未来的工厂：教育者关于传授有助于物理世界和虚拟世界的劳动力者的技能

制造商越来越多的开始使用新技术，包括工业物联网、机器人和增材制造，用以杜绝浪费和提高生产力。但是，为适应未来工厂中的工作，在培训新劳动力和重新培训已有劳动力时，教育者感受到了挑战。 

作者：Jacqui Griffiths 

在未来的工厂——也被称为智能工厂或工业4.0——在一个虚拟世界与物理世界无缝连接的环境中，人类与科技协同工作，都致力于提高效率和可持续性。

“将‘虚拟’与‘现实’结合起来从而对完整的价值链有一个全面的认识，将使得工厂能够更快速、更高效的生产，使用更少的资源获得更大的产量，”援引自国际电工委员会 ( IEC )的“未来的工厂”白 皮 书，它是一个瑞士的国际技术标准组织。

尽管这种愿景可能有些未来主义，但它已经在世界上最先进的制造商中实现了。美国质量学会的“2014制造业展望调查”发现，在应用智能制造技术的组织中，82%报告说效率有提高，49%称他们的产品缺陷减少了，45%称他们的消费者满意度提高了。

然而，对于受益于未来工厂的制造商，IEC建议他们必须有“极为熟练的技术人才”——能够理解和操作物理环境的虚拟模型的工人。这对于教育家来说是一种挑战，一些世界顶级的技术培训机构开始采用新方式来帮助工人学习未来工厂所需的技术。 

虚拟现实

智能工厂或工业4.0的概念，在德国被称为“Industrie 4.0”，需要人们用新的思考方式来看待生产和教育。 

“我们在课程上遇到的挑战，与工业在生产过程中遇到的挑战是相同的，”德国罗伊特林根大学的采购、生产和物流运输、产业工程教授Vera Hummel说，“我们必须让学生具备对系统的全盘认识，包括相关技术、混合工作系统的机器人、使用使用传感器采集数据，并从数据中得出流程和商业模型的新定位系统。”

对于学生来说，这需要他们学习三种非传统技能。

“学生面临的第一个挑战是学习将混合工作系统与技术辅助和信息物理系统结合使用，”Hummel说。“第二，是无缝数字工程环境。过去，学生们只需要使用CAD、过程工程或机器人仿真来工作，但现在他们必须在无缝开发过程中用所有这些工具进行工作。第三个挑战是学习在自操作生产系统中管理智能产品。” 

教授这些技能需要与将各学科分离开的传统课程有所不同，使学生对机械、信息和自动化过程的相互关系和相关性有一个综合性的认识，Hummel说。

因此，本科生每周在一个专门建造的“学习工厂”里的项目中工作两天，这个工厂将产品生产的物理设施与数字工程的云工具进行了结合。

世界各地的工程项目正在改进他们的课程，来帮助学生为工业4.0环境做好准备，例如这个在德国凯姆尼斯的弗劳恩霍夫机械工具和成型技术学院的数字E3-研究工厂。(版权所有© Ute Grabowsky /Getty Images) 

“他们学习如何处理大数据、数字加工、新商业模型和部门之间的新合作模型。”Hummel说，目标是创建能够**工厂的设备，运行和控制的各方面的虚拟模型，以“给予学生使用工业4.0背景下中可用技术的上手经验。”

在全球背景下工作

在法国，梅茨国家工程学院(ENIM)是国家洛林理工学院(Lorraine-INP)的成员，这是一个洛林大学的11个工程学院组成的执行管理委员会。ENIM发布了工厂未来项目，这是一个使用云使能产品生命周期管理PLM)技术的国际合作项目，用于设计、仿真和制造产品，使全世界的学生适应未来环境的工厂。 

“法国和其他国家的工程学校的教学模型没有提供在全球背景下帮助年轻人执行工业项目的课程，”Julien Zins说，他是ENIM的PLM项目主管和拉丁美洲协调员。“对于ENIM的学生来说，流动性是强制性的，我们与全球的院校签署了超过120份协议。”

发起于2012年的全球工厂项目，与开始于2016年九月的工厂未来项目，为这些院校的学生提供了与大学的17个合作伙伴共同执行工程项目的机会，使他们能与10个国家的100个学生和教授进行合作。“另一个目标”，Zins说，“是在伙伴大学之间分享PLM中的数字3D方案”。

“基于问题的多学科方法支持具备不同技能的国际合作伙伴进行整合,例如机电一体化或创新管理,”Zins说。“例如，今年我们已经整合了洛林大学的洛林— INP管理委员会的两个成员学院——南锡科技工程研究生学院(ESSTIN)和国家创新系统工程研究生学院(ENSGSI)——这有助于我们涵盖两种技能。” 

如果教育者希望传授给学生他们所需的技术,保持更新是很关键的。例如，Zins和他的同事密切关注法国政府和“未来的工业”的情况，“未来的工业”是一个国家 发起的，涉及科技公司、专业协会和学术合作伙伴的，促进法国政府的工业数字化转变项目。

“从硬件的角度考虑，法国的学校可以很容易的应对这种挑战，但是教育者必须更频繁地根据工具实现课程现代化，并且保持最新软件的竞争力，”Zins说。“保证教授和工程人员在相关方案中有资格证明，是非常重要的。幸运的是，在法国，AIP-PRIMECA网络将重心放在高等教育教师的我们使用的3D方案的培训需求上。他们为希望在特定领域进行培训的教师提供贯穿全年的培训。”

转变教学理念

对于美国教育者来说，未来工厂可能意味着美国劳动者获取的制造业工作机会增加了。

“美国的大学在制造业教育方面面临压力，这种压力在过去没有这么大，”弗罗里达理工学院的先进制造和创新设计中心(CAMID)的教授和常务董事Michael Grieves说，“这是由美国制造业工作的需求所驱动的，但也是由先进技术的使用所驱动，这些先进技术改变了制造业的本质，降低了生产成本。”

如果像工业物联网和增材制造这样的技术帮助美国制造商与低工资国家生产产品的成本相类似，Grieves说，“运输成本将会产生影响，制造商会在客户附近进行生产。”

弗罗里达理工学院的学生Grace Peters- Schulze手拿NASA的猎户座飞船3D打印模型，由猎户太空舱的激光扫描制作而成。(版权所有©弗罗里达理工学院) 

然而，教育机构想要传授未来制造业需要的技能，必须克服传统教育方式，Grieves说。

“在美国，一流大学教育出的工程师对制造业并没有多少了解，”Grieves说。“有一整套内容，我们没有教给学生，他们只能在踏足制造业后再学习了。大学必须认识到，只教给工程师产品制造的设计是不够的；他们还应该教给学生们制造过程，这样产品才能从虚拟设计转化到经济高效的实际生产中。

德国罗伊特林根大学的学生体验将工作传递给下一位工人的软件系统。如果学生们想要自动操作和管理未来工厂，这样的系统是很关键的。(版权所有©ESB商业学院物流学习工厂) 

Grieves点名了弗罗里达理工学院、普渡大学和佐治亚理工学院作为此领域领先的美国高校，但是他提出即使是这些学校，也需要更强的跨学科方式。

“大多数美国大学有工程学院，而没有工程与制造学院，”Grieves说：“现在的情况不再是设计一个产品，然后将它扔过墙去进行制造。生产一个产品需要设计和制造的通盘考虑。所以，为了适应如今的工业发展方向，教育者需要向着这种通盘考虑进行重大的战略转移。”

意见一致

根据世界银行的统计数据，制造业仅占印度2014年国内生产总值的16%。同年，印度总理纳伦德拉·莫迪发布了“印度制造”方案，用以吸引外国投资者并将印度转变为全球制造工厂。

“为了具有全球性的竞争力，我们需要具有跨学科才能的工程师，这需要全新的工程教育方式，”Ashok Shettar说，他是印度KLE理工大学的副校长。“我们在教授很多与未来工厂相关的技术，例如大数据、云技术、分析学、嵌入式系统、机器人技术和自动化，但我们并没有用综合的方式教授这些课程”。

”未来工厂也是一种协作空间，其中在不同物理地点可能发生很多进程，而文化交叉问题也可能发生。我们创造一个再现制造环境的学习氛围是很关键的，这样学生能在相关背景中学习，并将其与工作场所相联系。”

因此，KLE理工的工程课程重视经验学习。第一年的课程包括社会创新，此课程开发与社会需求相关的设计思想，还有工程探索，此课程结合了很多工程科目来激发广泛的生产思想。随后的课程支持在大学的6000平方英尺(557.4平方米)的学习工厂进行产品实践的多学科方法。

“学生们在跨学科的团队中工作，其中混合了机械工程学生和电子工程学生，这样他们能够理解团队中不同学科的人如何朝着共同目标努力，”Shettar说。

为了教授这些技术，KLE理工的教职人员需要在他们的专业科目之外，扩展自身的经验。

“我们认识到了现有方法的不足，并与制造业公司合作来解决这些不足，改善我们教授课程的能力，”Shettar说。“由于我们期望我们的学生在跨学科团队中工作，我们自己首先应做到这一点——所以我们在开始授课之前先进行了这种体验。” 

一种工业与学术的新型合作

“对全世界的教育者而言，开发未来工厂所需的技术将带来新的挑战，即如何反映新的生产环境的跨学科本质。这种挑战带来了更多的学科间以及教育和工业的相互合作，凸显了对教育和制造业的全新思考方式是何等重要”。

“我们需要表现一种对合作的强烈意向”，Shettar说，“并且在工业和学术之间创造一种合作文化。”