數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠在教育中的應(yīng)用：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

段丹萍 胡曉玲

摘 要：文章通過文獻(xiàn)分析，在理解學(xué)習(xí)工廠、數(shù)字化制造技術(shù)和數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，概述了數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的概念及類型，并闡述了數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠在教育中的應(yīng)用優(yōu)勢和挑戰(zhàn)：一方面，數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠有助于培養(yǎng)適應(yīng)未來制造業(yè)領(lǐng)域需要的人才，為學(xué)習(xí)者提供高度情境化和可視化的具身學(xué)習(xí)環(huán)境，將“工廠融入課堂”支持多種應(yīng)用場景和學(xué)習(xí)方式，以及有利于校企融合開展協(xié)同知識創(chuàng)造和技術(shù)創(chuàng)新；另一方面，在技術(shù)層面、教學(xué)層面和學(xué)習(xí)層面還存在許多問題需要解決。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠；具身學(xué)習(xí)環(huán)境；學(xué)習(xí)工廠

中圖分類號：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）04-0006-05

近年來，伴隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、3D打印、人工智能等技術(shù)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(jié)合計(jì)算元素、物理元素、軟件和人類的“網(wǎng)絡(luò)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(jī)構(gòu)和工業(yè)組織建立了學(xué)習(xí)工廠[2-4]。

由于目前關(guān)于數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的研究較少，我們將企業(yè)用于培訓(xùn)的數(shù)字化工廠、學(xué)校用于實(shí)踐教學(xué)的基于IT技術(shù)的學(xué)習(xí)工廠的相關(guān)研究均納入文獻(xiàn)分析范疇，從而更加全面、深入地了解數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的研究與應(yīng)用情況。本文闡述了數(shù)字化學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)工廠概述

1.數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的定義

學(xué)習(xí)工廠（Learning Factory）的概念起源于美國賓夕法尼亞大學(xué)、華盛頓大學(xué)、波多黎各大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)者提供一個以實(shí)踐為基礎(chǔ)的工業(yè)課程，將理論付諸實(shí)踐，從工業(yè)中解決實(shí)際的項(xiàng)目和驗(yàn)證設(shè)想。學(xué)習(xí)工廠是一種基于真實(shí)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境，它包括了教學(xué)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的各種元素，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供掌握工業(yè)生產(chǎn)中不同工具、機(jī)器和新技術(shù)的基本知識和技能，體驗(yàn)工業(yè)生產(chǎn)、團(tuán)隊(duì)合作、問題解決和創(chuàng)新等學(xué)習(xí)過程[6]。

關(guān)于數(shù)字化學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)工廠是數(shù)字化制造技術(shù)、數(shù)字化工廠與學(xué)習(xí)工廠融合的產(chǎn)物，是數(shù)字化制造時代下學(xué)習(xí)工廠的一種新的形態(tài)。數(shù)字化制造技術(shù)融合了數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)，可應(yīng)用于物料規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、產(chǎn)品制造、人力資源、供應(yīng)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(shè)計(jì)、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(fēng)險，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)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(shè)施的規(guī)劃與設(shè)計(jì)和制造過程本身結(jié)合起來的數(shù)字化模型、方法和應(yīng)用所構(gòu)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(shí)際的、有形的工廠操作的數(shù)字化模型”[5]，主要包括機(jī)器（設(shè)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(yàn)和學(xué)習(xí)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是混合現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(shí)世界互相融合沒有界限，物理經(jīng)驗(yàn)與數(shù)字信息通過基于混合現(xiàn)實(shí)的交互融合在一起。

綜上所述，數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠可定義為一種基于數(shù)字化制造技術(shù)的，以工作過程為導(dǎo)向的，面向未來制造業(yè)教育、培訓(xùn)和研究的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)者在該環(huán)境中圍繞企業(yè)制造全生命周期開展實(shí)踐學(xué)習(xí)，從而掌握工業(yè)生產(chǎn)中不同工具、機(jī)器、新技術(shù)和新方法等的基本知識和技能，發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)、團(tuán)隊(duì)合作、問題解決和創(chuàng)新等方面的能力。

2.數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的分類及其教育應(yīng)用

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

VDLF是一種基于虛擬制造技術(shù)的三維模擬學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者利用化身進(jìn)入虛擬世界，以PLM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對工廠規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行以及各個制造環(huán)節(jié)等進(jìn)行模擬、分析、評估、驗(yàn)證和優(yōu)化等操作[8]，掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)流程等相關(guān)知識和技能，學(xué)會解決工作過程中的實(shí)際問題。

MDLF是一種基于計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)的混合現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，集成了所有PLM的數(shù)據(jù)、過程和資源，支持學(xué)習(xí)者完成從需求規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)、供應(yīng)鏈規(guī)劃到銷售服務(wù)等各個環(huán)節(jié)的模擬、分析、評估、驗(yàn)證、優(yōu)化操作、控制、執(zhí)行和管理等操作[9]，在虛實(shí)融合的工作環(huán)境中體驗(yàn)和參與生產(chǎn)實(shí)踐。通過基于MDLF的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者更容易適應(yīng)未來工作崗位的角色、任務(wù)、技術(shù)和方法等。

過去十多年里，已經(jīng)有不少大學(xué)、職業(yè)院校和企業(yè)利用VDLF開展實(shí)踐教學(xué)和員工培訓(xùn)。美國伊利諾伊理工大學(xué)工業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)研究所開發(fā)的“齒輪制造數(shù)字化工廠”，可用于學(xué)習(xí)者開展基于真實(shí)的齒輪制造工廠的布局、物流規(guī)劃等模擬學(xué)習(xí)[10]。美國紐約州立大學(xué)開發(fā)的VR-Fact系統(tǒng)，通過各車間的漫游和互動操作，學(xué)習(xí)者可對車間的布局設(shè)計(jì)有深入的體驗(yàn)[11]。德國達(dá)姆施塔特學(xué)習(xí)工廠（Darmstadt's Learning Factory）針對CIP生產(chǎn)線進(jìn)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(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化仿真操作，允許學(xué)習(xí)者通過化身完成不同生產(chǎn)方案的研究、對比和分析，實(shí)現(xiàn)對工作地點(diǎn)、工作臺和裝配線進(jìn)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(xué)校的重視。奧地利屠維恩學(xué)習(xí)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(xué)平臺，讓學(xué)習(xí)者真實(shí)體驗(yàn)和廣泛理解集成化產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程，包括產(chǎn)品規(guī)劃和設(shè)計(jì)、工程、制造、裝配以及質(zhì)量保證等 [2]。

二、數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠教育應(yīng)用的優(yōu)勢

1.有助于培養(yǎng)適應(yīng)未來制造業(yè)領(lǐng)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(lǐng)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(xué)科的能力、個人責(zé)任感、系統(tǒng)思維、溝通能力和適應(yīng)能力。為此，他認(rèn)為學(xué)習(xí)工廠的學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)定位為：處理大量的數(shù)據(jù)和信息，使用新方法和技術(shù)，適應(yīng)新的組織結(jié)構(gòu)、處理過程和人員方面以及適應(yīng)新的人類角色。近年來，學(xué)習(xí)工廠已經(jīng)被多次證實(shí)可作為制造領(lǐng)域?qū)W校教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)的有效方法或環(huán)境[1][2][14]。

Zadeh N S[12]認(rèn)為學(xué)習(xí)工廠的預(yù)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(yàn)；②在工廠使用機(jī)器、工具或物理設(shè)備方面取得經(jīng)驗(yàn)；③獲得社會經(jīng)驗(yàn)，如小組工作和應(yīng)付即將到來的挑戰(zhàn)的能力；④獲得在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中工作的經(jīng)驗(yàn)和基于所需結(jié)果的身體參與的情境認(rèn)知的意義。

數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠利用虛擬制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)融合了虛擬世界和真實(shí)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(xué)習(xí)工廠更具有優(yōu)勢。學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)，從而學(xué)習(xí)工業(yè)概念、習(xí)得技能和發(fā)展能力。

2.為學(xué)習(xí)者提供高度情境化和可視化的具身學(xué)習(xí)環(huán)境

具身認(rèn)知理論認(rèn)為認(rèn)知、身體和環(huán)境是一體的，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)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(yīng)[15]。數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了高度情境化和可視化的具身學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以體驗(yàn)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(xué)習(xí)工廠可為學(xué)習(xí)者提供模擬演示、仿真操作和真實(shí)生產(chǎn)三種學(xué)習(xí)場景。其中，模擬演示場景和仿真操作場景可再現(xiàn)、假設(shè)、對比、分析、體驗(yàn)和驗(yàn)證情境，尤其適合真實(shí)生產(chǎn)中復(fù)雜的、不易于觀察和體驗(yàn)的、受到時空限制的、存在高成本和高風(fēng)險的情境等。例如，可以讓學(xué)習(xí)者在數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠中嘗試管理生產(chǎn)中的復(fù)雜任務(wù)，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(jì)、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(yàn)多種工作角色和任務(wù)。

在可視化方面，數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠可實(shí)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(shè)備設(shè)施、產(chǎn)品等進(jìn)行3D建模，直觀、真實(shí)、精確地展示各種設(shè)施、設(shè)備形狀及生產(chǎn)工藝的組織關(guān)系、分步和拓?fù)淝闆r等，學(xué)習(xí)者通過計(jì)算機(jī)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(shè)備或生產(chǎn)線內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，通過對它們的3D模型進(jìn)行拆分、剖切或重組，對結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行全景演示和交互操作，從而幫助學(xué)習(xí)者理解和掌握設(shè)備基本信息、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動、化學(xué)反應(yīng)等過程和現(xiàn)象進(jìn)行三維可視化和交互操作；另一方面通過仿真模擬運(yùn)行和自動化生產(chǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析和對制造控制過程進(jìn)行不同場景的可視化比較。例如，加拿大溫莎大學(xué)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(zhuǎn)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(jié)果[16]。

3.將“工廠融入課堂”支持多種應(yīng)用場景和學(xué)習(xí)方式

“工廠融入課堂”的知識交流渠道旨在將真實(shí)的制造環(huán)境轉(zhuǎn)移到課堂[2]。數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠作為一個基于先進(jìn)信息技術(shù)和工業(yè)教學(xué)設(shè)備的非地理錨定的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)者與更接近真實(shí)的工業(yè)情境進(jìn)行交互，與產(chǎn)品、機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)線等的三維仿真模型和真實(shí)物理原型及其運(yùn)作過程進(jìn)行交互，與PLM數(shù)據(jù)和不同的生產(chǎn)解決方案進(jìn)行交互，與其他參與者（如學(xué)習(xí)者、教師、研究人員、企業(yè)工程師或生產(chǎn)管理者等）進(jìn)行交互。

在應(yīng)用場景支持方面，能夠應(yīng)用于大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)教育與研究，各類學(xué)校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的職業(yè)教育，企業(yè)員工的在職培訓(xùn)[2]等。在支持多種學(xué)習(xí)方式方面，可利用數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠開展體驗(yàn)學(xué)習(xí)、游戲?qū)W習(xí)、混合學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教學(xué)、在線自學(xué)、合作學(xué)習(xí)等多種方式。Zadeh N S[12]認(rèn)為在數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠中，學(xué)習(xí)者和教師的身體存在是不需要的，利用其開展遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)可以增加參與者的數(shù)量。Abele E等[2]指出通過數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠，遠(yuǎn)程的工程師和學(xué)習(xí)者、教師、研究人員團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行交流和互動，處理實(shí)際問題，并使工業(yè)和學(xué)術(shù)場所的實(shí)際設(shè)施參與進(jìn)來。

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

學(xué)習(xí)工廠旨在無縫地整合教育、研究和創(chuàng)新[17]。學(xué)習(xí)工廠作為學(xué)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(xué)習(xí)工廠中的工業(yè)級或教學(xué)設(shè)備可以用作學(xué)習(xí)者、教師和研究人員創(chuàng)造新知識和驗(yàn)證新技術(shù)的試驗(yàn)平臺，并支持他們將新的知識和技術(shù)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(xué)智能生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室（The Smart Production Lab at Aalborg University）是一個類似于真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的“小型工業(yè)4.0工廠”，為來自機(jī)械工程、機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子、商業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)者、研究人員和企業(yè)員工之間提供了一個學(xué)習(xí)、密切合作和創(chuàng)造新知識的平臺[18]?？肆_地亞斯普利特大學(xué)將FESB 數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和工業(yè)工程專業(yè)研究生課程中，學(xué)習(xí)者必須設(shè)計(jì)自己的企業(yè)，并進(jìn)行測試、驗(yàn)證和優(yōu)化解決方案，學(xué)習(xí)者在習(xí)得知識和技能基礎(chǔ)上，完成碩士論文的撰寫，同時與開發(fā)商合作有效改進(jìn)FESB 數(shù)字學(xué)習(xí)工廠，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值[19]。

三、數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠教育應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠在技術(shù)層面、教學(xué)層面和學(xué)習(xí)層面還存在著許多問題，具體如下：

1.技術(shù)層面的問題

（1）復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)集成。雖然數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠有許多優(yōu)點(diǎn)，但需要實(shí)施復(fù)雜的IT基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[5]，融合制造系統(tǒng)和教學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)、信息、模型、資源、過程、標(biāo)準(zhǔn)等，集成多種IT技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)。由于目前較缺乏對復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多種技術(shù)的集成和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等的研究與解決方案，導(dǎo)致了數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠建設(shè)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(xué)習(xí)工廠代表了真實(shí)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(xué)科領(lǐng)域或主題。因此，僅靠一種數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠無法應(yīng)對教育界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的所有挑戰(zhàn)，難以作為適合學(xué)科實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)的普適環(huán)境。此外，精細(xì)的3D模型、復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和集成化的運(yùn)行環(huán)境，往往需要大屏幕顯示設(shè)備、高性能甚至專有的運(yùn)行環(huán)境等，導(dǎo)致了數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠在支持移動終端的應(yīng)用方面存在很大困難。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化學(xué)習(xí)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(guān)應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)，對于數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的成功實(shí)現(xiàn)是至關(guān)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(dāng)前的軟件系統(tǒng)架構(gòu)是非常異構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并在各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)和操作功能區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的接口。

2.教學(xué)層面的問題

（1）來自學(xué)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(xué)習(xí)工廠可能會受到來自學(xué)校和教師之間的阻力制約。學(xué)校層面主要是來自于體制上的限制，例如，學(xué)校是否有能力建設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠，是否有針對數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠覆蓋一定數(shù)量的課程教學(xué)計(jì)劃以及相關(guān)的配套支持等。教師層面主要受制于教師教學(xué)理念、教學(xué)方法、教育技術(shù)能力、教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新能力和工業(yè)實(shí)踐能力等。

（2）如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)將教學(xué)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(xué)習(xí)工廠無縫銜接了教學(xué)過程與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過程，融合了教學(xué)系統(tǒng)和制造系統(tǒng)中的各類組成要素，包括環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備、生產(chǎn)過程、學(xué)習(xí)內(nèi)容以及各類數(shù)據(jù)資源等，如何重組這些要素構(gòu)成一個新的學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)知識能夠傳播和流動，確保學(xué)習(xí)交互發(fā)生的有序和有效，是教學(xué)設(shè)計(jì)需要解決的問題。

（3）教學(xué)內(nèi)容的靈活性。在某些數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠中，學(xué)習(xí)主題、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)順序是固定的，教師不能做出改變以適應(yīng)學(xué)習(xí)者的需要。因此，未來數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠必須是模塊化的、可擴(kuò)展的、靈活的、開放的、敏捷的和基于知識的，以便能夠?qū)崟r地適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)和教學(xué)帶來的教育需求。

（4）教學(xué)效果的評估。研究者們已經(jīng)對學(xué)習(xí)工廠的形態(tài)進(jìn)行了探索和確定，即重點(diǎn)在于面向?qū)嵺`的學(xué)習(xí)過程[21]。未來基于數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的教學(xué)效果評估，既要考慮能力導(dǎo)向的目標(biāo)評價，也要考慮目標(biāo)導(dǎo)向的各個階段的評估。為了達(dá)到這一目標(biāo)，必須找到簡單有效的方式來衡量學(xué)習(xí)的有效性。

3.學(xué)習(xí)層面的問題

（1）認(rèn)知負(fù)荷。在數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠中，學(xué)習(xí)者可能會因所遇到的大量信息、需要使用的多種技術(shù)設(shè)備以及他們必須完成的復(fù)雜任務(wù)而遭遇到認(rèn)知負(fù)荷。此外，數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠提供了虛擬和現(xiàn)實(shí)混合的環(huán)境，而這種混合現(xiàn)實(shí)的環(huán)境以及虛實(shí)身份之間的轉(zhuǎn)化也可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)者的困惑。

（2）跨學(xué)科的復(fù)雜技能。數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠是面向未來工程師的學(xué)習(xí)環(huán)境，需要學(xué)習(xí)者具有工程、信息技術(shù)、電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)等跨科學(xué)方面的能力，主要包括溝通協(xié)作、問題解決、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、仿真模擬、技術(shù)操作、監(jiān)督、判斷、系統(tǒng)思維、適應(yīng)和組織領(lǐng)導(dǎo)等多種復(fù)雜技能。而作為一個僅有最低實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者，比較缺乏這些方面的技能。

（3）適應(yīng)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)工廠，學(xué)習(xí)者不僅需要掌握能夠運(yùn)用現(xiàn)有的方法和技術(shù)來解決實(shí)際問題，同時還能夠適應(yīng)未來工作崗位中的各種變化。

四、總結(jié)與展望

目前，學(xué)習(xí)工廠已經(jīng)涵蓋了廣泛的應(yīng)用場景。學(xué)習(xí)工廠應(yīng)該與創(chuàng)新（新原型和產(chǎn)品技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)和工藝、IT技術(shù)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)工廠概念，也較缺乏實(shí)證研究，但相關(guān)研究已經(jīng)初步探索了數(shù)字化學(xué)習(xí)工廠的組成框架、應(yīng)用前景、技術(shù)解決方案和教學(xué)方法等，也展示了一些不同場景的應(yīng)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(xué)習(xí)工廠很可能會成為未來學(xué)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tvenge N， Martinsen K， Kolla S S V K. Combining Learning Factories and ICT- based Situated Learning[J]. Procedia Cirp，2016（54）：101-106.

[2]Abele E， Metternich J， Tisch M， et al. Learning Factories for Research， Education， and Training[J].Procedia Cirp，2015（32）：1-6.

[3]Faller， C.， Feldmúller， D.Industry 4.0 Learning Factory for regional SMEs[J].Procedia Cirp，2015（32）：88-91.

[4]Seitz K F， Nyhuis P.Cyber-Physical Production Systems Combined with Logistic Models – A Learning Factory Concept for an Improved Production Planning and Control[J]. Procedia Cirp，2015（32）：92-97.

[5]Azadeh Haghighi. Application of digital environments for learning factories： digital learning factories， review and discussion[D].KTH Royal Institute of Technology，2013.

[6]趙文平.德國工程教育“學(xué)習(xí)工廠”模式評介[J].比較教育研究，2017，39（6）：28-34.

[7]Azevedo A， rico， Almeida A. Factory Templates for Digital Factories Framework[M].Pergamon Press，Inc.2011.

[8]Weidig C， Menck N， Winkes P A， et al. Virtual Learning Factory on VR-Supported Factory Planning[J].Ifip Advances in Information & Communication Technology，2014（434）：455-462.

[9]Naveh G， Even A， Fink L， et al. Information Technology Education in a Digital Factory Learning Environment[J].Intelligent Automation & Soft Computing， 2015，21（4）：659-672.

[10]Dvorak P. Digital factories foster new vision of manufacturing[J].Design International，2008（4）：16-18.

[11]Zarzuela M M， Pernas F J D， Calzón S M， et al. Educational Tourism through a Virtual Reality Platform [J]. Procedia Computer Science，2013，25（25）：382-388.

[12]Zadeh N S. Digital Learning Factories： Conceptualization， Review And Discussion[J].Swedish Production Symposium，2014.

[13]Prinz C， Morlock F， Freith S， et al. Learning Factory Modules for Smart Factories in Industrie 4.0[J]. Procedia Cirp，2016（54）：113-118.

[14]Matt D T， Rauch E， Dallasega P. Mini-factory – A Learning Factory Concept for Students and Small and Medium Sized Enterprises[J].Procedia Cirp，2014（17）：178-183.

[15]Wilson M. Six views of embodied cognition[J]. Psychonomic Bulletin & Review，2002，9（4）：625-636.

[16]Tisch M， Metternich J. Potentials and Limits of Learning Factories in Research， Innovation Transfer， Education， and Training[J].Procedia Manufacturing，2017（9）：89-96.

[17]Mavrikios D， Papakostas N， Mourtzis D， et al. On industrial learning and training for the factories of the future： a conceptual， cognitive and technology framework[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2013， 24（3）：473-485.

[18]Nardello M， Madsen O， Mфller C. The Smart Production Laboratory： A Learning Factory for Industry 4.0 Concepts[C]//Perspectives in Business Informatics Research，2017.

[19]Celar S， Turic M， Dragicevic S， et al. Digital Learning Factory at FESB – University of Split[C]// Xxii Scientific and Business Conference Yuinfo，2016.

[20]Lainema T， Nurmi S. Applying an authentic， dynamic learning environment in real world business[J].Computers and Education，2006，47（1）：94-115.

[21]Rentzos L， Doukas M， Mavrikios D， et al. Integrating Manufacturing Education with Industrial Practice Using Teaching Factory Paradigm： A Construction Equipment Application[J].Procedia Cirp，2014， 17（2）：189-194.

（編輯：李曉萍）