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【芥末翻】在欧洲应用广泛的“学习工厂”,如何用于学术研究、教育和职业培训?

作者:芥末翻 发布时间:

【芥末翻】在欧洲应用广泛的“学习工厂”,如何用于学术研究、教育和职业培训?

作者:芥末翻 发布时间:

摘要:从做中学,杜威的理念在幼儿园到成人的任何阶段都适用。

【芥末翻】是芥末堆全新推出的一档学术栏目,由芥末堆海外翻译社群的小伙伴们助力完成。我们致力于将全球经典或是前沿的教育理念、教育技术、学习理论、实践案例等文献翻译成中文,并希望能够通过引进这类优质教育研究成果,在全球教育科学的推动下,让更好的教育来得更快!

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(图片:宾州州立大学学习工厂

本文选自Eberhard Abele et al. / Procedia CIRP 32 (2015) 1 – 6,作者Eberhard Abelea, Joachim Metternicha, Michael Tischa*, George Chryssolourisb, Wilfried Sihnc, Hoda ElMaraghyd, Vera Hummele, Fabian Ranz ,标题《Learning Factories for research, education, and training 》, 译者黄菁,编辑阿槑。

编者推荐:过去十多年间,学习工厂在重视职业教育的欧洲兴起,并扩展到全球。什么是学习工厂?在职业培训,教育和学术研究中如何应用?本文集结了多位学者的研究,普及学习工厂的理念和潜在应用价值。

为什么要建设学习工厂?

工业发展在多方面都面临着挑战——从新的科学技术的集成到人口特征的变化,再到复杂多变的商业环境。为了在激烈的竞争中生存下来,企业必须能够迅速适应新的市场环境。这种能力很大程度上依赖于企业各层级员工能够在面临未知挑战时自发找到创造性的解决方案。而要在制造业的生产环境中培养员工的这些能力,传统的教育方式显然有诸多局限性。因此,我们需要找到新的更有效的学习方式,这些方式必须能够:

  • 让培训发生在真实的生产环境中;

  • 将学习过程现代化,并与工业实践结合更密切;

  • 应用新的知识和科技,提升工业实践水平;

  • 通过提升青年工程师的能力(如:解决问题的能力、创造力、系统化思考能力)来推动产业创新(因为人才创新能力是驱动产业竞争力的第一要素)

高校和培训机构现在也面临着未来的挑战,他们需要了解未来的就业市场,工作岗位及相应的人才能力模型,在此基础上调整其教育理念。而要建设创新型学习环境,他们更需要提升应对这种种挑战的能力。企业现在需要的是跨学科、跨领域的培训,而这恰体现了学习工厂的重要性。

学习工厂的历史渊源

1994年,美国国家科学基金(NSF)向由宾夕法尼亚州立大学领导的大学联盟授予了建设“学习工厂”的许可,这是“学习工厂”这一术语首次出现并被专利化,它指跨学科的、实践性的高级工程设计项目,这种项目与工业界有着密切的联系和互动。

1995年,第一家工厂投入使用,其面积大约两千平米,提供类似于高校的基础设施,并配有机器、生产材料和生产工具,开始为数以百计的工业设计项目提供支持。这一“学习工厂”建设计划得到了全国范围的认可并在2006年获得了由国家工程研究院颁发的“戈登奖”,用于奖励这一计划在工程教育领域的创新。学习工厂的这一早期模型强调了通过应用工程教育的知识所得到的第一手经验,同时强调运用这种经验来解决产业中的实际问题,从而设计出能够满足特定需求的工业产品。

随着时间的推移,最近学习工厂的使用变得更为广泛,在欧洲尤其如此。为了满足学员在某个或多个知识领域提升学习体验的需求,学习工厂的规模和复杂程度各不相同。过去的几年里,大批量的学习工厂被建成。在这一新浪潮下,生产管理、科技与机械工具协会在2007年建立了一个早期学习工厂,并在完整的价值流程(Value Stream)下实现了生产出两个真实的产品,实现从原材料到成品的转变。同一时期,关注点和建设特征不同的其他学习工厂也建立了起来。本文的第五部分将详细介绍学习工厂的各种不同形式。

随着“欧洲学习工厂创建计划”在2011年“学习工厂第一次会议”上的启动,“学习工厂”进一步上升到了全欧洲联合建设的层面。2014年,CIRP学习工厂协作组织建立起来,致力于让公众理解“学习工厂”相关概念,并在全球范围内搜集最先进的知识以为未来研究计划的开展和合作模式的探索提供助力。

“学习工厂”的定义

为了达成对“学习工厂”这一概念的共识,CIRP 学习工厂协作组织内部对诸多现存的对“学习工厂”及“教育工厂”的定义展开了搜集、分析和比较工作,以此提炼出在所有定义中都存在的“学习工厂”的最关键特征(可参见图2)。经过CIRP团队内的大量讨论,最终得出了“学习工厂”在狭义和广义上的通用解释。

“学习工厂”是由“学习”和“工厂”这两个词组成的,因此它兼具两个词的内涵——这一系统应该同时包含学习/教育元素和生产环境。相对于“教育”,“学习”在这一术语中的出现强调了实践性学习的重要性,而相关研究也已表明,相较于传统的讲座式教育方式,从做中学的学习方式有更高的留存率,并且为知识的应用创造更多可能性。

学习工厂将高度符合实际的生产环境设置为学习环境,极大降低了教学中抽象概念的比重,这意味着学习工厂内学习的过程和技术都是基于真实生产环境的。在学习工厂中不仅有单个车间和生产机械,也有高度变化、多重附加值的生产线,因此学员们能够直接接触到生产过程中的各种不同阶段。学员们也能在这样的环境下探索与产业相关的技术和组织管理等问题的解决方法。

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图1:学习工厂的主要特征;狭义学习工厂(红色方块)与广义学习工厂(所有灰色区域)的区别

学习工厂的主要目标是技术创新、组织创新(用于研究时)、有效的素质提升(用于教育培训时),也包括内在驱动和情绪方面,使参与者能应对复杂的、全新的生产条件。因此,用一个理论性的概念定义应该在学习工厂学什么、怎么学、谁来学是没有必要的。在学习工厂中,学习的过程可以发生任何阶段,比如策划、执行、调整等各个阶段,同时在生产工序和工厂环境的改善过程中,学员们也能进行学习。

学习工厂的概念还可以有多种应用方式。为了有效提升能力,学习工厂的核心理念是高度情境化(接近真实的工厂环境),强调动手去做。在学习工厂的诸多变化形式中,对这一理念的践行程度也不同。我们发现,广义的学习工厂与现实距离稍远、实践不足,但具有更强的扩展性、受空间限制较少、能解决的问题范围也更广。

狭义的学习工厂会为学员提供一个真实的产品生产流程,学员可以现场学习操作、评估,并反思自己的实践。

广义的学习工厂对“学习工厂”这一概念的定义有以下几个方向:

  • 具备价值生产链的虚拟展示

  • 依赖远程信息和通信技术(ICT)建立的学员与学习过程的联系

  • 学习工厂的“产品”是一种服务

学习工厂的价值在于,通过多样化的技术环境和组织结构,增强企业不同层级员工的能力。为了让学习工厂在建立后能够持续运营并不断自我改进,其创造的价值必须与可持续性的商业模式相结合。

伴随着社会科技前进的大潮和教育研究的不断更新,学习工厂不断向前发展,其定义也应能够针对这些变化及时做出调整。因此,CIRP学习工厂协作组织和由德国教育研究部出资建立的创新型学习工厂合作网络同时建立了一个多维度的描述模型。这一模型可以作为新的学习工厂的设计指导,同时也可以为现存的学习工厂提供分类的工具。该模型首先阐明了学习工厂七个维度的50多个特征,其次对每个特征的属性都做了详细的介绍。下一步要进行的则是搭建一个线上平台,搜集全球范围内学习工厂的数据并梳理所有现存学习工厂的信息,便于查阅。

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图2:学习工厂的不同形态

学习工厂的多种应用

如前所述,“学习工厂”这一术语涵盖了多种维度下的各种学习环境。并且每一类学习工厂都有不同的特征和用途。为了体现“学习工厂”这一概念各种不同的表现形式,我们接下来会介绍学习工厂几种不同的应用情境。

屏幕快照 2017-07-16 下午2.55.12.jpg图3:学习工厂的应用情境

>>应用之一:工业生产

过去,小部分企业可以通过工序引导和精益生产来增加其对于消费者和雇员的价值。然而,大部分企业无法做到。成败的区别不在于使用的方法不同,而在于,成功的企业往往能够有效提高企业内各层级员工的能力,使其能迅速将新技能应用到生产中去。学习工厂就能为这样的实践创造一个适宜的环境,提升企业和学员可持续性生产的能力。

工序学习工厂CiP是由一个500多平方米的真实生产环境组成的,在该环境中,会涉及到工业生产的所有环节。学习工厂的两条机械生产线配有九台生产工具以及两条相接的组装线,生产出两类真实的产品。一类是变化很少的气缸,另一类则是源于SEW的有多达4000多种变体的齿轮马达。这样一来就满足了企业学员不同的需求。工序学习工厂CiP自2007年投入使用以来,已被利用于学术研究、教育,以及企业员工的培训,接下来我们会进一步讨论其在企业员工培训中的应用。

在工序学习工厂CiP中,企业学员可以探索精益生产的原理和方法并将其直接应用到真实的生产问题中,而不必考虑失败的风险或成本的压力。而基于学习工厂的培训环境与真实生产环境的高度相似,在学习工厂中积累的解决问题能力能够迅速迁移到学员自己的企业生产中。学习工厂所提供的多日工作坊一般能容纳10-15人参加,这种工作坊的形式既有基于年度培训体系的标准化培训模式,也有针对学员需求定制化的培训模式。

约有20家合作企业选择了年度培训体系模式的学习工厂工作坊,为其上至高管、下至生产线工人的员工提供培训。这15个标准化的工作坊被分为以下三个阶段:精益生产基本要素、精益生产核心元素、精益生产文化。

除了标准化工作坊这种选择,在定制化工作坊中,培训内容还可以根据学员的需求进行个性化定制。比如说,当企业正在进行精益化生产转型,学习工厂的定制化工作坊可以为企业提供个性化设计的培训课程以配合企业内部的转型。

>>应用之二:学术研究

在维也纳,维也纳技术大学(TU Wien)学习与创新工厂专注于提供集成化生产相关的教育,它代表了基于实践活动的线下教育平台,为学生提供了广泛了解和亲身体验集成化生产过程的机会。教育过程包括产品设计、工程设计、生产、组装和质量管控。培训实践是基于一个真实产品——微型轨道汽车——的产品分析、设计、组建、优化等各个程序展开的。多种教学方法都在培训过程中得以运用,尤其是混合教学法,也即将线上自学、面对面教学、亲身实践等方法结合起来。

2011年,维也纳技术大学学习与创新工厂由维也纳技术大学三个学院和奥地利Fraunhofer应用技术协会联合发起、建设并投入运营。目前,它主要被用于高等教育。2013年,为应对工业4.0的到来所带来的挑战,项目组开始将“以人为中心的信息物理生产系统(HCCPPS)”的核心要素逐步整合到学习工厂中。

为了实现学习工厂学术教育的目标,形成对工程和计算机科学的正确理解是非常重要的。诸如工程师这样的传统生产型工作越来越需要与信息和通讯技术紧密结合起来。IT技术也需要具备处理复杂工序建模和跨领域系统集成的能力。

而为了以稳健可靠的方式连接和巩固多样化的信息来源,学生们不仅需要具备应用能力,也需要能够自主组建IT技术元素、工业设计软件和其他的诸如MES、ERP系统的工具。

在所有这些学习元素的助力下,维也纳技术大学学习与创新工厂致力于为学生阐释虚拟世界、数字化世界和真实世界的复杂互联关系,着重提高搭建系统和界面交互的能力。

>>应用之三:远程教学

“教育工厂”的概念基于“知识三角”的理念,它致力于无缝衔接教育、研究、创新这三个关键点。这一概念最早来源于教学型医院,即与医院共同运营的医学院。

教育工厂将工厂环境与传统教室结合起来进行教学,从而成为一种有潜力的范例。教育工厂中的学习过程不受地理环境限制,由ICT技术和高端的工作教学设备对其进行辅助。它连接了远程的工程师与学习过程中的学生/研究员,让他们能够共同使用工厂环境和教室环境的设备,也让两组远程人员共同解决实际问题成为可能。在这一基础上,教育工厂形成了一个双向的知识交流机制,使得真实工厂中的信息能够及时传递到教室中,也为学术研究实验室向工厂传递信息搭建了桥梁。

“工厂-教室”的知识交流机制致力于将真实生产环境转化到教室环境的学习中。在工厂端,日常工业生产中每一道工序中的知识都将被运用到教学活动中,以提升教学质量;工程师们也会将生产中的实际问题展现给学生。在教室端,学生们作为知识的“接收者”,积极思考工程师所提出的实际问题的解决方案。

“实验室-工厂”的知识交流机制致力于将学术研究中的知识应用到工业生产中。此时,工厂中的工程师是知识的“接收者”。工业级的生产设备或教学设备可以首先在学术研究机构中进行测试,新技术和新知识经过学生和研究人员的验证之后又能回到产业实践中,为工程人员和管理人员提供新的知识和技能,也能为生产决策提供借鉴。

基于将学术机构和工业企业结合起来的试点案例,教育工厂的远程教学模式已经在KNOW-FACT中得到了有效验证(KNOW-FACT是由EC DG教育出资发起的一个知识联盟项目)。

>>应用之四:可变性研究

2011年,针对集成系统的学习工厂在温莎大学智能生产系统中心建立,成为北美最早的智能工厂(iFactory)之一。这一可转化的生产平台包含的一些组建,可以很便捷地通过再组装来改变生产系统的布局和功能,它还包含很多用于组装和检验的高端生产组件。而此类学习工厂恰恰关注能够高度整合产品设计、定制化和个性化的生产系统学习。在学习工厂iFactory中,iOder组件集合了很多创新性的物理和智能元素以推进生产系统的改变,这些元素包括变体导向性的、可再组合的工序,以及通过iPlan组件进行的生产设计;iOder组件还涵盖了制造系统设计集合、布局复杂性及最优系统粒度等多种元素。

>>应用之五:咨询公司

学习工厂在咨询行业的应用与其工业应用很相似(参见5.1.)。举个例子,跨国咨询公司麦肯锡就在不同分公司、不同应用领域中建立起了以实践学习为特征的学习工厂,以实现员工的能力建设。图7显示了麦肯锡在全球建立的学习工厂网络。此外,为了实现“学习工厂”概念更好的扩展性和灵活性,麦肯锡也实践了新兴的“虚拟模型工厂”理念。

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图四:麦肯锡学习工厂网络(基于31)

>>应用之六:展示

ESB物流学习工厂中的工业设备能很好地演示未来生产情境下的基本理念。在这一学习工厂中,面向中小企业和其他非生产类企业(比如金融机构)提供为期一天的演示工作坊,介绍在高度互联的生产环境中人工劳动、机械生产和信息通信技术是如何实现互动的。

为迎合这一需求,学习工厂的组装和物流体系(由六个组装工作站、若干超市货架和若干传送带组成)也被升级到更高的技术水平(包含RFID雷达收发机、感光机器、机器人组装线及其他附加的制造技术)。在工作坊开展前夕,参与者可以在线预定一个定制化的等比例模型。这个模型的大部分组件都是在一夜之间生产出来的。第二天,参与者们就可以在学习工厂组装这些组件来构建自己心仪的模型。这样一来,即便参与者不是生产方面的专家,也能通过体验从产品设计到生产再到组装这一系列工序,了解数据协同性的概念,以及信息通信技术对于去中心化生产和物流管理的意义,同时理解智能工厂设备的灵活性,如何在最先进的生产流程中增强释放人的劳动压力(并不是替代人工劳动)。

学习工厂的发展前景

如今,学习工厂已经覆盖了非常广泛的应用情境。而在未来,系统化地识别和建设高效的学习工厂会变得非常重要。为了达到这一目标,必须找到简单有效的方式来衡量学习的成功。考虑到学习发生的过程,我们期待以下创新:学习工厂为培训学员定制个性化的学习路径,同时,在虚拟技术或多媒体技术的支持的下,在线远程培训增强了学习工厂规模化应用的可能性。简言之,学习工厂应与创新建立更为紧密的联系——以CPPS的研发为例,学习工厂应开发新的产品原型、技术和生产流程。为了进一步拓展学习工厂更多的可能性,本文提到的众多的合作伙伴也应就学习工厂在教育、职业培训、学术研究上的有效实践进行持续的分享与交流。

>>声明

本翻译仅作了解之用,并非用于学术研究或商业决策。芥末堆海外翻译社群的小伙伴们力求将关键理念与思想更广泛地传播至中文区域,故部分表达可能与原文有所差异。如需使用,请查证原文

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