基于數(shù)字孿生的北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)探索

［摘 要］文章針對(duì)北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)改革中融入數(shù)字孿生理念，探索了數(shù)字孿生在北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用：基于數(shù)字孿生應(yīng)用需求，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)資源；基于數(shù)字孿生高保真特征，搭建高仿真訓(xùn)練平臺(tái)；基于數(shù)字孿生虛實(shí)共生特征，重構(gòu)教學(xué)流程；基于數(shù)字孿生實(shí)時(shí)交互特征，助力教學(xué)分析。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字孿生；實(shí)踐教學(xué)；虛實(shí)結(jié)合；北斗導(dǎo)航

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）15-0071-04

教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》中提出，要推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，重塑教育教學(xué)形態(tài)。針對(duì)高等教育實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)與需求，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新，特別是工科實(shí)踐教學(xué)改革創(chuàng)新，一直是深化教學(xué)改革的著力點(diǎn)。

作為工業(yè) 4.0 時(shí)代的核心技術(shù)之一，數(shù)字孿生通過(guò)數(shù)字化方式建立物理實(shí)體的虛擬數(shù)字模型，真實(shí)再現(xiàn)物理實(shí)體的全生命周期運(yùn)行狀態(tài)并兼具擴(kuò)展功能。基于學(xué)習(xí)工廠、教育大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿教育技術(shù)與理念，數(shù)字孿生的應(yīng)用走向也從工業(yè)領(lǐng)域拓展到教育領(lǐng)域，以教學(xué)信息化構(gòu)筑智慧教育新生態(tài)，為教育教學(xué)模式改革提供了新方案。本文聚焦數(shù)字孿生在北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，探索數(shù)字孿生賦能沉浸式訓(xùn)練的形式，以支持實(shí)踐教學(xué)“練中學(xué)”“學(xué)中練”，為數(shù)字孿生深度融入實(shí)踐教學(xué)提供一定的參考。

一、基于數(shù)字孿生開(kāi)展北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的必要性

（一）數(shù)字孿生的主要特征及其在教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合數(shù)字孿生領(lǐng)域的文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，目前數(shù)字孿生的研究熱點(diǎn)主要分布在航空航天、智能制造和教學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。數(shù)字孿生在教學(xué)中的應(yīng)用具有高保真、虛實(shí)共生、實(shí)時(shí)交互和深度洞見(jiàn)等特征[1]。

1.基于高保真特征，以“孿生車間”賦能教學(xué)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外相關(guān)大學(xué)分別嘗試了“數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室”（DTL）支持學(xué)習(xí)者的真實(shí)體驗(yàn)學(xué)習(xí)、“智能化車間”在高職數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用、基于數(shù)字孿生的未來(lái)車間運(yùn)行教學(xué)新模式、基于數(shù)字孿生的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等[2-4]。

2.基于虛實(shí)共生特征，以新學(xué)習(xí)空間推動(dòng)教學(xué)方式變革。通過(guò)提供變革性的學(xué)習(xí)環(huán)境，推動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂課前、課中、課后的學(xué)習(xí)場(chǎng)景、學(xué)習(xí)活動(dòng)和教學(xué)事件走向深度融合，并促使線上和線下的混合式學(xué)習(xí)活動(dòng)、學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)交互進(jìn)一步全面整合[5-6]。

3.基于實(shí)時(shí)交互特征，以可視化工具助力教學(xué)數(shù)據(jù)分析。在教學(xué)改革實(shí)踐中通過(guò)綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、用戶畫像技術(shù)、行為大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，開(kāi)展教學(xué)流程設(shè)計(jì)與教育大數(shù)據(jù)技術(shù)分析[7]。

4.基于深度洞見(jiàn)特征，以數(shù)據(jù)分析平臺(tái)優(yōu)化教學(xué)。通過(guò)構(gòu)建認(rèn)知數(shù)字孿生體、數(shù)字孿生講臺(tái)、數(shù)字孿生輔助教學(xué)系統(tǒng)與智慧校園等，采用智能仿真算法模型對(duì)學(xué)習(xí)者的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)任務(wù)，優(yōu)化教與學(xué)流程[8-9]。

（二）北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

為強(qiáng)化北斗導(dǎo)航體系化應(yīng)用，北斗導(dǎo)航應(yīng)用教學(xué)體系中多門課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容都涉及北斗導(dǎo)航設(shè)備的使用，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)讓學(xué)生理解北斗導(dǎo)航設(shè)備與指揮控制融合機(jī)理，掌握北斗位置服務(wù)應(yīng)用的體系架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人到系統(tǒng)、操作到演練、單一科目到合成應(yīng)用（如表1所示）。但實(shí)踐教學(xué)實(shí)施中普遍存在以下突出問(wèn)題：

1.教學(xué)設(shè)備數(shù)量少。因北斗導(dǎo)航設(shè)備列裝數(shù)量有限，且設(shè)備更新?lián)Q代不及時(shí)，實(shí)踐教學(xué)中損耗較多，常造成訓(xùn)練設(shè)備匱乏難題。

2.實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)景有限。因不具備搭建所有訓(xùn)練環(huán)境的條件，教學(xué)中主要以陸地實(shí)踐為主，缺少北斗導(dǎo)航體系化應(yīng)用訓(xùn)練環(huán)節(jié)，易導(dǎo)致“重單科目需求，輕聯(lián)合應(yīng)用”。

3.實(shí)時(shí)教學(xué)指導(dǎo)不佳。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)形式多為現(xiàn)場(chǎng)集中式授課，即教師講解、演示，學(xué)生操作、練習(xí)，學(xué)生自主訓(xùn)練的過(guò)程數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)記錄，教師難以對(duì)學(xué)生實(shí)裝訓(xùn)練過(guò)程給予實(shí)時(shí)指導(dǎo)與評(píng)價(jià)，不利于教學(xué)糾錯(cuò)與反饋。

（三）基于數(shù)字孿生開(kāi)展北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)必要的延伸、拓展和補(bǔ)充，在本科教育中發(fā)揮著重要作用。知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，能力來(lái)源于實(shí)踐，素質(zhì)更需要在實(shí)踐中養(yǎng)成。如何適應(yīng)信息時(shí)代的變革需求，如何為學(xué)生開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供先進(jìn)手段、開(kāi)放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源，如何在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時(shí)為實(shí)踐教學(xué)改革增添活力和動(dòng)力……要應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，必須以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，積極探索個(gè)性化、智能化、泛在化的實(shí)踐教學(xué)新模式，持續(xù)推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新。

從北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的改革趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是加快實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，通過(guò)打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，探索實(shí)施智能化的精準(zhǔn)教育。隨著新一輪科技革命突飛猛進(jìn)，數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的不斷應(yīng)用和發(fā)展必將變革未來(lái)教學(xué)模式，即在教與學(xué)理論指導(dǎo)下，利用學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)工具，鞏固教與學(xué)活動(dòng)中各個(gè)要素之間的穩(wěn)定關(guān)系，設(shè)計(jì)教與學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的進(jìn)程，最終形成穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)程序或者構(gòu)型[10]。

因此，結(jié)合數(shù)字孿生在教學(xué)中的應(yīng)用特征，基于數(shù)字孿生開(kāi)展多模態(tài)實(shí)踐教學(xué)改革，對(duì)完善北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的實(shí)裝設(shè)備訓(xùn)練和案例場(chǎng)景應(yīng)用都有重大的現(xiàn)實(shí)意義；基于數(shù)字孿生突出“練為中心”的北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生從理論中來(lái)、到實(shí)踐中去，對(duì)強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力也有極大的作用。

二、數(shù)字孿生在北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

（一）基于數(shù)字孿生應(yīng)用需求，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)資源

課程組通過(guò)分析不同教學(xué)對(duì)象對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的要求，對(duì)教學(xué)資源之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了梳理，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了包含主講教材、實(shí)習(xí)教材、綜合文獻(xiàn)以及微視頻庫(kù)、實(shí)踐操作系列視頻、演習(xí)視頻、綜合演練視頻等的數(shù)字化教學(xué)資源。

在原有實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)上，課程組優(yōu)化重組了現(xiàn)有教學(xué)資源，通過(guò)編輯修改并拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，在原有北斗導(dǎo)航教學(xué)視頻基礎(chǔ)上，添加新內(nèi)容，錄制引導(dǎo)視頻并構(gòu)建知識(shí)圖譜；將典型北斗導(dǎo)航設(shè)備的操作說(shuō)明重新編輯整理，轉(zhuǎn)化成虛擬仿真教學(xué)模塊，方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，以解決實(shí)裝設(shè)備數(shù)量少等問(wèn)題。

將實(shí)踐教學(xué)資源集中存儲(chǔ)、共享，讓學(xué)生在課后利用教學(xué)典型案例等教學(xué)資源開(kāi)展學(xué)習(xí)實(shí)踐，一方面能促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的常態(tài)化積累，另一方面能讓學(xué)生通過(guò)反復(fù)觀看錄播視頻，深入理解實(shí)踐操作步驟。

（二）基于數(shù)字孿生高保真特征，搭建高仿真訓(xùn)練平臺(tái)

課程組從“虛景實(shí)訓(xùn)”角度入手，基于實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建真實(shí)或接近真實(shí)的數(shù)字化訓(xùn)練平臺(tái)，具體平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示；引導(dǎo)學(xué)生借助常規(guī)設(shè)備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，研究并設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù)闖關(guān)訓(xùn)練，涵蓋“新手學(xué)習(xí)”“獨(dú)立訓(xùn)練”和“綜合考核”等多層次教學(xué)方式；針對(duì)北斗導(dǎo)航設(shè)備實(shí)踐教學(xué)，搭建兩種虛擬教學(xué)模式——指導(dǎo)模式與考核模式，前者是讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中按步驟完成實(shí)踐流程，后者是將學(xué)生置于一個(gè)“真實(shí)項(xiàng)目”特定階段場(chǎng)景中，指派任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。通過(guò)提供貼近實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的“數(shù)字孿生課堂”，基于高仿真設(shè)備與聯(lián)合應(yīng)用虛擬場(chǎng)景，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的北斗導(dǎo)航體系化應(yīng)用保障能力[11]。

[高仿真訓(xùn)練平臺(tái) ][新手學(xué)習(xí) ][過(guò)程考核 ][綜合演練 ][主題訓(xùn)練 ][任務(wù)籌劃 ][訓(xùn)練視頻 ][教學(xué)視頻 ][理論考核 ][角色選搭 ][新形態(tài)教材 ][綜合考核 ][獨(dú)立訓(xùn)練 ][ ][ ][ ][ ]

圖 1 高仿真訓(xùn)練平臺(tái)架構(gòu)

（三）基于數(shù)字孿生虛實(shí)共生特征，重構(gòu)教學(xué)流程

結(jié)合高仿真訓(xùn)練平臺(tái)，課程組設(shè)計(jì)了“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐教學(xué)流程：學(xué)生基于高仿真訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行多維認(rèn)知訓(xùn)練與考核，開(kāi)展北斗導(dǎo)航實(shí)裝設(shè)備綜合演練，利用指揮型用戶機(jī)、手持型用戶機(jī)和北斗態(tài)勢(shì)系統(tǒng)，自主實(shí)現(xiàn)演練力量部署、位置態(tài)勢(shì)監(jiān)控和導(dǎo)航定位服務(wù)。

主要實(shí)踐流程為“學(xué)生觀看視頻（原理示教）—提交學(xué)習(xí)報(bào)告—實(shí)施虛擬訓(xùn)練（采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）—訓(xùn)練糾錯(cuò)（針對(duì)性示教）—實(shí)裝綜合訓(xùn)練（同伴協(xié)同訓(xùn)練）—任務(wù)點(diǎn)評(píng)”，實(shí)踐教學(xué)后進(jìn)行總結(jié)報(bào)告，采取“主題發(fā)言”和“論辯爭(zhēng)辯”等形式，開(kāi)展問(wèn)題研討，拓展與鞏固課程內(nèi)容。

針對(duì)“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐教學(xué)流程，課程組運(yùn)用問(wèn)卷調(diào)查方式開(kāi)展學(xué)情調(diào)研，問(wèn)卷使用李克特五級(jí)量表進(jìn)行評(píng)價(jià)，問(wèn)卷內(nèi)容主要涉及學(xué)生對(duì)虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)的體驗(yàn)反饋。學(xué)生普遍認(rèn)為，高仿真訓(xùn)練平臺(tái)能幫助他們提前熟悉實(shí)裝訓(xùn)練內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景；個(gè)人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和綜合反饋能幫助他們充分理解訓(xùn)練細(xì)節(jié)；在綜合演練環(huán)節(jié)，高仿真訓(xùn)練平臺(tái)與實(shí)裝設(shè)備的融合，能夠有針對(duì)性地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持，增強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練的沉浸感。

（四）基于數(shù)字孿生實(shí)時(shí)交互特征，助力教學(xué)分析

基于數(shù)字孿生的實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)，在學(xué)生訓(xùn)練交互過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要包含訓(xùn)練行為數(shù)據(jù)、訓(xùn)練內(nèi)容數(shù)據(jù)以及訓(xùn)練管理數(shù)據(jù)。課程組在北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)中設(shè)計(jì)了相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，充分利用實(shí)時(shí)交互特征進(jìn)行教學(xué)數(shù)據(jù)分析，如表2所示。

實(shí)踐教學(xué)中，課程組通過(guò)應(yīng)用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，改變了以往定性的教學(xué)評(píng)估方式，轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主的定量評(píng)估。通過(guò)在實(shí)踐教學(xué)中采用時(shí)間曲線圖繪制、人員信息統(tǒng)計(jì)分析、移動(dòng)軌跡回放等可視化方法，可以回溯教學(xué)重難點(diǎn)，幫助教師從多視角分析實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

三、基于數(shù)字孿生開(kāi)展北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的效果

基于數(shù)字孿生開(kāi)展北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的基本思路為以新工科人才培養(yǎng)要求為指導(dǎo)，利用數(shù)字孿生的高保真特征，構(gòu)建北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)虛擬平臺(tái)；利用數(shù)字孿生的虛實(shí)共生和實(shí)時(shí)交互特征，強(qiáng)化北斗導(dǎo)航設(shè)備與虛擬平臺(tái)的融合，推進(jìn)北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)改革。數(shù)字孿生在北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，從應(yīng)對(duì)缺少實(shí)踐設(shè)備問(wèn)題的“以虛代實(shí)”，到拓展教學(xué)空間的“以虛補(bǔ)實(shí)”，再到綜合演練環(huán)節(jié)的“以虛驗(yàn)實(shí)”，重點(diǎn)是讓學(xué)生更好地掌握實(shí)裝設(shè)備操作技能，及時(shí)處理各種實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。

同時(shí)，課程組以現(xiàn)有教學(xué)目標(biāo)為基礎(chǔ)，拓展了數(shù)字孿生的一體化教學(xué)應(yīng)用，體現(xiàn)“練為中心”理念：在低年級(jí)實(shí)踐教學(xué)中，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的專業(yè)導(dǎo)論認(rèn)知實(shí)踐流程，幫助學(xué)生理解與應(yīng)用課程知識(shí)點(diǎn)；在高年級(jí)實(shí)踐教學(xué)中，開(kāi)展研究性綜合實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)模塊開(kāi)發(fā)，提升專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用能力；根據(jù)授課進(jìn)度，引導(dǎo)學(xué)生參與“北斗杯”全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽等相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽，拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

課程組在4個(gè)專業(yè)班開(kāi)展了8次實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，持續(xù)更新與完善課程教學(xué)實(shí)施計(jì)劃；指導(dǎo)本科學(xué)生參加“北斗杯”全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽，獲全國(guó)一等獎(jiǎng)9項(xiàng)、二等獎(jiǎng)12項(xiàng)、三等獎(jiǎng)8項(xiàng)；參與保障多期導(dǎo)航時(shí)頻保障任職培訓(xùn)，為相關(guān)人員提供技術(shù)平臺(tái)；籌備建設(shè)職業(yè)教育平臺(tái)的在線虛擬訓(xùn)練課程，為相關(guān)崗位提供北斗導(dǎo)航體系化訓(xùn)練保障。

四、結(jié)語(yǔ)

盡管上述北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)改革取得了一些成績(jī)，如目前的實(shí)踐教學(xué)已從“傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)”轉(zhuǎn)向“基于信息化的實(shí)踐教學(xué)”、從“基于經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程性評(píng)價(jià)”轉(zhuǎn)向“基于實(shí)證和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)”，但后期教學(xué)應(yīng)用還面臨著許多挑戰(zhàn)。在數(shù)字孿生與北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)的深度融合方面，還需要在教學(xué)模式創(chuàng)新、實(shí)踐教學(xué)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用和多元評(píng)價(jià)體系構(gòu)建等方面進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步利用數(shù)字孿生的深度洞見(jiàn)特征，構(gòu)建個(gè)性化訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)北斗導(dǎo)航實(shí)踐教學(xué)向智能化方向發(fā)展。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］