Simone Kauffeld, Nine Reining , Christoph Herrmann

(布倫瑞克工業(yè)大學，德國 布倫瑞克 38106)

1 變化中的職業(yè)世界

1.1 總體變化

數(shù)字化和可持續(xù)性經(jīng)濟活動被認為是21世紀全球工作環(huán)境發(fā)展的大趨勢，它們的高度動態(tài)化發(fā)展也使所有經(jīng)濟領域的工作都在發(fā)生重大變化。由此產(chǎn)生的現(xiàn)代職業(yè)世界通常被稱為VUCA世界，其特征是易變性、不確定性、復雜性和模糊性。[1]波動性意味著市場在短時間內(nèi)就會發(fā)生波動，從而導致不可預測性和不穩(wěn)定性。不確定性指對未來發(fā)展的不確定性越來越高，比如說關于對市場和新趨勢的預測。復雜性是指所使用的相關體系具有功能日益強大化和網(wǎng)絡化的特點。模糊性涉及的是事實內(nèi)容和信息的不明確性及多義性，由此會產(chǎn)生有矛盾的地方，而這些都需要得到識辨和處理。

在這個新的職業(yè)世界，組織里的程序和流程也必須發(fā)生變化，因為各方面的工作不僅變得更具互聯(lián)性，而且變得更加個性化、更加靈活[2]?；ヂ?lián)性特別體現(xiàn)于人機通信以及大至所謂的智能工廠。產(chǎn)品的高度個性化連同客戶期望和發(fā)展趨勢的頻繁變化都要求企業(yè)在內(nèi)部以及與外部利益相關者之間加強協(xié)調(diào)并強化分散性決策的機制。強大的層級結構要被拆除[3]，由建立在合作者具有自主性、靈活性和相互信任關系之上，并且不斷交換資源和信息的網(wǎng)絡化組織取代。很多工作都會變得越來越以知識為基礎(創(chuàng)造和傳播知識)，而“產(chǎn)出型”(與生產(chǎn)有關的工作和原始服務)的工作將變少[4]，并且知識的半衰期也會變短。也創(chuàng)新和知識變得越來越重要，因此，為員工提供以需求為導向、終身的、長期的培訓十分必要，這也將構成他們工作的一個重要部分[5]。同時，工作條件必須越來越適合于員工的個人生活計劃和自主性需求。員工對其工作和企業(yè)的認同感至關重要[6]。工作時間和工作地點具有靈活性(例如基于信任的工作時間、移動工作、在家辦公等)也是新職業(yè)世界的特征[7]，因為工作和個人生活相互聯(lián)系，它們之間的界限變得越來越模糊，這也使個性化決定工作和個人生活之間的關系成為可能。

綜合來說，職業(yè)世界的當前發(fā)展也被稱為工作4.0。工作4.0的概念涵蓋了數(shù)字化轉型過程、VUCA、創(chuàng)新和知識經(jīng)濟、個性化、價值變化以及這些之外的人口變化和就業(yè)人口潛力[8]。但工作崗位還仍始終被視為社會技術系統(tǒng)(soziotechnische Systeme)[9]，因此，當前的發(fā)展給工作關系和工作形式帶來重大變化，并向員工提出了全新的能力要求。基于此，人才培養(yǎng)機構尤其是高校，在培養(yǎng)將來的就業(yè)者時，應當注重培養(yǎng)新的能力，并促進其發(fā)展，從而讓學習者為現(xiàn)代職業(yè)世界以及相關挑戰(zhàn)做好準備。在相互關聯(lián)的行動和社會情境下以自我組織的形式研究工作任務，這是能力的發(fā)展關鍵[10]。因此，將來的大學教學不能僅限于傳授知識[11]，而是要更多地采用具有高度實踐意義的教學和學習方案，這比如說可以通過布置現(xiàn)實的、職業(yè)實踐型的任務來實現(xiàn)。

本文將闡明在職業(yè)世界4.0成功生存所需的能力，并以高校的工程師教育為例，說明如何在學習工廠的支持下發(fā)展這些能力。

1.2 工程師職業(yè)發(fā)生的特殊變化

工業(yè)企業(yè)的工作崗位尤其受現(xiàn)代職業(yè)世界變化的影響。數(shù)字化轉型推動了計算機輔助的自動化以及生產(chǎn)過程的智能聯(lián)網(wǎng)，從而促進了工業(yè)4.0的發(fā)展。在一個由VUCA塑造的職業(yè)世界中，工業(yè)企業(yè)通常面臨不斷變化的客戶需求，因為客戶期望產(chǎn)品總是要有創(chuàng)新性或使用了最新技術，企業(yè)必須增加產(chǎn)品的可選擇性。但同時也會影響生產(chǎn)過程，所以，生產(chǎn)過程必須具有適應性和可發(fā)展性。[12]一方面，企業(yè)越來越多地嘗試獲取用戶數(shù)據(jù)并在分析這些數(shù)據(jù)的基礎上來做出有關市場變化(產(chǎn)品類型、設計、數(shù)量)的預測(適應性、靈活性)[13]；另一方面，企業(yè)現(xiàn)在都在對工廠做模塊化構建，以便能夠快速應對變化(可發(fā)展性、可變化性)。鑒于市場的不斷全球化，通常是多個企業(yè)參與產(chǎn)品的制造。與之相應，這些系統(tǒng)通常既要在企業(yè)內(nèi)部，也要在不同企業(yè)之間有交互反應，比如說交換有關當前生產(chǎn)過程或庫存狀況的數(shù)據(jù)[14]。

在這些特征下的職業(yè)世界里，需要的是了解并理解流程網(wǎng)、能夠以全方位視角開發(fā)產(chǎn)品和設計生產(chǎn)系統(tǒng)的工程師。[15]比如說，工程師在進行局部產(chǎn)品開發(fā)或設計單個生產(chǎn)環(huán)節(jié)時，都要考慮并顧及總體情況。此外，工程師在做決策時要查詢并有效評估所有相關數(shù)據(jù)，還有能夠靈活應對不同情況、具有國際交流能力。即工程師需要具有多樣、多方面的能力。

2 現(xiàn)代職業(yè)世界需要的能力

2.1 能力的含義

能力是人們在未知情況下能夠以自我組織和創(chuàng)造性的方式行事的前提，在現(xiàn)實中表現(xiàn)為觀察性的、具情形而定的行為[16]。職業(yè)行為能力(berufliche Handlungskompetenzen)可分為四個維度：(1)專業(yè)能力(2)方法能力(3)社會能力和(4)自我能力[17]。自上世紀70年代以來就展開的討論說明，在不穩(wěn)定的環(huán)境下(當今幾乎無處不在)，企業(yè)需要有大量具有多方面能力的員工[18]。只有這樣，企業(yè)才能具有適應性并有可能在市場上長期生存。因此，員工特別是在將來需要在所有四個維度上都具有較強的能力，以便能夠在這個網(wǎng)絡化、復雜的現(xiàn)代職業(yè)世界中，既能夠從技術和內(nèi)容上，也能夠在社會層面上正確、自省并敏捷地應對挑戰(zhàn)。

2.2 工作4.0背景下能力要求發(fā)生的變化

鑒于科學技術的不斷進步，以及特別是在生產(chǎn)領域的網(wǎng)絡化發(fā)展，IT技能作為專業(yè)能力在職業(yè)世界4.0中必不可少[19]。IT技能使員工能夠使用最新的通信和信息技術，并能夠處理數(shù)據(jù)。內(nèi)部與外部的合作越來越具有跨學科性，并往往以自我主導的團隊工作為基礎。因此，員工需要具有方法能力，以幫助他們能夠有條理并有創(chuàng)造性地解決問題，另外還要養(yǎng)成創(chuàng)新性、分析性和批判性的思維[20]。員工應該既能夠與同事同行，也能夠與外界采用包括虛擬形式在內(nèi)的多種方式展開公開、自信和社交性的互動。[21]高度的不確定性和復雜性，以及在許多工作領域要求的較高的獨立性[20]都會給員工帶來新的壓力。因此，員工還需要有全面的自我能力，以便能夠以靈活、樂于改變和積極主動的方式處理波動情況，理解這些情況的發(fā)生，并同時能夠進行自我反思，應對出現(xiàn)的壓力[22]。

3 工程師教育中學習工廠的應用

3.1 德國高校的工程師教育

在職業(yè)世界不斷發(fā)生變化并提出新要求的背景下，重新設計教學也變得十分必要。首要的并不是討論該向?qū)W生傳授哪些知識來應對可以預測到的變化，而是要找到能夠達到預期期望的有效方法并實施這樣的方法[23]。在傳授基礎知識以外，高校的教學應首先讓學生學會如何自己獲取知識，以及如何正確地應對未知情況。高校如要達到培養(yǎng)學生就業(yè)能力的目標[24]，就應當更多地關注面向問題和行動，以及基于經(jīng)驗的學習方法[25]。

事實上，高校提供的很多創(chuàng)新教育項目僅限于對現(xiàn)有專業(yè)知識傳授的數(shù)字化，例如使知識的傳授由媒體來支持，但教學方案的構建仍然停留于形式，也就是對方案做相應規(guī)劃、制定相應結構，并做相關的組織和安排[26]。作為補充，許多大學現(xiàn)在提供廣泛的非專業(yè)內(nèi)容活動，目的是提升學生的社會能力和方法能力(例如規(guī)劃、溝通和演示技巧等)。為了能夠把這些形式知識轉化到實踐中，并借此拓展能力，就必須把知識和應用相互結合起來[27]。直至目前，德國高校仍然太少提供那些十分必要的、促進學生在工作過程中學習、較少制定預先結構、更多是無意識進行學習的非正規(guī)或非正式形式的學習項目。[28]之所以太少，是因為這種方式的知識傳授和能力培養(yǎng)會促進學生獲取解決問題的能力并產(chǎn)生必要的內(nèi)在動機的改變，并且這樣不僅會使理論與實踐之間的轉化成為可能，還會促進學習者提升自我能力。那么，大學如何實現(xiàn)這一點呢？在工科專業(yè)里應用學習工廠便是一個很好的途徑。

3.2 學習工廠

學習工廠是以實體的、虛擬的，或者實體與虛擬相結合的形式體現(xiàn)真實生產(chǎn)過程的模型。它越來越多地被應用于工科專業(yè)中，并往往至少有一部分是由真實的或按比例縮小的機器設備組成[29]。把學習工廠的應用和相關教學方法相結合(例如探究式學習，即學習者要基于科學研究的方法假設命題，然后通過實驗或觀察進行研究，接下來分析并反思結果[30])，便可以讓學生在近乎真實的學習環(huán)境中學習知識的實際應用，從而促進他們特定方面能力的發(fā)展，因為學生可以在一個創(chuàng)新的、以行動為導向的教學與學習環(huán)境中自主運用以前學到的理論知識。[31]過去已經(jīng)有很多文章特別是從理論角度研究了學習工廠可以培養(yǎng)的能力。[31]可以認為，根據(jù)學習工廠在專業(yè)和內(nèi)容設計上，以及所針對目標群體的不同，學生可以獲得不同的專業(yè)能力、方法能力、社會能力和自我能力[32]。

3.3 學習工廠在高校工程師教育中的應用

自2012年以來，布倫瑞克工業(yè)大學的機床和制造技術研究所運營著一個以能源和資源利用效率、數(shù)字化和城市工廠為重點的學習工廠?；诖罅康难芯宽椖?，該學習工廠不斷地得到擴展并在不斷發(fā)展變化之中。在大學教學中，學習工廠的一些部分主要用于工科教學。

實驗工廠是一個把生產(chǎn)線的比例縮小，但具有全部真實功能的模型。它由體現(xiàn)生產(chǎn)過程中不同環(huán)節(jié)的相應模塊組成，因此可以按順序靈活配置。此外，實驗工廠還配備了自己的物流系統(tǒng)和樓宇技術裝備，從而可以復制真實生產(chǎn)中的系統(tǒng)動態(tài)效果[33]。在這樣的實驗工廠不用擔心學生會有安全風險，但在普通工廠，來自普通機器設備的高壓和強大的機械力都可能會造成安全隱患。因此，學生可以在模型工廠獨立操作。同時，可能會出現(xiàn)的損壞和經(jīng)濟損失也比在普通工廠小得多。這就使學生能夠自由地探索他們行動和決策的創(chuàng)新空間。原則上，在實驗工廠教學的重點是以體驗的方式傳達技術知識和一般的科學與機械過程。

一些能源和資源利用效率領域的工科講座里，其中的團隊項目學習或者同期進行的研討課中應用到實驗工廠。具體而言，學生要聯(lián)系講座課中傳授的專業(yè)知識，并采用基于研究或基于問題的學習方法，在實驗工廠獨立解決一個問題[34]。讓學生以解決一個特定的問題為目標，這對于取得良好的學習成果至關重要[35]。學生采用團隊工作的方式，每三到五人組成一個固定、自治的團隊。由于學生來自不同的工科專業(yè)(例如機械工程、環(huán)境工程等)，因此許多團隊具有一定程度的跨學科性。每個團隊必須對工作內(nèi)容、工作過程和工作結構等方面進行獨立設計、調(diào)控、分析，并確保其實施，以便培養(yǎng)學生在項目管理中的方法能力。[36]各團隊為了完成自己選擇的課題，在學習工廠獨立動手研究。這既包括手動更改設置，例如調(diào)節(jié)壓力，也包括通過計算機程序更改設備模塊軟件中的設置(例如關于流程時間的設置)。學生需要從顯示器(例如壓力表)中讀取并分析數(shù)據(jù)，同樣包括評價和分析計算機數(shù)據(jù)。實驗工廠使學生能夠直觀地體驗到行為(例如更改設置)對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)以及整個生產(chǎn)過程的影響；可以分析各個環(huán)節(jié)之間的相互作用和聯(lián)系，從而對此有深入理解。理論知識可以與實踐經(jīng)驗進行對比并得到擴展，每個團隊必須獨立做出相關決定。在此，他們可以自由地制定工作內(nèi)容、確定完成相關工作的時間和地點。在實驗工廠工作的重點是找到解決問題的方法。每個團隊必須自行決定需要哪些數(shù)據(jù)以及如何評價和分析數(shù)據(jù)。工作過程中，嘗試與失敗，以及反復試驗是明確希望他們經(jīng)歷的，因為恰恰是在反思錯誤、更正結果的過程中可以促進培養(yǎng)學生的多種能力，例如解決問題和系統(tǒng)思維的能力，以及適應能力和創(chuàng)造力，學生學會專注于自己的任務并透明地處理錯誤的決定。通常，一些數(shù)據(jù)情況并不能立即澄清，從而導致有模棱兩可的情況，這也是學生要學會處理的。在一項比較研究中，通過實證方法可以證明，參加了結合講座課和實驗工廠學習的學生，對自己專業(yè)知識和方法能力的自我評價明顯高于僅參加了純知識傳授型講座課的學生[37]。團隊合作的視頻研究表明，學生在學習工廠的實踐型、以研究為基礎的小組工作中，針對課題展開的互動主要與專業(yè)能力相關，這些能力也就可以得到很好的促進[38]。

視頻研究的結果也表明，學生們在團隊中的互動也與社會能力相關，例如表達自己的想法、相互支持等[39]。團隊工作使學生必須相互之間展開合作，能夠提升團隊合作能力、對他人的意見持開放態(tài)度。此外，團隊成員之間的相互信任和互相尊重的相處方式通常會使尋找問題的解決方案變得較為容易。

在教學中應用學習工廠，這會讓大多數(shù)學生第一次接觸到生產(chǎn)機器設備，而他們以前也還從未體會到生產(chǎn)線的所有復雜性[40]。通過在實驗工廠進行了一個學期的工作后，學生反饋說對機器設備和IT技術[41]感覺不再陌生，反映了學生在該領域的自我能力得到了發(fā)展。

研究表明，通過創(chuàng)造近乎真實的學習環(huán)境，例如布倫瑞克工業(yè)大學的實驗工廠，可以很早培養(yǎng)學生獲得職業(yè)世界4.0要求的相關能力。工科專業(yè)的學生在真實地體現(xiàn)生產(chǎn)過程和系統(tǒng)互動作用的實驗工廠中研究如何解決一個具體的現(xiàn)實問題，有益于將學習成果遷移到以后的工作環(huán)境中。

3.4 以ILehLe項目為例介紹未來的學習工廠

作為聯(lián)邦教育與研究部資助的“IlehLe—學習工廠—能源與資源利用效率的智能教學和學習環(huán)境”研究項目的一部分，為布倫瑞克工業(yè)大學的實驗工廠配備了自適應學習管理系統(tǒng)和虛擬元素，使之得到了擴展。在該項目的進程中，開展對一個模擬游戲的開發(fā)，并將它融入到實驗工廠。具體如下：在手持設備上開發(fā)了學習工廠及其周圍環(huán)境的安全指南，以及作為純增強現(xiàn)實(AR)場景體現(xiàn)的實驗工廠。主要的模擬游戲通過使用平板電腦應用程序來實施。該應用程序由三個逐漸變得復雜的級別組成，每個級別都包含多個內(nèi)容模塊，并以不同比例添加了AR元素，例如顯示實驗工廠的實時指標數(shù)值和圖表。這樣可以使諸如能量流之類的不可視的流程組成部分對學生變得具有可視性，便于他們把這些用作決策的基礎[42]。

項目旨在擴展實驗工廠，使其具有數(shù)字和虛擬元素，從而讓學習者除了接觸已有的工廠組成部分，并能與各種媒體和其他技術進行互動。在此基礎上，除了之前介紹的團隊學習，教學的范圍也得到了擴展，學生們再次在實驗工廠分組展開工作。首先在AR環(huán)境下接受安全須知教育并了解工廠的環(huán)境，接下來不斷與平板電腦的應用程序進行互動。第一層級，學生須在實驗工廠解決一些小任務，主要涉及熟悉測量方法和調(diào)整生產(chǎn)過程的一些數(shù)值。第二層級，首先向?qū)W生介紹用于透明能源生產(chǎn)的方法工具箱，接下來學生可以在完成不同任務的基礎上測試這些方法。第三層級，學生要實現(xiàn)實驗工廠能耗優(yōu)化的目標。教師在布置任務時，注重讓學生有足夠的行動空間。學生處理任務時，后臺運行的學習管理系統(tǒng)會測定各個學生團隊當前的能力水平，提供個性化反饋并向團隊推薦在此能力基礎上的、專門用于提升所欠缺能力或擴展已達到能力的后續(xù)任務。

實驗工廠的虛擬體現(xiàn)和對其所做擴展使教師可以布置超越實體生產(chǎn)環(huán)境下的任務，從而為學生創(chuàng)造了全新的行動空間。學生特別是可以長時間做模擬實驗并測試在實體上沒有的設置和技術(例如不同的壓縮機)，并且可以在真實的工廠環(huán)境中體驗到相關效果。如果對后臺運行的模擬作出了調(diào)整，那么，在機器實體和虛擬之間不中斷的連接會使教學工廠的環(huán)境也發(fā)生相應變化，好像直接對其進行了實體調(diào)整。虛擬系統(tǒng)使學生在實驗工廠就能夠體驗各方面之間的相互作用和關聯(lián)性，否則這只能在相當大并且很昂貴的工廠中才能實現(xiàn)。實驗工廠的虛擬體現(xiàn)和擴展可以實現(xiàn)以下可能：

第一，可以為實驗工廠添加上游和下游工序以及其他流程(例如倉儲、物流等)，從而對其進行更加復雜的設計。第二，現(xiàn)有的實體技術可以用虛擬的可代換方式替代，這樣，比如說無需準備實體設備就可以對不同類型的壓縮空氣供應情況進行測試。第三，無需對工廠進行實體操作即可虛擬地模擬實驗工廠可能出現(xiàn)的問題，比如說超壓或壓力不足。實驗工廠的虛擬體現(xiàn)使學生能夠感知工廠的實體變化，并可以通過更改設置來解決問題。第四，虛擬技術使長時間模擬成為可能，從而擺脫在實體工廠模擬時間受限的困境。同時學生也學到如何預計其行為的中期和長期后果。

得益于更大的觀察范圍、更復雜的相互關聯(lián)性以及實體數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)之間的連接，學生可以在得到虛擬擴展的實驗工廠中進一步拓展其專業(yè)能力。通過學習如何正確并有效地使用和利用其他IT系統(tǒng)，學生還可以拓展他們的方法能力。鑒于實驗工廠的利用范圍得到了擴大，學生可以更具創(chuàng)造性地解決相關的任務和問題，但與此同時，他們也必須對新事物持更開放的態(tài)度，這樣才能用盡資源?？傊?，實驗工廠經(jīng)過虛擬擴展后，學生能夠深入接觸到實體與虛擬元素，并可以體驗機器之間、人機之間以及人與虛擬之間的互聯(lián)。通過在自治團隊中共同解決復雜的現(xiàn)實問題，工科專業(yè)的學生可以在大學學習期間便獲取在職業(yè)世界4.0所需的能力。

4 結語與展望

特別是對于工程師而言，工作4.0具有高度的動態(tài)性、復雜性和系統(tǒng)互聯(lián)性特征，并且它對獨立性和與他人的互動提出高要求。除了能夠使用數(shù)據(jù)、IT系統(tǒng)和新技術、具備最新的專業(yè)知識外，員工還特別要有全面的方法能力，以便能夠獲取缺失的信息并能夠在團隊中構建自主的協(xié)作式工作。團隊里的合作和與其他內(nèi)部及外部利益相關者之間不斷的信息交流還要求員工有很強的社會能力；自我組織工作的高度自由加上同時存在的不確定性都只能通過廣泛的自我能力來平衡，例如自我驅(qū)動力、變革意愿和自我反思能力。高等教育不應只是單純地傳授知識，而是應以培養(yǎng)學生的綜合能力為導向，以使他們在現(xiàn)代職業(yè)世界中能夠勝任工作。學習工廠在大學教學中的有效應用特別是能夠在工程師教育領域提供許多機會創(chuàng)造一種以行動為導向的教學與學習環(huán)境，從而促進以能力為導向的學習。如果考慮融合經(jīng)濟學或經(jīng)濟與組織心理學等其他學科的視角，并添加相關的實驗工廠模塊，就還可以實現(xiàn)跨學科的定位，比如說可以把財務、營銷和人事管理等領域的課題融合進去。

學習工廠，工科專業(yè)的學生可以在一個實踐型且同時受保護的環(huán)境中解決貼近實際的問題。學生既可以手工操作機器設備，也可以展開分析性的工作，從而體驗流程、相互關聯(lián)性和動態(tài)關系，并可以深入理解其決策和行動產(chǎn)生的影響。通過運用理論知識，學生可以拓展自己的專業(yè)能力：一方面看到已知知識得到證明；另一方面通過體驗未知事物獲得新知識，并把它歸納到自己的知識庫。那些可以拓展的基礎知識將繼續(xù)在講座課中學習。學習工廠的特殊之處在于，如果對學習工廠的教學方法進行相應設計，學生在學習工廠就可以除了解決現(xiàn)實問題以外，還能夠發(fā)展方法能力、社會能力和自我能力。合適的教學方法比如有基于研究、基于問題或基于探究的學習、團隊工作，以及向?qū)W生提出針對他們所做決定和所選方法的具體反思問題。

一般來說，學習工廠可以呈現(xiàn)許多不同領域的過程。通過介紹實驗工廠展示一個生產(chǎn)過程，這僅是許多可能性中的一種。對學習工廠所做的虛擬擴展說明了學習工廠具有很強的塑造性和拓展性，創(chuàng)造力可以幾乎不受任何限制。值得關注的是，所選內(nèi)容和教學方法應盡可能最大限度地用于支持學習者的能力發(fā)展。學習工廠的設計可以根據(jù)具體情況、所擁有的可能性和目標針對不同的事物和內(nèi)容。一方面可以使工科的課程得到擴展；另一方面，也可以考慮把其他學科領域融入到在學習工廠以能力為導向的教學中。顯然，經(jīng)濟專業(yè)的學生參與進來是合理的，因為他們可以根據(jù)所呈現(xiàn)的生產(chǎn)過程研究諸如財務、營銷或人事管理等領域的課題。因此，學習工廠也是用于跨學科教學的合適媒介，它為學生在大學學習期間便提供獲取工作4.0必要能力的機會。