基于數(shù)字孿生的教育效用分析

趙海波 趙紅梅

摘要：基于數(shù)字孿生的教育效用分析是教育對(duì)象（如教育者、學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)素材、學(xué)習(xí)過(guò)程、價(jià)值模型、能力評(píng)估等）大數(shù)據(jù)的因果鏈、價(jià)值鏈的數(shù)字分析模型，通過(guò)接收來(lái)自教育對(duì)象的數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)演化?？蓪?duì)人的培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、訓(xùn)練等（即仿真），并將仿真結(jié)果反饋給教育對(duì)象，從而幫助對(duì)教育對(duì)象進(jìn)行培養(yǎng)過(guò)程優(yōu)化和干預(yù)決策。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生? 教育大數(shù)據(jù)? 教育效用分析? 數(shù)字分析模型

Analysis of Educational Utility Based on Digital Twin

ZHAO Haibo? ZHAO Hongmei

（School of Electronic Commerce， Beijing Open University， Beijing， 100098 China）

Abstract： Educational utility analysis based on digital twin is a digital analysis model of the causal chain and value chain of big data for educational objects （such as educators， learners， learning materials， learning process， value model， ability evaluation， etc.），which evolves in real time by receiving data from educational objects. It can analyze， predict， diagnose， train， etc. （i.e. simulation） of the human training process， and feed back the simulation results to the education object， thereby helping the education object to optimize the training process and intervene in decision-making.

Key Words： Digital twin; Education big data; Education utility analysis; Digital analysis model

現(xiàn)代教育就是把“自然人”培養(yǎng)成為具有現(xiàn)代價(jià)值理性的“社會(huì)人”的社會(huì)性活動(dòng)，其根本出發(fā)點(diǎn)就是人的發(fā)展。為此，以人本身為立足點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人的權(quán)利、價(jià)值及個(gè)性的自由發(fā)展，就成為了人本化教育的目標(biāo)導(dǎo)向與價(jià)值所在。對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，有效地將分散在各處的數(shù)據(jù)價(jià)值作為一個(gè)整體投資到有益于個(gè)人乃至整個(gè)社會(huì)群體的再成長(zhǎng)具有重要價(jià)值。

數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。其主流定義是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過(guò)程[1]。雖然人們對(duì)把人類完全變成數(shù)字化概念的解釋并不認(rèn)同，但換個(gè)角度想一想，數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的真正意義，是強(qiáng)調(diào)家庭養(yǎng)育的意義、教育過(guò)程干預(yù)的實(shí)踐價(jià)值，教育領(lǐng)域數(shù)字孿生是對(duì)這種有目的地培養(yǎng)人的活動(dòng)的數(shù)字化映射，創(chuàng)造敢冒風(fēng)險(xiǎn)、鼓勵(lì)創(chuàng)新的教育環(huán)境，大規(guī)模培育創(chuàng)新性人才。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以有無(wú)數(shù)種可以縱觀一生的視角來(lái)觀察反思自己的學(xué)習(xí)過(guò)程。人是平等的、有尊嚴(yán)的、個(gè)性化的，利用現(xiàn)代技術(shù)極大化豐富培養(yǎng)模式路徑可以有效避免現(xiàn)有教育模式由于人力不足導(dǎo)致的單一模式化教育。當(dāng)今，倡導(dǎo)素質(zhì)教育就應(yīng)該明確這一點(diǎn)，融入到日常的教育教學(xué)過(guò)程之中去，融入到充滿互動(dòng)、豐富多彩的師生關(guān)系之中去。教育對(duì)象、數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個(gè)信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems）。面向數(shù)字孿生全生命周期（構(gòu)建、演化、評(píng)估、管理、使用）的技術(shù)稱為數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin Technology）[2]。

在當(dāng)下新興信息技術(shù)與教育深度融合的教育語(yǔ)境中，在教育實(shí)踐中如何多維度、全周期評(píng)估教育者和學(xué)習(xí)者的教育健康狀態(tài)，更好地為學(xué)生賦能，讓學(xué)生掌控自己的學(xué)習(xí)過(guò)程。在現(xiàn)代信息技術(shù)的加持下，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過(guò)程中，科技起著重要作用，在傳統(tǒng)教育過(guò)程中口傳和讀寫為主的知識(shí)表達(dá)和傳播被各種形式的數(shù)字化工具所替代，并為現(xiàn)代學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

在教育領(lǐng)域，利用覆蓋整個(gè)校園的衣食住行、教學(xué)、教務(wù)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、技能等數(shù)據(jù)，構(gòu)建學(xué)習(xí)者的數(shù)字孿生畫像。數(shù)據(jù)孿生可以被定義為學(xué)習(xí)過(guò)程環(huán)境的歷史和當(dāng)前行為的動(dòng)態(tài)數(shù)字模型;在新時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)將教育對(duì)象本身的數(shù)字模擬來(lái)預(yù)測(cè)受教育者的未來(lái)狀態(tài)。主要針對(duì)數(shù)字孿生的建模、信息物理融合、交互與協(xié)作及服務(wù)應(yīng)用等方面開展相關(guān)研究[3]。

通過(guò)數(shù)字技術(shù)、學(xué)習(xí)過(guò)程和教學(xué)教務(wù)的深度融合，圍繞學(xué)習(xí)者重構(gòu)整體效用體系，基于數(shù)據(jù)流的因果鏈、價(jià)值鏈的分析建模、價(jià)值深挖和創(chuàng)造的良性迭代循環(huán)，數(shù)字孿生的教育效用分析從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，全局視野、精準(zhǔn)映射、推演仿真、虛實(shí)交互、智能干預(yù)，多維度、全周期評(píng)估教育者和學(xué)習(xí)者的教育健康狀態(tài)[4]。

1 因果鏈與價(jià)值鏈的效用分析

1.1用戶畫像

隨著新一代互聯(lián)網(wǎng)原住民的成長(zhǎng)，億萬(wàn)用戶在每天使用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的過(guò)程中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)又從這海量的數(shù)據(jù)中創(chuàng)造出巨額的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通過(guò)數(shù)字孿生的教育效用分析可以創(chuàng)造出巨大的社會(huì)價(jià)值，也是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值公有化的體現(xiàn)。

由于疫情原因，這一次大規(guī)模在線教學(xué)的社會(huì)實(shí)驗(yàn)，不僅是一場(chǎng)轉(zhuǎn)變教學(xué)方式的變革;從深層次來(lái)看，這是一場(chǎng)對(duì)原有知識(shí)體系、對(duì)人才培養(yǎng)的素質(zhì)結(jié)構(gòu)的全方位審視和思考。大數(shù)據(jù)是未來(lái)新教育的“標(biāo)配”不再僅有印刷時(shí)代的課本和課堂，知識(shí)內(nèi)容的數(shù)字化表達(dá)和傳播，教學(xué)的在線化、靈活性及伴隨終身，將成為一種新常態(tài)[5]。

在線教學(xué)的核心不是錄制音/視頻課件，這些“資源”都可以用優(yōu)質(zhì)圖書、紀(jì)錄片等替代。一門在線課程最核心的任務(wù)是設(shè)計(jì)高質(zhì)量的交互教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)優(yōu)良的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)踐“以學(xué)生為中心”的在線學(xué)習(xí)。

1.2數(shù)字孿生的因果鏈、價(jià)值鏈分析框架

數(shù)字孿生的因果鏈、價(jià)值鏈分析框架如圖1所示，主要包括以下幾方面。（1）基礎(chǔ)性素質(zhì)因素：這一單項(xiàng)素質(zhì)的缺失，是否會(huì)導(dǎo)致更大范圍人格、價(jià)值的崩潰。（2）競(jìng)爭(zhēng)護(hù)城河因素：這項(xiàng)因素是否能為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)提供強(qiáng)大防御力。（3）人生安全風(fēng)險(xiǎn)因素：這項(xiàng)因素是否可能對(duì)個(gè)人、社會(huì)安全構(gòu)成直接威脅。（4）加速器素質(zhì)因素：這項(xiàng)因素是否能提升整體創(chuàng)新價(jià)值速度。有些素質(zhì)因素既是基礎(chǔ)性素質(zhì)因素，又是加速器素質(zhì)因素，對(duì)個(gè)人發(fā)展、社會(huì)發(fā)展具有重大意義。

2 分析過(guò)程：

通過(guò)利用大數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)人成長(zhǎng)過(guò)程中的軌跡線（孩童時(shí)期的圖書、動(dòng)畫、音樂(lè)、培訓(xùn)、家庭、入學(xué)等全域數(shù)據(jù)的分析）以及各年齡階段的教育機(jī)理通過(guò)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行建模，然后通過(guò)仿真方式以確定給定輸入下所得輸出是否符合目標(biāo)，通過(guò)大數(shù)據(jù)的數(shù)字化模型不斷豐富迭代中的參數(shù)并多次仿真與實(shí)際校驗(yàn)比對(duì)，待輸出符合目標(biāo)后將教育過(guò)程干預(yù)配置到現(xiàn)實(shí)教育過(guò)程中進(jìn)行培養(yǎng)，將培養(yǎng)結(jié)果再反饋到孿生模型中進(jìn)行優(yōu)化，以此大數(shù)據(jù)迭代最終使得教育過(guò)程仿真所得輸出與實(shí)際產(chǎn)出一致，并由仿真得到環(huán)境參數(shù)最優(yōu)配置，則可得到現(xiàn)實(shí)條件下教育過(guò)程最優(yōu)配置，以此減少實(shí)際試錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)工作環(huán)境、技術(shù)變革、社會(huì)變革需進(jìn)行改進(jìn)提升時(shí)只按需調(diào)整即可得到最優(yōu)教育輸出[6]，如圖2所示。（1）定義與價(jià)值;（2）創(chuàng)建學(xué)習(xí)者的數(shù)字孿生;（3）數(shù)字孿生體系架構(gòu);（4）數(shù)字孿生與數(shù)字教育因果鏈、價(jià)值鏈主線分析;（5）數(shù)字孿生，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程周期管理;（6）場(chǎng)景先行，部分應(yīng)用初顯成效;（7）數(shù)字孿生總體架構(gòu);（8）數(shù)字孿生核心平臺(tái);（9）數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)要素對(duì)教育智能化創(chuàng)新;（10）數(shù)字孿生，重新定義教育服務(wù)。

3? 數(shù)據(jù)使用模式

歸根結(jié)底，在成熟的數(shù)據(jù)交易市場(chǎng)上，交易的是數(shù)據(jù)的使用權(quán)，或者更明確地說(shuō)，是“用數(shù)據(jù)回答問(wèn)題”的權(quán)利：數(shù)據(jù)使用者將自己的問(wèn)題以算法形式提交到數(shù)據(jù)交易所的計(jì)算平臺(tái)上，獲得計(jì)算的結(jié)果，并為使用數(shù)據(jù)和算力付費(fèi)。

4? 改進(jìn)建議

學(xué)習(xí)的輸入不局限于閱讀書本，聆聽播客、瀏覽視頻、甚至投入游戲本身都是學(xué)習(xí);學(xué)習(xí)的輸出不局限于文字創(chuàng)作，圖像、音頻、視頻、網(wǎng)站、產(chǎn)品實(shí)物等形式的數(shù)字制品都可以成為展示想法的有力工具;學(xué)習(xí)不局限于個(gè)人的冥思苦想，討論、合作、分享也可帶來(lái)集體智慧。當(dāng)學(xué)生從自己的創(chuàng)造、構(gòu)建、設(shè)計(jì)、制作、協(xié)作中去學(xué)習(xí)，更有可能遵循自己的方向，表達(dá)出自己的觀點(diǎn)，并產(chǎn)生創(chuàng)造性成果。

課堂上的“發(fā)言”，在時(shí)間上是“串聯(lián)”的，每次只能一個(gè)人發(fā)言，整堂課沒有幾個(gè)人有機(jī)會(huì)“說(shuō)話”。異步文字討論區(qū)的“發(fā)表”是“并行”，給學(xué)生提供了更多的表達(dá)，以及相互分享、交流的機(jī)會(huì)。

探索通過(guò)直播，錄制視頻，線下參觀等形式教學(xué)打通“企業(yè)—學(xué)?！比瞬排囵B(yǎng)通道，以充分多視野的“養(yǎng)分”撐開學(xué)生看世界的頭腦。

5? 結(jié)語(yǔ)

學(xué)習(xí)不局限在教室、互聯(lián)網(wǎng)這樣的環(huán)境，它可以發(fā)生在戶外走訪、實(shí)地考察甚至個(gè)人的冥思苦想，通過(guò)觀察周遭、切身體驗(yàn)、與人訪談，了解一個(gè)新事物或新行業(yè);所以，以教育大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生模型并不能完全全息全維度地體現(xiàn)教育對(duì)象的全部信息，數(shù)字孿生這一動(dòng)態(tài)、全周期可溯源的分析模型仍具有進(jìn)一步提升的空間。

參考文獻(xiàn)

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【6】陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018，24（1）：1-18.

中圖分類號(hào)：G64 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2108-5640-7375 第一作者：趙海波，（1973—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐浖こ?、?shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：趙海波（1973—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐浖こ獭?shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

基金項(xiàng)目： 2020年教職所【2020】257號(hào)“跨境電商海外營(yíng)銷”1+x證書項(xiàng)目成果