基于“異地同構(gòu)”魯班工坊的硬件體系建設(shè)研究

閆虎民 劉建強 郝飛 劉海培

摘要：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)和埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)共同建設(shè)的埃塞俄比亞魯班工坊，是由技能大師組成教師團隊，針對魯班工坊教學(xué)硬件體系建設(shè)進行研究和設(shè)計，采用“異地同構(gòu)”的方式進行硬件體系建設(shè)，為打造非洲魯班工坊標桿奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時對中非合作建設(shè)魯班工坊的具體實施提供了重要的參考意義和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：魯班工坊；異地同構(gòu)；硬件體系建設(shè)；共享；多元化

中圖分類號：G718? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2023）05-0029-05

作者簡介：閆虎民（1974—），男，碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心高級實驗師，研究方向為工業(yè)電氣自動化技術(shù)；劉建強（1990—），男，碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心助教，研究方向為智能制造技術(shù)應(yīng)用；郝飛（1987—），男，碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心講師，研究方向為工業(yè)電氣自動化技術(shù)；劉海培（1994—），女，碩士，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心助教，研究方向為智能制造技術(shù)應(yīng)用。

基金項目：2022年度天津市教育科學(xué)規(guī)劃重點課題“‘魯班工坊對接合作國師資雙語能力提升研究”（項目編號：BJE220012）

魯班工坊是中國職業(yè)教育對外輸出的集中體現(xiàn)，是將中國職業(yè)教育的教學(xué)模式、專業(yè)標準、技術(shù)裝備、教學(xué)方案與世界分享的實體化平臺[1-2]，服務(wù)于“一帶一路”建設(shè)和國際產(chǎn)能合作，服務(wù)于構(gòu)建人類命運共同體。由天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)和埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)共同建設(shè)的魯班工坊已于2021年正式成立。為了實現(xiàn)將埃塞俄比亞魯班工坊打造成非洲魯班工坊的標桿這一總體目標，學(xué)校組建了由技能大師牽頭的教學(xué)團隊，按照具有中國特色的工程實踐創(chuàng)新項目（EPIP）[3]“以工程項目為引導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標，以項目實踐為統(tǒng)領(lǐng)的技術(shù)技能型人才培養(yǎng)新途徑”的先進教學(xué)模式進行建設(shè)。以工程實踐創(chuàng)新項目教學(xué)模式為指導(dǎo)，教學(xué)團隊集中研究了基于“異地同構(gòu)”方式的魯班工坊教育硬件體系，建設(shè)了世界先進、行業(yè)領(lǐng)先、兼顧實際生產(chǎn)和訓(xùn)練教學(xué)的硬件體系，為魯班工坊建設(shè)實踐提供了“天津方案”。

一、基于“異地同構(gòu)”教學(xué)硬件體系的建設(shè)意義

（一）先進強大的教學(xué)硬件體系是開展魯班工坊培訓(xùn)教學(xué)的基礎(chǔ)

先進強大的教學(xué)硬件體系是實施職業(yè)教育的基礎(chǔ)，也是魯班工坊建設(shè)的基礎(chǔ)。在職業(yè)教育教學(xué)中引入當下較為先進的硬件體系，將工業(yè)實際所應(yīng)用的裝備、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品經(jīng)過改進應(yīng)用到職業(yè)教育中，搭建一個職業(yè)教育實施平臺，在該平臺上開展職業(yè)教育，能夠緊貼科技工業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)實際需求的人才。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心（以下簡稱“工程實訓(xùn)中心”）經(jīng)過多年發(fā)展，建設(shè)了較為成熟的實訓(xùn)硬件體系，如數(shù)字制造教學(xué)工廠、工業(yè)控制技術(shù)實訓(xùn)基地、機電氣一體化實訓(xùn)室以及工業(yè)機器人實訓(xùn)基地，這為魯班工坊建設(shè)夯實了基礎(chǔ)。教學(xué)團隊根據(jù)當下國際工業(yè)發(fā)展形勢，以及在2025年打造非洲輕工業(yè)中心的發(fā)展目標[4]，研究建設(shè)先進、強大、兼顧實際生產(chǎn)需求和教學(xué)訓(xùn)練標準的教學(xué)硬件體系。

（二）共享是魯班工坊建設(shè)的特色

中國職業(yè)教育經(jīng)過多年的發(fā)展，從最開始學(xué)習(xí)和引入西方發(fā)達國家的職業(yè)教學(xué)模式到現(xiàn)在形成具有中國特色的職業(yè)教育發(fā)展道路[5]，積累了豐富的職業(yè)教育發(fā)展經(jīng)驗。經(jīng)過多年發(fā)展，工程實訓(xùn)中心不僅建設(shè)了較為成熟的實訓(xùn)硬件體系，同時也培養(yǎng)了一支具有較高專業(yè)素養(yǎng)和豐富教學(xué)經(jīng)驗的專業(yè)教師團隊。工程實訓(xùn)中心具有優(yōu)勢的教育資源，結(jié)合埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)的實際需求，將豐富的教學(xué)硬件資源和教學(xué)經(jīng)驗共享于魯班工坊合作中。在魯班工坊的電氣與控制技術(shù)方向硬件體系建設(shè)中引入了工程實訓(xùn)中心優(yōu)勢的學(xué)科和硬件體系，將魯班工坊建設(shè)的硬件體系與工程實訓(xùn)中心的硬件體系相結(jié)合。在工程實訓(xùn)中心接受培訓(xùn)的魯班工坊碩士和博士研究生通過工程實訓(xùn)中心的培養(yǎng)，將工程實訓(xùn)中心優(yōu)勢教育資源無障礙地共享于魯班工坊建設(shè)。

（三）多元化硬件體系是魯班工坊建設(shè)的優(yōu)勢

強大的硬件體系是職業(yè)教育教學(xué)的基礎(chǔ)，但基于現(xiàn)有的硬件體系建設(shè)魯班工坊往往會有所局限。因此，魯班工坊的硬件體系建設(shè)需要多元化，應(yīng)靈活多變，盡可能實現(xiàn)多場景、多類型、多技術(shù)的融合。在與埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)合作的魯班工坊建設(shè)中，打破了原硬件設(shè)備固定化的模式，建立了一個開放式平臺，并且設(shè)計多種類型的模塊，各個模塊可以自由拆裝和組合，可以組成不同的場景，增強了教學(xué)的多元化。

二、基于“異地同構(gòu)”魯班工坊教學(xué)硬件體系建設(shè)方式

目前，我國與非洲國家合作的魯班工坊采用的方式大多是：由中國大學(xué)結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況和需求，提供相應(yīng)的職業(yè)教育培訓(xùn)體系、教育硬件體系，幫助非洲國家的大學(xué)完成相應(yīng)的場地建設(shè)及教育實訓(xùn)硬件體系建設(shè)。采用具有中國特色的工程實踐創(chuàng)新項目（EPIP）教學(xué)模式，由非洲國家的大學(xué)遴選教師到中國接受培訓(xùn)，同時中方也會選派教師赴當?shù)剡M行教學(xué)。其中，實訓(xùn)硬件體系占據(jù)十分重要的位置。魯班工坊的建設(shè)是中外雙方持續(xù)、共享以及多元化的合作，因此，魯班工坊的教學(xué)硬件體系建設(shè)也應(yīng)滿足該需求。

基于魯班工坊的特點，根據(jù)埃塞俄比亞“2025年成為非洲輕工業(yè)制造業(yè)中心”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標，結(jié)合工程實訓(xùn)中心優(yōu)勢學(xué)科，由國家級技能大師牽頭建設(shè)魯班工坊的硬件體系。在硬件體系建設(shè)中，采用“異地同構(gòu)”方式，“異地同構(gòu)”是指不同地方具有較多相同的元素或者結(jié)構(gòu)特征，即在我方開展培訓(xùn)的硬件體系和在埃塞俄比亞魯班工坊建設(shè)的教學(xué)硬件體系基本相同，用硬件體系支撐起雙方教育培訓(xùn)的基礎(chǔ)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于“異地同構(gòu)”的魯班工坊建設(shè)，由于兩地所建設(shè)的教學(xué)硬件體系基本相同，極大地方便了兩地的交流與合作，打破了異地培訓(xùn)合作的技術(shù)障礙，為打造非洲魯班工坊標桿提供了基礎(chǔ)。

由天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)參與建設(shè)的埃塞俄比亞“魯班工坊”定位于人工智能領(lǐng)域。針對該領(lǐng)域面向電氣與控制技術(shù)開發(fā)了工業(yè)控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)、工業(yè)傳感器技術(shù)以及工業(yè)機器人技術(shù)四個技術(shù)方向，這四門課程是當下人工智能和智能制造應(yīng)用技術(shù)較為主流的技術(shù)方向，也是工程實訓(xùn)中心較有優(yōu)勢的學(xué)科。

三、基于“異地同構(gòu)”電氣與控制技術(shù)四門課程硬件體系建設(shè)

（一）工業(yè)控制技術(shù)實訓(xùn)項目

工業(yè)控制技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)化的重要基礎(chǔ)，主要涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)過程中檢測、決策、加工以及人機交互等方面。目前，國內(nèi)部分高校一般是分成幾個模塊進行教學(xué)，主要針對其中的單一項目進行訓(xùn)練，難以形成全局的訓(xùn)練。有的高校采用一體成型的教學(xué)設(shè)備，學(xué)生主要針對成型的設(shè)備進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，很難涉及工業(yè)控制技術(shù)一些基礎(chǔ)型教學(xué)。埃塞俄比亞魯班工坊開設(shè)的工業(yè)控制技術(shù)課程依據(jù)世界技能大賽“工業(yè)控制”項目進行教學(xué)硬件體系建設(shè)，參考世界技能大賽工業(yè)控制項目的硬件體系，同時結(jié)合培訓(xùn)教師團隊在世界技能大賽中的裁判經(jīng)驗，為該課程的實施提供了雄厚的教學(xué)資源。同時，將以賽促學(xué)的教學(xué)理念引入魯班工坊培訓(xùn)中，將該課程設(shè)為魯班工坊電氣與控制技術(shù)方向的一門課程，把優(yōu)秀的教學(xué)經(jīng)驗引入魯班工坊，提高魯班工坊建設(shè)質(zhì)量，為打造魯班工坊標桿提供有力的保障。

工業(yè)控制技術(shù)硬件體系內(nèi)容包括電器選型、電氣原理圖和布局圖設(shè)計、工作面安裝設(shè)計、電氣配線布局、可編程邏輯控制器以及HMI人機交互等。將該硬件體系應(yīng)用于魯班工坊的培訓(xùn)教學(xué)中，受培訓(xùn)人員可以從零基礎(chǔ)開始接受培訓(xùn)。例如，從電器選型、電氣原理圖和布局圖設(shè)計、工作面安裝設(shè)計、電氣配線布局開始，進而進階至較高級的培訓(xùn)，如可編程邏輯控制器以及HMI人機交互等方面，涵蓋工業(yè)控制技術(shù)從底層基礎(chǔ)規(guī)劃到頂層控制系統(tǒng)的全部培訓(xùn)，扎實地掌握一般工業(yè)控制技術(shù)。工業(yè)控制技術(shù)也是工程實訓(xùn)中心機電方向具有優(yōu)勢的技術(shù)方向，依據(jù)該硬件體系開發(fā)了《工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用》教材匹配運用于教學(xué)。

（二）機電一體化技術(shù)實訓(xùn)項目

在工業(yè)發(fā)展過程中，機電一體化技術(shù)是很重要的部分，同時也是新型智能制造的基礎(chǔ)[6]。機電一體化在我國發(fā)展已經(jīng)有較長的時間，技術(shù)也較為成熟。機電一體化融合了多種技術(shù)、多個專業(yè)，包含了機械自動化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)以及傳感器技術(shù)等多方面的技術(shù)。隨著科技發(fā)展，新的機電一體化會包含更多的新技術(shù)，進而促進智能制造技術(shù)的發(fā)展。

機電一體化技術(shù)也是工程實訓(xùn)中心較有優(yōu)勢的學(xué)科，擁有優(yōu)秀的教師團隊和豐富的教學(xué)經(jīng)驗。在魯班工坊建設(shè)中，機電一體化技術(shù)實訓(xùn)硬件采用了一種模塊化體系，該硬件體系打破原實訓(xùn)設(shè)備固定化的模式，采用可拆裝、可自由組合、可重組模塊進行創(chuàng)新設(shè)計的硬件體系，增加了硬件體系教學(xué)的靈活性以及創(chuàng)新性。結(jié)合埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)的實際需求和天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)的辦學(xué)優(yōu)勢，魯班工坊機電一體化硬件體系建設(shè)包括內(nèi)容如圖2所示。

首先是設(shè)計一個機電一體化基礎(chǔ)平臺，其他模塊均可在其上面進行安裝和固定，可以在該平臺上進行硬件系統(tǒng)設(shè)計。其他模塊包括：供料模塊、傳送模塊、物料檢測模塊、加工模塊、倉庫存儲模塊、搬送模塊、人機交互模塊等。各模塊相互獨立，但又可以通過設(shè)計進行組合，可以模擬不同的生產(chǎn)工藝，也可以模擬不同生產(chǎn)對象。利用該硬件體系可以設(shè)計自動粘蓋生產(chǎn)線、自動篩選物料生產(chǎn)線、自動搬運存儲生產(chǎn)線，通過不同設(shè)計思路利用不同模塊進行設(shè)計，教師和學(xué)員也可以自由設(shè)計生產(chǎn)工藝。在教學(xué)過程中，首先可以確定任務(wù)目標，然后選取具體需要的模塊單元，進而將各個模塊進行設(shè)計組合，進一步完成布線和氣管鋪設(shè)。這樣，根據(jù)實際需求，一步一步地實現(xiàn)一個完整的生產(chǎn)單元，最后通過程序設(shè)計，完成實際的控制要求。這樣的機電一體化硬件體系設(shè)計，滿足不同類型、不同場合的機電技術(shù)教學(xué)要求，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新性思維。

（三）工業(yè)傳感器技術(shù)實訓(xùn)項目

傳感器技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)，是工業(yè)發(fā)展和實現(xiàn)智能制造不可缺少的重要組成部分。在智能化時代，傳感器可以感知萬物，檢測多種多樣的信號。正因為傳感器技術(shù)是工業(yè)自動化、智能化的關(guān)鍵，將傳感器技術(shù)單獨設(shè)計成一門培訓(xùn)課程是十分必要的。但傳感器并不是一個獨立體系，而是配合工業(yè)控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)等應(yīng)用場合，重點傳感器硬件如表1所示。

（四）工業(yè)機器人技術(shù)實訓(xùn)項目

工業(yè)機器人技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化的重要發(fā)展領(lǐng)域，“中國制造2025”明確提出將工業(yè)機器人列為十大重點技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域[7]。在新型制造業(yè)中，很多生產(chǎn)加工使用工業(yè)機器人代替人工實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。例如最典型的汽車行業(yè)，工業(yè)機器人可以應(yīng)用于汽車生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，如汽車裝配、鈑金噴漆等，在這些環(huán)節(jié)中，已經(jīng)實現(xiàn)了高度自動化。

工程實訓(xùn)中心已經(jīng)成功建設(shè)了工業(yè)機器人實訓(xùn)基地，面向全校以及社會開展培訓(xùn)工作，擁有一支具有豐富教學(xué)經(jīng)驗和工程經(jīng)驗的教學(xué)團隊，依據(jù)實訓(xùn)需求開發(fā)了專門教材《工業(yè)機器人系統(tǒng)操作與維護》。這為魯班工坊的課程建設(shè)打下了基礎(chǔ)。在魯班工坊課程中，依據(jù)已有教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)的實際需求，將該硬件體系引入魯班工坊建設(shè)中。該硬件體系采用庫卡機器人建立一個基礎(chǔ)硬件平臺，以該平臺為基礎(chǔ)建設(shè)一個開放式體系，可以自由設(shè)計其他應(yīng)用，也可以創(chuàng)新設(shè)計模擬應(yīng)用環(huán)境；包括運動軌跡模塊、物料檢測模塊、龍門檢測機床上下料模塊、智能裝配模塊，同時可以實現(xiàn)機器人與西門子PLC綜合應(yīng)用，具體設(shè)計如圖3所示。

依據(jù)該硬件體系，可以模擬多種生產(chǎn)加工工藝和應(yīng)用場合，極大地豐富了該硬件體系的應(yīng)用范圍，同時為接受培訓(xùn)者提供了更多的創(chuàng)新性選擇。

四、埃塞俄比亞魯班工坊成效

由天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)和埃塞俄比亞技術(shù)大學(xué)合作建設(shè)的魯班工坊采用EPIP標準化進階式培訓(xùn)，主要分三個階段進行：第一階段是所有課程集中進行基礎(chǔ)性培訓(xùn)；第二階段是先進行公共課程集中培訓(xùn)，然后分方向進行側(cè)重培訓(xùn)；第三階段是錄制視頻，編寫教材，驗證方法和效果。通過這三個階段進階式的全方位培養(yǎng)，為魯班工坊培養(yǎng)出合格的師資。目前，該魯班工坊正處于第二階段，依據(jù)工業(yè)控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)、傳感器技術(shù)以及工業(yè)機器人技術(shù)的硬件體系，為不同的方向進行側(cè)重培訓(xùn)。在天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)進修的留學(xué)生，由工程實訓(xùn)中心按照要求對其進行培訓(xùn)。由于魯班工坊的硬件體系和天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)的硬件體系一致，這些留學(xué)生在回到埃塞俄比亞后能無障礙地施展所學(xué)技能。同時，基于“異地同構(gòu)”教育模式的優(yōu)勢，打破了 “空間距離”，可以持續(xù)對埃塞俄比亞魯班工坊提供暢通的教學(xué)支持。

為埃塞俄比亞魯班工坊建設(shè)的硬件體系中，有一些課程融入了各類各級別的職業(yè)技能競賽相關(guān)內(nèi)容。在工業(yè)控制實訓(xùn)項目中利用教師團隊在工業(yè)控制項目執(zhí)裁的優(yōu)勢，開發(fā)出工業(yè)控制技術(shù)的專用教材。同時，教師經(jīng)常帶領(lǐng)學(xué)員赴世界技能大賽中國集訓(xùn)基地觀摩學(xué)習(xí)，極大提高了學(xué)員的知識范圍和專業(yè)知識素養(yǎng)。在工業(yè)機器人實訓(xùn)項目中，多位教師具有工業(yè)機器人相關(guān)競賽執(zhí)裁的經(jīng)驗，具有扎實的專業(yè)知識，對當下工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展非常了解。在培訓(xùn)過程中，教師團隊帶領(lǐng)學(xué)員參加了2021世界機器人大賽。依靠工程實訓(xùn)中心的優(yōu)勢學(xué)科和優(yōu)秀教師團隊建設(shè)魯班工坊，汲取了工程實訓(xùn)中心在電氣和控制技術(shù)方面多年的豐富教學(xué)經(jīng)驗，先進的硬件資源為學(xué)員提供了充足的教學(xué)資源，對打造非洲魯班工坊標桿提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]呂景泉.魯班工坊的核心內(nèi)涵——中國職業(yè)教育的國際品牌[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報，2020（1）：3-11.

[2]呂景泉.非洲魯班工坊項目建設(shè)、發(fā)展策略及管理政策研究[J].職業(yè)教育研究，2021（5）：10-17.

[3]呂景泉，張維津，米靖.論工程實踐創(chuàng)新項目（EPIP）教學(xué)模式的“工程化”——從陶行知的生活教育思想說起[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2021（2）：14-17.

[4]喻珍，藍宏銳.“一帶一路”背景下中國與非洲國家次區(qū)域合作：以中國—非洲經(jīng)貿(mào)博覽會為例[J].湘潭大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2021（4）：146-152.

[5]向麗，劉曉歡.國外技能人才培養(yǎng)模式在我國的試點及反思[J].職教論壇，2015（2）：52-57.

[6]閆虎民，李全利，郝立果.從世界技能大賽看機電一體化技術(shù)課程改革方向[J].職業(yè)教育研究，2014（6）：116-119.

[7]萬云，韓亞軍，呂值敏.工業(yè)機器人專業(yè)“四化一體”教學(xué)模式的構(gòu)建研究[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2019（5）：68-71.

（責(zé)任編輯：楊在良）

Abstract： The teaching team of Luban Workshop in Ethiopia， jointly built by Tianjin University of Technology and Education and Ethiopia Technical University， is composed of skilled masters. The hardware system of Luban Workshop education is constructed in a way of isomorphism in different places， which lays a solid foundation for building the benchmark of Luban Workshop in Africa， and provided important reference significance and practical experience for the concrete implementation of Sino-African cooperation in building Luban Workshop.

Key words： Luban Workshop; isomorphismin different places; hardware system construction; share; diversification