基于數(shù)字孿生的混合教學模式改革研究

摘? 要：本文以信息化教學發(fā)展為主線，介紹了信息化教學的發(fā)展，基于數(shù)字孿生技術給出新型混合教學模型的定義和架構(gòu)，利用數(shù)字線索開展復雜教學過程的建模仿真、動態(tài)預測和評估，以計算機組成原理課程為例實現(xiàn)數(shù)字孿生和學生實體之間的模擬與分析的閉環(huán)業(yè)務。

關鍵詞：數(shù)字孿生;教育信息化;混合教學模式

Abstract： Based on the digital twin technology， the paper proposes a new framework of blended learning. It uses digital clues to carry out the processes of modeling， simulation， dynamic prediction and evaluation of complex teaching procedures. The proposed framework takes a course of Computer Composition Principle as an example to implement a closed-loop business of simulation and analysis between the digital twin and student entity.

Keywords： digital twin; education informationization; blended learning mode

1? ?引言（Introduction）

在信息技術高速發(fā)展的今天，人們傳播和接受知識的渠道更加智能化和多元化。在這樣一個大背景下，出現(xiàn)了各種新型的教育模式[1，2]，大學課堂不再以統(tǒng)一模式的教學為主，如何運用新型信息技術，創(chuàng)新教學全過程成已經(jīng)成為近階段教學研究的重要內(nèi)容。

目前，常用的混合教學模式的核心思想都在于強調(diào)學生對知識的探索、發(fā)現(xiàn)、交互學習上[3]，存在著過程理想化、教學內(nèi)容設計缺乏針對性、課下資源設計和學生個體之間缺乏準確匹配關系等弊端。

數(shù)字孿生作為實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、服務化等先進理念的重要使能技術，當前備受學術界關注[4]，本文針對數(shù)字孿生在課程教學模式改革中應用的理論基礎進行探討，借鑒數(shù)字孿生技術在工業(yè)領域的成功應用[5]，探討其在整個教學體系中應用的可行性，完成了基于數(shù)字孿生的新型混合式教學模型的定義和架構(gòu)。

2? 數(shù)字孿生在教學改革中的應用（The application of digital twin in teaching reform）

數(shù)字孿生作為一種在信息世界中刻畫物理世界、仿真物理世界的重要技術，為實現(xiàn)現(xiàn)實世界的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有效途徑，目前西門子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用電氣公司等全球知名企業(yè)都開展了其在相關領域的落地應用實踐，可以看出數(shù)字孿生技術在理論層面和應用層面均取得了快速發(fā)展。

基于數(shù)字孿生的教學改革過程是面向教育教學領域的信息集成，其模型的建立：

（1）需要明確教學全過程：總的來說，教學全過程包括四要素，分別是學生、教師、媒介、信息。作為教學過程中的主體，教師需要對學生有全方位的了解，制定的學習內(nèi)容要適合不同學生個體，對學生的學習效果和預期會發(fā)生的問題也要有相應的預警機制，這樣的教學過程才能有效保證教學質(zhì)量。

（2）需要明確教學全過程中各要素之間的信息交互：基于數(shù)字孿生的教學模型更強調(diào)網(wǎng)絡平臺的應用，將教室內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺和教室外的互聯(lián)網(wǎng)平臺緊密結(jié)合，挖掘有效地學生上課狀態(tài)實時信息，結(jié)合學生各項歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生的形式發(fā)送給任課教師，為教師授課過程提供指導和依據(jù)。

作為一種新型的信息化技術，數(shù)字孿生技術在教學模式中的使用，可以為傳統(tǒng)的教學提供以下有力支持：

（1）數(shù)字孿生體模擬用于幫助教師了解學生的具體情況：基于學生實時數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生個體，可以在數(shù)字世界中盡可能地模擬學生的學習過程， 預測學生的狀態(tài)行為、完成學習任務的成功概率等，為后續(xù)的教師授課過程提供了可靠的依據(jù)。

（2）學習過程預測用于預測學生的學習過程：通過數(shù)字孿生的仿真模擬結(jié)合學生各階段學習的實時數(shù)據(jù)， 可以對學習情況開展預測，并在可能發(fā)生問題前給出預警信息以及具體的指導意見。

（3）智能控制用于優(yōu)化學習過程，保證學習內(nèi)容適合學生：學生各階段的學習信息可以作為下一學習過程的課下學習內(nèi)容的推薦入口，向?qū)W生推薦更適合學生學習過程的課下學習資料，從而形成良好的教學全周期的閉環(huán)迭代，使得以課上教師教學為主的傳統(tǒng)教學模式得以向課上、課下的混合教學模式轉(zhuǎn)換。

3? 數(shù)字孿生混合式教學改革體系構(gòu)建（Construction of the blended learning reform system based on digital twins）

基于數(shù)字孿生的混合式教學模式，可以構(gòu)建出具有“全面感知、師生互動、智能預測”等特征的智能教育教學運行體系，其架構(gòu)如圖1所示。

基于數(shù)字孿生的混合式教學模式在教學方式中應用時主要包括如下幾個部分：

（1）數(shù)字孿生體：利用網(wǎng)絡抽取學生的有效特征（如上課過程的實時數(shù)據(jù)和其他關聯(lián)課程的有效數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)化成虛擬的數(shù)字孿生信息模型，數(shù)字孿生體和學生實體之間的差別除了虛和實之外，數(shù)字孿生體還具備實體不具備的人工智能模型和專家系統(tǒng)等，這部分是數(shù)字孿生技術在教學中應用的基礎。

（2）數(shù)字模型：當學生數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)采集完成后，需要通過建模工作（如神經(jīng)網(wǎng)絡建模）形成對應學生的數(shù)字模型。利用學生各項已知數(shù)據(jù)對數(shù)字模型進行反復訓練，訓練完成后可以利用數(shù)字模型展開對學生學習行為的概率預測， 給出學生預期學習效果，這樣利用學生前序?qū)崪y數(shù)據(jù)，就可以和當前教學過程發(fā)生虛實雙向關聯(lián)映射， 教師可基于預測結(jié)果進行教學調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)交互：將學生數(shù)據(jù)和關聯(lián)課程數(shù)據(jù)作為輸入項，學生學習結(jié)果作為輸出項，對數(shù)字模型進行反復迭代，由此促使模型不斷優(yōu)化。

（4）教師—學生：教師利用數(shù)字模型預測結(jié)果對不同學生個體學習過程中可能會出現(xiàn)的問題進行有效干預控制，形成學習資源的智能化推送;不同學生個體接收不同的學習方案，按不同學習路徑完成學習過程。

3.1? ?基于數(shù)字孿生體的學生建模仿真

混合式教學模式中的數(shù)字孿生體以各種學生實體的基礎信息（如年齡、性別、興趣愛好）、教學課堂的實時采集信息（如攝像頭采集的學生課堂狀態(tài)信息、RFID采集的學生缺勤信息、GPS采集的學生定位信息，各種傳感器采集的學生學習過程狀態(tài)信息）和學生相關課程成績（如前序課程的相關成績）為基礎，結(jié)合授課教師的基礎信息生成對應的數(shù)字孿生體模型，應用符合教學規(guī)律的專家知識庫和經(jīng)驗庫對其進行分析，并將結(jié)果反饋給教師，具體如圖2所示。

3.2? ?基于數(shù)字模型的學情預測

傳統(tǒng)的課堂授課管理過程由任課教師進行管理，在教學活動中學生可能會發(fā)生各種問題，這些問題如何預防，學生學習情況如何分析都需要教師來人工決策。在基于數(shù)字孿生的混合式教學模式中，利用數(shù)字孿生仿真能力，模擬學生從課下自學、課上學習，到課后復習的全過程，形成優(yōu)化的仿真結(jié)果，指導教師從多個維度、多個視角了解學生的學習過程，發(fā)現(xiàn)學生在學習中喜歡的學習方式、可能會出現(xiàn)的問題、適應的學習資源，從而優(yōu)化其不同學習路線，達到學習過程無縫化和智能化。其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

3.3? ?基于數(shù)字孿生的教學智能控制

教學控制是指教師為保證教學質(zhì)量，實現(xiàn)教學目標，在教學的全過程中對學生進行的積極主動的設計、檢查、評價、反饋和調(diào)節(jié)的過程，是整個教學過程中最重要的一環(huán)，控制策略是否正確，直接影響學生學習的效果?；跀?shù)字孿生可對教學全過程進行一體化的設計、控制和優(yōu)化。如表1所示。

基于數(shù)字孿生的智能教學管理徹底改變了傳統(tǒng)模式下教學過程的“黑箱”狀態(tài)，實現(xiàn)了整個教學全過程的可視化，為進一步實現(xiàn)基于學生多維特征及其融合的教學預警、教學策略精準驗證等提供了依據(jù)。

4? 基于數(shù)字孿生的混合教學模式實現(xiàn)要點（Key points in the implementation of blended learning mode based on digital twins）

基于數(shù)字孿生的混合教學模式實現(xiàn)過程主要包括智能教室的實現(xiàn)、數(shù)字孿生的建模實現(xiàn)、數(shù)據(jù)架構(gòu)實現(xiàn)等。

（1）智能教室實現(xiàn)：智慧教室是實現(xiàn)數(shù)字孿生中學生信息采集的物理基礎，需實現(xiàn)集智慧教學、人員考勤、人臉識別、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制于一體的新型現(xiàn)代化智能教室系統(tǒng)。

（2）數(shù)字孿生實現(xiàn)：數(shù)字孿生過程是動態(tài)的，在學生數(shù)字對象與物理對象之間必須能夠?qū)崿F(xiàn)上下行數(shù)據(jù)交互，這樣才能讓這個數(shù)字孿生運行具有持續(xù)改善的應用價值。上行與下行數(shù)據(jù)的交互需要考慮周期性、數(shù)據(jù)接口與信息建模，以便提高效率。

（3）數(shù)據(jù)架構(gòu)實現(xiàn)：數(shù)字孿生過程中會產(chǎn)生大量的學生數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析和展示的體系，是一種多冗余、低成本的應用方案。

5 基于數(shù)字孿生的混合教學模式計算機組成原理課程應用案例（The application case of the course of computer composition principle based on the blended learning mode of digital twin）

計算機組成原理課程作為計算機學科一門基礎課程，主要教學目標是講述計算機單機硬件系統(tǒng)的基本組成原理與運行機制，使學生建立計算機整機概念。由于課程本身較為抽象、對學生前期知識儲備和課堂學習狀態(tài)要求較多。一般混合教學模式的在線教學和離線教學處于一種完全脫離的狀態(tài)，課堂教學內(nèi)容組織時不考慮也無法考慮學生課下的學習狀態(tài);課下網(wǎng)上教學雖然作為課堂教學的補充，但是沒有對不同學生主體進行分類、分層次操作，使得大量的資料在課下同時涌向?qū)W生，不但不能對課堂教學形成有力補充，還因為過多，過細，難以甄別，使得學生更為困惑。數(shù)字孿生技術的加入，使得在線教學和離線教學可以形成有機的融合，利用數(shù)字孿生技術在建模仿真、學習精確推送、教學智能控制等方面的優(yōu)勢，有效地將學生在課上學習狀態(tài)、課下學習過程、考試效果等相關數(shù)據(jù)組合形成學生的數(shù)字孿生體，通過不同算法進行分析，組織，對學生數(shù)字孿生體進行分類，完成有目的信息推送。教學過程中信息不斷迭代，有效控制整個教學流程，提高現(xiàn)有教學效果。

具體實施過程分為：準備階段，教學實施階段、學習效果分析階段，具體過程見圖4。

（1）教學準備階段：利用數(shù)字孿生技術采集學生相關數(shù)據(jù)（如前序課程電路基礎、計算機文化基礎的成績數(shù)據(jù)、學生的基本信息數(shù)據(jù)），生成對應學生的數(shù)字孿生對象;同時將本門課程的知識點進行篩選，分成基礎層（包括計算機各組成部分的工作原理、設計方法，以及構(gòu)成整機系統(tǒng)的基本原理知識）、提高層（保羅有關計算機硬件系統(tǒng)分析設計過程中的實際問題）以備下一階段使用。

（2）教學實施階段：采用各種成熟的智能技術（如神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)等），對學生對應的數(shù)字孿生體進行分析，將課程的重點內(nèi)容進行分層次在線推送，保證不同程度的同學得到不同的學習資料，以便進行有效的課下學習。

（3）學習效果分析階段：在學期初、學期中、學期后期分階段對學習效果進行分析，并對實際教學效果進行評估，由任課教師及時改進控制課堂教學策略，保障教學的進行和效果。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

數(shù)字孿生是智能信息系統(tǒng)的基礎， 是實現(xiàn)智慧教學的有效途徑。本文以信息化教學發(fā)展為主線，介紹了基于數(shù)字孿生技術的新型混合教學模型的定義和架構(gòu)，并以計算機組成原理課程為例，實現(xiàn)了數(shù)字孿生和學生實體之間的模擬與分析的閉環(huán)業(yè)務架構(gòu)。目前數(shù)字孿生的研究還處于初級階段，如何通過基于數(shù)字孿生技術在教學中的應用，提高面向教學全生命周期過程的感知反饋、精確控制和精準執(zhí)行的能力， 還需進一步研究。

參考文獻（References）

[1] 魏立娜，劉春紅，馮志彪，等.農(nóng)業(yè)高校儀器分析課程開展慕課應用的探究[J].實驗室科學，2018（3）：130-132;135.

[2] 趙映川.大學生慕課滿意度及其影響因素的調(diào)查研究[J].高等教育研究，2018，39（02）：73-78.

[3]常鏡洳，賈躍，石冬凌，等.基于CDIO+OBE面向?qū)ο筌浖こ袒旌鲜浇虒W課程設計[J].軟件工程，2019，22（07）：51-53.

[4] 陶飛，馬昕.數(shù)字孿生標準體系[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，? ?25（10）：2405-2418.

[5] 陶飛，戚慶林.面向服務的智能制造[J].機械工程學報，2018，? 54（16）：11-23.

作者簡介：

陳秀寓（1977-），女，碩士，副教授.研究領域：多種教學模式及其應用，信息研究.