基于數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目化課程教學(xué)模式研究

○李元源 王影星 王麗麗

一、前言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，譬如仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等。《中國教育現(xiàn)代化2035》提出“建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)”，明確了教學(xué)信息化改革為我國教育改革的重要方向。

目前，我國信息化教學(xué)已取得了長足的發(fā)展，但是仍存在諸多痛點(diǎn)和難點(diǎn)亟待解決。比如：在線教學(xué)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力良莠不齊，教學(xué)效果難以控制；信息技術(shù)發(fā)展太快，使教師的信息化素養(yǎng)滯后于技術(shù)發(fā)展，特別是習(xí)慣傳統(tǒng)教學(xué)手段的老教師；信息化教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)計(jì)缺乏針對性，難以和學(xué)生個(gè)體實(shí)際學(xué)情精準(zhǔn)匹配。

與此同時(shí)，隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)的突破發(fā)展，使“數(shù)字孿生（Digital Twin）”成為工業(yè)4.0時(shí)代的關(guān)鍵核心技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、建模分析和提供決策建議等功能，對于探究個(gè)性化教學(xué)、服務(wù)教學(xué)管理和創(chuàng)建智慧學(xué)習(xí)空間提供了可能。

二、數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

2010年，NASA首次將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于月球車與戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中，同時(shí)提出數(shù)字孿生為一個(gè)集成多物理、多概率、多尺度的系統(tǒng)或仿真過程，利用最優(yōu)物理模型、數(shù)據(jù)信息來真實(shí)反映物理實(shí)體在全生命周期內(nèi)的狀態(tài)［1］。其中，數(shù)字孿生體是指特定的數(shù)據(jù)閉環(huán)中創(chuàng)建與物理實(shí)體相對應(yīng)的動(dòng)態(tài)高仿真數(shù)字模型。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在航空工業(yè)中的不斷應(yīng)用，諸多工業(yè)巨頭紛紛加入數(shù)字孿生技術(shù)研究的隊(duì)伍中。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)4.0中的關(guān)鍵核心技術(shù)。

數(shù)字孿生具有高保真性、高實(shí)時(shí)交互、高虛擬仿真、虛實(shí)共生和深度洞見等特征。高保真性是指數(shù)字孿生體對物理實(shí)體的精確、實(shí)時(shí)的數(shù)字化塑造。虛實(shí)共生是指數(shù)字孿生體與物理實(shí)體能夠完成數(shù)據(jù)的雙向自流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的完美融合。深度洞見是指數(shù)字孿生的虛擬實(shí)體根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)收集、分析采集的數(shù)據(jù)，不斷地進(jìn)行自我學(xué)習(xí)迭代，為決策者提供不同情境的深度洞見。

數(shù)字孿生對象不僅可以是人物、物體和事件，也可以是復(fù)雜的城市和世界。目前，數(shù)字孿生的發(fā)展方向主要有兩個(gè)：一是構(gòu)建面向個(gè)體的虛擬化身，滿足個(gè)人的個(gè)性化發(fā)展，二是構(gòu)建鏡像城市，實(shí)現(xiàn)智慧城市管理［2］。

三、數(shù)字孿生技術(shù)的教育應(yīng)用

（一）數(shù)字孿生教育研究案例

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展既為教育方式提供了新的改革方向，也為構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)空間和智慧校園提供了技術(shù)支持。當(dāng)前，國內(nèi)外對數(shù)字孿生教育應(yīng)用研究主要分為理論研究和實(shí)踐應(yīng)用，具體如表1所示。

表1 數(shù)字孿生教育應(yīng)用研究

（二）數(shù)字孿生教育應(yīng)用框架

數(shù)字孿生綜合運(yùn)用通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)，通過傳感器、移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)等收集學(xué)習(xí)者、物理實(shí)體的相關(guān)有效數(shù)據(jù)，然后通過仿真模擬構(gòu)建學(xué)習(xí)者的數(shù)字孿生體，對物理的實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行仿真建模，形成虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)空間。最后，通過多維互動(dòng)完成教育教學(xué)的動(dòng)態(tài)寫實(shí)（模擬、鏡像、擬實(shí)）、集成、決策（協(xié)調(diào)）、監(jiān)督和輔助決策［4］。具體框架圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生教育應(yīng)用框架

（三）數(shù)字孿生教育應(yīng)用領(lǐng)域

1.構(gòu)建數(shù)字孿生工廠，助力職業(yè)教育。通過構(gòu)建高保真的數(shù)字孿生工廠，能夠使學(xué)習(xí)者在深度虛實(shí)融合的數(shù)字工廠中完成技能的演練與知識(shí)的內(nèi)化，保證了在距離、成本條件限制下學(xué)習(xí)者操作實(shí)踐的多樣性和復(fù)雜性，同時(shí)也確保了學(xué)習(xí)者的人身安全，提高了容錯(cuò)性。

2.構(gòu)建學(xué)習(xí)者畫像，深度洞見學(xué)習(xí)趨勢?；谖锢韺拥膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建學(xué)習(xí)者畫像，結(jié)合已有知識(shí)庫和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，分析預(yù)測學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)趨勢并反饋個(gè)性化改進(jìn)策略。同時(shí)也可以在虛擬教學(xué)環(huán)境中構(gòu)建教學(xué)人員的數(shù)字孿生體，驗(yàn)證教學(xué)活動(dòng)的適用性。

3.高仿真歷史文化場景，助力人文教育。數(shù)字孿生不僅可以作為可視化工具再現(xiàn)歷史文化情況，而且能夠結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，幫助歷史文化遺產(chǎn)的修復(fù)和還原工作。

4.構(gòu)建智慧課堂和數(shù)字校園，提升學(xué)習(xí)和管理效率?；跀?shù)字孿生構(gòu)建智慧課堂能夠?qū)崿F(xiàn)跨區(qū)域遠(yuǎn)程操作、虛實(shí)共生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、沉浸式交流互動(dòng)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，同時(shí)以校園內(nèi)的教學(xué)儀器、學(xué)生宿舍、實(shí)訓(xùn)設(shè)備等為對象創(chuàng)建數(shù)字孿生體，采集監(jiān)控探頭、校園網(wǎng)、水電能耗能數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬數(shù)字校園，降低校園的管理成本，提高資源配置效率。

四、基于數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目化課程教學(xué)模式設(shè)計(jì)

項(xiàng)目化教學(xué)是“以項(xiàng)目為載體、以典型職業(yè)工作任務(wù)為核心、學(xué)生為主體、教師輔助引導(dǎo)”［6］的教學(xué)模式，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，學(xué)生通過個(gè)人任務(wù)實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作內(nèi)化理論知識(shí)，提升學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力。

項(xiàng)目化教學(xué)一般由內(nèi)容、行動(dòng)、情境和結(jié)果四個(gè)要素構(gòu)成。傳統(tǒng)教學(xué)條件下，內(nèi)容和情境創(chuàng)設(shè)，由于時(shí)空、資源條件等方面的限制，無法打造逼真和多樣的工作場景，構(gòu)建基于工作任務(wù)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。同時(shí)，在行動(dòng)方面，學(xué)習(xí)者解決問題的工具有限，缺乏人、物間的溝通交流。而數(shù)字孿生技術(shù)高保真性、高實(shí)時(shí)交互等特征恰好可以解決這些問題。在數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的學(xué)習(xí)環(huán)境中，高速信息傳輸技術(shù)保證了模型參數(shù)的實(shí)時(shí)性，VR和AR技術(shù)增強(qiáng)了可交互性和趣味性；學(xué)習(xí)者可以利用數(shù)字孿生體調(diào)節(jié)參數(shù)、遠(yuǎn)程控制物理孿生體，反復(fù)驗(yàn)證、不斷優(yōu)化項(xiàng)目方案，最終獲得解決問題的最優(yōu)解。

（一）數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)下項(xiàng)目化教學(xué)模式框架構(gòu)建

數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)下項(xiàng)目化教學(xué)模式主要分為項(xiàng)目準(zhǔn)備、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目總結(jié)。首先，教師根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生特征進(jìn)行項(xiàng)目情景設(shè)計(jì)、項(xiàng)目細(xì)分任務(wù)和主要實(shí)踐活動(dòng)。同時(shí)，根據(jù)采集的學(xué)生數(shù)據(jù)生成對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，通過智慧學(xué)伴等將任務(wù)推送給學(xué)生。項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)完成后，圍繞知識(shí)構(gòu)建為中心，學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、具身體驗(yàn)、協(xié)作探究、方案驗(yàn)證。在此過程中，數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，通過特定算法模擬仿真學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，迭代優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)方案并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。最后，項(xiàng)目完成后，學(xué)生對項(xiàng)目進(jìn)行展示，教師和企業(yè)對學(xué)生的方案進(jìn)行評價(jià)，數(shù)字孿生體根據(jù)評價(jià)結(jié)果完善教學(xué)過程，并給出調(diào)整意見。具體模式設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目化教學(xué)模式框架

（二）數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)下項(xiàng)目化教學(xué)應(yīng)用案例

本文以“液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)控制”課程中“數(shù)控車床液壓控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試”項(xiàng)目為例，開展基于數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)。利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)教學(xué)過程中實(shí)訓(xùn)設(shè)備種類有限、仿真軟件細(xì)節(jié)缺失等問題［7］。在虛擬的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，包括多種典型液壓產(chǎn)品，每種產(chǎn)品全生命周期工作狀況都可用數(shù)字孿生技術(shù)以較低成本直觀表達(dá)。數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的不斷迭代耦合，可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中操縱真實(shí)的專業(yè)設(shè)備。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)在原有功能單一的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上結(jié)合真實(shí)液壓相關(guān)設(shè)備構(gòu)建實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，首先基于原有實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和液壓設(shè)備產(chǎn)品構(gòu)建相應(yīng)數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間雙向?qū)崟r(shí)的鏡像映射及信息交互，然后數(shù)據(jù)中心收集虛擬和真實(shí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給智能服務(wù)器，服務(wù)器通過迭代優(yōu)化、智能決策等技術(shù)給出實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、實(shí)訓(xùn)評價(jià)等實(shí)訓(xùn)教學(xué)服務(wù)。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

2.課前初步探索。利用在線學(xué)習(xí)特征采集技術(shù)采集學(xué)生基本信息數(shù)據(jù)、前序課程知識(shí)點(diǎn)、機(jī)械繪制圖等專業(yè)課成績，其中主要采集平臺(tái)有“學(xué)習(xí)通”“中國大學(xué)生慕課”等，然后利用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)預(yù)先整理出創(chuàng)建數(shù)字孿生體所需的數(shù)據(jù)。教師根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境：數(shù)控車床液壓控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，分解任務(wù)分別為“方向控制系統(tǒng)的組裝與調(diào)試”和“壓力控制系統(tǒng)的組裝與調(diào)試”，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)活動(dòng)，包括驅(qū)動(dòng)型問題提出、知識(shí)框架搭建、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作實(shí)踐、理論測驗(yàn)等。最后，根據(jù)以往學(xué)生該項(xiàng)目的成績數(shù)據(jù)和教師的經(jīng)驗(yàn)打分，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建評測模型，利用“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”“專家系統(tǒng)”等算法，將不同學(xué)情的學(xué)生進(jìn)行分組，模擬預(yù)測學(xué)生學(xué)習(xí)效果，通過預(yù)測來判斷教學(xué)設(shè)計(jì)是否合理，最終將細(xì)分的任務(wù)自動(dòng)推送給合適的學(xué)生。主要流程如圖4所示。

圖4 課前準(zhǔn)備流程圖

3.課中深度事件。本次項(xiàng)目的任務(wù)一“方向控制回路的組裝與調(diào)試”是基于課程知識(shí)點(diǎn)“方向控制回路的工作原理”，結(jié)合數(shù)控車床典型工作案例設(shè)計(jì)而來。學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)推送組成3人的學(xué)習(xí)小組，小組成員對項(xiàng)目任務(wù)要求進(jìn)行探討分析，提出初步的技術(shù)思路，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的解決方案。根據(jù)方案，小組成員分工完成任務(wù)，例如液壓元件選擇、原理圖設(shè)計(jì)和繪制等，通過小組協(xié)作完成“方向控制回路的組裝與調(diào)試”。數(shù)字孿生學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)習(xí)者提供了重復(fù)檢驗(yàn)和智能優(yōu)化的功能，使他們能夠快速、低成本地進(jìn)行任務(wù)解決方案的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、改進(jìn)和再次驗(yàn)證。學(xué)生通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化生成最終方案，將在運(yùn)用于液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并觀察回路的運(yùn)行效果。主要流程如圖5所示。

圖5 課中實(shí)施流程圖

4.課后改進(jìn)拓展。學(xué)生完善任務(wù)方案后，需要將方案、作品或者其他成果上傳至線上學(xué)習(xí)平臺(tái)展示，邀請同學(xué)、教師或第三方對其進(jìn)行評價(jià)并提出建議。在數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間中，參與評價(jià)人員對各設(shè)計(jì)作品的創(chuàng)作時(shí)間、創(chuàng)新程度、可操作性難度等評價(jià)指標(biāo)分配權(quán)重，并結(jié)合遠(yuǎn)程操控驗(yàn)證方案可行性，檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，通過虛擬數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)生成“加工中心液壓系統(tǒng)的安裝與調(diào)試”項(xiàng)目，學(xué)生在仿真軟件上對系統(tǒng)進(jìn)行安裝鞏固和拓展課程知識(shí)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用與研究方興未艾。隨著大數(shù)據(jù)、AI等新技術(shù)的不斷突破發(fā)展，數(shù)字孿生將會(huì)徹底改變我們的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)思維，為職業(yè)教育提供新的運(yùn)作空間或環(huán)境。本文初步研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目課程的教學(xué)模式，并列舉設(shè)計(jì)了相應(yīng)的教學(xué)流程，以期挖掘數(shù)字孿生體在職業(yè)教育領(lǐng)域的發(fā)展?jié)撃?。未來，?shù)字孿生技術(shù)將為我們構(gòu)建一個(gè)虛實(shí)映射的智能學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者將伴隨著自己的數(shù)字孿生體在虛擬的世界中不斷學(xué)習(xí)、優(yōu)化和進(jìn)步，最終使學(xué)習(xí)者得到個(gè)性化的發(fā)展。