萨克森州职业学院的一个跨学科性教学模块分析——以木材和木质材料工程专业为例

Frank Schweitzer

(萨克森州职业学院，德国 德累斯顿 01307 )

在萨克森州的高等教育系统里，除了应用科学大学和综合大学，德累斯顿职业学院(Berufsakademie Dresden)也是高等教育机构的一种类型，同时已牢固地成为支撑该州高等教育系统的第三根支柱。萨克森州职业学院的自身办学特色是双元制学习体系，这种融合实践的学习形式旨在与实务界合作伙伴—— 例如合适的企业或私营经济界的各种机构、社会福利事业的自由主体以及公共部门——一起，及时、符合需求、结合实践并学术性地在第三级教育(高等教育)中培养合格的毕业生，以满足特别是萨克森州经济界对专业人才的需求。通过把实践阶段融入大学学习，可以确保毕业生有直接就业的能力(employability)。

本文这里介绍的教学方案是为萨克森州职业学院德累斯顿分院的木材和木质材料工程专业开发的。这是一个工程类专业，涉及作为原材料和材料的“木材” 的整个价值链。木材作为可再生高分子聚合物，如今仍具有巨大的创新潜力。在此背景下，本专业旨在向学生传授全面的基础知识，使他们获取能够开发新的、有吸引力的产品和开发设计高效加工工艺的能力。本专业毕业生就业的典型职业领域是设计(Konstruktion)、工作准备、生产规划与控制或质量管理。

基于这些职业领域对毕业生提出的要求，学生必须在大学学习期间获得数学和自然科学领域的基础知识以及专业能力。后者包括掌握在设计(Konstruktion)、产品开发、生产自动化和ERP系统帮助下的企业生产订单处理领域的应用型知识。 因此，木材和木质材料工程的教学计划含有相应的互相衔接、逐步扩展的教学模块。具体而言，对应设计和产品开发的模块是“家具产品开发基础知识”“CAD产品开发”“设计基础知识”和“设计项目”。对应生产自动化的模块是“生产自动化基础知识”“家具和室内工程技术”“生产质量保证”和“网络化生产”。通过“工程师企业经济学”“生产企业运输和存储流程”“ERP系统”3个模块主要向学生传授借助ERP系统处理生产订单的相关知识。表 1 是木材和木质材料工程专业教学进度表的一部分，进一步体现了上述内容，并说明了这些专业核心模块的学习量和所属学期。这里提到的所有模块都采用研讨课的形式进行教学，并含有很高的实验课比例。为此，德累斯顿职业学院建设了相应的实验室/计算机池，使学生可以在实验室里使用相关行业常用的专门软件并在真实的机器上应用在研讨课上获得的知识。例如，我们使用来自HOMAG AG的数控机床，来自SAP SE和abas Software AG的ERP系统，来自SDZ GmbH和Tarakos GmbH的模拟软件，以及来自Siemens AG的CAD系统。Siebrecht 博士先生负责设计领域的专业内容和教学组织，Linde博士、教授负责生产自动化领域，本文作者负责有关ERP系统的模块。该专业的任课教师们编写了相应的专业教材。此外还为职业学院的学生专门编写了3本有关CNC技术和ERP系统的教科书。

表1 专业核心模块的学习量和所属学期

资源来源：萨克森州职业学院德累斯顿分院木材和木质材料工程专业的教学规章。

1 目 标

我们的目标是开发一个创新的跨学科性模块并把它纳入木材和木质材料工程专业的教学计划中。 该模块要融合3个专业领域，因为它们在实践中也是密切联结的。具体而言，这3个专业领域是设计/产品开发、生产自动化、ERP系统帮助下的企业生产订单处理。要开发的模块建立在前面几个学期传授的基础知识之上，并以面向应用的方式深化并扩展这些知识。为该模块教学设计的学习场景旨在促进学生的团队合作能力、跨学科性和目标导向性解决问题的能力，以及使用行业里常用IT系统的能力。

把内容完全不同的3个专业领域通过一个共同的目标结合起来，这是在开发这样的教学方案时面临的最大挑战。除了要考虑到这3个专业领域在内容上的区别外，还要整合相关技术系统，以及设计适合达到教学目标的教学与学习环境。

2 解决方案

2.1 方法论和教学法

拟制定的教学方案一方面要考虑给学生传授教学目标中列出的专业内容，另外一方面也要考虑到新的教学理念，即向学生传授跨学科性的知识。经过广泛研究，并根据三位教师以前的教学经验，我们很快就发现，迄今为止采用的传统研讨课加上随后实验课的形式不适合实现这一目标。但是，基于“敏捷教学法(agile Didaktik)”，我们最终找到了一种能够通过抛弃传统讲授课来发展学生跨学科能力的教学形式。在敏捷教学法的框架下，固定的、事先精密规划好的课堂教学被互动式、工作坊式 (workshopartig)的课程单元取代，在这些课程单元里，教学目标是基于一个目标或一个任务让学生开发解决方案。与敏捷软件开发类似，最初需要创建原型，接下来的进一步开发不是根据事先制定的计划按部就班地进行，而是根据具体任务进行，其发展可以是持续变化的。

(1)离不开学习者的积极性；

(2)促进学习者的内在动力；

(3)使教师扮演专家和教练的角色；

(4)为学习者和教师提供新发现；

(5)保持学习者和教师之间的持续联系；

(6)促成可持续和以实践为导向的学习；

(7)对给定任务进行批判性的研究。

敏捷教学法的理念是以让学生处理一个复杂任务的方式来实现的，其特征将在下一章中具体描述。

2.2 要实现的任务

3位参与教师最后开发的这个跨学科性模块名称为“家具作为复杂产品”，共占6个欧洲学分(ECTS)。在总共180小时的学习量中，大约50%被设计为课堂时间，其中，教师以解答问题和疑难的导师身份存在。该模块属于为木材和木质材料工程专业 “家具和室内工程”专业方向的学生提供的第六学期的一个专业选修模块。考试采用提交项目论文的形式。也就是说，学生在整个学期的项目进行过程中要对项目进展进行记录，体现在项目论文里。此外，学生要通过项目论文展示他们找到了实际情况中复杂的、跨学科性的问题(在此指的是CAD、CNC和ERP领域的相关问题)、有能力制定合适的解决方案并实施方案。书面论文的长度不应超过50页。插图 1 体现了整个教学方案的进度以及上述3个专业领域之间的连接。具体而言，学生的任务是在一个虚拟工厂模型里(包括在加工实验室里真实的数控机床)处理具有实践性的复杂任务。这一任务包括设计一个行业里的典型产品并在现有生产单元中实现对该产品的生产。学生也要设计必要的技术工艺以及替代工艺，以便比较不同工艺产生的不同经济影响。详细来说，这意味着学生必须在给定的设计草图的基础上进行详细设计，并做技术和生产规划以及相关记录，实现家具系统的工业化生产。学生除了要制作完整的设计档案，还要制作全套的生产档案，编制相应的CNC加工程序，并将所有必要的主数据存储在ERP系统中，最后在ERP系统中的一个业务情景中模拟生产，并进行记录(参见图 2)。

图1 教学方案总览

图2 教学方案的图示

在进行产品设计时，学生完全在一个三维环境中工作，即通过使用可视化工具，待开发产品及其实际装饰、颜色等可以在不同光线和视觉条件下，包括在立体空间中展示出来。在此也还使用所谓的“虚拟现实”技术。如有必要，可以使用3D打印机打印模型，实现模型的物化。

在生产自动化领域，基于从设计到资源规划，再到自动化生产的连续数据传输和之前的模拟仿真，可以处理诸如数量和速度调整或者优选技术和替代技术确定等特殊主题，以及包括部件识别、数据格式和接口在内的其他主题。随后，学生要给自己设计的部件编制相应的CNC加工程序。之后，在加工技术实验室，将使用行业通用的数控机床来生产一些挑选出的部件，从而就能够证明学生的解决方案是否具有可行性。

与产品开发和生产自动化并行进行的是把必要的主数据都存储在一个 ERP系统里。为了验证主数据以及评估设计方案和加工技术的经济性，在ERP系统的帮助下进行成本预核算，然后在工作组中分析和讨论成本预核算的结果。如果它们不符合预期和目标，则必须对设计方案、技术或主数据进行更改。接下来，在预估算的基础上将制定一个符合市场形势的销售价格并将其存储在ERP系统中。之后就可以启动销售流程了，这从创建报价单开始。然后根据向两个示例性客户销售产品的情况，接下来的步骤是需求规划、数量和产能规划以及做资源平衡。随后是采购由ERP系统确定的原材料数量、进行生产和最后装运，包括开发票和记录付款。在此十分重要的是把从销售到调度、采购、生产、会计和审计的各个步骤作为一个整体过程来考虑。

此外，学生要借助模拟程序从加工技术、组织和财务等方面分析他们选择的技术工艺，并采取相应措施。

2.3 教学形式

学生被分为不同小组，每组由2～4名学生组成，每个组都要以做项目的形式完成以上描述的任务。

通过引入跨学科性和基本上是独立工作的小组形式，传统的研讨课加上随后实验课的教学形式从而得到了进一步发展。现在，课堂教学采用工作坊的形式进行。学生在工作坊里以团队方式致力于解决给定的任务，授课教师会给他们支持。但是，在现在这样的教学形式下，教师的角色转变为咨询提供者，即教师在此过程中为学生提供解决方案的动力，并在必要时指出错误的发展趋势。另外，通过小组形式的教学，教师基于学生的个人能力和需求可以有针对性地提供个性化辅导。学生的知识缺陷也能够很快被发现，并通过给他们提供额外信息就可以很快让他们平衡知识缺陷。此外，为了了解学生们的项目研究现状，可以要求各个小组定期报告他们的工作进展，并在必要时进行干预。

2.4 教学与学习环境

学生有四个实验室用以从事项目工作。这些实验室除了CAD实验室外还有CNC实验室、ERP实验室和加工技术实验室。前三个实验室是计算机池，安装了学生用来处理复杂任务所需的软件系统并提供为完成上述任务量身定制的学习环境。此外，学生编制的CNC加工程序可以应用在加工技术实验室的真实数控机床上。这也是可行的，因为虚拟工厂模型中使用的机器与加工技术实验室中的机器相同。在所有实验室中使用的IT系统(CAD、CNC和ERP系统)和数控机床都是学生们所在的实践企业普遍使用的。因此，这些实验室为学生在学习理论知识外创造了一个培养实践能力和跨专业能力的学习环境。

由Linde博士教授、Siebrecht博士和本文作者开发的虚拟工厂模型“DELTA家具工厂”旨在为学生提供合适的学习场景。独具一格的是，我们把DELTA家具工厂首次应用于“ERP系统、模拟和网络化制造”教学模块。该工厂模型模拟的是家具行业一个生产不同产品系列的典型工厂，可以展示生产规划和控制策略的方方面面。在这个工厂模型里，除了可以生产符合特定客户需求的定制家具以外，还可以在室内工程领域也生产高度个性化的产品。因此，它同时也成为了该行业具有个性化生产能力的一个示范工厂。工厂的总体布局、使用的机器，包括技术参数都收集在了一个专门为此制定的文档中。为了清楚起见，下面展示该文档的一段摘录。

德累斯顿的DELTA家具工厂在2017年新建的一座生产大楼中生产中档的客厅桌子和起居室家具(参见图 3)。这两个产品组的特点都是对产品有高度的个性化需求。这就意味着对家具的尺寸和表面类型都要能够进行调整，使客户可以获得根据其个人需求量身定制的产品。

图3 DELTA-家具生产工厂 (taraVRBuilder 截屏)

家具的生产通常以客户订单为依据。针对两个模型系列的客厅家具可以与大型家具店签订长期框架合同，从而保证每年至少1 000件的销售量。家具生产分为预生产和组装。对标准化部件和部件组尽量进行适当地批量生产。收到订单后再进行符合所需要数量的个性化部件的生产。组装也是以采用代销方式的客户订单为基础。自2017年以来，随着家具店规模的扩大，生产计划也增加了一个新的业务领域。其特点是完全以任务和项目为导向的工作方式。建立在工业4.0理念上的IT基础设施和资源优化的过程组织与现代生产技术相结合，可以在很短的时间内生产个性化产品。 使用的主要材料是刨花板、胶合板、MDF和硬质纤维板。单个部件(例如桌腿)可以使用实木。板型材料作为已经有涂层的半成品采购。大多数家具最后都是在很大程度上已组装好并包装好后发货交付的。在主工厂有约200名员工在不同领域工作(参见图 4)。

图4 DELTA 家具生产车间的生产细节与组织结构图

此处描述的工厂模型已完全集成到SAP SE的ERP系统中，因此，在给学生的任务中要求的所有业务和生产过程都可以在ERP系统中实施。

此外，教师们还开发了一个仿真模型，使学生在此基础上可以尝试和分析不同的技术可能性。仿真模型的目的是在兼顾工厂模型设定的参数的同时，尽可能符合真实情况地介绍现代工业生产。我们在此把 SDZ GmbH公司的工具DOSIMIS 3应用于这一传统的二维仿真。为了提高学生对工厂模型里物流过程的理解，我们还借助Tarakos GmbH公司的taraVRBuilders创建了一个三维仿真模型，以便学生们在课堂上进行观摩并可以进一步编辑。该程序的优势是无需编程知识便可快速有效地创建3D可视化效果。这就提高了规划的可靠性，并可以在 “工业 4.0”和 “数字工厂” 的意义上进行符合需求的工厂与物料流规划。另外，通过使用现代虚拟现实技术，还可以“虚拟地行走”在工厂模型里。

通过向学生提供西门子的软件产品“Solid-Edge”和Phyta Lab 公司的“Phyta”，他们得以学习使用行业认可的、高效的产品开发和可视化工具。编制CNC程序使用的是Vero Software 与 Woodwoop-CNC公司的软件“AlphaCAM-CNC”以及“SchnittProfit” 程序(两者均属于HOMAG AG)。许多学生的实践企业每天也使用这些系统。

学生在之前的课程中都已经熟悉并掌握了这些IT系统，因此他们也具备了深入并高效使用这些IT系统的所有前提条件。

为了给学生提供学习帮助，他们可以使用萨克森州的电子学习平台OPAL进行学习。OPAL是萨克森州高校的教学/学习平台中心，是“学术学习在线平台(Online-Plattform für Akademisches Lernen)”的缩写。其背后是一个用于专业化电子学习的学习管理系统(Bildungsportal Sachsen，2018)。在该平台上属于德累斯顿职业学院的区域，为新开发的“家具作为复杂产品” 模块也创建了学习室。 学生一旦注册了该模块，除了任务描述外，他们还可以在学习室获得全套教学材料，其中包括以往课堂教学中重要的讲义、有关所使用的IT系统的信息材料和手册、DELTA家具工厂的文档以及专门用于处理复杂任务所需的其他材料。此外，学生可以在学习室的论坛板块与同学和任课教师就相关主题进行讨论。聊天和电子邮件板块也同样是该模块学习室的组成部分，目的是使学生在课堂外也能和教师联系。最后，学生可以把项目报告发到学习室供教师修改。由于必要的专业知识属于前几个学期就已经要求学生必须掌握的内容，所以在该模块故意省略了可以与学期伴随进行的小测试。

3 展 望

总结来说，我们这个跨学科性模块采用的主要方式是让一组学生对一项工程任务进行跨学科性地处理。因为一个连贯的流程链的数字化，这一教学方案将在2019年得到相应扩展。 为此，德累斯顿职业学院在欧洲区域发展基金资助下购买的 Festo Didaktik 智能工厂也将被应用于教学中 (图 5)。

图5 德累斯顿职业学院的智能工厂

除了之前所述的教学内容外，学生还要学习生产控制的现代化工艺流程。因此，该系统具有最先进的SPS控制系统和一个RFID支持的控制逻辑。在目标情境中，客户订单将在ERP系统中创建，合并到生产订单中，然后转移到生产控制中心。在那里根据业务、技术或物流方面的规定，可以对订单顺序或处理程序做出改动，最后下达订单。订单下达后，就会在智能工厂中真实的机器上进行部件生产。除了两个边角加工设备外，还有一台数控铣床和一台数控钻床可供加工。全自动进出货物仓库以及带搬运机器人的拣货仓库构成了整个设备模型。部件在各个工序之间的运输通过储运带式输送机进行。每个部件都配有RFID标签，在货物进仓库开始执行订单时，为每个部件都在RFID上都编写了属于它的加工工序。在各个工序之间有一个与RFID读取器相连的分配站，通过它们就可以把部件引导到订单中指定的下一个工序。生产控制中心对包括加工控制在内的生产进度进行可视化。在此，各个工作站的可编程逻辑控制器和RFID读取器会把加工时间和设备所处状态实时报告给生产控制中心。 完成后，实际生产数据将转移到ERP系统。接下来就可以继续销售流程，包括交货、开发票和记录付款以及业务绩效评估(参见图 6)。

图6 规划中的IT系统流程链

在以上描述的场景之外，智能工厂还可用于仿真技术领域的各种实验。学生可以学习如何在具体的一个设备上记录数据，并将其转化到一个仿真模型去。在此使用已经描述过的2D和3D模拟程序(参见图 7)。

图 7 智能工厂的3D和2D仿真模型(截图taraVRBuilder和DOSIMIS3)

这一正在规划中的整个系统旨在体现工业4.0理念的核心视角，它将不仅应用于德累斯顿职业学院的教学中，也还将用于向中型企业转让知识。对其计划进行扩展的目标可归纳如下：

(1)体现处理订单的整个连贯的流程链：从开发到ERP系统，再到生产车间，包括给ERP系统的反馈；

(2)引入一个以工业4.0 标准为导向的生产控制系统，用于进行产能规划和做产能平衡；

(3)介绍生产控制系统与ERP系统和车间的传感器装置在一起的使用可能性和使用范围；

(4)体现制造过程中可能出现障碍，并基于生产控制站制定排除这些障碍的策略；

(5)扩展整个系统，以此为基础展开复杂的和面向实践的模拟案例研究；

(6)开发移动应用程序，包括面向“操作员”的操作数据采集程序；

(7)引入和集成相机系统，用于生产数据的采集和质量保证。

为了实现这些目标，首先要对现有的ERP环境(SAP SE的ERP系统)进行扩展，即加上一个针对中型企业的ERP系统(abas ERP)，这样就可以使用两个在理念和系统架构上截然不同的ERP系统，从而兼顾行业中不同类型的企业，并使教学方案可以扩展到其他行业。接下来要通过双向接口把现有的CAD系统连接到ERP系统。最后，也是最复杂的一步是要把ERP系统与智能工厂进行连接。为此，两个ERP系统的生产控制站必须与智能工厂的可编程控制器连接，并且生产控制站必须根据要求进行参数化。

4 结 论

在现有IT实验室和真实数控机床的基础上，参与该模块开发的教师为学生创造了一个以项目为导向的跨学科性的虚拟学习环境。 它以行业里实际的业务流程为指导，使学生能够处理复杂的跨学科任务。与传统的教学形式不同之处在于它通过虚拟部分开发并实施了一个以职业工作为导向的学习环境。它始终以学习者为中心，此外还为属于工业4.0 领域的其他研究项目提供便利。 这是萨克森州职业学院(Berufsakademie Sachsen)在通过现代化的IT解决方案对连贯的业务流程进行数字化的教学框架内进行的以能力为导向的知识传授，但采用了十分具有创新性的教学方法。木材和木质材料工程专业的学生因此有机会在现有的生产单元中加工自己开发的产品，其间可以改变技术工艺并研究相关经济影响。他们从中获得的知识可以转移到企业真实的工艺流程中。这一方式特别可以培养学生分析工艺流程、准备工艺流程、对工艺流程进行模拟、比较不同的工艺流程，并在目标功能的意义上对工艺流程进行经济性评估的能力。这样寻找复杂任务的解决方案也同时是将来的毕业生今后在企业的日常工作。

2018年，3位教师因为实施这一教学方案并把它纳入教学计划里而获得萨克森州科学和艺术部颁发的职业教育学院领域的 “萨克森州教学奖”。该部设立的专家评审团特别称赞来自3个不同学科和专业领域的教师就共同的目标和任务达成了共识，从而促进了对学生专业能力和跨学科能力的培养。