Modulare Lernfabriken für Industrie 4.0

Die Industrie spielt in der deutschen Wirtschaft eine wichtige Rolle und ist durch technologischen und gesellschaftlichen Wandel regelmäßig starken Veränderungen ausgesetzt. Unternehmen und Mitarbeiter müssen sich laufend anpassen, zumal sich die Veränderungsgeschwindigkeit stetig erhöht (z. B. BANI) und die Rahmenbedingungen verschärfen (z. B. demografischer Wandel) [1]. Mit der Globalisierung ist der Erhalt der eigenen Wettbewerbsfähigkeit nur durch laufende Produktivitätssteigerungen und gezielte Spezialisierung möglich [2].

Unternehmen erhoffen sich von I4.0 einen spürbaren Wettbewerbsvorteil durch den Einsatz digitaler Technologien (z. B. in der Fertigung). Hierfür brauchen sie geeignetes Fachpersonal, welches immer schwieriger zu finden ist. Deutsche Universitäten und Hochschulen bieten immer mehr spezialisierte Studiengänge an.

Umfassende Untersuchungen zeigen bereits einen Anpassungsbedarf der Ausbildungsberufe, welcher in Teilen auch schon umgesetzt wurde (z. B. Teilnovellierung der M+E-Berufe 2018) [3]. Dennoch fällt es gerade in der formalen Bildung zunehmend schwer, mit den betrieblichen Anforderungen Schritt zu halten. Insbesondere in der produzierenden Industrie führt Industrie 4.0 zu einer aktuell nicht prognostizierbaren Nachfrage nach weiter angepassten Inhalten und höher qualifizierten Facharbeitern. Im Zuge der Digitalen Transformation wird sich die Arbeitswelt und deren Anforderungen laufend, rasant und grundlegend verändern, sodass industrieseitig bereits heute Kompetenzprofile gefragt sind, für welche es aktuell keine passenden beruflichen und akademischen Ausbildungen gibt [4, 5].

Es fehlen hierbei insbesondere praxisbezogene I4.0-Anwendungskompetenzen, welche Berufsanfänger auch auf die Umsetzung der Digitalen Transformation in der Industrie vorbereiten [6, 7].

Den Großteil der Belegschaft machen jedoch nicht die Berufsanfänger aus, sondern die Professionals, welche mit einem Rekordhoch an Ausgaben in der Weiterbildung seitens der Unternehmen finanziert werden. Dennoch bleibt heutzutage rund die Hälfte der Weiterbildungskosten für die Digitalisierung ohne messbare Wirkung. Vielversprechender sind individuell zugeschnittene Lernangebote für Industrieunternehmen und deren Zielgruppen sowie der Fokus auf die Vermittlung einer wirksamen Handlungskompetenz für die Umsetzung von I4.0 [8, 9].

Herausfordernder Status Quo in der Industrie

Obwohl in vielen Industrieunternehmen seit über 10 Jahren an der Umsetzung von I4.0 gearbeitet wird, ist einer der Hauptgründe für das Scheitern nach wie vor das Fehlen von handlungsweisenden Kompetenzen zur nutzbringenden Umsetzung der Digitalen Transformation. So sagt der Großteil der Industrieunternehmen (87 %), dass die Umsetzung digitaler Technologien eine entscheidende Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit spielt, sie jedoch gleichzeitig nicht in der Lage sind, digitale Technologien für sich nutzenorientiert umzusetzen.

Als größte Hürde sehen sie den Mangel an Fachkräften und damit fehlendes Anwendungswissen, welches bei mangelnder Weiterbildung vorab zu erhöhten Umsetzungsaufwänden im Betrieb führt [10, 11]. Durch den wachsenden weltweiten Fachkräftemangel sinkt die Chance für die Industrieunternehmen, durch Neueinstellungen die gewünschte I4.0-Handlungskompetenz zu erhalten. Die gezielte betriebliche Weiterbildung für die Digitale Transformation gilt daher als erfolgversprechender Weg, um der Ausgangslage nachhaltig entgegenzutreten.

Wenig überraschend sind daher die exponentiell gestiegenen Ausgaben der Unternehmen im Bereich Weiterbildung. Die Ergebnisse dieser Anstrengungen sind jedoch bisher ernüchternd. So verbleiben die Unternehmen aktuell immer noch im Status der I4.0-Pilotprojekte und keiner umfassenden Umsetzung. Gleichzeitig stecken die Unternehmen in der Findungsphase hinsichtlich der erforderlichen Kompetenzen der Mitarbeitenden für I4.0. Zum einen ist den Unternehmen ihr Status Quo bezüglich vorhandener Digitalisierungskompetenzen unbekannt (aufgrund fehlender Statistiken in Personaldatenbanken). Zum anderen besteht eine Unklarheit hinsichtlich der Anforderungsprofile und Lernbedarfe der Mitarbeitenden im Hinblick auf I4.0.

Weiterhin fehlen den Unternehmen passende Weiterbildungsangebote, weshalb sich die Wissenslücke in Sachen Digitalisierung stetig vergrößert und der erforderliche Know-How-Aufbau nicht vorankommt [12]. Heutzutage entstehen digitale Innovationen in der Regel von Jüngeren, wobei das erforderliche Domänen- und Prozesswissen überwiegend von den erfahrenen Mitarbeitenden kommt. Letzteres gewinnt durch den demografischen Wandel an Kritikalität, da oftmals die Dokumentation des Erfahrungswissens nicht oder nicht ausreichend erfolgt [13].

Zusammenfassend gibt es eine erhebliche Wissens- und Qualifizierungslücke im Hinblick auf die Digitale Transformation, welche bisher nicht konkret identifiziert werden konnte.

Lernbedarfe im internationalen Vergleich

Ob Digitalisierung, Klimawandel oder Pandemie, die enormen aktuellen und zukünftigen Herausforderungen verlangen von den Beschäftigten neue Kompetenzen. Es gibt bereits mehrere Studien der beruflichen und akademischen Ausbildung, welche angepasste Lehrpläne mit neuen technologischen und digitalen Inhalten fordern (z. B. digitale Prozesse, Datenanalyse, digitale Problemlösung) [4].

Neben technologischem Wissen scheinen innerhalb der Industrie zukünftig transformative und digitale Schlüsselkompetenzen eine zentrale Rolle für die erfolgreiche Digitale Transformation zu spielen, wobei gerade die erforderlichen Anwendungskompetenzen heute noch nicht näher beschrieben werden können. Letzteres kann laut Experten nur unternehmensindividuell identifiziert werden. Eine aktuelle Handlungsempfehlung für die industrielle Weiterbildung ist daher ein zweistufiges Vorgehen. Zuerst bedarf es einer initialen sowie stetigen Erfassung der Kompetenzbedarfe und in einer zweiten Stufe die anschließende Identifikation und Umsetzung zielgerichteter Weiterbildungsmaßnahmen. Der konkrete Skill-Bedarf der Unternehmen im Hinblick auf die nutzenorientierte Digitale Transformation ist aktuell jedoch unbekannt [8, 14].

Der industrielle Skill-Bedarf wurde daher im Rahmen einer Studie zu Lernbedarfen verschiedener internationaler Fertigungsbetriebe näher untersucht. Im Zeitraum von November 2022 bis März 2024 wurden 250 Mitarbeitende aus 25 international verteilten Standorten verschiedener Industriebetriebe befragt zu ihren aktuellen Kompetenzen sowie Lernbedarfen für eine erfolgreiche digitale Transformation zu I4.0. Hierfür wurde ein Online-Fragebogen aufgesetzt, der die industriellen Lernbedarfe identifizieren und gemäß ihrer Wissenstiefe einordnen sollte. Um die Auswirkungen der Digitalen Transformation auf die Qualifizierungsbedarfe in der Breite zu erfassen, wurden verschiedene Hierarchieebenen ausgewählt. Die befragten Mitarbeitenden untergliedern sich in drei verschiedene Zielgruppen:

• 1. Entscheidungsträger & Führungskräfte (78)
• IT-Verantwortliche & Digitalisierungs-Experten in den Fabriken (150)
• Direkte Shopfloor-Mitarbeitende (22)

Die untersuchten Zielgruppen wurden aufgefordert, ihre aktuelle Lage der Kompetenzlevel hinsichtlich der untersuchten Themengebiete abzuschätzen, sowie im zweiten Schritt die bereits heute und zukünftig erforderliche Lage im Kompetenzlevel anzugeben. Hierfür wurden, wie im Bild 1 gezeigt, verschiedene Kompetenzlevel anhand der gezeigten Skala vorab definiert.

Gemäß [15] liegt ein bedeutender Unterschied zwischen Wissens-, Anwendungs- und Handlungskompetenz. Letztere hat durch das Transferwissen einen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis und entscheidet darüber, ob digitale Transformationsvorhaben und Projekte Erfolg haben oder während der Umsetzung scheitern.

Beim „Onboarding-Level“ können Mitarbeitende die Veränderung im Zuge von I4.0 beschreiben. Mit dem „Kenner-Level“ kennen sie die Zusammenhänge und Hintergründe im Detail. Das „Könner-Level“ erlaubt, das Wissen in die Anwendung zu übertragen. Erst im „Experten-Level“ schaffen sie eine nachhaltige Transferleistung und zielgerichtete Problemlösung. Das Bild 2 zeigt die Mittelwerte der Studienergebnisse verschiedener Zielgruppen hinsichtlich ihrer Kompetenzen zur Digitalen Transformation.

Alle Zielgruppen bewerten die Wichtigkeit der Digitalisierung in der heutigen Arbeit als sehr hoch. Hinsichtlich der I4.0-Kompetenzen bewerteten die Führungskräfte sich am niedrigsten (leicht unterhalb Kenner-Level). Die Shopfloor-Mitarbeitenden schätzten ihre Kompetenz etwas höher und lediglich die IT-Experten ordneten sich in das Könner-Level, jedoch nicht in das Experten-Level. Letzteres wird aber bereits heute benötigt, um ihre Aufgaben erfolgreich zu meistern. Für die Zukunft wünschen sich alle Zielgruppen eine höhere Anwendungskompetenz zur nutzbringenden Umsetzung von I4.0.

In der Studie wurden auch die Lernbarrieren und -bedarfe zu I4.0 abgefragt. Die fünf häufigsten Lernbarrieren für I4.0 waren: Zeitmangel (35 %), fehlende Lernbegleitung (29 %), fehlende Lust (24 %), fehlende Angebote (22 %) und fehlende Lernumgebungen vor Ort (16 %). Hinsichtlich der Lernumgebungen fordern die Zielgruppen ein Praxistraining vor Ort, z. B. in einer Lernfabrik (64 %), anstelle eines digitalen oder hybriden Trainings (36 %). Dabei ist mit den Experten (79 %) und Shopfloor-Mitarbeitenden (64 %) der Bedarf an einer physischen Lernumgebung am größten: Führungskräfte bevorzugen neben einer Lernfabrik (45 %) flexible hybride Lernangebote (55 %).

Auffällig sind die Motivationsfaktoren der verschiedenen Zielgruppen. Die Mehrheit der Shopfloor-Mitarbeitenden (64 %) ist nur an Digitalisierungstrainings interessiert, wenn sie einen Bezug zu ihrer aktuellen Aufgabe haben und dies in der Schulung auch erkennbar ist. Die Hauptmotivation ist neben der Befähigung zur Umsetzung ihrer Tätigkeit (77 %) auch die Befähigung zur Ausübung höherwertiger Tätigkeiten (68 %). Die IT-Experten erhoffen sich durch anwendungs- und zielorientierte Trainings die Befähigung zur Lösung ihrer aktuellen Problemstellungen zur Umsetzung von I4.0 (95 %).

Hauptanreize für Führungskräfte sind das Treffen besserer Entscheidungen im Kontext von I4.0 sowie das Erreichen der Ziele (84 %). Ihre heutigen und zukünftigen Lernbedarfe hinsichtlich der Digitalen Transformation konnten 79 % der Experten benennen. Von den Shopfloor-Mitarbeitenden und Führungskräften waren nur 43 % bzw. 54 % in der Lage, die heutigen, und nur 15 % bzw. 12 %, die zukünftigen I4.0-Lernbedarfe zu benennen.

Zusammenfassend fehlt es allen Zielgruppen an ziel- und anwendungsorientierter Handlungskompetenz. Auch ist man sich einig, dass das Aufbauen des Experten- und Könner-Kompetenz-Levels durch Trainingsmaßnahmen in realen Lernfabriken benötigt wird. Gleichzeitig besteht eine große Unklarheit gegenüber zukünftigen Lernbedarfen im Zuge von I4.0, welche es noch abzuleiten und zu definieren gilt.

Einsatz offener und modularer Lernfabriken für Umsetzung von I4.0

Auch wenn es bereits eine Vielzahl von formalen Weiterbildungsangeboten zur Vorbereitung auf die Digitale Transformation gibt, so werden diese in Deutschland nur von jedem fünften Mitarbeitenden wahrgenommen. Anwender und Betroffene erwarten sich vermehrt moderne und anwendungsnahe Bildung analog zu ihrem realen Umfeld und Arbeitsaufgabe [16]. Daher kommen seit dem Entstehen von I4.0 immer häufiger auch Lernfabriken zum Einsatz, um Anwendungskompetenzen für heutige und zukünftige Arbeitsaufgaben zu vermitteln. Mit ihnen sollen sowohl Führungskräfte und Experten (z. B. Wertstrommanager) als auch direkte Arbeitskräfte optimal für die Digitalisierung ihrer Arbeitsaufgaben vorbereitet und befähigt werden. Dies liegt an der Abbildung der realen Arbeitsumgebung und Aufgaben sowie an der Greifbarkeit der Lerninhalte.

Mit Lernfabriken können neben technischen und methodischen Kompetenzen – je nach Gestaltung der Lernmaßnahmen – auch soziotechnische, kommunikative, prozess-, domain- und problembezogene sowie auch transformative Kompetenzen adressiert werden. Dies unterscheidet sich von theoretischen Lernmaßnahmen, welche in der Regel keine praktischen Handlungskompetenzen trainieren. Lernfabriken helfen dabei, aus Unternehmenszielen konkrete Lernmaßnahmen abzuleiten, Anwendungskompetenzen zu überprüfen, Veränderungen zu messen und realistische Lerninhalte zu entwickeln.

Dennoch gibt es auch beim Einsatz von Lernfabriken Grenzen und Nachteile. Der Großteil der Lernfabriken hat einerseits einen zu starken Produktfokus, welcher damit keine generischen und prozessorientierten Lernsituationen ermöglicht [17]. Andererseits führen industrieferne, geschlossene Hardware- und Softwarearchitekturen sowie fehlende Betreibermodelle zu erheblichen Herausforderungen der Lehrkräfte und fehlende Übertragbarkeit selbstentwickelter Lösungen und Übungen.

Anwendungssachverhalte und problemorientierte komplexe Situationen der realen Arbeitswelt lassen sich kaum nachbilden und das Zuschneiden auf bestimmte Berufsbilder ermöglicht keine Erweiterung der Einsatzgebiete und Zielgruppen von Lernfabriken [18]. Neben physischen Lernfabriken könnten auch realitätsgetreue VR-Umgebungen eingesetzt werden, von denen allerdings nur wenige existieren. Sie sind vergleichsweise teuer, weshalb ihr Einsatz meist nicht rentabel ist [19].

All diese Aspekte stellen wesentliche Anforderungen an eine moderne Lernfabrik. Sie muss einerseits leicht zu betreiben sein und andererseits durch eine offene und modulare Gestaltung schnell auf reale Lernziele und anwendungsnahe Problemstellungen der Industrie angepasst werden können. Bild 3 zeigt eine offene und modulare Lernfabrik, welche für die Entwicklung und Durchführung von anwendungsnahen Trainings hinsichtlich I4.0 entwickelt wurde. Auf ihr können entgegen den bisherigen Lernfabriken individuelle Unternehmensprozesse und IT-Architekturen einfach und generisch appliziert werden, um Trainingsmaßnahmen für verschiedene Zielgruppen zur nutzenorientierten Umsetzung von I4.0 durchführen zu können.

Die Lernfabrik ermöglicht durch ihre offene IT-Architektur die Anwendung und Übertragbarkeit von Übungen und Lernaufgaben. Dies zeigt sich durch die dargestellte Auflistung realer Problemstellungen industrieller Betriebe, welche einen Anwendungs- und Nutzenbezug ermöglichen. Auch tragen die einfache Erweiter- und Austauschbarkeit sowie ein zugehöriges Betreibermodell analog zu realen Fabriken dazu bei, sich stetig an die Arbeitsrealität anzupassen, selbst wenn diese heute noch nicht abgeschätzt werden kann. Dies ist insbesondere erfolgskritisch für den nachhaltigen Einsatz einer Lernfabrik, da eine fehlende Anpassbarkeit zwangsläufig zu einem Ablaufdatum des Einsatzes führt.

Mit dem zielorientierten, modularen und offenen Konzept können sich die Lernenden, in der stark verändernden Arbeitswelt einfacher zurechtfinden, da sie die Richtigkeit selbst überprüfen können, wodurch das Ergebnis leichter akzeptiert wird (Deeper-Learning). Bisherige Lernfabriken können nicht ohne Weiteres an die individuelle Arbeitsrealität der Lernenden angepasst werden, was zu einer niedrigen Akzeptanz führt (wirklichkeitsferne Simulation). Die Anpassbarkeit eines Trainings an die Ausgangslage und realen Gegebenheiten des Lernenden ist gerade im Fabrikbereich ein entscheidender Lernerfolgsfaktor.

Die Nachvollziehbarkeit der aktuellen Arbeitsaufgabe und der Bezug zu ihr, welcher in der dargestellten Lernfabrik realitätsgetreu nachgebildet werden kann, führt zur Akzeptanz der Lernenden. Um betriebsindividuelle Prozesse, IT-Ökosysteme sowie Anwendungsszenarien realer Use Cases zu erproben, erfordert es eine offene IT-Architektur der Lernfabrik. Das steigert den Nutzen sowie die Anzahl integrierbarer Zielgruppen. Die hohe Wirksamkeit der gezeigten modernen, offenen und modularen Lernfabrik konnte bereits nachgewiesen werden. So konnte die Rollout-Zeit für betriebliche MES-Lösungen in industriellen Wertströmen nach der Einführung unternehmensspezifischer Applikationstrainings in der Lernfabrik von sechs Monaten auf sechs Wochen reduziert werden.

Zusammenfassend konnten bereits heute viele neue Lernbedarfe in der Industrie identifiziert werden für die erfolgreiche Umsetzung der Digitalen Transformation. Dem gegenüber stehen eine niedrige Lernbereitschaft, unpassende formale Lernangebote und unflexible Lernfabriken. Die zukünftig erforderliche Handlungskompetenz für die Umsetzung von Industrie 4.0 kann mit der gezeigten offenen, modernen und modularen Lernfabrik erprobt und erfolgreich übermittelt werden. Der Einsatz von modernen Lernfabriken muss jedoch noch tiefer untersucht werden. Dabei ist zu identifizieren, welche Erfolgsfaktoren tatsächlich zur Lernzielerreichung beitragen und unmittelbar von der Lernfabrik beeinflusst werden können. Ferner muss das Zusammenspiel weiterer Elemente mit der Lernfabrik untersucht werden (z. B. Lehrqualitätskonzept, Lernmethode, Lerninhalt).

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