在歐洲應用廣泛的「學習工廠」，如何用於學術研究、教育和職業培訓？

【芥末翻】是芥末堆全新推出的一檔學術欄目，由芥末堆海外翻譯社群的小夥伴們助力完成。我們致力於將全球經典或是前沿的教育理念、教育技術、學習理論、實踐案例等文獻翻譯成中文，並希望能夠通過引進這類優質教育研究成果，在全球教育科學的推動下，讓更好的教育來得更快！

（圖片： 賓州州立大學學習工廠）

作者Eberhard Abelea, Joachim Metternicha, Michael Tischa*, George Chryssolourisb, Wilfried Sihnc, Hoda ElMaraghyd, Vera Hummele, Fabian Ranz ，標題《Learning Factories for research, education, and training 》, 譯者黃菁，編輯阿槑。

編者推薦：過去十多年間，學習工廠在重視職業教育的歐洲興起，並擴展到全球。什麼是學習工廠？在職業培訓，教育和學術研究中如何應用？本文集結了多位學者的研究，普及學習工廠的理念和潛在應用價值。

為什麼要建設學習工廠？

工業發展在多方面都面臨著挑戰——從新的科學技術的集成到人口特徵的變化，再到複雜多變的商業環境。為了在激烈的競爭中生存下來，企業必須能夠迅速適應新的市場環境。這種能力很大程度上依賴於企業各層級員工能夠在面臨未知挑戰時自發找到創造性的解決方案。而要在製造業的生產環境中培養員工的這些能力，傳統的教育方式顯然有諸多局限性。因此，我們需要找到新的更有效的學習方式，這些方式必須能夠：

讓培訓發生在真實的生產環境中；

將學習過程現代化，並與工業實踐結合更密切；

應用新的知識和科技，提升工業實踐水平；

通過提升青年工程師的能力（如：解決問題的能力、創造力、系統化思考能力）來推動產業創新（因為人才創新能力是驅動產業競爭力的第一要素）

高校和培訓機構現在也面臨著未來的挑戰，他們需要了解未來的就業市場，工作崗位及相應的人才能力模型，在此基礎上調整其教育理念。而要建設創新型學習環境，他們更需要提升應對這種種挑戰的能力。企業現在需要的是跨學科、跨領域的培訓，而這恰體現了學習工廠的重要性。

學習工廠的歷史淵源

1994年，美國國家科學基金（NSF）向由賓夕法尼亞州立大學領導的大學聯盟授予了建設「學習工廠」的許可，這是「學習工廠」這一術語首次出現並被專利化，它指跨學科的、實踐性的高級工程設計項目，這種項目與工業界有著密切的聯繫和互動。

1995年，第一家工廠投入使用，其面積大約兩千平米，提供類似於高校的基礎設施，並配有機器、生產材料和生產工具，開始為數以百計的工業設計項目提供支持。這一「學習工廠」建設計劃得到了全國範圍的認可並在2006年獲得了由國家工程研究院頒發的「戈登獎」，用於獎勵這一計劃在工程教育領域的創新。學習工廠的這一早期模型強調了通過應用工程教育的知識所得到的第一手經驗，同時強調運用這種經驗來解決產業中的實際問題，從而設計出能夠滿足特定需求的工業產品。

隨著時間的推移，最近學習工廠的使用變得更為廣泛，在歐洲尤其如此。為了滿足學員在某個或多個知識領域提升學習體驗的需求，學習工廠的規模和複雜程度各不相同。過去的幾年裡，大批量的學習工廠被建成。在這一新浪潮下，生產管理、科技與機械工具協會在2007年建立了一個早期學習工廠，並在完整的價值流程（Value Stream）下實現了生產出兩個真實的產品，實現從原材料到成品的轉變。同一時期，關注點和建設特徵不同的其他學習工廠也建立了起來。本文的第五部分將詳細介紹學習工廠的各種不同形式。

隨著「歐洲學習工廠創建計劃」在2011年「學習工廠第一次會議」上的啟動，「學習工廠」進一步上升到了全歐洲聯合建設的層面。2014年，CIRP學習工廠協作組織建立起來，致力於讓公眾理解「學習工廠」相關概念，並在全球範圍內搜集最先進的知識以為未來研究計劃的開展和合作模式的探索提供助力。

「學習工廠」的定義

為了達成對「學習工廠」這一概念的共識，CIRP 學習工廠協作組織內部對諸多現存的對「學習工廠」及「教育工廠」的定義展開了搜集、分析和比較工作，以此提煉出在所有定義中都存在的「學習工廠」的最關鍵特徵（可參見圖2）。經過CIRP團隊內的大量討論，最終得出了「學習工廠」在狹義和廣義上的通用解釋。

「學習工廠」是由「學習」和「工廠」這兩個片語成的。相對於「教育」，「學習」在這一術語中的出現強調了實踐性學習的重要性，而相關研究也已表明，相較於傳統的講座式教育方式，從做中學的學習方式有更高的留存率，並且為知識的應用創造更多可能性。

學習工廠將高度符合實際的生產環境設置為學習環境，極大降低了教學中抽象概念的比重，這意味著學習工廠內學習的過程和技術都是基於真實生產環境的。在學習工廠中不僅有單個車間和生產機械，也有高度變化、多重附加值的生產線，因此學員們能夠直接接觸到生產過程中的各種不同階段。學員們也能在這樣的環境下探索與產業相關的技術和組織管理等問題的解決方法。

圖1：學習工廠的主要特徵；狹義學習工廠（紅色方塊）與廣義學習工廠（所有灰色區域）的區別

學習工廠的主要目標是技術創新、組織創新（用於研究時）、有效的素質提升（用於教育培訓時），也包括內在驅動和情緒方面，使參與者能應對複雜的、全新的生產條件。因此，用一個理論性的概念定義應該在學習工廠學什麼、怎麼學、誰來學是沒有必要的。在學習工廠中，學習的過程可以發生任何階段，比如策劃、執行、調整等各個階段，同時在生產工序和工廠環境的改善過程中，學員們也能進行學習。

學習工廠的概念還可以有多種應用方式。為了有效提升能力，學習工廠的核心理念是高度情境化（接近真實的工廠環境），強調動手去做。在學習工廠的諸多變化形式中，對這一理念的踐行程度也不同。我們發現，廣義的學習工廠與現實距離稍遠、實踐不足，但具有更強的擴展性、受空間限制較少、能解決的問題範圍也更廣。

狹義的學習工廠會為學員提供一個真實的產品生產流程，學員可以現場學習操作、評估，並反思自己的實踐。

廣義的學習工廠對「學習工廠」這一概念的定義有以下幾個方向：

具備價值生產鏈的虛擬展示

依賴遠程信息和通信技術（ICT）建立的學員與學習過程的聯繫

學習工廠的「產品」是一種服務

學習工廠的價值在於，通過多樣化的技術環境和組織結構，增強企業不同層級員工的能力。為了讓學習工廠在建立後能夠持續運營並不斷自我改進，其創造的價值必須與可持續性的商業模式相結合。

伴隨著社會科技前進的大潮和教育研究的不斷更新，學習工廠不斷向前發展，其定義也應能夠針對這些變化及時做出調整。因此，CIRP學習工廠協作組織和由德國教育研究部出資建立的創新型學習工廠合作網路同時建立了一個多維度的描述模型。這一模型可以作為新的學習工廠的設計指導，同時也可以為現存的學習工廠提供分類的工具。該模型首先闡明了學習工廠七個維度的50多個特徵，其次對每個特徵的屬性都做了詳細的介紹。下一步要進行的則是搭建一個線上平台，搜集全球範圍內學習工廠的數據並梳理所有現存學習工廠的信息，便於查閱。

圖2：學習工廠的不同形態學習工廠的多種應用

如前所述，「學習工廠」這一術語涵蓋了多種維度下的各種學習環境。並且每一類學習工廠都有不同的特徵和用途。為了體現「學習工廠」這一概念各種不同的表現形式，我們接下來會介紹學習工廠幾種不同的應用情境。

圖3：學習工廠的應用情境

>>應用之一：工業生產

過去，小部分企業可以通過工序引導和精益生產來增加其對於消費者和僱員的價值。然而，大部分企業無法做到。成敗的區別不在於使用的方法不同，而在於，成功的企業往往能夠有效提高企業內各層級員工的能力，使其能迅速將新技能應用到生產中去。學習工廠就能為這樣的實踐創造一個適宜的環境，提升企業和學員可持續性生產的能力。

工序學習工廠CiP是由一個500多平方米的真實生產環境組成的，在該環境中，會涉及到工業生產的所有環節。學習工廠的兩條機械生產線配有九台生產工具以及兩條相接的組裝線，生產出兩類真實的產品。一類是變化很少的氣缸，另一類則是源於SEW的有多達4000多種變體的齒輪馬達。這樣一來就滿足了企業學員不同的需求。工序學習工廠CiP自2007年投入使用以來，已被利用於學術研究、教育，以及企業員工的培訓，接下來我們會進一步討論其在企業員工培訓中的應用。

在工序學習工廠CiP中，企業學員可以探索精益生產的原理和方法並將其直接應用到真實的生產問題中，而不必考慮失敗的風險或成本的壓力。而基於學習工廠的培訓環境與真實生產環境的高度相似，在學習工廠中積累的解決問題能力能夠迅速遷移到學員自己的企業生產中。學習工廠所提供的多日工作坊一般能容納10-15人參加，這種工作坊的形式既有基於年度培訓體系的標準化培訓模式，也有針對學員需求定製化的培訓模式。

約有20家合作企業選擇了年度培訓體系模式的學習工廠工作坊，為其上至高管、下至生產線工人的員工提供培訓。這15個標準化的工作坊被分為以下三個階段：精益生產基本要素、精益生產核心元素、精益生產文化。

除了標準化工作坊這種選擇，在定製化工作坊中，培訓內容還可以根據學員的需求進行個性化定製。比如說，當企業正在進行精益化生產轉型，學習工廠的定製化工作坊可以為企業提供個性化設計的培訓課程以配合企業內部的轉型。

>>應用之二：學術研究

在維也納，維也納技術大學（TU Wien）學習與創新工廠專註於提供集成化生產相關的教育，它代表了基於實踐活動的線下教育平台，為學生提供了廣泛了解和親身體驗集成化生產過程的機會。教育過程包括產品設計、工程設計、生產、組裝和質量管控。培訓實踐是基於一個真實產品——微型軌道汽車——的產品分析、設計、組建、優化等各個程序展開的。多種教學方法都在培訓過程中得以運用，尤其是混合教學法，也即將線上自學、面對面教學、親身實踐等方法結合起來。

2011年，維也納技術大學學習與創新工廠由維也納技術大學三個學院和奧地利Fraunhofer應用技術協會聯合發起、建設並投入運營。目前，它主要被用於高等教育。2013年，為應對工業4.0的到來所帶來的挑戰，項目組開始將「以人為中心的信息物理生產系統（HCCPPS）」的核心要素逐步整合到學習工廠中。

為了實現學習工廠學術教育的目標，形成對工程和計算機科學的正確理解是非常重要的。諸如工程師這樣的傳統生產型工作越來越需要與信息和通訊技術緊密結合起來。IT技術也需要具備處理複雜工序建模和跨領域系統集成的能力。

而為了以穩健可靠的方式連接和鞏固多樣化的信息來源，學生們不僅需要具備應用能力，也需要能夠自主組建IT技術元素、工業設計軟體和其他的諸如MES、ERP系統的工具。

在所有這些學習元素的助力下，維也納技術大學學習與創新工廠致力於為學生闡釋虛擬世界、數字化世界和真實世界的複雜互聯關係，著重提高搭建系統和界面交互的能力。

>>應用之三：遠程教學

「教育工廠」的概念基於「知識三角」的理念，它致力於無縫銜接教育、研究、創新這三個關鍵點。這一概念最早來源於教學型醫院，即與醫院共同運營的醫學院。

教育工廠將工廠環境與傳統教室結合起來進行教學，從而成為一種有潛力的範例。教育工廠中的學習過程不受地理環境限制，由ICT技術和高端的工作教學設備對其進行輔助，也讓兩組遠程人員共同解決實際問題成為可能。在這一基礎上，教育工廠形成了一個雙向的知識交流機制，使得真實工廠中的信息能夠及時傳遞到教室中，也為學術研究實驗室向工廠傳遞信息搭建了橋樑。

「工廠-教室」的知識交流機制致力於將真實生產環境轉化到教室環境的學習中。在工廠端，日常工業生產中每一道工序中的知識都將被運用到教學活動中，以提升教學質量；工程師們也會將生產中的實際問題展現給學生。在教室端，學生們作為知識的「接收者」，積極思考工程師所提出的實際問題的解決方案。

「實驗室-工廠」的知識交流機制致力於將學術研究中的知識應用到工業生產中。此時，工廠中的工程師是知識的「接收者」。工業級的生產設備或教學設備可以首先在學術研究機構中進行測試，新技術和新知識經過學生和研究人員的驗證之後又能回到產業實踐中，為工程人員和管理人員提供新的知識和技能，也能為生產決策提供借鑒。

基於將學術機構和工業企業結合起來的試點案例，教育工廠的遠程教學模式已經在KNOW-FACT中得到了有效驗證（KNOW-FACT是由EC DG教育出資發起的一個知識聯盟項目）。

>>應用之四：可變性研究

2011年，針對集成系統的學習工廠在溫莎大學智能生產系統中心建立，成為北美最早的智能工廠（iFactory）之一。這一可轉化的生產平台包含的一些組建，可以很便捷地通過再組裝來改變生產系統的布局和功能，它還包含很多用於組裝和檢驗的高端生產組件。而此類學習工廠恰恰關注能夠高度整合產品設計、定製化和個性化的生產系統學習。在學習工廠iFactory中，iOder組件集合了很多創新性的物理和智能元素以推進生產系統的改變，這些元素包括變體導向性的、可再組合的工序，以及通過iPlan組件進行的生產設計；iOder組件還涵蓋了製造系統設計集合、布局複雜性及最優系統粒度等多種元素。

>>應用之五：諮詢公司

學習工廠在諮詢行業的應用與其工業應用很相似（參見5.1.）。舉個例子，跨國諮詢公司麥肯錫就在不同分公司、不同應用領域中建立起了以實踐學習為特徵的學習工廠，以實現員工的能力建設。圖7顯示了麥肯錫在全球建立的學習工廠網路。此外，為了實現「學習工廠」概念更好的擴展性和靈活性，麥肯錫也實踐了新興的「虛擬模型工廠」理念。

圖四：麥肯錫學習工廠網路（基於31）

>>應用之六：展示

ESB物流學習工廠中的工業設備能很好地演示未來生產情境下的基本理念。在這一學習工廠中，面向中小企業和其他非生產類企業（比如金融機構）提供為期一天的演示工作坊，介紹在高度互聯的生產環境中人工勞動、機械生產和信息通信技術是如何實現互動的。

為迎合這一需求，學習工廠的組裝和物流體系（由六個組裝工作站、若干超市貨架和若干傳送帶組成）也被升級到更高的技術水平（包含RFID雷達收發機、感光機器、機器人組裝線及其他附加的製造技術）。在工作坊開展前夕，參與者可以在線預定一個定製化的等比例模型。這個模型的大部分組件都是在一夜之間生產出來的。第二天，參與者們就可以在學習工廠組裝這些組件來構建自己心儀的模型。這樣一來，即便參與者不是生產方面的專家，也能通過體驗從產品設計到生產再到組裝這一系列工序，了解數據協同性的概念，以及信息通信技術對於去中心化生產和物流管理的意義，同時理解智能工廠設備的靈活性，如何在最先進的生產流程中增強釋放人的勞動壓力（並不是替代人工勞動）。

學習工廠的發展前景

如今，學習工廠已經覆蓋了非常廣泛的應用情境。而在未來，系統化地識別和建設高效的學習工廠會變得非常重要。為了達到這一目標，必須找到簡單有效的方式來衡量學習的成功。考慮到學習發生的過程，我們期待以下創新：學習工廠為培訓學員定製個性化的學習路徑，同時，在虛擬技術或多媒體技術的支持的下，在線遠程培訓增強了學習工廠規模化應用的可能性。簡言之，學習工廠應與創新建立更為緊密的聯繫——以CPPS的研發為例，學習工廠應開發新的產品原型、技術和生產流程。為了進一步拓展學習工廠更多的可能性，本文提到的眾多的合作夥伴也應就學習工廠在教育、職業培訓、學術研究上的有效實踐進行持續的分享與交流。

>>聲明

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！