段丹萍，胡曉玲

(1.廣東食品藥品職業(yè)學院 電教信息中心，廣東 廣州510520；2.華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631)

近年來，伴隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、3D打印、人工智能等技術的發(fā)展，數(shù)字化制造時代悄然而至。未來的制造系統(tǒng)將是結合計算元素、物理元素、軟件和人類的“網(wǎng)絡物理系統(tǒng)”[1]。為滿足工業(yè)4.0時代下制造業(yè)對知識和創(chuàng)新的需求，許多教育機構和工業(yè)組織建立了學習工廠[2-4]。

由于目前關于數(shù)字化學習工廠的研究較少，我們將企業(yè)用于培訓的數(shù)字化工廠、學校用于實踐教學的基于IT技術的學習工廠的相關研究均納入文獻分析范疇，從而更加全面、深入地了解數(shù)字化學習工廠的研究與應用情況。本文闡述了數(shù)字化學習工廠的定義、類型及其在教育中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

一、數(shù)字化學習工廠概述

1.數(shù)字化學習工廠的定義

學習工廠（Learning Factory）的概念起源于美國賓夕法尼亞大學、華盛頓大學、波多黎各大學和桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)組成的制造工廠教育合作聯(lián)盟（Manufacturing Engineering Education Partnership,MEEP）[5]，目的是為學習者提供一個以實踐為基礎的工業(yè)課程，將理論付諸實踐，從工業(yè)中解決實際的項目和驗證設想。學習工廠是一種基于真實生產(chǎn)過程和生產(chǎn)技術的學習環(huán)境，它包括了教學、學習系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的各種元素，能夠為學習者提供掌握工業(yè)生產(chǎn)中不同工具、機器和新技術的基本知識和技能，體驗工業(yè)生產(chǎn)、團隊合作、問題解決和創(chuàng)新等學習過程[6]。

關于數(shù)字化學習工廠（Digital Learning Factory）的概念，目前并沒有形成統(tǒng)一、清晰的理解。數(shù)字化學習工廠是數(shù)字化制造技術、數(shù)字化工廠與學習工廠融合的產(chǎn)物，是數(shù)字化制造時代下學習工廠的一種新的形態(tài)。數(shù)字化制造技術融合了數(shù)字化技術與傳統(tǒng)制造技術，可應用于物料規(guī)劃、產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、產(chǎn)品制造、人力資源、供應鏈等產(chǎn)品全生命周期管理 （Product Lifecycle Management，PLM）過程，其目的在于分析、設計、規(guī)劃和優(yōu)化產(chǎn)品生命周期中的各個環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本和風險，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質量[5]。

數(shù)字化工廠是指圍繞工廠制造的整個生命周期，將制造設施的規(guī)劃與設計和制造過程本身結合起來的數(shù)字化模型、方法和應用所構成的數(shù)字制造系統(tǒng)[7]。過去，數(shù)字化工廠被定義為“一個實際的、有形的工廠操作的數(shù)字化模型”[5]，主要包括機器（設備）、工作單元、生產(chǎn)線、工廠等的3D仿真模型，用戶通過化身在虛擬世界中體驗和學習。隨著計算機技術尤其是混合現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展與應用，工業(yè)4.0時代下的數(shù)字化工廠有了新的特征，即虛擬世界與真實世界互相融合沒有界限，物理經(jīng)驗與數(shù)字信息通過基于混合現(xiàn)實的交互融合在一起。

綜上所述，數(shù)字化學習工廠可定義為一種基于數(shù)字化制造技術的，以工作過程為導向的，面向未來制造業(yè)教育、培訓和研究的學習環(huán)境。學習者在該環(huán)境中圍繞企業(yè)制造全生命周期開展實踐學習，從而掌握工業(yè)生產(chǎn)中不同工具、機器、新技術和新方法等的基本知識和技能，發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)、團隊合作、問題解決和創(chuàng)新等方面的能力。

2.數(shù)字化學習工廠的分類及其教育應用

數(shù)字化學習工廠在教育中的應用主要是通過讓學習者在一個高度擬真的或融合現(xiàn)實的制造環(huán)境下學習來實現(xiàn)的。根據(jù)虛擬世界與真實世界的融合程度，數(shù)字化學習工廠可分為：虛擬型數(shù)字化學習工廠（Virtualized Digital Learning Factory,VDLF）和混合型數(shù)字化學習工廠(Mixed Digital Learning Factory,MDLF)。

VDLF是一種基于虛擬制造技術的三維模擬學習環(huán)境，學習者利用化身進入虛擬世界，以PLM數(shù)據(jù)為基礎，通過對工廠規(guī)劃、建設、運行以及各個制造環(huán)節(jié)等進行模擬、分析、評估、驗證和優(yōu)化等操作[8]，掌握產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)流程等相關知識和技能，學會解決工作過程中的實際問題。

MDLF是一種基于計算機集成制造技術的混合現(xiàn)實學習環(huán)境，集成了所有PLM的數(shù)據(jù)、過程和資源，支持學習者完成從需求規(guī)劃、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)實現(xiàn)、供應鏈規(guī)劃到銷售服務等各個環(huán)節(jié)的模擬、分析、評估、驗證、優(yōu)化操作、控制、執(zhí)行和管理等操作[9]，在虛實融合的工作環(huán)境中體驗和參與生產(chǎn)實踐。通過基于MDLF的學習，學習者更容易適應未來工作崗位的角色、任務、技術和方法等。

過去十多年里，已經(jīng)有不少大學、職業(yè)院校和企業(yè)利用VDLF開展實踐教學和員工培訓。美國伊利諾伊理工大學工業(yè)虛擬現(xiàn)實研究所開發(fā)的“齒輪制造數(shù)字化工廠”，可用于學習者開展基于真實的齒輪制造工廠的布局、物流規(guī)劃等模擬學習[10]。美國紐約州立大學開發(fā)的VR-Fact系統(tǒng)，通過各車間的漫游和互動操作，學習者可對車間的布局設計有深入的體驗[11]。德國達姆施塔特學習工廠（Darmstadt's Learning Factory）針對 CIP生產(chǎn)線進行仿真模擬，融入了精益生產(chǎn)的理念，利用基于ExtendSim的2D離散事件模擬和基于Tecnomatix的3D過程模擬實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化仿真操作，允許學習者通過化身完成不同生產(chǎn)方案的研究、對比和分析，實現(xiàn)對工作地點、工作臺和裝配線進行優(yōu)化等[12]。

隨著數(shù)字化工廠向集成化和智能化方向發(fā)展，MDLF已經(jīng)引起了企業(yè)和學校的重視。奧地利屠維恩學習創(chuàng)新工廠 （TU Wien Learning and Innovation Factory）是一個用于集成化生產(chǎn)教育的具身教學平臺，讓學習者真實體驗和廣泛理解集成化產(chǎn)品的實現(xiàn)過程，包括產(chǎn)品規(guī)劃和設計、工程、制造、裝配以及質量保證等[2]。

二、數(shù)字化學習工廠教育應用的優(yōu)勢

1.有助于培養(yǎng)適應未來制造業(yè)領域需要的人才

Prinz C等[13]提出工業(yè)4.0時代下，制造業(yè)領域的人才需要具備九個方面的能力，包括：問題解決與監(jiān)督、廣泛傳播的專門知識或技能、判斷力、跨學科的能力、個人責任感、系統(tǒng)思維、溝通能力和適應能力。為此，他認為學習工廠的學習目標應定位為：處理大量的數(shù)據(jù)和信息，使用新方法和技術，適應新的組織結構、處理過程和人員方面以及適應新的人類角色。近年來，學習工廠已經(jīng)被多次證實可作為制造領域學校教學和企業(yè)培訓的有效方法或環(huán)境[1][2][14]。

Zadeh N S[12]認為學習工廠的預期成果可包括：①獲得生產(chǎn)系統(tǒng)不同概念和原則的經(jīng)驗；②在工廠使用機器、工具或物理設備方面取得經(jīng)驗；③獲得社會經(jīng)驗，如小組工作和應付即將到來的挑戰(zhàn)的能力；④獲得在現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境中工作的經(jīng)驗和基于所需結果的身體參與的情境認知的意義。

數(shù)字化學習工廠利用虛擬制造技術和計算機集成制造技術融合了虛擬世界和真實世界，在敏捷性、交互性、開放性、可移動性、參與者容量以及映射能力等方面比過去的物理型學習工廠更具有優(yōu)勢。學習者能夠更加積極、主動、自由地沉浸在工業(yè)環(huán)境中，開展高度整合的、定制化和個性化的學習，從而學習工業(yè)概念、習得技能和發(fā)展能力。

2.為學習者提供高度情境化和可視化的具身學習環(huán)境

具身認知理論認為認知、身體和環(huán)境是一體的，學習是學習者通過身體與環(huán)境的交互而產(chǎn)生心理與情感的變化，而這種變化又通過身體作出反應[15]。數(shù)字化學習工廠為學習者創(chuàng)造了高度情境化和可視化的具身學習環(huán)境，學習者可以體驗和親身經(jīng)歷完整的工廠制造過程。

在情境化方面，數(shù)字化學習工廠可為學習者提供模擬演示、仿真操作和真實生產(chǎn)三種學習場景。其中，模擬演示場景和仿真操作場景可再現(xiàn)、假設、對比、分析、體驗和驗證情境，尤其適合真實生產(chǎn)中復雜的、不易于觀察和體驗的、受到時空限制的、存在高成本和高風險的情境等。例如，可以讓學習者在數(shù)字化學習工廠中嘗試管理生產(chǎn)中的復雜任務，每個參與者都可以通過“化身”在虛擬場景中扮演一個特定的角色（如會計、生產(chǎn)工人或者企業(yè)管理人員等），一起協(xié)作、討論和交流，還可以改變或交換角色，體驗多種工作角色和任務。

在可視化方面，數(shù)字化學習工廠可實現(xiàn)：

（1）工廠布局全景可視化，包括對工廠地形地貌、建筑、車間、設備設施、產(chǎn)品等進行3D建模，直觀、真實、精確地展示各種設施、設備形狀及生產(chǎn)工藝的組織關系、分步和拓撲情況等，學習者通過計算機或移動終端就能身臨其境地漫游整個企業(yè)現(xiàn)場。

（2）產(chǎn)品、設備或生產(chǎn)線內(nèi)部結構可視化，通過對它們的3D模型進行拆分、剖切或重組，對結構組成進行全景演示和交互操作，從而幫助學習者理解和掌握設備基本信息、結構組成、工作原理、標準操作及故障分析等。

（3）生產(chǎn)過程可視化，一方面可對生產(chǎn)過程中的物理運動、化學反應等過程和現(xiàn)象進行三維可視化和交互操作；另一方面通過仿真模擬運行和自動化生產(chǎn)，對數(shù)據(jù)進行可視化分析和對制造控制過程進行不同場景的可視化比較。例如，加拿大溫莎大學智能制造系統(tǒng)中心的智能工廠（Intelligent Factory,IFactory）支持生產(chǎn)平臺的靈活轉換，可以重新配置、改變系統(tǒng)布局及其功能的模塊，可視化因生產(chǎn)參數(shù)改變而生成的不同輸出結果[16]。

3.將“工廠融入課堂”支持多種應用場景和學習方式

“工廠融入課堂”的知識交流渠道旨在將真實的制造環(huán)境轉移到課堂[2]。數(shù)字化學習工廠作為一個基于先進信息技術和工業(yè)教學設備的非地理錨定的學習空間，已經(jīng)成為一個將工廠環(huán)境融入課堂的有效范例，可支持學習者與更接近真實的工業(yè)情境進行交互，與產(chǎn)品、機器、設備、生產(chǎn)線等的三維仿真模型和真實物理原型及其運作過程進行交互，與PLM數(shù)據(jù)和不同的生產(chǎn)解決方案進行交互，與其他參與者（如學習者、教師、研究人員、企業(yè)工程師或生產(chǎn)管理者等）進行交互。

在應用場景支持方面，能夠應用于大學和研究機構的學術教育與研究，各類學校和培訓機構的職業(yè)教育，企業(yè)員工的在職培訓[2]等。在支持多種學習方式方面，可利用數(shù)字化學習工廠開展體驗學習、游戲學習、混合學習、遠程教學、在線自學、合作學習等多種方式。Zadeh N S[12]認為在數(shù)字化學習工廠中，學習者和教師的身體存在是不需要的，利用其開展遠程學習可以增加參與者的數(shù)量。Abele E等[2]指出通過數(shù)字化學習工廠，遠程的工程師和學習者、教師、研究人員團隊能夠進行交流和互動，處理實際問題，并使工業(yè)和學術場所的實際設施參與進來。

4.有利于校企融合開展協(xié)同知識創(chuàng)造和技術創(chuàng)新

學習工廠旨在無縫地整合教育、研究和創(chuàng)新[17]。學習工廠作為學校與企業(yè)的合作橋梁，可以為雙方帶來雙贏的局面。數(shù)字化學習工廠中的工業(yè)級或教學設備可以用作學習者、教師和研究人員創(chuàng)造新知識和驗證新技術的試驗平臺，并支持他們將新的知識和技術傳輸?shù)狡髽I(yè)，以便支持企業(yè)引入新的概念、解決方案或決策過程。

丹麥奧爾堡大學智能生產(chǎn)實驗室 （The Smart Production Lab at Aalborg University）是一個類似于真實生產(chǎn)環(huán)境的“小型工業(yè)4.0工廠”，為來自機械工程、機器人學、計算機科學、電子、商業(yè)領域的學習者、研究人員和企業(yè)員工之間提供了一個學習、密切合作和創(chuàng)造新知識的平臺[18]?？肆_地亞斯普利特大學將FESB數(shù)字化學習工廠應用于計算機和工業(yè)工程專業(yè)研究生課程中，學習者必須設計自己的企業(yè)，并進行測試、驗證和優(yōu)化解決方案，學習者在習得知識和技能基礎上，完成碩士論文的撰寫，同時與開發(fā)商合作有效改進FESB數(shù)字學習工廠，創(chuàng)造經(jīng)濟價值[19]。

三、數(shù)字化學習工廠教育應用面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字化學習工廠在技術層面、教學層面和學習層面還存在著許多問題，具體如下：

1.技術層面的問題

（1）復雜的系統(tǒng)結構和技術集成。雖然數(shù)字化學習工廠有許多優(yōu)點，但需要實施復雜的IT基礎結構[5]，融合制造系統(tǒng)和教學系統(tǒng)有關的數(shù)據(jù)、信息、模型、資源、過程、標準等，集成多種IT技術和生產(chǎn)技術。由于目前較缺乏對復雜的系統(tǒng)結構、多種技術的集成和技術標準等的研究與解決方案，導致了數(shù)字化學習工廠建設難度大，投入資金和時間成本也較高。

（2）靈活性和移動性。數(shù)字化學習工廠代表了真實工廠中的工業(yè)環(huán)境和工作過程，往往針對某個特定的學科領域或主題。因此，僅靠一種數(shù)字化學習工廠無法應對教育界、學術界和工業(yè)界的所有挑戰(zhàn)，難以作為適合學科實踐教學和培訓的普適環(huán)境。此外，精細的3D模型、復雜的系統(tǒng)結構和集成化的運行環(huán)境，往往需要大屏幕顯示設備、高性能甚至專有的運行環(huán)境等，導致了數(shù)字化學習工廠在支持移動終端的應用方面存在很大困難。隨著虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動學習等技術的不斷發(fā)展，數(shù)字化學習工廠的靈活性和移動性有望大幅度提高。

（3）數(shù)據(jù)集成與共享。使用一個公共數(shù)據(jù)倉庫集成所有相關應用軟件的數(shù)據(jù)，對于數(shù)字化學習工廠的成功實現(xiàn)是至關重要的。目前有三個主要因素阻礙了跨過程的數(shù)據(jù)集成[20]：一是當前的軟件系統(tǒng)架構是非常異構的，具有大量的、孤立的解決方案；二是大多數(shù)軟件僅限于解決方案的模擬，根本沒有可操作性和交互性；三是沒有標準化的數(shù)據(jù)交換格式。數(shù)據(jù)的集成和共享需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和強大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并在各種復雜的設計和操作功能區(qū)域之間實現(xiàn)標準化的接口。

2.教學層面的問題

（1）來自學校和教師的制約。與過去許多教育創(chuàng)新一樣，使用數(shù)字化學習工廠可能會受到來自學校和教師之間的阻力制約。學校層面主要是來自于體制上的限制，例如，學校是否有能力建設數(shù)字化學習工廠，是否有針對數(shù)字化學習工廠覆蓋一定數(shù)量的課程教學計劃以及相關的配套支持等。教師層面主要受制于教師教學理念、教學方法、教育技術能力、教學實踐創(chuàng)新能力和工業(yè)實踐能力等。

（2）如何通過教學設計將教學與生產(chǎn)有效融合，形成一種新的生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)字化學習工廠無縫銜接了教學過程與工業(yè)生產(chǎn)實踐過程，融合了教學系統(tǒng)和制造系統(tǒng)中的各類組成要素，包括環(huán)境、設施、設備、生產(chǎn)過程、學習內(nèi)容以及各類數(shù)據(jù)資源等，如何重組這些要素構成一個新的學習生態(tài)系統(tǒng)，促進知識能夠傳播和流動，確保學習交互發(fā)生的有序和有效，是教學設計需要解決的問題。

（3）教學內(nèi)容的靈活性。在某些數(shù)字化學習工廠中，學習主題、學習內(nèi)容和教學順序是固定的，教師不能做出改變以適應學習者的需要。因此，未來數(shù)字化學習工廠必須是模塊化的、可擴展的、靈活的、開放的、敏捷的和基于知識的，以便能夠實時地適應不斷變化的生產(chǎn)和教學帶來的教育需求。

（4）教學效果的評估。研究者們已經(jīng)對學習工廠的形態(tài)進行了探索和確定，即重點在于面向實踐的學習過程[21]。未來基于數(shù)字化學習工廠的教學效果評估，既要考慮能力導向的目標評價，也要考慮目標導向的各個階段的評估。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有效性。

3.學習層面的問題

（1）認知負荷。在數(shù)字化學習工廠中，學習者可能會因所遇到的大量信息、需要使用的多種技術設備以及他們必須完成的復雜任務而遭遇到認知負荷。此外，數(shù)字化學習工廠提供了虛擬和現(xiàn)實混合的環(huán)境，而這種混合現(xiàn)實的環(huán)境以及虛實身份之間的轉化也可能導致學習者的困惑。

（2）跨學科的復雜技能。數(shù)字化學習工廠是面向未來工程師的學習環(huán)境，需要學習者具有工程、信息技術、電子和計算機科學等跨科學方面的能力，主要包括溝通協(xié)作、問題解決、產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、仿真模擬、技術操作、監(jiān)督、判斷、系統(tǒng)思維、適應和組織領導等多種復雜技能。而作為一個僅有最低實踐經(jīng)驗的初學者，比較缺乏這些方面的技能。

（3）適應產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的快速變化。由于產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的快速變化，學習者需要更迅速地引入現(xiàn)有的和未來的方法來面對未來制造業(yè)帶來的挑戰(zhàn)。借助數(shù)字化學習工廠，學習者不僅需要掌握能夠運用現(xiàn)有的方法和技術來解決實際問題，同時還能夠適應未來工作崗位中的各種變化。

四、總結與展望

目前，學習工廠已經(jīng)涵蓋了廣泛的應用場景。學習工廠應該與創(chuàng)新（新原型和產(chǎn)品技術、生產(chǎn)技術和工藝、IT技術等）更緊密地聯(lián)系在一起[2]。在未來，開發(fā)有效和高效的數(shù)字化學習工廠將變得非常重要。從現(xiàn)有研究來看，國外雖然沒有形成明晰的數(shù)字化學習工廠概念，也較缺乏實證研究，但相關研究已經(jīng)初步探索了數(shù)字化學習工廠的組成框架、應用前景、技術解決方案和教學方法等，也展示了一些不同場景的應用案例。面對工業(yè)4.0發(fā)展熱潮所帶來的挑戰(zhàn)，數(shù)字化學習工廠很可能會成為未來學校與企業(yè)無縫銜接和融合的最佳橋梁，在制造業(yè)教育中發(fā)揮越來越重要的作用。