數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的研究進(jìn)展與思考

劉冠群 周偉 趙瑞軍

摘 要：圍繞數(shù)字孿生如何助力教育，國(guó)內(nèi)外開展了多樣化的實(shí)踐探索。為總結(jié)數(shù)字孿生技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)及演變趨勢(shì)，采用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法，對(duì)國(guó)內(nèi)外近5年的51篇論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生教育應(yīng)用的研究對(duì)象多元，高等教育領(lǐng)域是熱點(diǎn)；研究類型以非實(shí)驗(yàn)研究為主，探索性研究居多；正式教育學(xué)習(xí)場(chǎng)景最普遍，聚焦工程類學(xué)科；應(yīng)用場(chǎng)景單一，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)研究稀缺；理論模型占較大比例，需求導(dǎo)向的系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)較少?；诖?，提出3點(diǎn)建議：探索數(shù)字孿生在基礎(chǔ)教育不同場(chǎng)景的應(yīng)用、關(guān)注數(shù)字孿生教育應(yīng)用水平及效果評(píng)估、重視孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述；教育元宇宙；教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型

中圖分類號(hào)：G4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-0069（2023）02-0026-07

引言

數(shù)字化技術(shù)是教育信息化的重要支撐，是實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)深刻變革、促進(jìn)人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的重要保障。2021年11月，上海市教委出臺(tái)《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案（2021—2023）》，指出要深度融合數(shù)字技術(shù)，形成數(shù)字治理體系與機(jī)制[1]。數(shù)字孿生指通過(guò)數(shù)字化的方式創(chuàng)建實(shí)體的虛擬模型，并對(duì)物理實(shí)體的空間和時(shí)間維度進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)和動(dòng)態(tài)表征。由于具有虛實(shí)共生、實(shí)時(shí)交互、高保真性、可拓展性、深度洞見(jiàn)等特征，數(shù)字孿生儼然成為多個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。近年，數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于教育領(lǐng)域，為教育教學(xué)方式的變革注入了新的活力，也為未來(lái)智慧教育空間、形態(tài)和模式的重構(gòu)提供了新的內(nèi)涵、圖景和空間。

圍繞數(shù)字孿生如何助力教育，國(guó)內(nèi)外開展了多樣化的探索，包括理論研究、技術(shù)開發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用，相關(guān)成果涉及數(shù)字孿生智慧校園、數(shù)字孿生輔助教學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字孿生體等[2-3]，然而，這些研究隸屬不同研究類型，涉及不同的對(duì)象、方法與場(chǎng)景，無(wú)法體現(xiàn)不同教育情境的特點(diǎn)。李海峰等人[4]采用案例分析法，對(duì)美國(guó)、瑞士和芬蘭數(shù)字孿生教育應(yīng)用案例進(jìn)行了剖析，但分析對(duì)象主要選取了3所大學(xué)的典型研究成果，缺乏系統(tǒng)性的文獻(xiàn)述評(píng)。此外，作為從航空工業(yè)領(lǐng)域遷移而來(lái)的概念，數(shù)字孿生在教育教學(xué)方面的研究存在很多不足，諸如數(shù)字孿生教育應(yīng)用缺乏、應(yīng)用程度不高、缺少規(guī)范化的應(yīng)用流程與模式等，這在很大程度上限制了數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的拓展與深度實(shí)踐。

因此，本研究聚焦數(shù)字孿生技術(shù)與教育領(lǐng)域，旨在對(duì)國(guó)內(nèi)外近5年數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)行梳理，探究數(shù)字孿生技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)及演變趨勢(shì)，分析數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及不足，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)程。

一、數(shù)字孿生的概念發(fā)展及其教育價(jià)值

（一）數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的概念辨析

數(shù)字孿生起源于傳統(tǒng)仿真。仿真是對(duì)物理世界的抽象描述，是將包含了確定性規(guī)律的數(shù)學(xué)、物理或計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)化為仿真軟件，并通過(guò)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)和環(huán)境信息來(lái)模擬真實(shí)世界的方式，不具備分析和優(yōu)化物理實(shí)體的功能。數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，其主要思想是數(shù)字模型和物聯(lián)網(wǎng)的融合與互通，強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)時(shí)采集與分析，預(yù)測(cè)與優(yōu)化物理對(duì)象的行為。數(shù)字孿生以仿真為本，又遠(yuǎn)高于仿真，其區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。虛擬仿真模型是靜態(tài)的，其改變與發(fā)展依賴設(shè)計(jì)者對(duì)外部元素的引入，而數(shù)字孿生中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的引入為孿生模型提供了更主動(dòng)的模擬。（2）可能性與真實(shí)性。虛擬仿真體現(xiàn)物理世界可能發(fā)生情形，而數(shù)字孿生則描述現(xiàn)實(shí)世界特定現(xiàn)象并提供真實(shí)反饋。（3）數(shù)據(jù)基數(shù)與數(shù)據(jù)運(yùn)用能力。數(shù)字孿生充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)作為底層支撐技術(shù)，通過(guò)科學(xué)部署的大量傳感器收集物理世界的各類數(shù)據(jù)，構(gòu)成建立數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源池，其數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)仿真所需數(shù)據(jù)。此外，數(shù)字孿生通過(guò)高性能協(xié)同計(jì)算、深度學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)形成強(qiáng)大算力，其計(jì)算量和計(jì)算能力也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)仿真。

（二）數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

“孿生”的概念最早可追溯到美國(guó)航空航天局，后來(lái)廣泛出現(xiàn)在工業(yè)、金融、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，由于其能通過(guò)虛擬孿生體實(shí)現(xiàn)對(duì)物體實(shí)體的驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)行維護(hù)和管理優(yōu)化，逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域所青睞的多維動(dòng)態(tài)管理模式和解決方案。在我國(guó)，2020年國(guó)家發(fā)改委和中央網(wǎng)信辦發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng) 培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，正式將數(shù)字孿生技術(shù)納入國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展體系；同年，中國(guó)工業(yè)4.0研究院牽頭發(fā)起成立“數(shù)字孿生體聯(lián)盟”（Digital Twin Consortium，簡(jiǎn)稱DTC），成為全球第一個(gè)數(shù)字孿生行業(yè)組織。2020年11月，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書（2020版）》，對(duì)智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑和智慧健康等6個(gè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生應(yīng)用案例進(jìn)行了闡述，為數(shù)字孿生應(yīng)用的推進(jìn)提供了可參考的方向；2022年1月，中國(guó)信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市優(yōu)秀案例匯編（2021年）》遴選呈現(xiàn)了54個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用案例，涵蓋園區(qū)綜合治理、一網(wǎng)統(tǒng)管、安全應(yīng)急、文體旅游、學(xué)校場(chǎng)景等，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了有力借鑒。可見(jiàn)，數(shù)字孿生成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的重要抓手已成共識(shí)，從“數(shù)字孿生是個(gè)無(wú)人區(qū)”到開展“數(shù)字孿生的中國(guó)實(shí)踐”，我國(guó)數(shù)字孿生正在各個(gè)領(lǐng)域加速落地。

（三）數(shù)字孿生賦能未來(lái)教育

數(shù)字孿生破解了虛擬空間的大數(shù)據(jù)障礙，消除了現(xiàn)實(shí)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)困境，實(shí)現(xiàn)了物理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)向賽博虛擬空間數(shù)字化模型的反饋，允許學(xué)習(xí)者穿越虛實(shí)界墻，在物理和數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境下自主地交互，為虛實(shí)融合、數(shù)據(jù)賦能的泛在智慧教育提供了新的愿景與方向[5]。數(shù)字孿生融入教學(xué)，將促進(jìn)學(xué)習(xí)場(chǎng)所形態(tài)、學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)方式、師生交互形式以及學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式的演變。已有研究對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于未來(lái)教育和學(xué)習(xí)的特征、場(chǎng)景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討，并指出數(shù)字孿生技術(shù)在優(yōu)化教學(xué)過(guò)程、提供優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、觸發(fā)創(chuàng)新靈感與參與積極性等方面具有重要作用[6-7]。例如，張喜艷等人[8]從教育主體視角出發(fā)，論述了數(shù)字孿生作為教師的智能助手、專屬的學(xué)情分析師及真正的智慧學(xué)伴，在提供精準(zhǔn)有價(jià)值的學(xué)情分析、多元個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑及激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力等方面的優(yōu)勢(shì)。褚樂(lè)陽(yáng)等人[6]從微觀、中觀及宏觀層面，闡述了數(shù)字孿生對(duì)學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)活動(dòng)的泛在影響，并描繪了數(shù)字孿生教育領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景：教學(xué)設(shè)施管理、校園能耗管理、職業(yè)教育訓(xùn)練、可視化探究過(guò)程、教學(xué)動(dòng)態(tài)評(píng)估、場(chǎng)館學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生全息課堂等。張枝實(shí)[9]則聚焦數(shù)字孿生賦能未來(lái)教育，從學(xué)習(xí)評(píng)估、學(xué)習(xí)分級(jí)、學(xué)習(xí)遷移以及學(xué)習(xí)外延維度，指出了數(shù)字孿生在重塑教學(xué)組織方式、重構(gòu)教育技術(shù)形態(tài)、重筑教育覆蓋范圍、重組教學(xué)評(píng)價(jià)方式等方面的重要價(jià)值。

二、研究設(shè)計(jì)

（一）分析框架

作為一個(gè)嶄新的技術(shù)概念，數(shù)字孿生遷移至教育領(lǐng)域具有特定的路徑，對(duì)這個(gè)過(guò)程的分析有助于明確技術(shù)與教育的融通整合現(xiàn)態(tài)，加速數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)程。近20年來(lái)，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并逐漸被應(yīng)用于教育教學(xué)活動(dòng)，創(chuàng)新推動(dòng)了教育形態(tài)的變革與發(fā)展。為深入探析教育技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，及時(shí)把握技術(shù)驅(qū)動(dòng)教育變革的趨勢(shì)和規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開了相應(yīng)的研究與探討。例如，龔禮林等人[10]從研究主題、研究情境、研究方法和研究結(jié)果維度探究了機(jī)器人教育在課堂教學(xué)類型、學(xué)段分布、樣本數(shù)量、實(shí)驗(yàn)周期、機(jī)器人類型、數(shù)據(jù)收集方法、作用效果等層面的研究進(jìn)展。羅恒等人[11]從研究情境、技術(shù)特性、教學(xué)設(shè)計(jì)、效果評(píng)價(jià)角度出發(fā)，梳理歸納了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育階段的研究類型、實(shí)施學(xué)段、數(shù)據(jù)收集方式、硬件設(shè)備、功能特點(diǎn)、教學(xué)策略、評(píng)價(jià)方法等方面的現(xiàn)狀與特點(diǎn)。因此，本研究構(gòu)建了數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的研究分析框架，如圖1所示，以期對(duì)2017年以來(lái)數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)加以梳理分析，呈現(xiàn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域研究中的整體樣貌圖景。本研究框架包括研究情境和應(yīng)用情況兩個(gè)維度。其中，研究情境包括研究類型、研究對(duì)象、教學(xué)形態(tài)三個(gè)方面；應(yīng)用情況從應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)踐成果兩個(gè)方面進(jìn)行梳理，以反映數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的實(shí)施與效果。

（二）研究方法

基于前文構(gòu)建的分析框架，研究將采用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法，對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生教育領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述以研究問(wèn)題為核心，旨在尋找對(duì)研究問(wèn)題最具價(jià)值的文獻(xiàn)，并通過(guò)對(duì)這些系統(tǒng)研究文獻(xiàn)的理論整合來(lái)獲得對(duì)問(wèn)題的綜合性洞見(jiàn)。相較于傳統(tǒng)的文獻(xiàn)研究，系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)的知識(shí)觀、規(guī)范化的文獻(xiàn)檢索與分析流程，具有標(biāo)準(zhǔn)化、創(chuàng)新性和親和性等優(yōu)勢(shì)，能夠揭示數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的發(fā)展特征以及應(yīng)用現(xiàn)狀，深度解釋數(shù)字孿生技術(shù)如何支持教育教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。研究步驟主要包括檢索與評(píng)估文獻(xiàn)、抽取與整合數(shù)據(jù)等。

1．檢索與評(píng)估文獻(xiàn)

為有效獲取國(guó)內(nèi)外近5年數(shù)字孿生教育領(lǐng)域的高質(zhì)量研究文獻(xiàn)，本研究以中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)（CNKI）、Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)、Elsevier數(shù)據(jù)庫(kù)、SpringerLink數(shù)據(jù)庫(kù)為文獻(xiàn)來(lái)源庫(kù)，搜索形式為“主題”，日期限定為2017年1月1日至2022年4月24日。中文數(shù)據(jù)庫(kù)檢索語(yǔ)句有兩組：第一組為“數(shù)字孿生”，第二組為“教學(xué)”“教育”“課堂”等與教育情境相關(guān)的詞語(yǔ)，兩組為“并且”關(guān)系，共獲得153篇文獻(xiàn)；外文數(shù)據(jù)庫(kù)以“Digital Twin & education（數(shù)字孿生&教育）”“Digital Twin & class（數(shù)字孿生&課堂）”等為關(guān)鍵詞，共獲得182篇文獻(xiàn)。

對(duì)文獻(xiàn)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估是系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述法的關(guān)鍵一環(huán)，可通過(guò)制定納入/排除標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。為保證文獻(xiàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，基于研究問(wèn)題，本研究制定出了5條文獻(xiàn)納入/排除標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，本研究對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行了篩選，最終確定51篇文獻(xiàn)。其中中文文獻(xiàn)36篇，外文文獻(xiàn)15篇。篩選過(guò)程如圖2（見(jiàn)下頁(yè)）所示。

2. 抽取與整合數(shù)據(jù)

為從納入的文獻(xiàn)中抽取關(guān)鍵性信息，本研究編制了文獻(xiàn)信息抽取單，主要包括以下幾個(gè)層面：（1）文獻(xiàn)基本信息，包括作者、國(guó)家、發(fā)表年份、來(lái)源期刊；（2）研究情境，包括研究對(duì)象（基礎(chǔ)教育、高等教育）、研究類型（實(shí)驗(yàn)研究、非實(shí)驗(yàn)研究）、教學(xué)形態(tài)（正式教育、非正式教育、正式與非正式教育融合）；（3）應(yīng)用情況，包括應(yīng)用場(chǎng)景（教學(xué)、評(píng)價(jià)、管理）、實(shí)踐成果（開發(fā)系統(tǒng)、構(gòu)建模型、實(shí)踐應(yīng)用）。

三、研究結(jié)果

（一）整體趨勢(shì)

從發(fā)表時(shí)間來(lái)看，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域應(yīng)用研究呈逐年遞增趨勢(shì)（見(jiàn)圖3），尤其是近兩年的文獻(xiàn)數(shù)量突增，表明數(shù)字孿生持續(xù)受到教育界的關(guān)注；從文獻(xiàn)來(lái)源看，51篇論文發(fā)表在40種不同的期刊或會(huì)議上，其中，國(guó)內(nèi)期刊發(fā)表數(shù)量前四的期刊分別是《遠(yuǎn)程教育雜志》《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》《高等工程教育》《現(xiàn)代教育技術(shù)》，國(guó)外期刊則以《國(guó)際在線工程雜志》（International Journal of Online Engineering）居多。

（二）研究情境

從教育階段來(lái)看（見(jiàn)圖4），國(guó)內(nèi)外近5年數(shù)字孿生教育應(yīng)用研究中，31篇在高等教育階段開展（60.8%），13篇在基礎(chǔ)教育階段開展（25.5%），7篇在職業(yè)教育階段開展（13.7%）。可見(jiàn)，高等教育是數(shù)字孿生教育應(yīng)用的主要場(chǎng)所，其原因可能是作為從工業(yè)領(lǐng)域遷移而來(lái)的概念，高等教育的工科（如制造業(yè)、建造業(yè)等）對(duì)其適應(yīng)性更強(qiáng)；且數(shù)字孿生產(chǎn)品的應(yīng)用需要較為系統(tǒng)的軟硬件及設(shè)備，基礎(chǔ)教育階段（尤其是義務(wù)教育階段）的教學(xué)環(huán)境不足以支撐相應(yīng)的活動(dòng)開展。

從研究類型來(lái)看（見(jiàn)下頁(yè)圖5），實(shí)驗(yàn)研究有9篇（17.6%），非實(shí)驗(yàn)研究有42篇（82.4%）。其中，實(shí)驗(yàn)研究主要通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)、多階段對(duì)比等方法開展，并利用問(wèn)卷調(diào)查、成績(jī)測(cè)評(píng)等方式評(píng)估數(shù)字孿生教育應(yīng)用實(shí)踐效果。例如，李海峰等人[12]采用準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)前后測(cè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)字孿生的教學(xué)能夠有效提高學(xué)習(xí)者的自我效能感、合作學(xué)習(xí)傾向、學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)成績(jī)，且學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷更小。非實(shí)驗(yàn)研究則主要是結(jié)合某一特定的主題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字孿生教學(xué)模式或開展相應(yīng)的案例實(shí)踐，但沒(méi)有量化數(shù)據(jù)分析過(guò)程。在當(dāng)前的數(shù)字孿生教育應(yīng)用中，這類研究占據(jù)較大比例，說(shuō)明當(dāng)前數(shù)字孿生教育應(yīng)用尚處于理論探索階段，結(jié)合具體的情境研發(fā)相應(yīng)的平臺(tái)或工具，并開展實(shí)證研究是未來(lái)重點(diǎn)與趨勢(shì)。

從教學(xué)形態(tài)來(lái)看（見(jiàn)圖6），正式教育有39篇（76.5%）、非正式教育有5篇（9.8%）、正式與非正式教育融合有7篇（13.7%）。在正式教育的文獻(xiàn)研究中，主要涉及智能制造業(yè)、智能建造業(yè)（如船舶）等工程課教學(xué)，以及英語(yǔ)課、體育課等基礎(chǔ)教育課程；非正式教育則是以場(chǎng)館學(xué)習(xí)、孿生圖書館等非正式學(xué)習(xí)場(chǎng)景為載體，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字孿生融合模式。例如，王小根等人[13]將數(shù)字孿生技術(shù)引入場(chǎng)館教學(xué)中，具體闡述了孿生場(chǎng)館的概念，指出孿生場(chǎng)館在數(shù)字化保護(hù)與館藏資源傳播、沉浸式檢索與場(chǎng)館知識(shí)體驗(yàn)、場(chǎng)館實(shí)時(shí)監(jiān)控與評(píng)估、智能化控制等方面的優(yōu)勢(shì)，并詳細(xì)介紹了孿生場(chǎng)館的模型和架構(gòu)。此外，也有研究將正式教育與非正式教育相融合，探索基于數(shù)字孿生的智慧學(xué)習(xí)空間在課堂、住所、娛樂(lè)場(chǎng)地等環(huán)境中的應(yīng)用[14]。

（三）應(yīng)用情況

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看（見(jiàn)圖7），46篇文章關(guān)注課堂教學(xué)（90.2%），5篇關(guān)注教學(xué)管理（9.8%）?？梢?jiàn)，當(dāng)前數(shù)字孿生教育應(yīng)用仍聚焦于教學(xué)層面；且在51篇文獻(xiàn)中沒(méi)有評(píng)價(jià)研究，說(shuō)明數(shù)字孿生應(yīng)用于學(xué)生評(píng)價(jià)方面的潛力還有待深入挖掘。

從實(shí)踐成果來(lái)看（見(jiàn)圖8），26篇文章的研究成果為構(gòu)建模型（51%），5篇文章的研究成果為開發(fā)系統(tǒng)（9.8%），20篇文章的研究成果為開展實(shí)踐應(yīng)用（39.2%）?？梢?jiàn)，當(dāng)前數(shù)字孿生教育應(yīng)用研究處于“苗頭正猛”狀態(tài)，其在教育領(lǐng)域的潛力使得諸多學(xué)者關(guān)注相關(guān)的數(shù)字孿生教學(xué)模式構(gòu)建，并逐步開展相應(yīng)的實(shí)踐應(yīng)用。

四、總結(jié)與啟示

本研究利用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法，篩選國(guó)內(nèi)外近五年數(shù)字孿生教育領(lǐng)域的51篇文獻(xiàn)，從研究類型、研究對(duì)象、教學(xué)形態(tài)、應(yīng)用場(chǎng)景、實(shí)踐成果等方面對(duì)數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究發(fā)現(xiàn)：（1）數(shù)字孿生教育應(yīng)用的研究對(duì)象多元，高等教育領(lǐng)域是熱點(diǎn)；（2）研究類型以非實(shí)驗(yàn)研究為主，探索性研究居多；（3）正式教育學(xué)習(xí)場(chǎng)景最普遍，聚焦工程類學(xué)科；（4）應(yīng)用場(chǎng)景單一，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)研究稀缺；（5）理論模型（應(yīng)用模式）占較大比例，需求導(dǎo)向的系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)較少?；谏鲜鼋Y(jié)論，本研究提出以下建議。

（一）探索數(shù)字孿生在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域不同場(chǎng)景的應(yīng)用

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)廣泛應(yīng)用于高等教育的工程類課程學(xué)習(xí)。隨著技術(shù)的發(fā)展、教與學(xué)需求的攀升，數(shù)字孿生技術(shù)支持的教育教學(xué)應(yīng)用逐漸得到越來(lái)越多基礎(chǔ)教育研究者的關(guān)注。朱珂等人[14]對(duì)數(shù)字孿生賦能下的全息課堂構(gòu)建進(jìn)行了探索，指出數(shù)字孿生技術(shù)支持下的全息課堂將打破現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件的限制，拓寬資源獲取途徑，具有變革與強(qiáng)化教學(xué)、深化具身認(rèn)知、拓寬學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等功能。在地理教學(xué)中，教師可以將地球或太陽(yáng)的數(shù)字地形孿生體直觀展示給學(xué)生，并在此基礎(chǔ)上呈現(xiàn)不同季節(jié)、氣候的場(chǎng)景；在歷史教學(xué)中，教師可以構(gòu)建紅軍長(zhǎng)征的可視化孿生場(chǎng)景，促進(jìn)學(xué)生的記憶與理解。總之，數(shù)字孿生在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域（尤其是主學(xué)科）具有蓬勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)，未來(lái)數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用可以更多關(guān)注基礎(chǔ)教育階段，探索數(shù)字孿生技術(shù)深度融合的各類教育教學(xué)應(yīng)用與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)[15]。

（二）關(guān)注數(shù)字孿生教育應(yīng)用水平及效果評(píng)估

隨著數(shù)字孿生逐漸從理論研究邁向?qū)嵺`落地，實(shí)際應(yīng)用對(duì)數(shù)字孿生模型的質(zhì)量、性能、適用性和共生性等方面都提出了更高的要求，如何深入推廣和應(yīng)用數(shù)字孿生成為一大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，數(shù)字孿生教育應(yīng)用大多停留在現(xiàn)狀孿生階段，缺乏對(duì)孿生水平的具體詳細(xì)劃分。同時(shí)，當(dāng)前數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用以非實(shí)驗(yàn)研究為主，缺少對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用效果恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估。因此，未來(lái)研究可以關(guān)注兩個(gè)方面：一方面，可以研發(fā)數(shù)字孿生教育應(yīng)用水平層級(jí)框架，提高對(duì)學(xué)習(xí)孿生場(chǎng)景的具體階段的認(rèn)識(shí)，鞏固并促進(jìn)實(shí)踐的可持續(xù)性；另一方面，可以將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于具體的教學(xué)場(chǎng)景，采用實(shí)驗(yàn)或準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法探究數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)績(jī)效、學(xué)生自我效能感、創(chuàng)造性思維等高階思維的具體影響。

（三）重視孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

在教育信息化2.0時(shí)代，傳統(tǒng)的教育教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制已逐步轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)力，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字孿生學(xué)習(xí)體具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)感知能力，能夠全方位地采集、處理、分析學(xué)習(xí)者的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并為學(xué)習(xí)者提供精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)過(guò)程分析與學(xué)習(xí)內(nèi)容推送[16]。通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用大多是借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)日常難以獲得的教學(xué)環(huán)境的直觀體驗(yàn)，缺乏對(duì)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)這一關(guān)鍵場(chǎng)景的深層次應(yīng)用與分析。因此，數(shù)字孿生教育領(lǐng)域應(yīng)用需關(guān)注孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析與評(píng)價(jià)，通過(guò)可穿戴設(shè)備、自適應(yīng)、情感計(jì)算等各種方式，收集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)、行為及生理等多模態(tài)數(shù)據(jù)，開展個(gè)性化、多維度的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，并基于歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)全周期過(guò)程的模擬、驗(yàn)證和預(yù)測(cè)。

基金項(xiàng)目：浙江省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃年度課題“基于場(chǎng)所感的虛擬學(xué)習(xí)空間構(gòu)建”（23NDJC239YB）

作者簡(jiǎn)介：劉冠群（1997 — ），女，湖南婁底人，中學(xué)初級(jí)教師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教學(xué)、教育信息化等；周偉（1978 — ），男，上海青浦人，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向?yàn)閰^(qū)域教育信息化、教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用等；趙瑞軍（1980— ），男，河北邯鄲人，副教授，研究方向?yàn)樾畔⒒瘜W(xué)習(xí)環(huán)境。

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（責(zé)任編輯 孫興麗）

Abstract： Diverse practical explorations have been carried out at home and abroad on how digital twin can help education. In order to summarize the application characteristics and trends of digital twin technology in education and teaching， this article adopts a systematic literature review method to analyze 51 papers from the past five years at home and abroad. It is found that the research objects of digital twin education applications are diverse with the higher education sector being the hotspot; the type of research is mainly non-experimental with a predominance of exploratory research; formal education learning scenarios are the most prevalent， most of which are from engineering disciplines; the application scenarios are single， and learning evaluation research is scarce; the theoretical models account for a large proportion， and demand-led system platforms are less developed. Based on the results of the review， this article puts forward three recommendations： exploring the application of digital twin in different scenarios of basic education， focusing on the level of application and evaluation of the effectiveness of digital twin in education， and paying attention to the research of twin data-driven learning evaluation.

Key words： Digital twin; Systematic literature review; Education metaverse; Digital transformation of education