万木讲堂||陈潭、刘成：工业4.0时代的教育革命
在工业4.0时代，智能生产、智能制造、智能生活将引领时代潮流，制造业的智能化将带动传统行业的数字化、信息化和网络化。在教育地界，智能化时代将带来了体验式教学和智慧教育，同时也面临产业升级导致的人才断层。因此，中国教育有必要建立以智慧校园为平台，以激发学生主观能动性为理念、以培育创新型和技能型人才为目标的新型教育系统，培养适应智能化时代需要的人才队伍，从而不断满足经济发展和社会进步的时代要求。
一、工业4.0时代的教育反哺
在人类进入了工业时代以来，教育与工业的关系变得空前紧密，是培养高级人力资源的最主要渠道。如果把工业比作人体的骨架，那么教育便是流淌在躯体里的血液，为人体的生存输送源源不断的养分。当下，与大规模生产相适应的班级化、批量化、标准化教育仍是主流教育模式，但工业4.0时代是崇尚个性化、定制化、数字化、共享化的创新型社会形态，需要大量创新型、技能型、复合型人才，这必将重塑人才培养理念、体系及途径。
（一）工业4.0及其教育转型
工业革命是人类发展历史上最辉煌的财富创造时期，是人类发展过程中最伟大的贡献，是使工业成为科技创新的实现载体和必备工具。纵观人类发展历程，工业革命伴随着历次人类颠覆性技术的产生。十八世纪六十年代开始的第一次工业革命伴随着蒸汽机的大量使用，它的标志是珍妮纺织机的发明和应用，使人类真正进入了工业化时代，实现了机器代替人力、畜力，劳动生产率得到了大幅提高。十九世纪七十年代开始的第二次工业革命使人类进入电气化时代，主要标志是内燃机和电力的使用，工业生产进入了大规模机械化时代，现代化的管理制度也逐渐形成。第三次工业革命以核能的利用、电子计算机和空间技术的发展、海洋的开发为其主要标志，不仅导致工业、产业乃至社会发生重大变革，推动一批新兴产业诞生与发展，而且导致生产方式、制造模式甚至生产组织方式等方面的重要变革，最终使人类进入生态和谐、绿色低碳、可持续发展的社会。
在前三次工业革命特别是以信息技术为核心的第三次工业革命的基础性作用下，第四次工业革命悄然来临。2011年4月，“工业4.0”首次在德国汉诺威工业博览会被提出。2013年4月，德国发布《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》的报告，详细阐述了工业4.0的内涵、战略及举措。该报告认为，“工业4.0”的本质是将CPS（虚拟网络—实体物理系统）、物联网、服务网等技术应用于制造业和流通行业，实现资源、信息、物品、人机进行互联，建造新的生产方式、商业模式、管理模式。由此可见，“工业4.0”是建立在物联网、大数据、云计算、机器人及人工智能基础上的智能化时代。“工业4.0”依靠大数据、云计算、物联网支撑下的智能平台，数字化、网络化、一体化的智能工厂，市场化、个性化、可视化的智能产品以及便捷化、无缝化、协同化的智能服务，实现了从“制造”到“智造”的强力转型。
这场新的工业革命表现出了三大特征：一是制造业逐步实现数字化和智能化；二是大规模个性化、定制化需求将推动生产模式由生产驱动转向消费驱动；三是劳动力需求结构将发生变化，从事生产的低端劳动力将大幅减少，创新型、复合型、技能型高端人才的需求将快速增长。
相比以往三次工业革命，第四次工业革命更能将人从执行例行任务中解放出来，使他们专注于创新、增值服务等人类独具的特质中，“工业4.0”将动摇约定俗成的传统生存逻辑。它既是一场“技术革命”，也是一场“人的革命”，更是一场教育的变革：一方面，合理利用工业4.0时代赋予人类的“技术红利”，真正实现教育的现代化和智能化；另一方面，在引导技术服务教育的同时，重视教育对技术、经济及社会的正向“反哺”，塑造技术服务教育、教育反哺社会的双向促进的良性协动发展模式。
（二）工业4.0时代的教育挑战
人类的发展进入工业现代化以来，教育尤其是学校教育始终承担着为国家和社会培养特定时代所需人才的功能，教育被打下了深深的时代印记，从春秋时期圣人孔子推行的“游牧式”教育到近代以集中化、统一化、标准化为特点的规模教育无不是时代的产物。但从以智能化为特征的工业4.0时代颠覆传统生产方式的程度和驱动社会发展的速度来看，现行的教育模式已远远无法满足工业4.0时代对新型人才的需求。也许，工业4.0时代所看重的创新能力、思维能力和人机协作能力可能是传统教育所无法充分提供的。
这种工业4.0时代的教育挑战大体上表现在三个方面：一是新思维冲击已有的教育理念。以智能化技术为基础、以信息化和互联网为平台的个性化产品制造产业链将逐渐形成，创新能力的高低直接决定着产品能否满足客户对高质量的个性化、多样化产品的需求。在以创新能力为人才培养重点的教育体系下，个性化教育、跨学科教育、终身化学习的新型教育理念将颠覆传统的统一化、机械化、制度化的传统教育观念。二是人才观将发生很大变化，高素质的技术型人才将备受关注，教育需要完善人才培养体系以及传统学术型人才和应用技术型人才的均衡培养。随着工业4.0时代所带来的智能化产品和数字化技术的悄然到来、结构性失业凸显以及新型职业的涌现，传统教育必须致力转向为培养创新型、全能型人才。同时，职业教育也不得不调整培养目标，培养能适应时代需求的技术型、复合型、应用型人才。三是智能化技术将大规模应用于各行各业，教育本身需要大力推进现代化、数字化、智能化进程，充分利用第四次工业革命的“技术红利”,全方位提升教育水平。由此，工业4.0时代的教育变革需要从如下三个方面的转变开展教育反哺：
第一，转变人才培养理念。工业4.0时代是创新的时代，是体现人才创造力和思考力的时代。教育不仅要改变陈旧的批量化、统一化、同质化的教育理念，而且学校和教师要发挥引导学生学习的角色，激发学生主动思考、乐于学习、敢于创新的学习态度。为了培养有创新能力的学生，课堂教学必须以学生为中心，注重学生个性化和差异化发展，突出学生的创新意识、合作意识、实践能力和综合素质。教师不再是给学生灌输知识的高高在上的“教书匠”，而是引导、支持、协助学生的伙伴式的合作者。学生的角色也不再是被动的知识接收者，而是主动思考、敢于批判、享受学习的创新者。
第二，完善人才培养体系。工业4.0时代的人才需求体现出了多样性的特点，不仅需要大量创新型人才，而且也需要有一技之长的技能型人才。工业4.0是以制造业变革为先导，逐步延伸到人类生产方式、生活方式、商业模式的整体性变革，高质量、高素质的技术型人才不可或缺。技术型人才是一种复合型及应用型人才，不仅能理解技术的发展脉络和特点，而且能掌握现代前沿技术操作和应用。在智能工厂、物联网、云计算、大数据等“工业4.0”的标志性技术形态的强力推动下，技术知识也必须具备先进性、实用性和科学性，个性化定制生产、多元化小批量制造、扁平化组织将代替标准化生产、批量化制造、垂直化官僚式管理，劳动密集型的低端制造模式将转向知识密集型的高端制造模式。
第三，拓展人才培养途径。随着“互联网+教育”的深度融合，随着“大数据X教育”的倍增效应显现，教育发展逐渐表现出多样性、个性化、全球化的特点，远程教育、慕课教育、微教育、云教育等大批现代教育形态不断涌现，教育的智能化趋势不可阻挡，融合智慧教学、智慧学习为一体的智慧教育将会成为教育的新常态。智慧教育系统不仅有利于提高教师教学、学生学习和学校管理的效率，也利于提升教学、学习和管理的科学化、人性化和个性化，是培养创新型、技术型、全能型高素质人才的必要技术平台和教育途径。我们知道，智慧教育对终身教育体系和学习型社会的构建具有重要贡献，通过上传课程资源及提供智能学习服务，扩展学校课程的利用率，满足公众对知识的渴求，从而构建起终身教育体系、塑造学习型社会。
二、工业4.0时代的教育转向
（一）“以教师为中心”转向以“学生为中心”
教育必须遵循和适应教育规律，一是教育必须适应社会发展需要的规律，二是教育必须适应受教育者身心发展需要的规律。前者可以称之为教育的外部规律，后者可以称之为教育的内部规律。为各行业设置的专业学科，大规模批量化“生产”的专业人才，都是教育的外部规律在工业革命不同阶段的体现。人才培养的质量和数量决定着国家发展的核心竞争力。但是，教育的内部规律长期被忽视，灌输式课堂教学、重理论轻实践的教育一直存在，“因材施教”的口号化和标签化、“批量化”的非个性教学方式、“以教师为中心”的自我本位主义成为受教育者无法摆脱的教育桎梏。
随着“互联网+教育”的兴起，学生获取知识的途径不断拓展，传统教师已不再是知识的唯一来源，教师的绝对权威被打破。知识共享变得非常便捷，人人都能创造、传播和共享知识，人人也都能快速地汲取知识。师生角色也不仅仅是单向的知识灌输者和吸收者，师生间知识占有量的天平不再倒向教师。因此，激发学生的主观能动性和创新创造力，树立“以学生为中心”的教育理念显得尤为重要。教师必须放下“身段”，妥善处理师生之间的关系，树立起服务于学生的理念。
教师应是学生的引导者和促进者，通过智能教育平台，剖析学生学习状况，实时掌握学生学习和生活动态，及时调整教学设计和管理策略。以学生为中心的教学模式下，教师将承担更多的责任，除了教授知识，也需要了解和掌握学生的学习情况、心理状态、生活习性、特长爱好，全方位、多维度、深层次地明确学生的需求，知晓学生整体境况。显然，以学生为中心的教育理念将重塑教师角色，教师需要在智慧教育平台、大数据和互联网的协助下帮助学生掌握学习技巧，不仅要“授之以鱼”，更要“授之以渔”。
以学生为中心的教育理念的根本目的是激发和启迪学生的学习热情，使不同素质、不同特长的学生能扬长补短、各有所得。从唯物辩证法的角度讲，内因是事物发展的根本动力，这一理论在教育领域中同样适用，激发学生自身的学习、钻研和思考的能力是教师工作的重点。唤醒而不是抑制学生的好奇心，鼓励学生找到自身的兴趣，发挥自身的优势，这样的教学方式其成效远远高于强调“管制”而抑制个性的教学方式。
（二）“单学科教育”转向“跨学科教育”
过去几十年，专业化教育培养出了数以万计的专业人才，但在“工业4.0”时代，不同行业领域在互联网的“捏合”下彼此联系在了一起，复合型人才的需求不断增加，能够统领全局、领导和负责一个复杂技术系统的“全能型人才”也就成了职场的“香饽饽”。系统和产品中软件份额的增加要求我们综合运用不同的学科知识，如机械制造、电子工程、信息技术和计算机科学等，并将上述学科知识融合融会贯通到各个领域的作业中。由于产品竞争转向跨学科的软件工程和系统工程的比拼，一致性的系统生命周期管理要求流程的高度统一，这就要求企业必须拥有跨学科教育背景的领导者或领导团队。但令人感到遗憾的是，现在高校基本都以培养专业人才为目标，学生被绑定在某一特定专业，很难系统地掌握其他专业的本领。因此，开展跨学科教育，不仅有利于弥补单学科教育的缺陷，也有利于培养国际化、复合型和创新型人才。
跨学科教育是指通过跨学科性的研究和教学活动，促进传统学科和跨学科的协调合作，培养与当代世界科技革命及社会发展相适应的“专”“博”相结合的创新型和复合型人才的过程。以美国为首的发达国家早在20世纪初就意识到跨学科教育有利于提升交叉科学技术的发展，有利于培养现代人才的各种素质、思维能力和科研能力，以及组织、交际工作等方面的能力。到20世纪末期，美国许多大学便建立了跨学科研究中心，同时也开设了文理交叉的跨学科课程。享誉全球的卡内基梅隆大学就推行了BXA项目（BXA项目就是BHA、BSA、BCSA的总称，分别指人文与艺术学院的跨学科学士学位项目、理学和艺术学院的跨学科学士学位项目、计算机科学和和艺术学院的跨学科学士学位项目）。这些项目给了学生充分的选课空间，尊重学生的学习兴趣，在不同教师的精心指导下建构起跨学科的知识体系。
国内外一流大学跨学科教育发展的经验表明，跨学科教育包括了人文、数理、工程、艺术等多学科领域的综合性实践活动，它的实质是依据时代发展的需要进行全面性、系统化、层次化的综合改革，以适应现代信息化、数字化、智能化的学习型和创新型社会的需要。
（三）“制度化教育”转向“终身化教育”
进入现代信息化时代以来，产业结构、企业组织及新兴职业的涌现不仅缩短了企业产品研发的周期，知识老化速度显著加快，单纯依靠制度化教育获得的知识容量远不能满足时代变化，人类必须延长汲取知识的时间长度，及时调整知识结构。1965年保罗·朗格朗基于社会变化和经济变革的挑战，提出了终身教育理念。终身教育理念的广泛传播是经济社会发展在教育中的另一体现。正如朗格朗在《终身教育引论》一书中所讲，科学技术发展给予人类便利的同时也带来了诸多挑战,例如，生活环境包括自然环境的巨变；世界的信息化；人口剧增、人口城市化、人口老龄化与寿命的延长；生活方式的迅速变化与全球化、自动化、收入与消费水准的提高；社会伦理道德与价值的颠覆，思想信仰危机等等。面对这些挑战，人类必须通过不断学习新知识来适应变化无穷的社会。
工业4.0时代集合了智能技术系统、物与服务互联网、机器对机器（M2M）通信，这对时下的生产方式、商业模式、生活方式造成极大的现实性冲击。此时，管理理念、组织形式、技术应用的陈旧周期明显缩短，传统的知识更新速率已明显落后于时代发展速率。面临这些挑战，个人只有不断地、广泛地学习，才能更好地适应社会的变化与发展。
终身教育的意义不仅存在于经济学范畴，也有社会学意义。它是应对个体成长危机的一种自我教育。弗洛伊德（SigmundFreud）把每个人的一生分为五大阶段，并认为个体只有克服代表本能欲望的本我与代表社会期望的超我之间的矛盾与冲突后，才会顺利发展到下个阶段，实现个人的持续成长。另一方面，终身教育也是个人社会化的必要过程。简单来讲，社会化就是个体根据社会结构、意识、文化以及各种社会角色的变化，通过再认识适应新角色的过程。从这个意义看，社会化既具有终身性也具有教育性，那么，终身教育也就成为个人社会化的重要部分。
正是由于终身教育在经济领域和社会范畴的重大意义，各国才意识到终身教育的迫切性和必要性，许多国家先后采取措施推动终身教育，以此来适应新型社会经济发展的要求。联合国教科文组织“教育发展国际委员会”执行主席、法国前总理兼教育部长埃德加·富尔(EdgarFaure ) 于1972年发表《未来的学习——教育的今天和明天》，将终身教育或学习型社会视为消除因经济发展、劳动异化而产生的阶级对立、体脑对立、精神与肉体分离，以及“人格分裂”等个人发展障碍，培养身体、智力、伦理等人格全面发展的个体的工具。他指出，“如果学习、学习的时间以及学习形式与内容的多样化能贯穿于人的终身，包括教育资源在内的社会经济资源能够为全体社会成员所共同享有，并且必要的教育制度能够得到改善，那么，学习型社会的目标就能够达成”。
三、工业4.0时代的教育升级
（一）智慧教育
“工业4.0”的“技术红利”已经催生了像智慧城市、智慧医疗、智慧交通等一系列高效、便利、快捷、智慧的生活方式，政府和企业正将智慧理念应用于教育行业，构建起基于新技术的高质量的智慧教育模式。智慧教育的核心必须以信息通讯技术为基础，以海量数据的分析和挖掘为核心，将智能化的科学技术运用于教育发展和学校建设，通过互联网、物联网的连接，把数字化的教育资源融合到教育的各个环节，建立起科学、便捷、高效、智慧的教育模式和教学方式，提升教育的智慧化程度。
“智慧教育”来源于IBM公司2008年提出的“智慧地球”概念，它包括五大发展路径：技术支撑；个性化学习路径；知识技能；全球整合；经济服务。随着智慧地球、智慧医疗、智慧交通等一系列智慧概念的出现，智慧教育被认为是未来教育发展的必然趋势，也受到了我国相关研究机构、媒体以及学术界的关注。虽然我国目前关于智慧教育的研究仍处于起步阶段，但国内已有一些研究者和实践者对智慧教育进行前期探索。他们认为，智慧教育就是依托物联网、云计算、大数据、无线通信等新一代信息技术所打造的智能化教育信息生态系统，是数字教育的高级发展阶段，旨在提升现有数字教育系统的智慧化水平，实现信息技术与教育主流业务的深度融合（智慧教学、智慧学习、智慧管理、智慧评价、智慧科研和智慧服务），促进教育利益相关者（学生、教师、家长、管理者、社会公众等）的智慧养成与可持续发展。从智慧教育的概念来看，智慧教育是在数字化、信息化和智能化技术支撑下的复杂生态结合体，由五大系统组成：智慧教育技术系统、智慧教育教学系统、智慧教育管理系统和智慧教育服务系统。
第一，智慧教育技术系统。与传统教育相比，高技术门槛是智慧教育的一大特点，基础技术设施的建设是智慧教育功效最大化的前提和保证。技术对于智慧教育的意义体现在教育活动发生的各个阶段，从智慧校园、智慧教学、智慧学习、智慧管理、智慧评价、智慧科研、到智慧教育服务等各级教育核心环节。智慧教育的技术支撑主要包括四大核心技术：物联网、泛在网、大数据及云计算。物联网和泛在网是通过信息传感设备等现代化设施实现管理者、教师、学生、社会大众等教育相关者之间无缝链接，方便教育信息采集、实时管理、资源共享。大数据及云计算则是收集、存储、管理、分析产生于教育活动中海量且非结构性数据，从而提升教育管理、决策及评价的智慧性，拓宽教育资源和教育服务的共享性。
第二，智慧教育教学系统。智慧教学是通过运用云计算、物联网、大数据、3D打印等现代技术构建智慧教学环境、整合教学资源、提升教学质量，从而大幅度提高教师的教学效率。物联网和云计算在教育领域的应用被称为教育云，教育云的功能主要是整合教育系统与校内外教学资源，构建教学资源共享的大平台。大数据对于教学的意义则是通过教学数据的挖掘和学习行为的分析，构建教学的相关模型，探索教学变量之间的相关关系，为教学策略的选择提供科学的支持。3D打印技术是多媒体技术的延伸和扩展，是体验式教学方式的重要技术，有利于真正实现在“做”中学，培养学生个性化的创造力，提升学生的理论和实践的结合能力。
第三，智慧教育管理系统。智慧教育管理系统的意义在于为教育决策的制定者提供科学的数据化、可视化的决策辅助信息，提高教育决策的科学性和正确性。智慧教育管理系统以物联网、云计算、大数据等互联网为技术基础，应用于校园生活管理、教与学行为管理、教育评价管理以及教育资源管理。通过对校园生活和师生行为等相关数据的观察、记录、整理和分析，实时并真实地展现和掌握校园生活、师生行为、教育资源等信息，教育决策者依据这些可视化的数据信息及时选择行之有效的应对方法，避免由于掌握信息的片面性和非真实性而盲目的决策。
第四，智慧教育服务系统。智慧教育服务系统的服务对象不仅是教师、学生同时也服务于教育管理者、家长以及社会公众。智慧教育通过为教育的直接及间接参与者提供准确、有效、便捷的教育信息，帮助他们更高效地处理工作和学习中遇到的困难，提升教学和学习的质量。扩展教育资源的应用范围、提升教育资源的利用效率是智慧教育优于传统教育的一大特点之一。智慧教育中的教育资源免费向社会大众开放，公众可以随时随地享受各级各类教育机构提供的线上、线下、个性化、定制化的学习资源，让教育资源的共享服务于社会大众对于优质知识资源的渴望和现实需求。
（二）职业教育
相对于“蒸汽时代”的第一次工业革命、“电气时代”的第二次工业革命及“信息时代”的第三次工业革命，第四次工业革命是以人工智能、新技术、新材料和新能源为核心的智能化革命，是一种新的经济发展模式。如果说第四次工业革命催生大数据、云计算、物联网、机器人等新兴产业形态的壮大，那么基于新型产业结构、研发设计和制造模式下的新型技术人才培养体系就是助推这次工业革命的首要环节。《中国制造2025》是未来中国制造发展的方向和目标，“人才为本”是指导思想之一，特别强调要加快培养制造业发展急需的专业技术人才和技能人才。但面对制造业数字化、网络化、智能化趋势的客观要求和十年之内跻身制造业强国行列的宏伟梦想，我国必须调整职业教育的人才培养模式，注重学生创新能力、跨学科能力、人机交互能力的培养，通过校企合作、多元培育和市场导向等方式培养技能型和创新型人才。
第一，构建跨学科的现代IT课程。在工业4、0时代，个性化、定制化、以消费者为中心的产业生产模式将是主流生产模式，满足刚性需求的“硬件时代”逐步转变到灵活和动态的“软件时代”，其中集成系统和软件的质量关系到客户体验和市场满意度，是企业核心竞争力的重要体现，成为企业竞争力的重要指标。这不仅要求现在的IT人才要与时俱进，不断开拓软件的应用范围，与此同时，也要求他们掌握跨学科知识——机械制造、电子工程、信息技术和计算机科学等，并将跨学科知识在各个领域中灵活运用。我们要找到一种跨学科教育方法，培养扎实的计算机硬件、软件、应用程序的识别与开发能力的跨学科高素质IT人才。
第二，培养掌握新技术的人才。数字化、自动化、智能化将成为智能工厂的主流，智能化的机器及操作系统也会在某种程度上代替相当大部分的人类工作。在工业4.0时代下，大数据、物联网、云计算、智能机器等新技术成为主导技术。技术类的学生需要掌握这些新技术，以适应就业市场的要求。技术教育和职业教育的重点应该放在智能机器、互联网技术的实际运用，特别是培育学生与智能机器以及信息技术方面的协作能力，提高学生的人机互动协调程度。
第三，建立学校和企业的“二元”培养模式。“二元”培养模式就是学生接受学校和企业的共同培养，其中一元是学校教育，另一元是企业教育，企业在“二元制”教育模式中占主导地位。职业教育的“二元”体制一方面保证了学生在技术迅猛发展下观念和技能不落后，避免了学生在学校所学的知识与现实工作要求脱节；另一方面，政府通过职业教育的“二元”体制有效地减少了政府的教育负担，同时为企业源源不断地补充技术过硬的高质量技能型人才。
德国是这“二元”模式的“始作俑者”，运行的效果总体上不错，为德国经济社会的发展输送了大量的技术人才。德国职业教育的“二元”教育模式具体操作过程中最重要的是教育合同的签订，企业发布教育信息，符合申请条件的青年经过选拔后与企业签订教育合同。在合同期间，学生不仅能受到企业的补助，也有机会毕业后留在企业。教师队伍的建设体系也是德国职业教育另一大重点。政府不仅对职业教育教师的入职、培训、管理、晋升设立了严格的规定，职业教育教师也是待遇较高的公务员，并且要在入职前进企业工作一年，在经过严格的考核后才能最终进入学校任教。通过严苛的规定德国建立起了一批高素质的双师型职业教育教师队伍。总的来说,双元体系是一个混合体系,一边是市场经济操控的质量体系,一边是国家规范的学校职教体系。
对于培养职业技术人才的职业院校来说，一是转变职业教育培养理念，提升学校课程与现代技术发展的契合性，培养学生的理论结合实践的能力及应用创新能力；二是改革技术型人才培养模式，大力推行校企合作办学模式，及时根据时代技术发展要求调整课程体系，避免教学内容脱离市场需求，提升学生的实践应用能力。
（三）“工厂化”课堂
3D打印是工业4.0时代的主要技术之一，现已突破理论概念，在教育领域的应用也受到了社会各界的关注，一些国家和组织已经开始尝试将3D打印技术运用于教育教学中。在传统教育生态中，课堂是教师主导的“讲堂”，学生则是知识接受者而非创造者。可在3D打印技术支持下的“工厂化”课堂，教学模式由纯理论的灌输式教学转向理论和实践相结合的体验式教学。作为反映国际教育信息化发展趋势风向标的美国新媒体联盟（NMC）《地平线报告》，在成功预测包括智能化情境与设备、虚拟现实、增强现实等3D技术后，2013年预测3D打印技术在未来4-5年将成为主流趋势，并大面积走进中小学课堂（K-12）；2014年预测未来2-3年内，3D打印技术将成为教育领域教育技术的重要发展之一。3D打印教育模式强调“做中学”的个性化教学，是唤醒学生感官的体验式教学，具有四大教育功效：弥补传统教育局限和弊端，提高学生的知识应用能力，激发学生的学习积极性，培养学生的创造力和创客精神。
第一，弥补传统教育的局限。纯粹的理论学习一定程度上剥离开了知识和实践的关系，格伦·布尔就证明了在精通理论和实践之间存在着差距。他说：“我了解到在仿真环境下，有些学生的电路设计可以做的很好。但当面对真实的电路时，这些学生经常失败”。一项1995年的研究对比了学生制作真实电路的能力和他们该学科的考试分数。研究结果表明笔试分数并不能完全体现和表明实践操作能力的高低。3D打印为他们打开了通过观察、触摸、设计甚至自主“生产”实物来理解抽象的理论概念的大门，行为体验式教学模式及仿真教学环境对于理科的教学将会在一定程度上改变无体验性的学习现状。
第二，提升知识应用能力。3D打印对于教学的价值，除了帮助学生摆脱死记硬背的学习窘境，激发学生创造力外，通过完成提出创意、模型设计、模型打印等探索过程，将有助于培养跨学科能力。例如，学生想打印火山，那么他们就必须从数值上描写山体表面的知识（地理学科媒介），之后学生要将这些知识在电脑上设计出来（计算机学科媒介），最后学生打印出山脉的模型（物理学科媒介）。
第三，激发学习积极性。3D打印技术是一种以数字形式从三维立体模型快速构造物理对象的新型快速成型技术，具有快速成型的特点，深受热衷于DIY（DoIt Yourself）制作者的喜爱。3D打印可以作为教学过程中教师与学生之间的有效沟通工具，教师通过学生制作的原始模型发现学生在学习和操作中的过失和不足，及时帮助学生运用所学知识改进活动设计、获得愉快的学习体验。著名教育学家布鲁纳说：“学习的最好刺激，乃是对所学材料的兴趣”。组织心理学家大卫科尔布也认为真实的情景体验特别是学生亲自动手制作教学材料的情景式、体验式的学习过程会增加学生学习的渴望度、提升学习的效率。
第四，培养学生的创新力和创客精神。著名教育学家杜威在批判传统学校教育的基础上，提出了“做中学”的学习原则。杜威把“做中学”看作“从活动中学”，旨在通过获得直接经验、在情境化的教学场域中，帮助学生掌握知识要点、发掘自身创新潜力。创造力的培养离不开以“学生为中心”的个性化教学，基于3D打印的教育模式的开展，可以让学生从探究问题中提出创造性和独特性的思路，通过使用新应用、新技术制造出具有创造力的成果。在整个“做中学”的过程中，教师的课程设计要注重社会实践活动相联系，根据每个学生的知识基础、个性特征，针对性的安排教学和活动任务，实现基于培养创造力的个性化学习、体验式和实践式教育。
（四）创客教育
“创客”一词源于英文单词Maker，是指一些拥有创新意识并通过自己努力实现创意的人。自“创客”一词首次出现在《政府工作报告》后，不仅受到了总理的点赞，也成为国家万众创新的焦点，拥有创新思维和勇于实践精神的创客们被认为是新时代的精神和社会导向，激励人们发掘自身创新潜能，通过追逐个人的梦想推动社会进步。对于工业4.0时代，创客及创客所代表的创新精神将成为这次革命的中坚力量和动力源泉，正如被誉为“信息时代精神领袖”的克里斯·安德森所言：“开源创新是互联网胜利的秘密所在，它会成为下一次工业革命的引擎”。
创客教育强调创意、协作、行动，逐步发展成为培养具备新材料、新技术和跨学科能力的人才培养新路径。美国为推动创客教育的发展，在政府的主导下，将创客空间引入到学校中，通过为学生们提供创新导师、工具设施和资金支持共同培养新一代的开源创新人才。创客教育体系的构建基于三大培养体系：创新思维教育、创新技术素养和创客教育平台。
第一、创新思维教育。创新是在记忆理论知识的基础上通过理解、运用、分析等思维过程将知识融化于血液的“漫长”过程，也是高层次的认知过程。正如美国教育心理学家本杰明·布鲁姆（BenjaminBloom）提出的学习阶段理论（如图2）所揭示的一样，创新是建立在记忆、理解、应用、分析、评价之上的最高级阶段。创新必须要有低层次认知阶层作为辅助和基础，创新也是低层次认知阶层持续发展的必然结果。
布鲁姆的教学目标分类的适用范围是所有学科，尽管各学科相差甚远，但学习和认知过程具有高度的一致性，都需要把握学习过程的内在规律性。根据布鲁姆的教学目标分类表，教师在课程设计、教学实践、考试评价等教育环节中要认识到低层级的认知层次是高层级认知层次的基础，明确学生到达的认知层次，适时调整教学目标，以提高教学的科学性和有效性，达到培养学生创新力的最终目标。因此，任何学科在教学中要保证学生完成知识记忆、理解、应用、分析和评价的基础能力，只有这样才能真正持续地培养出创新型人才。
第二、创新技术素养。随着互联网的发展和信息技术的飞速成长，数字化技术不断与教育相融合，带来了智慧教育、MOOC教育还有创客教育。教育机构不仅要重视创新思维对于创新能力的启发作用，也应该立足于学生素质的全面提升，培养学生跨学科、多方面的综合素养，因此有必要在各级各类教育机构中引入STEAM教育。
STEAM教育由S（Science科学）、T（Technology技术）、E（Engineering工程）、A（Art人文）和M（Mathematics数学）组成，是通过将原本分散的五大学科整合后建立的一个整体。它重点培养学生的五种素养：科学素养、技术素养、工程素养、文艺素养及数学素养。科学素养本质是运用科学知识和有力论证探索真理的品质，它是理解自然界和社会生活并正确决策的重要保证。技术素养是适用、管理、理解与评价技术的能力。高技术素养的人可以通过了解技术的发展过程合理地运用技术改变世界。工程素养是面向工程实践活动所具备的潜质。工程素养的培养体现在教育的全过程中，需要通过项目的形式整合多门学科知识，使得较难的学科知识容易被理解，激发学生的钻研兴趣和探索精神。人文素养并不只是人文素养也包涵艺术素养，对于提高人才的创造力有重要的作用，集中表现在发现、理解、应用美的能力。数学素养是指学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交流思想的能力。
STEAM教育强调以项目为基础，通过学生发现问题、设计方案、开展实验、得出结论等探究过程，将教育融于生活，将新技术、新工艺融于课堂，不仅有利于学生理解科学、技术、工程、人文等领域的专业知识，更有利于培育学生的动手能力和创新能力。
第三、创客教育平台。创客平台的主要功能是为创客搭建不同国家和地区、不同社会文化背景、不同学科背景相互交流、互通有无的创新交互空间，通过彼此协助的方式完善各种创意的现实性和可行性。经过近几年的快速发展，不论是官方的创客平台还是由民间自发建立的创客空间都在数量和质量上有了长足的进步。创客教育平台是融合了学习动机、学习情景、理论知识、团队协作等教学体验的教育空间，既包括官方的创客平台也囊括民间自发建立的创客空间，可以利用互联网进行协同创新，利用3D打印机等设备与工具完成创意的DIY（DoIt Yourself）制作。创客空间和创新实验室是目前较为流行的创新教育平台，都是建立在项目教学法、体验教学法、DIY教学法以及合作式教学法等教育理念上的教学模式。
创客空间和创新实验室等创客教育平台是一个众创生态系统，包括技术实现、开源资源、创新团队及创意实践四大核心要素。技术实现是提供包括平板电脑、智能手机等计算机设备以及3D打印机、3D扫描仪和激光切割机等机器设备，以支持创意的完美展示。开源资源主要是指硬件和软件的服务支持，例如Arduino和树莓派等开源硬件以及CAD制图软件等开源软件。创新团队主要由有创新意识的学生组成，同时也包括来自学校和企业组成的导师团队，共同协助学生完成创新项目。创意实践是创客活动闭环的最后环节，创新创意在技术和资源支持及导师团队的协助下完成创意，成为可实际利用的产品。
四、教育变革：从愿景到现实
（一）教育变革中的政府责任
工业4.0时代的教育变革是一个浩大的系统工程，国家、社会、个体都要参与其中，政府的作用尤其重要。我们认为，政府责任主要包括教育体制改革、教育经费保障、教育内容更新、师资队伍建设几个方面的内容：
第一，教育体制改革。建立现代化的教育体制是培养符合时代要求人才的基础性措施，构建“多元化”的教学体制，不仅在职业教育中体现多元，在普通高校也要建立“产学研”结合的教育体制，培养现代化的人才。工业4.0时代的人才不仅要掌握现代化的研发和技术能力，还要掌握更深层次的思维能力、复杂模式识别能力、创新能力。这些能力的培养比起教育的现代化来说更加漫长，长达几十年的“考试本位”模式创造出了大量的“考试工厂”、“高考集中营”、强调学生重复记忆能力的学校，这极大地束缚了学生的思维能力和创新能力。因此，教育体制改革需要转变人才培养理念，转向“以学生为本”的教学方式，打破“一考定终身”的教育制度，培养创新型、技术型的高质量人才队伍。
第二，教育经费保障。智慧教育、3D打印教学、创客教育及现代职业教育的有效实施，资金支持无疑是至关重要的。信息化、智慧化和现代化教育体系的建立，惠及全社会教育资源的搭建，不仅需要国家和地方教育财政的大力投入，也亟需构建多元的教育经费保障体系，充分利用好社会资本、教育捐赠，鼓励民间资本办学，促进教育资本的多元化、社会化、持续化。
第三，教育内容更新。现代化教育内容的选择应符合社会、政治、经济、科技发展的需求。教学内容的更新不只针对大学教育，也应包括基础教育领域，注重学生的个性化发展和创新精神的培养。教育媒介是教育活动开展的重要部分，教育内容的更新如果没有教育媒介的升级作为支撑，效果可能会大打折扣。随着大数据、云计算、互联网等现代网络技术的发展，把这些现代的网络技术应用在教育领域，融合文字、视频于一体的教学工具多方位唤醒学生的学习兴趣，激发学生学习动机。
第四，师资队伍建设。教师是任何时代教育的重要参与者，好的教师是教育质量的保证。“工业4.0”时代的教育理念、教育方式、教育内容、教育媒介都已产生翻天覆地的变化，教师也必须掌握新的教学媒介、扩展知识容量。教育部门一方面应严格把关教师的准入机制，打造数字化、信息化的教师团队，全面提升新教师的质量，另一方面应积极组织教师进行定期培训，帮助教师扩充教学知识，提升现代教学工具的运用能力。
（二）教育变革中的师生角色
当这场起源于制造业的第四次工业革命的浪潮扩散到教育领域之时，教师职责中“传道、授业、解惑”三者的内涵以及师生间关系都在悄然发生变化。智慧教育的流行、工厂化课堂的普及和强调“做中学”的创客式教育似乎减轻了教师“授业”的比例，事实是并非减少而是转变“授业”的内容，教师要扮演一个引导学生独立思考、发掘学生潜力、激发学生学习兴趣的角色。教师需要善于把握学生的学习习性和规律，特别是运用现代技术手段动态地了解和掌握学生的学习行为，适时调整授课进度，调动学生学习的“兴奋度”。从为学生“解惑”的角度来看，教师应该不断提升专业知识储备量来应对学生们挑战性的疑问。在课堂的教学过程中，教师要和学生建立伙伴式的平等关系，与学生一起学习、一起探索、共同进步。例如在“工厂化”的课堂和创客教育中，在学生完成提出创意、模型设计、模型构建和模型打印一系列阶段时，教师应该与学生共同协作完成每项任务，为学生提供必要的指导和建议。
伴随着教师角色由课堂的主导者转向引导者，学生所扮演的角色也随即发生了变化，逐渐由课堂中的“客体”成为“主体”。学生主体地位主要表现在两方面，一是学生在课堂中的参与度明显提高，参与度的提升不仅仅是全体参与，也是全程参与和多器官的参与，多方位提升学生的学习积极性和主观能动性；二是学生“备课”成为常态，未来学生的备课任务甚至要比教师备的更充分、更完善，这也是学生所面临的一大挑战，比如在STEAM教育模式下，对于学生的要求超出了记忆、理解科学、数学、文化艺术等学科的课程内容，在相关的学习情境中培养问题解决、协作、沟通和批判性思维的基本技能，运用理论知识完成课程体验项目，并找到课程的兴奋点和疑惑处，直到完成突破性创新的最终目标。
（三）教育变革中的公民行动
《互联网进化论》一书中，互联网正向着人类大脑高度相似的方向进化，不仅具备自己的视觉、听觉、触觉和运动神经系统，也将拥有记忆神经系统、中枢神经系统和自主神经系统。不仅如此，互联网“大脑”的存在通过改变人类的工作、生活及学习的方式间接重塑人类大脑的思维方式，以求真、开放、平等、协作和分享为特点的互联网思维逐渐受到社会的重视，也将成为下一个时代主流的思维方式。当智能设备、大数据、3D打印与教育变革相融合时，求真、开放、平等、协作和分享的“创客式”思维模式也将成为人们求知求真、学习探索、职业培训等社会化学习的主要学习思维模式。
兴趣和工作的驱使、传播渠道的扩宽、开源创新的兴起，推动基于创新碎片化、持久化的终身化教育和终身化学习的形成和发展。终身教育之父朗格朗认为：社会习俗的变迁、世界人口的膨胀、传播媒体的扩展、闲暇时间的增多、生活方式的改变、精神信仰的危机等，都迫使人们面对一系列新的问题和挑战，由此，每个人不断接受终身教育、开展终身学习已经成为一种必然。
以求真、开放、平等、协作、分享为特点的“创客式”精神与终身教育和终身学习将共同塑造学习型社会：教育和学习突破学习的地域和实践限制，成为社会所有人的事情，每个人在学习型社会中既扮演着学生的角色也充当着教师的角色，严格意义上的教师和学生的界限将会被打破，基于兴趣、探索、共享及实践的全新教育和学习模式将逐步成为社会主流的学习范式。凭借日趋成熟的现代信息技术和智能化机器的推动，学习型政府、学习型企业、学习型组织等学习型团体的出现将逐步驱动学习型社会的形成。
文章来源：《南京社会科学》2016年第9期
作者单位：广州大学公共管理学院暨大数据治理研究中心
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