Harald Jacques,Reinhard Langmann

(杜塞爾多夫應(yīng)用科學(xué)大學(xué)，德國 杜塞爾多夫 40476)

什么是智能學(xué)習(xí)(Smart Study)?它是一種使用混合式學(xué)習(xí)方法，融合不同學(xué)習(xí)領(lǐng)域(例如行業(yè)企業(yè)和大學(xué))的學(xué)習(xí)模式?；旌鲜綄W(xué)習(xí)通常被定義為“課堂教學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的結(jié)合”[1]。這一定義僅顯示了如何把教師的信息更好地融入到學(xué)習(xí)者的知識中去，但沒有說明該學(xué)習(xí)方式如何培養(yǎng)學(xué)生解決未知環(huán)境中問題的能力。通過把在大學(xué)的工程教育與在工業(yè)企業(yè)的實(shí)踐工作和學(xué)習(xí)相互結(jié)合，可以促進(jìn)學(xué)生把大學(xué)的理論知識直接轉(zhuǎn)化到工業(yè)應(yīng)用中去。這對培養(yǎng)21世紀(jì)社會所需的溝通和協(xié)作能力將起重大作用。[2]

1 職業(yè)教育與高等教育的融合

1.1 未來要求

高素質(zhì)工程師的培養(yǎng)越來越多地與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。第三次工業(yè)革命開始之際，微電子技術(shù)在工業(yè)中的引入迫使德國改革其高校體系。除了理論型科學(xué)人才，行業(yè)需要大量實(shí)踐型的工程師。因此，德國創(chuàng)建了一種新型大學(xué)，即“應(yīng)用科學(xué)大學(xué)”(縮寫：FH)。這里做出的最重要的改進(jìn)是：完成職業(yè)培訓(xùn)并積累了幾年職業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后，技術(shù)工人可以獲得應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的入學(xué)資格。自此，應(yīng)用科學(xué)大學(xué)一直在培養(yǎng)已擁有職業(yè)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人，使他們通過大學(xué)學(xué)習(xí)成為高素質(zhì)的工程師。

如今，德國的專業(yè)技術(shù)工人和工程師聞名世界。但是，我們?yōu)榕囵B(yǎng)能夠滿足第四次工業(yè)革命要求的工程師做好準(zhǔn)備了嗎？是否需要一個新型的教育體系，例如教育4.0(教育4.0或E40)。

根據(jù)卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)2013年的一項(xiàng)研究[3]，必須預(yù)計(jì)到工業(yè)系統(tǒng)的工作方式將發(fā)生全面變革。過去的模式是一個金字塔型，許多普通工人位于底端，是金字塔的基礎(chǔ)，接下來是人數(shù)不是很多的專業(yè)技術(shù)工人，而頂部只有少數(shù)工程師和管理者(見圖1中的淺色金字塔)；未來，這將變成鉆石型(見圖1中的深色菱形)，即只剩下少量的普通工人，但專業(yè)技術(shù)工人和工程師之間的交叉部分將達(dá)到最大。

圖1 不同就業(yè)資格的構(gòu)成從過去的金字塔模式轉(zhuǎn)型為將來的鉆石模式

德國工程師協(xié)會(VDI)在2018年的一項(xiàng)研究中[4]指出，數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要有在跨學(xué)科和交叉學(xué)科間協(xié)作的能力。因此，未來的工程師必須具備合作能力，以便能夠在社會、技術(shù)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域與他人共同努力，從而達(dá)成共識并相互接受。對工程師教育來說，必然要求高校與企業(yè)、行業(yè)協(xié)會和工會之間進(jìn)行對話，并通過對話提供的機(jī)會來共同商議數(shù)字化轉(zhuǎn)型對畢業(yè)生提出的能力要求。在此，借鑒“一體化高等教育專業(yè)”(Integrierte Studieng?nge)已積累的經(jīng)驗(yàn)也可以起到幫助作用。[4]

工程師應(yīng)該從哪里獲得技能和經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？高校里的小?xiàng)目和模擬就夠了嗎？能力發(fā)展意味著要不斷應(yīng)對挑戰(zhàn)，同時學(xué)習(xí)很多知識，但還必須對它在情感上加以處理，從而能夠在一個真實(shí)的決策過程中直接體現(xiàn)出能力發(fā)展的結(jié)果。[5]對所需能力的培養(yǎng)最好在企業(yè)的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，并且理想情況下不是在畢業(yè)后，而是與大學(xué)學(xué)習(xí)同時進(jìn)行。

近些年來，德國應(yīng)用科學(xué)大學(xué)開始與行業(yè)企業(yè)合作，創(chuàng)建了一種被稱為“雙元制高等教育”(Duales Studium)的全新學(xué)習(xí)模式。這種模式下的學(xué)習(xí)十分有利于支持以上圖1展示的轉(zhuǎn)型過程，因?yàn)樗雅囵B(yǎng)專業(yè)技術(shù)工人的職業(yè)培訓(xùn)和本科教育相結(jié)合，通過這樣的方式專門培養(yǎng)在職業(yè)教育和高等教育的交叉地帶具有實(shí)踐技能的工程師。

2.2 雙元制高等教育

雙元制高等教育的基本理念是把高校的教學(xué)計(jì)劃和在企業(yè)的職業(yè)培訓(xùn)計(jì)劃相互結(jié)合起來。也就是說，高校傳授基礎(chǔ)知識、重點(diǎn)內(nèi)容和學(xué)習(xí)策略；企業(yè)、行業(yè)協(xié)會和工會則通過提供職業(yè)培訓(xùn)和進(jìn)修機(jī)會來滿足例如“工業(yè)4.0”提出的特殊要求。[5](見圖2)。

圖2 職業(yè)培訓(xùn)(左)和大學(xué)工科專業(yè)(右)中理論和實(shí)踐部分示意圖

圖2展示了職業(yè)培訓(xùn)和大學(xué)里工科專業(yè)理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的占比情況。在德國的職業(yè)培訓(xùn)中，由職業(yè)學(xué)校傳授的理論知識占所有學(xué)習(xí)內(nèi)容的大約30%；培訓(xùn)企業(yè)開展的實(shí)踐培訓(xùn)則占大約70%。相比之下，在應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的工程專業(yè)里，理論知識占約70%，其余為大約30%的實(shí)踐學(xué)習(xí)，包括在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)、做項(xiàng)目和企業(yè)實(shí)習(xí)等形式。

仔細(xì)研究這兩種教育形式下的教學(xué)內(nèi)容，可以看到一定程度上重疊的部分(見圖3)：職業(yè)培訓(xùn)中的理論部分很多都涵蓋在工程專業(yè)的理論授課內(nèi)容中，而工科專業(yè)中實(shí)踐部分的內(nèi)容則在企業(yè)的職業(yè)培訓(xùn)中處理得更為深入。因此，職業(yè)學(xué)校的理論部分可以用應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的理論課替代，同時，在企業(yè)的實(shí)踐培訓(xùn)可以取代應(yīng)用科學(xué)大學(xué)里的很多實(shí)驗(yàn)室練習(xí)和在企業(yè)的實(shí)習(xí)。通過結(jié)合職業(yè)培訓(xùn)和高等教育，使之發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，就能夠培養(yǎng)高素質(zhì)、專業(yè)化的工程師。此外，通過這樣一體化的人才培養(yǎng)，可以讓學(xué)生節(jié)省大量受教育時間。

圖3 職業(yè)培訓(xùn)和大學(xué)工科專業(yè)中理論和實(shí)踐部分重疊之處示意圖

圖4展示了將常規(guī)性學(xué)制為6個學(xué)期的本科專業(yè)和常規(guī)性學(xué)制為3年的職業(yè)培訓(xùn)結(jié)合在一起的模式。最初兩年，學(xué)生每周在培訓(xùn)企業(yè)里度過大約一半的時間，接受在企業(yè)的職業(yè)培訓(xùn)。同時，學(xué)生每周也要用大約一半的時間，作為非全日制學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)。與普通的職業(yè)培訓(xùn)不同之處在于，學(xué)生無需去職業(yè)學(xué)校，此外，普通的職業(yè)培訓(xùn)一般要求在企業(yè)內(nèi)的培訓(xùn)占大約70%的時間，但是雙元制高等教育專業(yè)的學(xué)生必須只用50%的企業(yè)培訓(xùn)時間完成職業(yè)培訓(xùn)，這使他們充滿干勁。最初兩年，要作為非全日制學(xué)生完成普通的工科本科專業(yè)前兩個學(xué)期的正常學(xué)習(xí)計(jì)劃。第三學(xué)年，作為全日制學(xué)生，僅在大學(xué)的非授課期間到其培訓(xùn)企業(yè)學(xué)習(xí)。學(xué)生通過工商會或手工業(yè)協(xié)會組織的職業(yè)培訓(xùn)結(jié)業(yè)考試后，結(jié)束其職業(yè)培訓(xùn)階段。第四學(xué)年是在大學(xué)正常的學(xué)年，即他們要在大學(xué)上課，也要寫本科畢業(yè)論文，畢業(yè)可以取得工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。根據(jù)這樣的進(jìn)度，可以看出，一體化模式把兩種教育的時間從6年(通常為3+3=6年)縮短了兩年，總計(jì)為4年。

圖4 含職業(yè)培訓(xùn)的雙元制高等教育專業(yè)

第二種模式不含職業(yè)培訓(xùn)，但要求學(xué)生定期在企業(yè)從事實(shí)踐工作，因此學(xué)制也較短(見圖5)。該模式下的畢業(yè)生只獲取一個被承認(rèn)的證書，即工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。同時，大學(xué)不需要知道學(xué)生在企業(yè)接受培訓(xùn)還是正常工作。這種模式對大學(xué)的教學(xué)也提出挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǔW(xué)生需要每學(xué)期在12周內(nèi)完成工科專業(yè)的課程，而不是普通情況下的15至16周內(nèi)完成。

圖5 不含職業(yè)培訓(xùn)，但要求有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的雙元制高等教育專業(yè)

以上兩種模式的雙元制高等教育專業(yè)都有同樣的運(yùn)作方式：首先，大學(xué)和培訓(xùn)企業(yè)要簽署合作協(xié)議，其中要確立相關(guān)制度，例如兩個教育機(jī)構(gòu)的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)進(jìn)度，以及相互認(rèn)可對方的課程。其次，有興趣選擇該專業(yè)的學(xué)生要先在培訓(xùn)企業(yè)提出申請，經(jīng)錄用后，學(xué)生要與培訓(xùn)企業(yè)簽署培訓(xùn)或雇用合同。接下來，學(xué)生向大學(xué)提出在該專業(yè)就讀的申請。大學(xué)根據(jù)高校入學(xué)資格的標(biāo)準(zhǔn)決定是否能夠錄取學(xué)生。如果符合入學(xué)條件，學(xué)生就可以在該大學(xué)注冊入學(xué)，成為該校大學(xué)生。圖6直觀地展示了德國雙元制高等教育專業(yè)中的三角關(guān)系。

圖6 德國雙元制高等教育專業(yè)中的三角關(guān)系

3 以自動化技術(shù)為內(nèi)容的混合式學(xué)習(xí)

通過來自于杜塞爾多夫應(yīng)用科學(xué)大學(xué)自動化技術(shù)的課程的三個示例，來呈現(xiàn)自動化技術(shù)智能學(xué)習(xí)中混合式學(xué)習(xí)。該課程中有50%的學(xué)生都是上述雙元制專業(yè)的學(xué)生。

在所有示例中，均使用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室(遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)作為混合學(xué)習(xí)的關(guān)鍵要素。在此須區(qū)分兩種類型[7]:

固定式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室(Fixed Remote Lab)：這種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室給學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)一個經(jīng)過預(yù)定義的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者要在該環(huán)境中遠(yuǎn)程解決在一臺真實(shí)設(shè)備上給定的任務(wù)。通常，為固定式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)學(xué)習(xí)環(huán)境需要花很大的精力和時間，并且要有相應(yīng)的專業(yè)知識。也就是說，教師不可能自己創(chuàng)建相關(guān)學(xué)習(xí)環(huán)境，也不可能對它做出調(diào)整。

開放式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室(Open Remote Lab)：建立這樣的實(shí)驗(yàn)室需要一個開放的工具環(huán)境來配置特定的實(shí)驗(yàn)室空間。將這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境比作一個能夠自由進(jìn)入的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室工作臺，學(xué)習(xí)者擁有用于創(chuàng)建所需功能系統(tǒng)的所有選項(xiàng)，對學(xué)習(xí)任務(wù)會在相應(yīng)的教學(xué)學(xué)習(xí)文檔中做出描述。學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程工作時，有一個輔導(dǎo)老師會通過遠(yuǎn)程協(xié)作工具或面對面提供指導(dǎo)。

以下所有示例中都使用免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)平臺FlexIOT作為工具環(huán)境。[8]

3.1 示例一：關(guān)于轉(zhuǎn)臺的固定式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

該示例使用了一個帶有轉(zhuǎn)臺的加工和測試站(圖7)。

圖7 帶位置控制轉(zhuǎn)臺的加工與測試站

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者要操作控制位置的轉(zhuǎn)臺，其間須記錄和分析角速度與加速度。通過一個用于Modbus TCP的 Web-Connector可以訪問圖7所展示設(shè)備的工藝流程數(shù)據(jù)。該示例是在IoT-Portal FlexIOT中作為一個項(xiàng)目來實(shí)施的。學(xué)生只需要能夠進(jìn)入IoT-Portal即可運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，但不能更改實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)。圖8顯示了在Web瀏覽器上的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

圖8 位置控制轉(zhuǎn)臺固定式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

學(xué)習(xí)者可以通過用戶界面在網(wǎng)站上獲得遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室服務(wù)：

·轉(zhuǎn)臺的視頻圖像

·三通道實(shí)時繪圖儀，學(xué)生可在自己的電腦上存儲顯示的值

·用于指定角加速度的旋鈕

·用于指定位置設(shè)定值的滑塊

該示例是雙元制高等教育專業(yè)自動化技術(shù)課程中的組成部分，被作為實(shí)踐練習(xí)用于驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)課教學(xué)。

3.2 示例二：組裝站的開放式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室

該示例的目的是在人機(jī)通信課程(本科階段第5學(xué)期，自動化技術(shù)專業(yè))中把IoT-Portal FlexIOT作為開放式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室使用。作為一個項(xiàng)目的一部分，學(xué)習(xí)者要為模型車組裝設(shè)備的各個站點(diǎn)設(shè)計(jì)并測試控制面板。圖9顯示了該組裝設(shè)備。每個學(xué)習(xí)小組都要設(shè)計(jì)一個控制面板，用于站點(diǎn)2-5的測試和程序操作。

圖9 帶五個站點(diǎn)的模型車組裝設(shè)備

在真實(shí)設(shè)備上的工作僅通過進(jìn)入IoT-Portal FlexIOT來遠(yuǎn)程執(zhí)行。每個項(xiàng)目組由四名學(xué)生組成，他們都以管理員(Administrator)的身份享有訪問權(quán)限。在FlexIOT-Portal本身也規(guī)定了最多有四個管理員可以使用同樣的訪問權(quán)限在不同工作站上工作。就在真實(shí)站點(diǎn)的工作而言，學(xué)習(xí)者可以使用基于Web的預(yù)訂系統(tǒng)事先預(yù)定在真實(shí)站點(diǎn)上的工作時間。

整個組裝過程的操作只能通過項(xiàng)目組中所有學(xué)習(xí)者在遠(yuǎn)程工作期間的密切合作來實(shí)施。為此使用了一種特殊的聊天服務(wù)，該服務(wù)由FlexIOT-Portal提供。

每個冬季學(xué)期都會有大約35名展示極大興趣的雙元制專業(yè)學(xué)生成功完成這項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)。圖10展示了2015/16冬季學(xué)期一個項(xiàng)目組的成果。關(guān)于該示例的更多信息請參見。[9]

圖10 2015/16冬季學(xué)期的學(xué)生為站點(diǎn)5(操作類型：手工操作)設(shè)計(jì)的控制面板

3.3 示例三: 用于PLC培訓(xùn)的基于云的混合式學(xué)習(xí)

基于云的混合式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室(CBLL)把現(xiàn)場PLC(PLC-可編程邏輯控制器)培訓(xùn)與來自云的技術(shù)模型相結(jié)合。技術(shù)模型可以根據(jù)需要從云里載入到學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中，并在那里執(zhí)行。PLC輸入/輸出信號和傳感器與執(zhí)行器的連接通過一個專門的CloudIO適配器(CloudIO)并基于樹莓派(Rasperry Pi)來實(shí)現(xiàn)，即它會把輸入/輸出信號通過合適的Web協(xié)議傳輸?shù)郊夹g(shù)模型。對技術(shù)模型的管理通過IoT-Portal FlexIOT進(jìn)行，由于這些模型用于學(xué)習(xí)目的，所以屬于免費(fèi)提供的服務(wù)。

圖11展示了用于PLC培訓(xùn)的CBLL原理圖。該示例的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[10]。在文獻(xiàn)[11]中的視頻則說明了如何用CBLL工作。

圖11 用于PLC培訓(xùn)基于云的混合式學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室原理圖

CloudIO適配器安裝在Phoenix Contact的教學(xué)學(xué)習(xí)系統(tǒng)Eduline的一塊A4大小的板上，這樣CloudIO就可以毫無問題地替代在該P(yáng)LC學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的仿真板。通過使用兩根24針D-SUB電纜可以把適配器跟Eduline PLC ILC 191 ME/AN或ILC 131ETH的輸入和輸出端相連接。此外，CloudIO還可以與任何其他數(shù)字/模擬過程信號(例如Siemens PLC)相連接，以便通過Web協(xié)議將它們連接到因特網(wǎng)/內(nèi)網(wǎng)。技術(shù)模型本身則通過使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來生成，例如SVG和/或X3D?？梢詫avaScript嵌入模型中來對模型行為進(jìn)行編程。

由于可以通過CloudIO適配器從互聯(lián)網(wǎng)訪問PLC的輸入和輸出信號，因此原則上可以通過使用現(xiàn)場有的PLC控制在互聯(lián)網(wǎng)上所有合適的系統(tǒng)。這就為建立潛在的技術(shù)模型開辟了許多可能性。例如，如果可以在互聯(lián)網(wǎng)上通過Webconnector使用真實(shí)機(jī)器設(shè)備的傳感器和執(zhí)行器，那么該機(jī)器設(shè)備也可以用于PLC培訓(xùn)。

對CBLL的評估表明，基于提出的方案，流程時間約為50ms的技術(shù)模型可以成功地用于PLC培訓(xùn)。這樣就可以對大量不同的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行逼真地模擬?，F(xiàn)場學(xué)習(xí)者不需要安裝任何軟件或許可證。只需要有可以使用WLAN的平板電腦/智能手機(jī)/PC，并能夠進(jìn)入IoT-Portal即可，以便能夠在其設(shè)備的瀏覽器中使用模型。

該示例用于本科層次不同智能學(xué)習(xí)專業(yè)PLC編程的基礎(chǔ)課。其中使用了Phoenix Contact的Eduline培訓(xùn)系統(tǒng)以及來自云的不同技術(shù)模型(2D/3D模型)。

4 結(jié) 語

對有不同學(xué)習(xí)場所(高校/企業(yè))、面對不同挑戰(zhàn)(學(xué)術(shù)方面/職業(yè)方面)、采用不同教學(xué)方法(面對面/混合式學(xué)習(xí))的一體化工程師教育來說，智能學(xué)習(xí)的模式應(yīng)當(dāng)比較能夠滿足未來的需求。在雙元制高等教育專業(yè)中采用混合式學(xué)習(xí)方案來培養(yǎng)自動化技術(shù)工程師迄今為止的經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)如下：

雙元制高等教育專業(yè)的數(shù)量以每年約10%的速度增長，是德國高校增長最快的專業(yè)類型。[6]雙元制高等教育專業(yè)學(xué)生的輟學(xué)率不到8%，遠(yuǎn)低于工科專業(yè)的平均輟學(xué)率，即近40%。[12]其畢業(yè)生有很高的就業(yè)力(幾乎每個畢業(yè)生都直接從大學(xué)過渡到工作崗位)。新的發(fā)展需求和未來的科技趨勢將直接從合作企業(yè)反映到高校，因此高?？梢约皶r對大學(xué)教育和繼續(xù)教育做出調(diào)整。

通過使用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室和/或進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，可以提高以實(shí)踐型混合式學(xué)習(xí)模式進(jìn)行人才培養(yǎng)的效果。 特別是這樣可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)室人員的支出。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以全天候供學(xué)生使用， 這樣，雙元制專業(yè)的大學(xué)生也可以在培訓(xùn)企業(yè)學(xué)習(xí)，不受地點(diǎn)限制(有時間就可以學(xué)習(xí))。

與普通的大學(xué)生相比(沒做過職業(yè)培訓(xùn)，只是文理中學(xué)畢業(yè))，雙元制大學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)非常明確，積極性高并以結(jié)果為導(dǎo)向。 這些學(xué)生十分喜歡在以上描述的學(xué)習(xí)場景中完成任務(wù)時享有獨(dú)立性和自我管理的權(quán)力。

在如示例二中專門設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)場景中，無論學(xué)生身在何處，小組都可以展開合作。學(xué)生可以不受地域限制地參與實(shí)踐工作，同時可以學(xué)習(xí)在分布式和全球化團(tuán)隊(duì)中如何工作。 這種類型的協(xié)作學(xué)習(xí)能夠讓學(xué)生在工業(yè)4.0的背景下為將來的人機(jī)協(xié)作做好準(zhǔn)備。

可以預(yù)測，將雙元制高等教育和使用現(xiàn)代媒體的學(xué)習(xí)方法相互結(jié)合，使之成為一種智能學(xué)習(xí)，這將成為將來培養(yǎng)工程師4.0的重要支柱。