计，侧重于真实生产过程和真实工作条件的复制和影射，但是缺乏教学层面的整体设计，对于能力的有效性开发方面存在不足。面向工业4.0的德国“精益学习工厂”，以工业4.0能力培养为目标，融合了技术层面和教育层面的整体设计，因而有效解决了传统学习工厂的不足，使面向工业4.0的人才培养更具实效性。

面向工业4.0的德国“精益学习工厂”的系统化设计围绕3个层面进行：在宏观层面，主要针对学习工厂的建设运营进行总体设计，包括学习工厂基础设施的设计、生产环境以及教学部分的总体设计与安排;在中观层面，主要对教学模块的选择和设定，以及子能力的确定和教学过程的规划;在微观层面，主要根据教学模块和基本能力和子能力进行特殊教学情境的设定。这3个层面相互联系，学习工厂的基础设施建设需服务于教学模块的设定，再根据教学模块设定特殊教学情境，通过3个不同层面的设计与安排，最终实现从学习目标到学习能力的转化。

（二）运行模式与操作

1.宏观水平——学习工厂设计

在宏观层面，首先需要确定学习工厂的基础设计。学习工厂的基础设计需满足技术和教学两方面目标的需要。传统学习工厂的培养重点是技术和方法能力，而面向工业4.0的德国“精益学习工厂”则根据工业4.0的需求，对培养目标进行调整，使其侧重于精益管理、运维、自动化和能源效率等方面的能力培养。

面向工业4.0的德国“精益学习工厂”学习目标，更加强调根据行业企业组织的发展要求来设定学习工厂的组织环境、组织目标和目标群体。组织环境主要关注成本压力和质量问题，组织目标所關注的是缩短创新周期、减少浪费、提高绩效和领导力等。学习工厂的基础设施和教学环境需满足真实生产和市场需求，需映射真实的工厂和产品生命周期的选择，并构建工作站、工作单元和生产部门。在学习目标的指引下，运营组织将发挥重要作用，运营组织将根据组织环境来确定学习工厂的生产类型和产品类型，如孵化生产抑或是批量生产，是真实产品还是虚拟产品等。作为学习工厂的运营方，需考虑自身的组织目标，并同时考虑目标群体的需求，进行学习工厂的整体运营和管理设计。学习工厂的目标群体主要是指企业员工、学生、社会人员等。见图1。

学习工厂的生产环境和教学环境的创设是相互影响和相互制约的，其设计需遵循真实性与广泛性相结合的最优原则，真实性决定了学习环境的效果，广泛性决定了能力应用的灵活性[10]。教学环境决定了发展和培养学习者预期能力所使用的教学方法和教学媒介，教学方法的选择需依据教师的角色、学习过程的类型、材料资源等予以确定。

2.中观水平——教学模块的设计

在中观层面，主要是进行学习模块设计。教学模块对应的是基本能力，这种能力来自于宏观层面对于培养目标预期能力的设定。根据教学模块所涉及的内容，可以将教学模块分为若干主题，每个主题模块都对应相应的子能力，并对应不同主题模块的学习目标。为了使学习者获得相关的子能力，需通过一系列教学活动使学习者获取相应的子能力，同时还需要为学生提供相关的知识基础作为行动能力的支撑，这些知识包括技术知识、过程知识和概念知识。在教学模块设计时，应考虑所有类型的知识，以保证学习模块的教学方向。教学模块作为一套系统性的结构化设计，可以保证知识与行动相对应，从而保证学习者所需能力的达成。教学模块设计具有针对性，即只针对所需的能力进行设计，与预期能力不相关的活动将不会出现在教学模块活动当中，以确保能力培养的目标性和实效性。

以下，将通过达姆施塔特大学精益学习工厂 CiP的具体案例，介绍工业4.0精益学习工厂的教学模块设计。

表4展示了达姆施塔特大学精益学习工厂CiP的学习模块“精益生产的质量技术”的具体设计。该学习模块的目标能力是熟练应用Jidoka的方法和工具，Jidoka是丰田生产系统的一部分，用于消除和预防缺陷和返工。学习模块的设定中，核心能力被分解为包括Andon①工具的开发与应用在内的若干子能力，相应行动能力和所需知识的基础也随之确定。针对Andon开发与利用所需的行动能力包括Andon system②的设计与物理实现和使用Andon规划问题升级的流程，所需的知识基础包括Andonboard③的基本概念、功能以及Andon规划与升级的相关知识。

在具体操作层面，学习者首先需设计一个物理层面的Andon系统，接下来他们需要在工厂中使用给定的边界和条件来规划升级过程。在学习模块的理论部分，需通过概念介绍的方法给定学生相关的知识，并作为获取实践能力的基础。作为学习活动的实验和探索活动与专业表现有关，例如生成专业信息材料，解决与工作相关的问题，制定、实现和审查目标。探究法是发现新知识的有效行动方法，实验法则可以将新的知识和行动方法加以应用、实施和实现。根据理论教学和实验活动的先后顺序，教学方式可以分为“理论推动型学习”或“问题拉动式学习”。所谓“理论推动型学习”是指先传授关于某个主题的理论之后解决出现的问题情况;“问题拉动式学习”指在面对未知问题的情况下，通过探究寻求问题解决的途径，然后针对问题传授相关知识和理论，在学习中测试建议的解决方案，最后通过反思和检查活动，比较分析得出结果，进而对学习模块进行反馈更新。学习者通过反思活动，可以检查自身决策和行动的正确性和有效性，教师则可以通过考核检视学生的学习效果，并对教学质量进行评估[13]。

3.微观水平——学习情境的设计

微观层面指微观层面的学习活动设计。微观层面的设计根据中观层面的子能力设定，进行具体的教学场景设计实现相应的活动安排。微观层面的设计以培养面向工业4.0能力为目标，致力于培养和提升学习者在未知环境中的自组织能力和解决问题的能力。在微观层面，需要进行具体学习活动的设定。微观教学情境设定以中观层面的能力识别为基础，设计具体的学习活动以及执行这些操作的具体场景。通过问题情境的设置，学习者在行动组织和行动中获取未知环境中自组织的行动能力，从而最终实现预期的目标能力。

以下以达姆施塔特大学精益学习工厂CiP的学习模块“柔性生产系统”为例，介绍精益学习工厂微观层面教学情境的具体设计和实施步骤。

表5显示了学习工厂微观层面教学情境设定中的3个步骤：步骤一，对能力进行分解;步骤二，创建活动场景;步骤三，创建活动任务。通过以上3个步骤，子能力目标被转化为具体的教学活动场景，并通过具体行动任务将目标转化为具体能力的实现。在具体的目标任务执行过程中，要选择相应的教学媒介、学习产品、教学活动和方法以及学习交互方式。选择的教学媒体可以是演示文稿、生产设施、组件、模型、图纸等，学习产品包括草图、笔记、活动挂图、工作表等，学习任务和教学方法要根据学习目标进行系统设计，交互规划确定培训师、媒体和学习者之间的互动关系（例如团队合作、独立工作、合作伙伴等）[14]。

四、德国工业4.0“精益学习工厂”模式对我国产教融合人才培养的启示

德国工业4.0“精益学习工厂”通过对以能力为导向和以科学为基础的教学理念进行改造，发展了一套致力于學习者面向工业4.0需求能力培养的系统方法，通过学习环境的系统化配置，为学习者提供更具实效性的学习实践体验。为我国培养面向未来智能工业发展需求的工程技术与管理人才提供了启示。

（一）明确面向智能工业发展需求的能力培养目标

为提升本国制造业的国际竞争力，德国政府不遗余力地推动面向未来的智能工业发展，以国家政策引导的方式，积极推进工业4.0的发展进程，将工业4.0人才培养作为教育与培训领域优先发展的战略重点。德国教育界，特别是各大高校积极响应，对于面向工业4.0需求的人才能力体系和培养目标进行了深入研究，形成了与行业发展紧密关联的科学的人才能力培养预测机制，为面向工业4.0人才培养提供了坚实的基础和准确的依据。此外，德国高校还展开了一系列面向工业4.0的教学改革，工业4.0“精益学习工厂”就是面向智能产业发展需求的一种全新探索与尝试。面向工业4.0的德国“精益学习工厂”将工业4.0的信息聚集、工业自动化、精益生产等概念融入实践教学，通过产业界与教育界的跨界合作，构建集教学、培训、研究功能为一体的实践型学习工厂，通过真实的场景和产品生产过程，使学生在实践操作中全面获取面向工业4.0的实际社会技术和管理经验。

在全球智能工业迅速发展和激烈竞争的背景下，培养适应未来智能工业发展需求的高素质创新型人才，已成为各国高等教育发展的重点。当前，我国高等教育实践教学还存在着理论与实践脱节、教学内容与产业发展相对滞后的问题。因而，我国应当借鉴德国面向工业4.0的学习工厂教学模式，明确人才培养目标，更新教学方法和理念，加强产教融合，将智能工业生产要素融入教学，培养适应我国智能工业发展需要的高素质人才。

（二）实现从宏观的建设运营到微观教学实施的系统化设计

德国工业4.0“精益学习工厂”实现了教学、工厂和技术的系统设计和统合管理，能够更为精准并更具实效性地培养学习者面向未来工业发展需求的能力。在宏观层面，对学习工厂的建设运营进行总体设计，确定了学习工厂的社会技术目标和教学的根本目标及与之匹配的软硬件条件;在中观层面，对教学模块进行选择和设定，确定了子能力目标和具体教学过程;在微观层面，对特殊教学情境进行了具体设定。这3个层面相互联系，实现了各种要素的整合设计和管理，为学习者提供了在真实工厂环境中进行自主学习的机会，保证了教学设施、环境、内容、方法聚焦于和服务于学习者面向工业4.0能力目标的达成。

借鉴德国工业4.0精益学习工厂的经验，我国高等教育实践教学应加强高校和产业界之间的联系，通过技术专家和教育专家的深度合作，共同商讨实践教学的整体设计方案，根据面向未来智能工业发展对人才能力的需求，有针对性地在建设目标、基础设施、教学环境、教学方法与手段、教资配备、教学模块设计、教学情境设定和教学过程与实施、教学跟踪与反馈等方面进行系统化设计，以保证实践教学与产业发展的紧密联系，实现实践教学的高实效性和高产出率。

（三）将价值链管理和精益生产融入教学过程

工业4.0时代，信息通讯技术的应用使得精益管理在企业生产和管理中发挥出更大作用。德国的高等教育越来越意识到价值链管理与精益生产在推动工业4.0发展中的作用，已将其列为面向工业4.0需求的重要培养目标，并在实践教学过程中予以侧重。为发展学生面向工业4.0的商业管理和运维能力，德国的亚琛工业大学、波鸿鲁尔大学、达姆施塔特大学、多特蒙德大学、汉诺威大学、卡尔斯鲁厄大学、布莱梅大学、凯泽斯劳腾大学、慕尼黑工业大学等都建立了精益学习工厂，通过精益组织与管理、流程改造等方式，将精益生产的概念与内容融入教学过程。

针对当前我国企业的发展瓶颈，有专家指出中国企业与世界先进企业之间的距离主要不在于生产设备等硬件层面，而是在于管理和生产方式等软实力，实行精益生产是解决中国企业发展问题的一个良好对策[15]。未来我国智能工业发展更加需要把先进的信息通信技术应用于精益生产和管理中，如何在实践教学中更好地将两者相结合，德国工业4.0精益学习工厂在课程模块开发设计、教学情境设定和教学过程实施方面提供了有益借鉴。目前，我国已经有高校开始借鉴德国精益学习工厂模式开展实践教学，如同济大学就率先建立以“价值流程图”为主题的精益学习工厂，并取得了积极效果[16]。但是，从全国范围来看，精益学习工厂在我国的发展还仅仅处于一个开端，需要进一步根据我国产业发展需求，对德国的工业4.0精益学习工厂进行吸收借鉴，并逐渐加以推广应用。

参 考 文 献

[1]Ahrens D.， Sp?ttl G. Industrie 4.0 und Herausforderungenfür die Qualifizierung von Fachkr?ften. In： Hirsch-Kreinsen H， Ittermann P， Niehaus J. Digitalisierung industrieller Arbeit[M]. Edition Sigma， Baden-Baden， 2015：185-204.

[2]Grangel-González， I.， Halilaj， L.， Coskun， G.， Auer， S.， Collarana， D.， Hoffmeister， M. Towards a Semantic Administrative Shell for Industry 4.0 Components[M]. 2016： arXiv.

[3]李一.德国面向工业4.0需求的职业能力体系构建与启示[J].职业技术教育，2017（34）：70-71.

[4][10]Prifti， L.， Knigge， M.， Kienegger， H.， &Krcmar， H. A Competency Model for“Industrie 4.0”Employees. Wirtschaftsinformatik[J].2017：6-57.

[5][11][12][13][14]Enke J.， Tisch M.， Metternich J. A Guide to Develop Competency-oriented Lean Learning Factories Systematically[J].ELEC，2017.

[6]Abele E.， Metternich J.， Tisch M.， et al. Learning Factories for Research， Education， and Training[J].Procedia CIRP，2015，32：1-6.

[7][16]王瑞，張为民.面向精益生产的学习工厂建设[J].机械制造，2018（6）：8-12.

[8]Technische Universit?t Darmstadt. Zero Defects in Learning Factories： Excellence in Education of Manufacturing Engineering[EB/OL].[2019-11-30].http：//www.ttf.unizg.hr/b-news/news_upload_files/2015/vijest_30-09-2015_560b71134b21c/EFFRA_Partner_search_prezentacija_FoF-03.pdf.

[9]Tisch M.， Hertle C.， Abele E.， et al. Learning Factory Design： A Competency-oriented Approach Integrating Three Design Levels[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing， 2015， 29（12）：1355-1375.

[15]段淇斌.推进精益管理 提升管理水平[J].社科纵横，2018（9）：35-38.

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）