數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)特性與應(yīng)用場景分析

王婷婷 胡衛(wèi)星

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的最新階段之一，通過它的深度應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)教育與技術(shù)的有機融合，助力教育實現(xiàn)新一輪的最優(yōu)化和轉(zhuǎn)型化?；诖?，作者圍繞數(shù)字孿生技術(shù)的主題，分析其在教育應(yīng)用中的教學(xué)特性，并指出數(shù)字孿生技術(shù)在當(dāng)前教育應(yīng)用的基本場景，以探尋其在教學(xué)過程中應(yīng)用的潛在價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；教學(xué)特性；教育應(yīng)用場景

中圖分類號：G434 ?文獻標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0086-04

現(xiàn)代社會是一個以信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化等特征為中心的綜合性“信息技術(shù)應(yīng)用圈”，如VR、AI、5G和物聯(lián)網(wǎng)等一系列信息科技，在人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用。其中，數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展并受到人們的廣泛關(guān)注，正日趨成為工業(yè)4.0時代的核心引領(lǐng)技術(shù)之一。數(shù)字孿生技術(shù)起源于航天軍工和生產(chǎn)，現(xiàn)正廣泛應(yīng)用于智能管理、智慧教育和輔助決策等領(lǐng)域，在自然災(zāi)難防范、人群智能疏導(dǎo)、農(nóng)業(yè)決策支持等方面發(fā)揮著科學(xué)預(yù)測、遠程監(jiān)控和模擬仿真等功能。數(shù)字孿生技術(shù)以其虛實系統(tǒng)相互映射創(chuàng)新的技術(shù)特性，通過對各種數(shù)據(jù)的采集和分析，可實現(xiàn)對實體的模擬、控制與改進等。因此，在當(dāng)前新一輪的智能信息革命中，數(shù)字孿生技術(shù)將會發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在教育信息化2.0的推進過程中，數(shù)字孿生技術(shù)對教育改革也會起到推波助瀾的作用，其可以實現(xiàn)新教學(xué)分析、評估、設(shè)計與遷移，突破傳統(tǒng)時間、空間、資源和人力等限制，形成新的教學(xué)場景?？傊?，數(shù)字孿生技術(shù)對當(dāng)前智能技術(shù)賦能教育的發(fā)展有著重要的推動作用，它的不斷優(yōu)化與完善，能夠為當(dāng)前教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供一定的參考和借鑒。

數(shù)字孿生技術(shù)的認(rèn)識與理解

1.數(shù)字孿生技術(shù)的認(rèn)識

數(shù)字孿生（Digital Twin）最初由美國密歇根大學(xué)的Grieves教授提出，它是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體虛擬模型，通過空間變換映射、虛實反饋交互、數(shù)據(jù)融合分析、檢測判斷評價和決策迭代優(yōu)化等手段，來全面精準(zhǔn)高效智能地展示物理實體在信息環(huán)境全生命周期的過程行為。[1]數(shù)字孿生實際上是采用信息技術(shù)對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數(shù)字化定義和建模的過程，它是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。[2]它的本質(zhì)是為現(xiàn)實的物理模型仿真一個與其多角度相吻合的虛擬模型，這也很好地闡釋了其又叫“數(shù)字雙胞胎”這個名稱的由來。數(shù)字孿生會在學(xué)習(xí)者個體和虛擬孿生體之間建立橋梁，以此實現(xiàn)兩者之間的交互與聯(lián)系，模型會依據(jù)學(xué)習(xí)者的傳輸數(shù)據(jù)進行全面衡量與總結(jié)，從而做到對學(xué)習(xí)者精準(zhǔn)的學(xué)情分析、資源定制、成果預(yù)測[3]，這也注定了它在教育領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.數(shù)字孿生技術(shù)的特征

數(shù)字孿生技術(shù)是實體空間在虛擬空間數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的映射，在物理與數(shù)字兩個空間同時記錄個體全生命周期的運行軌跡[4]，其具有如下三大特點：①復(fù)制。就像給文件創(chuàng)建一個副本，復(fù)制即對原樣的仿造過程。無論是現(xiàn)實社會的物體或設(shè)備等，還是人類個體的日常生活，數(shù)字孿生技術(shù)都可以通過對物理模型局部數(shù)據(jù)的采集與整合，來復(fù)制出一個相似的虛擬數(shù)字化模型，一虛一實兩個系統(tǒng)互相映射，虛實交互，從而對物理模型進行及時的操作。②實時。通過傳感器對多元數(shù)據(jù)進行獲取和分析，孿生體可直觀形象地反映物理模型的具體情況，包括其外觀、特征、位置、角度和功能等，可以實時進行討論和交流，也能即時對物理模型做出預(yù)測、調(diào)整、完善、更新以及優(yōu)化與升級。③以虛代實和以實控虛。現(xiàn)實中的物理模型往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可預(yù)測度低和不確定性高等缺點，因而常常會使人們對出現(xiàn)的問題手足無措，虛擬孿生體可以實現(xiàn)以虛代實和以實控虛，通過虛擬的模型參數(shù)調(diào)整來控制物理實體的實時狀態(tài)和動態(tài)更新。

數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)特性分析

1.數(shù)字可視化呈現(xiàn)技術(shù)

數(shù)字孿生的可視化呈現(xiàn)技術(shù)在地理、生物、物理等需要多種教學(xué)資源來輔助學(xué)習(xí)的課程教學(xué)中大有用武之地。數(shù)字孿生會替代傳統(tǒng)的圖片、視頻、實物模型等教學(xué)呈現(xiàn)形式，直接將地球、恐龍、飛機等進行三維可視化孿生體展示，通過與其自由互動，讓學(xué)生發(fā)生并進行深度學(xué)習(xí)。越來越多的應(yīng)用實踐表明，這種生動逼真的可視化學(xué)習(xí)資源呈現(xiàn)技術(shù)能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生對學(xué)習(xí)的熱愛。

2.教育智慧運營與管理技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)能夠融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)的分析處理和人工智能的模型剖析等優(yōu)勢，完成對當(dāng)前系統(tǒng)情況的評定、產(chǎn)生問題的分析及其對未來發(fā)展趨勢的預(yù)測[5]，模擬并分析各種事件大概發(fā)生的可能性，從而給予相應(yīng)的解決措施與決策支持。首先，數(shù)字孿生技術(shù)可將整個校園細(xì)節(jié)可視化，如占地位置、師資力量、建設(shè)規(guī)劃等，利用人工智能和大數(shù)據(jù)分析，提前預(yù)算規(guī)劃各種資源的消費；其次，數(shù)字孿生技術(shù)可對校園實時監(jiān)測，能通過智能門禁或緊急報警等措施，消除一些未知的安全隱患和管理短板；最后，數(shù)字孿生技術(shù)可實時進行監(jiān)督教育教學(xué)過程管理，為學(xué)生提供虛實融合的全新教學(xué)環(huán)境，豐富的教學(xué)資源能讓學(xué)生們發(fā)生沉浸式學(xué)習(xí)。整體上，數(shù)字孿生技術(shù)能做到校園的智慧運營與管理，真正實現(xiàn)智慧校園的深度廣泛應(yīng)用。

3.教學(xué)精準(zhǔn)分析與活動創(chuàng)新技術(shù)

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教育者常受技術(shù)環(huán)境和設(shè)備條件等因素的限制而無法做到對教學(xué)過程數(shù)據(jù)的全面把握與探索，尤其是對不同學(xué)科的教學(xué)活動環(huán)節(jié)很難做到精準(zhǔn)分析。憑借物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)能夠依靠大樣本數(shù)據(jù)庫和深度學(xué)習(xí)機制推斷出一些可及時精確測量的指標(biāo)值。同時，更為重要的是，數(shù)字孿生技術(shù)可將物理學(xué)設(shè)備的各類特性映射到網(wǎng)站空間中，產(chǎn)生可操作、可復(fù)制、可測量和可移除的虛擬映射模型，能夠讓許多原先因物理標(biāo)準(zhǔn)限定和必須依賴物理實體的操作得以實現(xiàn)，如仿真模擬、批量拷貝、虛擬安裝等。[6]它不僅能為學(xué)習(xí)者提供獨特的儀器設(shè)備，創(chuàng)造獨特的教學(xué)環(huán)境，更能讓學(xué)生們身臨其境，精準(zhǔn)分析出自身的學(xué)習(xí)狀態(tài)，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機以幫助其取得良好的學(xué)習(xí)效果。另外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維和高階認(rèn)知能力，使其能夠?qū)W會利用多元化探究方式去破解更多的未知問題。

4.教學(xué)建模與仿真技術(shù)

所謂數(shù)字孿生虛擬仿真教學(xué)是指以計算機的方式將教學(xué)中不易呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容、實操實驗等，通過三維立體構(gòu)建模型的方式更直觀地展示出來。[7]學(xué)生通過虛擬仿真教學(xué)技術(shù)不僅可以更好地理解教學(xué)內(nèi)容，而且能夠?qū)崟r進行動態(tài)模擬訓(xùn)練，從而獲得更好的模擬效果和感官體驗。更為重要的是，虛擬仿真教學(xué)可以解決日常在知識學(xué)習(xí)與操作訓(xùn)練中遇到的“高難度、高成本”與“難理解、難再現(xiàn)”這樣的兩高兩難問題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)“可節(jié)約、可掌握、可反饋”的學(xué)習(xí)效果。目前，虛擬仿真教學(xué)在教育領(lǐng)域發(fā)揮著引領(lǐng)性與顛覆性的作用，直觀的情感體驗讓學(xué)生擺脫環(huán)境的限制，從而揭開了以往消失的、未來復(fù)雜的萬物奧秘?；诖耍瑹o論是社會中以某項技能學(xué)習(xí)為主的非正式學(xué)習(xí)，還是在初、中等教育，職業(yè)教育等正式學(xué)習(xí)中，建模與仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)成為教育領(lǐng)域努力奮斗的方向。

數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用場景

1.學(xué)生數(shù)字畫像

畫像是根據(jù)一個參照物進行細(xì)節(jié)的描摹，學(xué)生數(shù)字畫像就是一個學(xué)生性格、愛好、學(xué)習(xí)情況等綜合信息的集合。在教育領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)會采集學(xué)生數(shù)據(jù)，用數(shù)字化方式創(chuàng)建學(xué)生個人學(xué)習(xí)狀況的畫像，不僅可以模擬和反饋學(xué)生的各種學(xué)習(xí)行為，診斷學(xué)生的學(xué)情，而且還可通過VR技術(shù)描述學(xué)生的全學(xué)習(xí)過程，預(yù)測學(xué)生未來學(xué)習(xí)趨勢?；跀?shù)字孿生技術(shù)的學(xué)生數(shù)字畫像構(gòu)建，一方面可以為學(xué)生創(chuàng)建一個自我參照物，幫助學(xué)生清晰地定位自己，能使學(xué)生更加立體、客觀和形象地了解自身學(xué)習(xí)情況和狀態(tài)，進而幫助學(xué)生構(gòu)建起科學(xué)客觀的自我評價；另一方面也可以為教師提供各種教學(xué)數(shù)據(jù)，使教師的教學(xué)工作更具針對性、過程性和即時性。

2.虛擬實景教學(xué)

數(shù)字孿生技術(shù)通過現(xiàn)實與虛擬場景雙向映射，可成功構(gòu)建出虛擬實景教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對復(fù)雜景物的虛擬再現(xiàn)，而且可以強化人們對虛擬設(shè)備的自由操作。在虛擬實景教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可以隨意放大、縮小或旋轉(zhuǎn)數(shù)字化物體，甚至可看到物體的內(nèi)部，教學(xué)內(nèi)容因此變得更加生動豐富且便于理解。如果教學(xué)設(shè)備或教學(xué)資源均構(gòu)建與之對應(yīng)的孿生體，且孿生體能夠?qū)崟r接受物理實體反饋的數(shù)據(jù)，學(xué)生就可以在物理實體上進行實踐操作，再次將交互數(shù)據(jù)傳回數(shù)字孿生體，這樣即可形成一個數(shù)據(jù)循環(huán)，孿生體就會根據(jù)反饋的有效信息對實體進行優(yōu)化與完善。這樣既可以很好地解決傳統(tǒng)教學(xué)裝備實操成本高和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體驗差等問題，又可以大幅度地節(jié)省教學(xué)成本和顯著地改善教學(xué)效果。

3.沉浸技能訓(xùn)練

數(shù)字孿生技術(shù)提供的技能訓(xùn)練平臺，可以有效地將人與設(shè)備、虛擬場景與現(xiàn)實環(huán)境進行動態(tài)融合，讓訓(xùn)練者的注意力更加集中。在虛擬與現(xiàn)實相融合的訓(xùn)練環(huán)境中，參訓(xùn)者的觸覺、嗅覺、視覺和聽覺等會全面沉浸，尤其是對體育、醫(yī)學(xué)、表演、信息技術(shù)等以提高技能為主的教學(xué)或訓(xùn)練，不僅可使學(xué)生擁有身臨其境的技能訓(xùn)練體驗，而且還能使其與虛擬設(shè)備進行積極互動，擺脫傳統(tǒng)生硬的“言傳身教”，讓學(xué)生在沉浸中享受技能訓(xùn)練的樂趣。沉浸技能訓(xùn)練會根據(jù)訓(xùn)練對象的不同，準(zhǔn)備不同的虛擬技能訓(xùn)練設(shè)備，學(xué)生可通過虛擬裝備和設(shè)備數(shù)據(jù)的即時反饋了解訓(xùn)練效果和效率。

4.輔助教育決策

數(shù)字孿生技術(shù)對智慧校園輔助教育實際上發(fā)揮的是數(shù)字化校園整體性的功能，具體包括兩大方面：一是從數(shù)據(jù)驅(qū)動上進行輔助決策。數(shù)字孿生技術(shù)可收集大量的學(xué)生數(shù)據(jù)并進行全面多維的處理[8]，構(gòu)建虛擬化的孿生體，幫助制訂個性化的學(xué)習(xí)方案。二是從教學(xué)技術(shù)上進行輔助決策。借助于數(shù)字孿生技術(shù)，教師可全面收集各種課堂動態(tài)教學(xué)數(shù)據(jù)，并基于這些數(shù)據(jù)獲得更加完備和系統(tǒng)的新教學(xué)資源。

5.裝配式工程實訓(xùn)教學(xué)

基于數(shù)字孿生技術(shù)模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺、三維可視模型、流式數(shù)據(jù)追蹤和區(qū)塊鏈技術(shù)等，可建立起裝配式工程實訓(xùn)演練系統(tǒng)，不僅能夠配置相應(yīng)的工程崗位工種，涵蓋裝配式施工的全流程，而且還能模擬出真實的工程項目施工環(huán)境，形成教學(xué)、實訓(xùn)、考核、比賽和評價一體化的實戰(zhàn)操作環(huán)境。三維仿真的模擬教學(xué)場景突破了傳統(tǒng)教學(xué)二維空間的限制，使原本抽象的知識直觀化，能幫助學(xué)生產(chǎn)生更深更系統(tǒng)的理解。尤其是裝配式工程實訓(xùn)教學(xué)會將零散知識和技能應(yīng)用串聯(lián)起來，形成一條工程問題解決實踐主線，幫助學(xué)生發(fā)生有效深度學(xué)習(xí)。此外，通過將數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)、智能計算等前沿技術(shù)結(jié)合，將教學(xué)與崗位所涉及的所有現(xiàn)實與虛擬的環(huán)境因子互相鏈接和互相映射會創(chuàng)造出新的教育生態(tài)。

6.數(shù)字孿生實驗室

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實驗室的建設(shè)與運營，可從成本上顯著節(jié)省對實驗室維修所需要的花費。從功能上來講，數(shù)字孿生實驗室是針對某個學(xué)科或課程主題而設(shè)立的，因此數(shù)字孿生實驗室所涉及的教學(xué)內(nèi)容是清晰且具體的。在數(shù)字孿生實驗室中，數(shù)字孿生體可作為教學(xué)輔助工具被教師與學(xué)生進行反復(fù)觀察與應(yīng)用，學(xué)生在實驗室中對其進行測量、移動、改裝等大量實驗與探究，實驗數(shù)據(jù)可通過精準(zhǔn)分析技術(shù)得到，由此學(xué)生可進行分析和判斷，并對實驗進行客觀的評價。

總之，在教育信息化2.0時代，數(shù)字孿生技術(shù)以其鮮明的特點，依靠物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的支持，可實現(xiàn)對物理個體的預(yù)測、數(shù)據(jù)追蹤、更新與實時交互等功能。目前，數(shù)字孿生技術(shù)還處于初期發(fā)展階段，好多應(yīng)用場景還只是停留在構(gòu)想與計劃階段，因此，如何更好地致力于教育未來智慧發(fā)展，發(fā)揮虛實融合教學(xué)優(yōu)勢是數(shù)字孿生技術(shù)當(dāng)前迫切需要解決的問題。

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作者簡介：王婷婷（1998.12—），在讀碩士研究生，主要研究方向為信息化教育和數(shù)字化教學(xué)資源研發(fā)；胡衛(wèi)星（1978.10—），教授，博士，主要研究方向為學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字化教學(xué)資源研發(fā)和信息化教育。