工业4.0技术与职业教育的...—以工业4.0学习工厂为例_李一.pdf

产业与科技论坛2023年第22卷 第3期Industrial&Science Tribune2023（22）3工业 4 0 技术与职业教育的融合研究 以工业 4 0 学习工厂为例李一【内容摘要】随着信息技术的发展，制造业正在迈向智能化、数字化的新的发展阶段。诸如物联网、云技术、增强现实和虚拟现实等技术正在改变制造业的面貌，同时也对职业教育提出了新的要求。当前职业教育所面临的问题是应如何将最新的技术与职业教育相融合，以培养具备工业 4 0 所需能力的技术人才。工业 4 0 学习工厂打破了产业与教育之间的壁垒，将工业 4 0 技术融入整个教学过程，通过工业 4 0 工业平台 CPS 系统的嵌入，实现了职业教育的赋能与重塑。工业 4 0 学习工厂为满足信息智能时代对新型人力资源日益增长的需求，培养面向工业 4 0 需求的高素质人才提供了范例。【关键词】工业 4 0;职业教育;资源融合;学习工厂【基金项目】本文为广东省教育科学规划课题“粤港澳大湾区智能工业产教融合智慧学习工厂(SLF)模式构建与实践研究”(编号:2021GXJK541)、广东省高职高专教育教学改革与实践项目“面向工业 4 0 的智慧学习工厂产教融合平台构建与实践研究”(编号:GDJG2021394)、2021 年度深圳信息职业技术学院校级教研项目(创新创业专项)“基于集群效应的粤港澳大湾区高校创新创业共同体构建与实践研究”(编号:2021 cxcy02)成果。【作者简介】李一(1980)，女，吉林长春人，深圳信息职业技术学院副研究员，博士;研究方向:教育管理、比较教育一、工业 4 0 时代职业教育面临的问题制造业是一个国家和地区重要的经济部门。随着数字化在现代制造业中的作用越来越大，公司和企业要提升生产效能，在竞争中处于优势地位，就需要利用工业 4 0 技术对生产方式进行升级，因而需要大批掌握工业 4 0 技术的制造业人才。工业 4 0 技术的核心是网络物理系统(CPS)，CPS 是一个结合了计算、网络和物理环境的多维复杂系统。CPS 利用互联网、物联网所提供的高联通能力，利用移动设备的应用程序及移动数字化输入设备，使客户参与到产品设计和定制作相关要求，未达到要求则恢复未晋升前的相关待遇。增强综合性，推行自然晋升与竞争性晋升相结合，主导论功行赏，但也允许论苦行赏，这是人文主义的体现，也是尊重教师科学研究规律的体现。四、结语职称是对一个科研人员的认可，是对教师能力、科研水平、管理能力等多方面的综合评定，是国家和社会尊重知识、尊重人才的体现。“教得好不如写得好”这个高校长期被诟病的情况应该做出改变，要在教学与科研中寻求平衡。一方面高校既要有多养几个闲人的觉悟，也要对教师学术产出抱有相对的宽容，在职称评审中要体现人本主义的思想，要充分尊重教师科学研究规律，考虑科技人才的发展诉求;另一方面，政策的改变要逐渐探索，缓步而行，摸着石头过河是多年累积的经验，以免破坏整体的连续性和稳定性，可以采取渐进式和增量式改革，避免由于制度剧烈变迁，造成政策前后评审结果出现巨大波动。【参考文献】1 万利，杨河清 高校青年教师科研绩效压力对过度劳动的影响 职业紧张与焦虑的中介作用 J 中国劳动关系学院学报，2018，32(6):47 52 2 罗朝猛 日本设定工作时间上限防止教师“过劳死”J 教书育人，2019，2:35 3 Eltze CH，柳林 振颤按摩对过劳后肌痛的作用 J 国外医学，1984，3:145 4 钟爱国 日本的“过劳死”症 J 职业与健康，1990，1:33 5 杨河清，王欣 中日“过劳”问题研究发展历程及特点比较 基于文献计量分析的结果J 人口与经济，2016，2:69 78 6 代志明 高校青年教师过劳问题及其治理策略研究 以郑州市高校为例 J 郑州轻工业学院学报(社会科学版)，2016，17(1):79 85 7 刘贝妮 高校教师为何累?跨层次视角下我国高校教师过劳成因研究 J 高教探索，2018，11:112 119 8 牛风蕊 扭曲的激励:“锦标赛制”下高校教师晋升的异化及矫正 J 现代教育管理，2016，2:84 89 9 刘坤 高校科研管理的困境与制度转型 两种人性假设理论视角的思考 J 中国高校科技，2021，4:23 27 10 Edward P Lazear，Sherwin Rosen Rank Order Tourna-ments as Optimum Labor Contracts J Journal of Political Econ-omy，1981，89(5):841 8644012023年第22卷 第3期产业与科技论坛2023（22）3Industrial&Science Tribune中，生产线技术人员则可以通过可视化终端监控生产状态和调用相关数据和信息，实现工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。工业 4 0 的另一个关键技术是物联网(IoT)。物联网是基于互联网、传统电信网等的信息载体，它可以使所有能具有独立功能的普通物体实现互联互通。物联网通过传输服务支持数据来改进产品和服务，从而延长产品的生命周期，并通过网络物理系统进行数据交换，利用多种应用程序感知周围环境的变化，综合各种数据和反馈制定实时解决方案。CPS 实现了各种平台软硬件的系统集成，CPS 系统通过车间的各种系统和用户联通起来，形成了工业 4 0 生态系统即智慧工厂(SF)。智慧工厂依靠 CPS 通过 IoT 进行通信并协助人和机器执行任务，智慧工厂采用智能信息系统以实现物理世界和虚拟世界智能互动。为了保证工业 4 0 系统的高联通性以及系统的敏捷性，5G 技术、大数据技术、VR、AR技术都应用在工业 4 0 智慧生产当中。5G 等现代无线网络可以提供比以往更高的数据容量和设备连接性，以连接终端用户、智能事物和生产相关软件。5G 技术能够提供生产机械的传感器、制动器等的高保真度连接，将其升级为 CPS。CPS 系统具有实时感知功能，能够通过网络共享和监控，并根据系统提供的数据进行驱动和反应。大数据技术则用于CPS 系统所产生的海量数据的处理、存储和分析，为生产提供即时的反馈信息，为智慧生产提供依据1。随着技术的发展和产业的革新，制造业人才需求和供给的矛盾日益加剧。为了避免能够胜任制造业新需求的人力资源的短缺，需要加强教育界与产业界的合作，通过行业新技术与教育的融合，探索新的职业教育人才培养模式，使之更好地服务产业的发展，满足工业 4 0 对人力资源的新需求。工业 4 0 学习工厂打破了产业与教育之间的壁垒，实现了工业 4 0 技术与职业教育的深度融合，在培养工业 4 0 时代新型制造业人才，加快工业 4 0 技术的应用与创新中表现出突出的优势，对我国智能工业人才培养具有借鉴和推广的价值。二、工业 4 0 学习工厂的概念与特征(一)学习工厂的概念与发展历程。学习工厂是基于制造业的产品周期，整合相关专业课程与实践环节的学习过程并产出真实产品的教学及实训场所，其目标是应用基本理论与知识，通过交流、构思、设计、制造及团队工作，互相学习和自我学习，根据市场与消费者的需求，创造新型产品，解决各种技术与工程问题，培养高素质的职业技术人才。学习工厂能够为学习者提供真实的工作环境，通过与该领域的专家合作，学员们将了解实际的工作要求，并掌握相关知识和技能1。学习工厂首先出现在美国。1994 年，美国宾夕法尼亚州立大学建立了第一家“学习工厂”2。这种早期的学习工厂模式强调通过应用在工程教育所获得的知识来解决工业中的实际问题，并开发和设计新的产品以获取真实生产环境的实践经验。进入 21 世纪，“学习工厂”的热度逐渐增加，特别是在欧洲，已经出现了多种形式的旨在增强学员在一个或多个知识领域的学习体验的“学习工厂”。在德国，已经建立了数十家学习工厂，这些学习工厂可以生产真实的产品，并可呈现产品从原材料到运输产品的完整价值流。近年来，欧洲学习工厂呈现出新的特点，5G、VR、AR 等技术赋能学习工厂日益成为新的亮点3 4。(二)工业 4 0 学习工厂的概念与特征。工业 4 0 学习工厂以项目式教学为引领，通过物理信息系统 CPS，集成了物联网技术、NFC、AR、VR、人机协作、过程数据收集和大数据分析。作为教学评价的手段，学习工厂为每个小组提供近场通信(NFC)卡，在教学进行的每个阶段将有关任务的有用信息存储到云数据库中。每个阶段的信息都存储在云数据库中，以便评估学员在每个阶段的表现，作为成绩评定的依据5。工业 4 0 学习工厂与此前传统的学习工厂不同，工业4.0 学习工厂利用新兴的数字技术，将传统的学习工厂升级为工业4 0 智慧学习工厂。工业4 0 学习工厂最大的特点表现在学员可以在工业4 0 环境中利用工业4 0 技术进行数据集成与分析，并在此基础上完成产品的设计、生产和装备。三、基于 4 0 学习工厂的教学实施过程基于 4 0 学习工厂的教学实施分为三个阶段。(一)数字产品设计阶段。在这一阶段，学员以小组为单位，在技术专家的指导下，通过计算机辅助设计(CAD)软件进行产品设计6。学员被分为若干个小组，每组学员的设计都将存储到中央数据库中。完成设计后，学员们通过虚拟现实和增强现实验证他们的设计，然后使用虚拟现实来模拟装配的过程。这些产品设计将会在增强现实、虚拟现实评估研讨会中由具有产品设计经验的工程师和专家进行评估并提供意见和建议。在此阶段，教学工厂的学员通过与专家互动，检查并检测其解决方案是否存在将会严重影响最终装配和最终功能的任何缺陷。通过验证和评估，学员可以在早期发现设计中的缺陷。通过装配的虚拟仿真，学员们可以测试设计零件的装配效果，跟踪并存储他们完成虚拟装配所需的时间，检测初始设计中的潜在错误。(二)数字模拟和制造阶段。在这一阶段，学员将会模拟和安排生产线制造所设计的产品。学员在学习工厂真实的生产场景中，在模拟产线上进行产品生产。学员通过 TF 数据库中与其他小组进行绩效比较，通过彼此的交流与互动，评估自己的方案并进行进一步的改进。学员在此阶段将模拟生产的过程，进行零部件的生产。在学习工厂中，学员可以使用三种加工方法，分别是铣削、钻孔和车削。学习工厂中安装有整套网络物理系统(CPS)，通过传感器和无线网络，可以监控整个生产过程，并将收集到的所有记录数据存储在TF 数据库中。每个学习小组将使用给定的 NFC 卡，记录整个生产流程，并在经验丰富的人员监督和指导下，完成零部件的生产和制造。学员将亲手完成传感器的安装，而产出的数据将被记录并发送到连接的移动设备，学员可以从系统中读取记录实时的数据信息和监控机器状态以防止出现偏差。通过这一过程，学员将熟悉工业 4 0 技术在生产制造实践中的具体应用7。(三)数字产品组装阶段。学员们在人机协作框架下，借助机器人手臂进行零件的组装。学员在装配过程中与机器人协作，使用增强现实护目镜查看说明并监视机器人移动时的轨迹，并通过智能手表与机器人进行通信8。通过智能手表，学员可以与机器人进行无线交互，确认动作的完成，查看501产业与科技论坛2023年第22卷 第3期Industrial&Science Tribune2023（22）3相关的通知并验证整个任务的完成。在任务期间，每组收集关于任务完成所需的时间以及机器人的 PLC 数据，从而创建一个数据集，为其提供生产信息的反馈。在资深技术人员的指导下，学员需要佩戴智能手套，手动完成无线电控制成品的组装。智能手套拥有传感器，可跟踪操作人员的运动、抓握和组装，并创建地图运动。NFC 卡将记录每组指示每个组装步骤的开始和竞争时间，以用于评估各组学员的表现。四、借鉴与启示如何打破产业与教育之间的壁垒，实现新技术与职业教育的融合，培养工业 4 0 时代具有胜任力的制造业技术技能人才，是当前职业教育亟待解决的问题。工业 4 0 学习工厂利用 CPS 系统的嵌入，使职业教育实现了产品设计、制造和装配的可视化操作和数字化模拟，使学员能够熟悉未来生产线网络物理系统的功能，成为能够胜任未来工作环境的工程师。通过数据集成和对从模拟、