數(shù)字孿生技術(shù)的教育應(yīng)用研究

張枝實(shí)

(浙江開放大學(xué) 職業(yè)學(xué)院，杭州 310030)

教育信息化步入2.0階段后，信息技術(shù)將更加深度、廣泛地給教育帶來深刻影響。在新時(shí)代教育信息化升級背景下，教育目標(biāo)亟待從知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)向能力提升，教育范式亟待從結(jié)果層面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)推進(jìn)中的科學(xué)辨析，教育機(jī)制亟待從表層化粗放型管理轉(zhuǎn)向深層次精細(xì)化治理，教育形式亟待從保障成長階段轉(zhuǎn)向服務(wù)全生命周期。[1]

數(shù)字化技術(shù)是信息化的重要一極，正在不斷地加速融合生活、改變世界。所有企業(yè)都將化身為數(shù)字化公司，用數(shù)字化的創(chuàng)新理念來溝通和改善企業(yè)的內(nèi)、外部環(huán)境，改變整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和服務(wù)全程。利用具有經(jīng)濟(jì)性和有效性的數(shù)字化技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)管控產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，不再需要完全依賴實(shí)物來表征設(shè)計(jì)理念、依賴實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證可靠性、依賴實(shí)測來洞察趨勢發(fā)現(xiàn)問題。

教育要更好地服務(wù)于“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會(huì)”的戰(zhàn)略部署，順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代潮流和數(shù)字化革命趨勢，也必須具備充足的數(shù)字化能力，構(gòu)建“生態(tài)+智能+人本”的新的教育生態(tài)系統(tǒng)，[2]用信息技術(shù)推動(dòng)教育教學(xué)實(shí)現(xiàn)深刻變革，成為人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的源泉。

一、數(shù)字孿生的變革和機(jī)遇

數(shù)字孿生(Digital Twin)最初由美國密歇根大學(xué)Grieves教授提出，是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體虛擬模型，通過空間變換映射、虛實(shí)反饋交互、數(shù)據(jù)融合分析、檢測判斷評價(jià)、決策迭代優(yōu)化等手段，來全面、精準(zhǔn)、高效、智能地展示物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境、全生命周期的過程行為。[3]作為具有巨大顛覆性和快速突破性的技術(shù)，數(shù)字孿生也正從新興狀態(tài)變得影響更廣泛、更有深度，被Gartner公司列為戰(zhàn)略性技術(shù)。

數(shù)字孿生最早應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，在生產(chǎn)中發(fā)揮了很好的聯(lián)通物理和信息兩個(gè)世界的橋梁和紐帶作用。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生的形態(tài)和概念不斷擴(kuò)展，并逐步提升為多維動(dòng)態(tài)的管理模式和解決方案，同樣對教育也會(huì)帶來深刻的影響。

(一)虛擬空間的大數(shù)據(jù)障礙

可驗(yàn)證、可復(fù)現(xiàn)是檢驗(yàn)科學(xué)的重要標(biāo)志，也是教育科學(xué)能夠成為一門科學(xué)的基礎(chǔ)。教育服務(wù)人的成長進(jìn)步，是一個(gè)綜合化的復(fù)雜系統(tǒng)，即便是在特定教育領(lǐng)域，僅憑有限條件和要素獲取優(yōu)質(zhì)、可供研究、大樣本甚至是全樣本的數(shù)據(jù)，來進(jìn)行闡釋、甄選、判定，進(jìn)而總結(jié)固化為規(guī)律，都是相當(dāng)困難的。事實(shí)上，大數(shù)據(jù)還偏重結(jié)果統(tǒng)計(jì)，而不擅長因果探究，在缺乏認(rèn)知的領(lǐng)域和層次，無法有效開展實(shí)證數(shù)據(jù)模擬、教學(xué)方案測試評估。

教育研究推進(jìn)過程中，對于復(fù)雜系統(tǒng)、問題和對象，就必須以相對復(fù)雜方案、思維和手段處置。當(dāng)探究教育原理的因果關(guān)系尚不清晰的情況下，可以先將相關(guān)數(shù)據(jù)提取、記錄、保存下來，然后再進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，找到線索、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、把握趨勢，變換為可行、通用的做法。實(shí)際上，對于我們采集到的教與學(xué)、管理與服務(wù)等關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，以及師生的身體感應(yīng)、情緒變化、行為舉止等量化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，如果同步構(gòu)建一個(gè)孿生數(shù)字課堂，就有了新的實(shí)驗(yàn)空間和研究思路，使得學(xué)習(xí)在實(shí)際行為發(fā)生之前都可以被模擬，對于教學(xué)、管理和服務(wù)的效果、質(zhì)量、缺陷進(jìn)行定量和定性的預(yù)測、檢測和評測，并根據(jù)實(shí)際教學(xué)的發(fā)生情況進(jìn)行及時(shí)、動(dòng)態(tài)、靈活的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全新的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

(二)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)困境

物聯(lián)網(wǎng)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，成本的不斷下降，集成化、通用化應(yīng)用的不斷加強(qiáng)，已經(jīng)越來越深度地介入生產(chǎn)、消費(fèi)、生活和服務(wù)等諸多廣闊的領(lǐng)域。但是物聯(lián)網(wǎng)在組建復(fù)雜、交互的系統(tǒng)中，正面臨著難以逾越的困境，因?yàn)闊o法充分對不同系統(tǒng)組件或部件間的相互作用進(jìn)行清晰的分析和處理，無法充分應(yīng)用操作數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)來優(yōu)化業(yè)務(wù)模式，無法充分對整個(gè)生命周期的生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測，也無法充分利用人工智能來改善工作流程，調(diào)整工作狀態(tài)和資源分配，以滿足形式多樣的需求預(yù)期。

數(shù)字孿生可以對過往、當(dāng)前和未來某一工況進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，更適用于應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)問題或流程建模。如果物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)引入更多的數(shù)據(jù)變量，眾多層面持續(xù)、實(shí)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)都能得到重視和應(yīng)用，并通過數(shù)字化形式對某一實(shí)體或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，將會(huì)覆蓋全部教學(xué)環(huán)節(jié)，有效提升學(xué)習(xí)效率，使納入物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)的每一個(gè)元素，更富有活性和動(dòng)能，也將帶來更多的學(xué)習(xí)增量。[4]

(三)人工智能的新時(shí)代挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，人類將會(huì)步入具有人工心智“萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能”的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，同時(shí)步入一個(gè)掌握“數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用”趨勢的大數(shù)據(jù)時(shí)代。不管是哪個(gè)時(shí)代，都需要大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)定和建模。這樣就勢必要引入人工智能技術(shù)，才能使這個(gè)過程自動(dòng)化、專業(yè)化，最終進(jìn)入虛實(shí)結(jié)合的“數(shù)字意識(shí)世界”。

可以說，現(xiàn)代人是一個(gè)智慧兩合體，一種是基于生物性的，經(jīng)過長期的生命進(jìn)化，智商不斷累積，另外一種是基于機(jī)器的，通過自模擬、自學(xué)習(xí)而來，依托于較強(qiáng)的計(jì)算建模能力。對于生物智慧，可以通過傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境和條件，經(jīng)過個(gè)體的努力進(jìn)行培養(yǎng)和提高；而對于機(jī)器智慧，重點(diǎn)則是依靠功能日益強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，通過人工智能的關(guān)聯(lián)得以形成?？梢灶A(yù)測，當(dāng)學(xué)習(xí)個(gè)體轉(zhuǎn)換為數(shù)字鏡像之后，把基于實(shí)體物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境和流程方案，進(jìn)行虛擬的數(shù)字化表達(dá)，就能夠更好地被大數(shù)據(jù)所分析，被人工智能所優(yōu)化。

二、數(shù)字孿生技術(shù)的教育影響和應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)上多種場景的應(yīng)用和數(shù)據(jù)閉環(huán)的整合，破解了虛擬空間的大數(shù)據(jù)障礙；多場域的知識(shí)空間復(fù)現(xiàn)，消除了現(xiàn)實(shí)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)困境；多維可視、親和力強(qiáng)的具象節(jié)點(diǎn)特征，順應(yīng)了人工智能的新時(shí)代挑戰(zhàn)。[5]綜合來講，數(shù)字孿生技術(shù)對學(xué)習(xí)帶來的改變和應(yīng)用如表1所示：

表1數(shù)字孿生技術(shù)的教育影響和應(yīng)用一覽表

續(xù)表

三、基于數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以憑借其全周期、全要素、全空間、全數(shù)據(jù)的四個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境的深度融合，提升學(xué)習(xí)的全程適應(yīng)能力、教學(xué)組織能力、擾動(dòng)響應(yīng)能力和異常解決能力，革新數(shù)字化學(xué)習(xí)思維和價(jià)值觀念。

(一)全周期的學(xué)習(xí)行為

數(shù)字孿生能夠構(gòu)建一條完整的數(shù)字路徑，覆蓋整個(gè)學(xué)習(xí)周期。在這個(gè)過程中，廣泛應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，深度收集學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，從不同的學(xué)習(xí)維度，涵蓋學(xué)習(xí)需求設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)體驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐等全周期，這樣就摒除了片面性、周期性教學(xué)設(shè)計(jì)的弊端。具體可以分為三個(gè)階段:

1.更加個(gè)性的需求設(shè)計(jì)

教學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，定位于學(xué)習(xí)者個(gè)性化全周期需求，在數(shù)字孿生的協(xié)同作用下，精確捕捉和比對各種教與學(xué)的參數(shù)，在需求分析、概念遴選、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證等目標(biāo)指導(dǎo)下，以可視化的呈現(xiàn)方式，利用已有教學(xué)規(guī)律、教學(xué)實(shí)踐，通過可復(fù)現(xiàn)、可變構(gòu)、可變速的虛擬實(shí)驗(yàn)，不斷挖掘產(chǎn)生新穎、獨(dú)特、具有價(jià)值的學(xué)習(xí)概念和方法，提升不同外部環(huán)境和不同學(xué)習(xí)個(gè)體的學(xué)習(xí)績效，形成系統(tǒng)全面的教學(xué)計(jì)劃和方案，使學(xué)習(xí)行為與教學(xué)預(yù)期進(jìn)一步走向趨同。[6]

2.更加多變的學(xué)習(xí)體驗(yàn)

中間學(xué)習(xí)主體階段，基于數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在規(guī)劃與執(zhí)行之間形成柔性關(guān)聯(lián)的閉合循環(huán)環(huán)路，所有流程都可以充分校準(zhǔn)、回歸和調(diào)整。建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)和監(jiān)控策略，通過采集教學(xué)實(shí)時(shí)運(yùn)行、學(xué)習(xí)者量化和鏡像模擬的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)全程的可視化監(jiān)控，對異常情況作出及時(shí)響應(yīng)和處理，并能定位問題和矛盾所在，從而保持最優(yōu)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和目標(biāo)路徑。將學(xué)習(xí)者數(shù)字孿生鏡像同真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境配合，還可構(gòu)成一個(gè)高度協(xié)同、高度集成的系統(tǒng)，模擬變化為不同要求、參數(shù)和服務(wù)的場景，探索不同組合、更多配置和多元支持的可行性，實(shí)現(xiàn)更智能化引導(dǎo)的學(xué)習(xí)過程。

3.更加定制化的服務(wù)實(shí)踐

學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成之后，通常的教學(xué)及輔助系統(tǒng)就完成了預(yù)設(shè)目標(biāo)，學(xué)習(xí)過程就將結(jié)束。但是在后續(xù)學(xué)習(xí)階段，即知識(shí)應(yīng)用實(shí)踐階段，通過數(shù)字孿生，可以尋覓到一個(gè)“測試沙盒”，從中持續(xù)獲得學(xué)習(xí)體驗(yàn)和績效，構(gòu)建可追蹤、可回溯的反饋機(jī)制，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使用人工智能開展趨勢和績效評價(jià)，洞悉客觀真實(shí)的學(xué)習(xí)效果，然后為學(xué)習(xí)提供優(yōu)化方案和創(chuàng)意，并將改進(jìn)的教學(xué)支持交付給學(xué)習(xí)者，合理定制服務(wù)推送，開展后續(xù)學(xué)習(xí)補(bǔ)償，從而提升學(xué)習(xí)針對性和時(shí)效性，提升知識(shí)掌握黏度和技能應(yīng)用強(qiáng)度，縮短學(xué)習(xí)周期。

(二)全要素的互動(dòng)運(yùn)行

數(shù)字孿生至少需要數(shù)字模型、學(xué)習(xí)環(huán)境以及服務(wù)應(yīng)用三個(gè)要素才能保證順利運(yùn)行。滿足教學(xué)設(shè)計(jì)、管理服務(wù)、資源建設(shè)、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)的多維關(guān)聯(lián)模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的“心臟”，也是將構(gòu)想變成理論，由理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐的核心組件。復(fù)雜數(shù)字環(huán)境下孿生模型的仿真設(shè)計(jì)、虛實(shí)數(shù)據(jù)的交互融合、動(dòng)態(tài)應(yīng)用的推廣使用都是建立在全要素學(xué)習(xí)環(huán)境之上的，這也是數(shù)字孿生互動(dòng)運(yùn)行的“肌體”。服務(wù)應(yīng)用是數(shù)據(jù)孿生架構(gòu)搭建、技術(shù)應(yīng)用及開展數(shù)據(jù)交換的主體，發(fā)揮“動(dòng)脈”的作用。

1.多維關(guān)聯(lián)模型是引擎

數(shù)字孿生模型可以為學(xué)校構(gòu)建虛擬數(shù)字孿生課堂，為學(xué)習(xí)者構(gòu)建數(shù)字孿生畫像，為教師構(gòu)建數(shù)字孿生管理流程，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)記錄師生在學(xué)校內(nèi)的行為軌跡、情緒波動(dòng)，及時(shí)獲取課程參與、成績變化、學(xué)習(xí)評價(jià)等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，以及學(xué)生生活狀況等反饋數(shù)據(jù)，選擇合適的方案和辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類、篩選、提取，對師生學(xué)習(xí)、生活和工作變化等進(jìn)行智能化、模塊化、全面化的多維管理和分析，并配置功能合適、多樣的物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)設(shè)備保障教學(xué)開展，從而滿足碎片化、網(wǎng)絡(luò)化、移動(dòng)化學(xué)習(xí)需要。

2.虛實(shí)疊加環(huán)境是載體

真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境疊加作用，確保數(shù)字孿生的教學(xué)、管理、服務(wù)、監(jiān)控和保障系統(tǒng)等連為一個(gè)有機(jī)的整體，學(xué)習(xí)空間真實(shí)映射、實(shí)時(shí)交互、閉環(huán)控制，開展正常的學(xué)習(xí)活動(dòng)。數(shù)字孿生將由大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析“黑箱”，對因果關(guān)系分析和流程追蹤，轉(zhuǎn)變?yōu)楦黜?xiàng)教學(xué)環(huán)節(jié)、過程透明可辯，實(shí)現(xiàn)從量化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)到模擬學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的決策應(yīng)對和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的被動(dòng)服務(wù)、固定配置向自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)組合整體優(yōu)化，程序更加合理，組織愈加嚴(yán)密。

3.動(dòng)態(tài)服務(wù)應(yīng)用是橋梁

數(shù)字孿生應(yīng)用生成的智能應(yīng)用、精準(zhǔn)管理和可靠運(yùn)維等功能，都是以評估、控制、優(yōu)化等各類信息服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)和系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)、溝通和交互，保障智能學(xué)習(xí)運(yùn)行、精準(zhǔn)管控與可靠運(yùn)維服務(wù)。學(xué)習(xí)過程由實(shí)體學(xué)習(xí)工作流程向虛實(shí)結(jié)合的互動(dòng)學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變，構(gòu)建信息可見、過程可現(xiàn)、軌跡可循、狀態(tài)可查的學(xué)習(xí)融合系統(tǒng)。數(shù)字孿生體現(xiàn)了真實(shí)、虛擬和物聯(lián)網(wǎng)回饋的機(jī)制，服務(wù)系統(tǒng)是一種向?qū)W習(xí)者提供不同學(xué)習(xí)產(chǎn)品定制組合的價(jià)值提供系統(tǒng)，通過不同模塊組合的智能分析決策、快速服務(wù)配置和體驗(yàn)供給等，借助要素間的虛實(shí)同步，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置與融合。

(三)全空間的學(xué)習(xí)保障

孿生數(shù)據(jù)的信息物理融合必然要依托物理要素的智能感知與互聯(lián)，虛擬模型的構(gòu)建、連接和交互，以及應(yīng)用服務(wù)的生成和集合。這個(gè)過程貫穿于學(xué)習(xí)各個(gè)方面，是每個(gè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的根本，也是數(shù)字孿生落地應(yīng)用的基礎(chǔ)性保障。數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)空間，首先要完成空間的融合，其次要滿足個(gè)體的情境，第三要在孿生體之間發(fā)生很好的互動(dòng)。

1.融合化學(xué)習(xí)

數(shù)字孿生需要具備對真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境和虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境全面、綜合的描述能力，獨(dú)立、交叉的耦合能力。數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用超靈敏超精確行為識(shí)別技術(shù)，如視覺傳感、聽覺傳達(dá)、觸覺反饋、體感標(biāo)識(shí)技術(shù)等，形成全感知體驗(yàn)；應(yīng)用透明視頻、裸眼3D、全息投影等超高靈活性顯示技術(shù)，快速準(zhǔn)確進(jìn)行狀態(tài)表征；應(yīng)用AR/VR/MR等，實(shí)現(xiàn)虛擬助手輔助功能；應(yīng)用超低時(shí)延、超高速率交互、通信技術(shù)，可以保證完整充分的人機(jī)交互。融合化的學(xué)習(xí)，可以構(gòu)建更富有邏輯鏈、故事線和游戲化體驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使概念性和理論性的教學(xué)難點(diǎn)，通過碎片化、數(shù)字化的學(xué)習(xí)過程得以解決。

2.情境化學(xué)習(xí)

“時(shí)時(shí)、處處、人人”的教育體驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的是沒有圍墻的校園，隨后迭代升級的可能是沒有桌椅的數(shù)字孿生教室。數(shù)字孿生將促進(jìn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界在時(shí)空領(lǐng)域轉(zhuǎn)換為“體驗(yàn)場”和“生活區(qū)”，各種學(xué)習(xí)設(shè)備搭配靈活、使用更加廣泛，形成一個(gè)情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境，將促進(jìn)學(xué)習(xí)的良性互動(dòng)以及學(xué)習(xí)者的深度參與。單個(gè)的虛擬空間或者現(xiàn)實(shí)空間，都沒有兩者疊加起來帶來的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)更多，而且增加的學(xué)習(xí)活性和維度將幾何倍增。過往難以實(shí)踐的新興教學(xué)方法和策略將會(huì)有探索推行的可能，將激發(fā)更強(qiáng)的參與性、協(xié)作性和積極性，強(qiáng)化學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，固化學(xué)習(xí)目標(biāo)，優(yōu)化學(xué)習(xí)黏度，完成教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)創(chuàng)造。

3.互動(dòng)化學(xué)習(xí)

數(shù)字孿生營造下的真實(shí)和虛擬兩種環(huán)境、兩個(gè)個(gè)體、兩類信息，從傳統(tǒng)的一對一人機(jī)學(xué)習(xí)交互，轉(zhuǎn)變?yōu)槿臻g綜合聯(lián)動(dòng)，能夠直觀地顯示并改善學(xué)習(xí)策略和方法，主動(dòng)而有效地聚焦學(xué)習(xí)問題，挑戰(zhàn)原有假設(shè)，能夠綜合地考慮虛實(shí)共生問題，完成各種線性和非線性、時(shí)變和時(shí)不變等跨空間的各種映射，有效支持復(fù)雜學(xué)習(xí)全空間的定向引導(dǎo)、快速供給、智能服務(wù)、效應(yīng)分析。數(shù)字孿生也使教學(xué)管理適應(yīng)課堂內(nèi)外更加活躍、多元、開放的變化，學(xué)習(xí)者由被動(dòng)響應(yīng)提升到互動(dòng)需求。

(四)全數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)

數(shù)據(jù)孿生的學(xué)習(xí)方式由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)引導(dǎo)向?qū)\生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變；管理模式由層級控制向扁平化溝通轉(zhuǎn)變；服務(wù)類型由整體派發(fā)向人性化一站式定制轉(zhuǎn)變；數(shù)據(jù)來源由階段性、過程性、小樣本向全周期、實(shí)時(shí)化、集成化轉(zhuǎn)變；過程控制由粗放運(yùn)維向精確定位轉(zhuǎn)變；交互方式由離線更新向?qū)崟r(shí)傳遞轉(zhuǎn)變；調(diào)度要素由實(shí)體提取向虛實(shí)映射轉(zhuǎn)變；驗(yàn)證方式由個(gè)體抽樣向高逼真度虛擬驗(yàn)證轉(zhuǎn)變；響應(yīng)方式由被動(dòng)滿足向主動(dòng)應(yīng)對轉(zhuǎn)變。

1.大樣本互聯(lián)互通

孿生數(shù)據(jù)源于虛實(shí)空間、數(shù)字模型、應(yīng)用系統(tǒng)，產(chǎn)生于各部分和各流程，這些是數(shù)字孿生最核心的資源，沒有多元融合的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生就失去了運(yùn)維的基礎(chǔ)。孿生數(shù)據(jù)具體包括教學(xué)、管理、服務(wù)等過程性數(shù)據(jù)，教室、設(shè)備、資源等保障性數(shù)據(jù)，成績、影響、效果等評價(jià)性數(shù)據(jù)。要在數(shù)字孿生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)過程中，同步規(guī)劃硬件的開發(fā)設(shè)計(jì)，廣泛引入數(shù)據(jù)同步、模型建構(gòu)、信息轉(zhuǎn)換、識(shí)別和合成技術(shù)，提高模型計(jì)算、辨識(shí)和模擬能力，強(qiáng)化互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)設(shè)備對于學(xué)習(xí)的感官呼應(yīng)和支持保障，對創(chuàng)客空間甚至是情感計(jì)算、機(jī)器人學(xué)習(xí)等支持的互聯(lián)互通、動(dòng)態(tài)可視和深度對接。[7]

2.痕跡化動(dòng)態(tài)可視

數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)環(huán)境是疊加復(fù)雜的，含納各種傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測其環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，它通常由各種功能子系統(tǒng)間的協(xié)作完成特定任務(wù)。數(shù)據(jù)孿生的實(shí)體數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等，隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生而不斷交互更新。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的教育，必須以學(xué)習(xí)者和教學(xué)者需求分析為依據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型，標(biāo)定、記錄整個(gè)教學(xué)過程的線索和痕跡，通過孿生數(shù)據(jù)的融合與分析，最終實(shí)現(xiàn)各種精準(zhǔn)判斷，提供各種改進(jìn)建議。

3.主動(dòng)型邏輯驅(qū)動(dòng)

數(shù)字孿生的教學(xué)要按照一定的邏輯關(guān)系、教育規(guī)律和學(xué)習(xí)方法，在虛擬學(xué)習(xí)空間中構(gòu)建高保真度的虛擬模型及測試系統(tǒng)，在歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，借助數(shù)據(jù)傳輸、學(xué)習(xí)指令傳遞，搜集和使用完整、規(guī)范、精確的全樣本孿生數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)降維關(guān)聯(lián)、提煉預(yù)測、集聚挖掘、回溯發(fā)現(xiàn)和集成管理，實(shí)現(xiàn)真實(shí)學(xué)習(xí)個(gè)體和虛擬模型之間的多維度/多尺度/多參數(shù)的高逼真度仿真與交互，不僅直觀、全面地反映全數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)狀態(tài)，而且客觀、科學(xué)地支撐教學(xué)決策。當(dāng)然，數(shù)字孿生依賴個(gè)體信息數(shù)據(jù)的全面提取和開放共享，也會(huì)帶來一定的限定性約束，需要克服用戶體驗(yàn)同質(zhì)化和邊際效益遞減的難題，并剔除偽數(shù)據(jù)干擾。[8]

四、數(shù)字孿生技術(shù)的教育應(yīng)用的展望

未來教育的發(fā)展，機(jī)遇與挑戰(zhàn)更加突出。一方面，從學(xué)習(xí)環(huán)境來看，不再有地點(diǎn)的客觀局限和條件的前置要求，但是對于學(xué)習(xí)體驗(yàn)的要求更高了，對生活、工作的融合更深；另一方面，碎片化、個(gè)性化學(xué)習(xí)，為自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件，但是也為深度學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)制造了障礙?；跀?shù)字孿生的學(xué)習(xí)，溝通了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能之間的聯(lián)系，拓展了機(jī)器學(xué)習(xí)、量化分析、模擬實(shí)踐的渠道，能夠更加準(zhǔn)確、深度地聚焦教學(xué)目的，對于教育的影響也是多方面的。對于數(shù)字孿生的教育應(yīng)用，我們應(yīng)該關(guān)注以下方面：

(一)重設(shè)教學(xué)組織方式

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者，是數(shù)據(jù)分析的受益者，更是數(shù)據(jù)建議的采納者?；跀?shù)據(jù)孿生的教學(xué)組織，我們應(yīng)該應(yīng)用大數(shù)據(jù)思維，通過物聯(lián)網(wǎng)手段，廣泛應(yīng)用人工智能，從群體學(xué)習(xí)的規(guī)律總結(jié)，逐步回歸到面向個(gè)體的量身評估。制定適宜的教學(xué)策略實(shí)現(xiàn)可引導(dǎo)的學(xué)習(xí)；確定適宜的學(xué)習(xí)方法在技術(shù)層面給予干預(yù)和指導(dǎo)；設(shè)計(jì)適宜的教學(xué)路徑掌握學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律性趨勢；配置適宜的教學(xué)資源輔助學(xué)習(xí)提升活躍度和關(guān)注度。完善各種學(xué)習(xí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化，讓教學(xué)真正覆蓋到學(xué)習(xí)的全周期。

(二)重構(gòu)教育技術(shù)形態(tài)

數(shù)據(jù)孿生對數(shù)據(jù)模型、學(xué)習(xí)環(huán)境和服務(wù)應(yīng)用的要求，涉及到教育技術(shù)方面，要定位在具備更全面準(zhǔn)確的分析預(yù)測能力。要準(zhǔn)確把握全周期、全要素、全空間、全數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的規(guī)律和特點(diǎn)，提高全面、綜合、真實(shí)的描述能力，特別要對隱藏在表象下的問題提前進(jìn)行預(yù)判，克服過程反饋障礙和問題回歸桎梏。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)搭建、大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理和人工智能的建模，探究各種可行性和可能性，服務(wù)于教學(xué)全要素，必須要引入和拓展更多的技術(shù)種類和形態(tài)，為數(shù)字化學(xué)習(xí)提供更全面的決策支持。

(三)重筑教育覆蓋范圍

數(shù)字孿生通過各種數(shù)字化的手段和工具建立數(shù)字孿生鏡像，并借助大樣本庫的數(shù)據(jù)支持，通過人工智能指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)模型推演，就可以發(fā)現(xiàn)一些原本無法直接獲取和測量的指標(biāo)，形成可變構(gòu)、可轉(zhuǎn)移、可復(fù)制、可修改、可重現(xiàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)過程加深了對信息化環(huán)境下學(xué)習(xí)的了解，加速了對現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，可以讓此前受學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)要求等條件限制，必須依賴于學(xué)習(xí)者真實(shí)開展的教育探索、教學(xué)改革、學(xué)科研究、學(xué)習(xí)創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)所涉及的教學(xué)觀、成才觀、資源觀等同步進(jìn)階，轉(zhuǎn)化成更為融合化、情景化和互動(dòng)化的全空間學(xué)習(xí)。

(四)重組教學(xué)評價(jià)方式

經(jīng)驗(yàn)往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，因?yàn)椴豢赡芨F舉各種情況、搜集各種變量，另外對于推測演繹各種未知情況，也面臨著較高的試錯(cuò)成本和容錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)，所以經(jīng)驗(yàn)很難成為教育策略精準(zhǔn)辨別、判斷的唯一依據(jù)。數(shù)字孿生則可以通過數(shù)字化的關(guān)聯(lián)手段，以及超強(qiáng)的復(fù)制、轉(zhuǎn)化、異構(gòu)能力，讓經(jīng)驗(yàn)總結(jié)降低難度，發(fā)揮更大作用。經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化，所要求的實(shí)現(xiàn)方式不僅僅落實(shí)在結(jié)果，還應(yīng)包括干預(yù)過程，通過數(shù)據(jù)孿生不僅在教育大數(shù)據(jù)取樣的模式、渠道、范圍方面有更大的擴(kuò)展，還要讓模型在多維分析、多元評價(jià)方面有更大的突破，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)當(dāng)前泛在學(xué)習(xí)、智慧學(xué)習(xí)的要求。

五、結(jié)束語

在信息化2.0環(huán)境下，必須要實(shí)現(xiàn)深度融合模式的教學(xué)，引導(dǎo)和保障學(xué)習(xí)者，穿越虛實(shí)界墻，在物理與數(shù)字模型之間自由交互與徜徉。數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向虛擬空間數(shù)字化模型的反饋，基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類人工智能的教學(xué)應(yīng)用，可以賦予學(xué)習(xí)者全新的夢想視角和學(xué)習(xí)動(dòng)力，發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)設(shè)無限的學(xué)習(xí)的可能性。