基于數(shù)字孿生與仿真推演的工程教育深度學(xué)習(xí)模式構(gòu)建研究

摘要：數(shù)字孿生與仿真推演的融合所具備的虛實(shí)映射、現(xiàn)實(shí)場景復(fù)刻等功能為工程教育深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)提供了具象表達(dá)的有力載體。數(shù)字孿生與仿真推演的融合構(gòu)筑工程教育深度學(xué)習(xí)展開的載體基礎(chǔ)、多向度實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證核心理念貫穿課堂教學(xué)始終、全方位重塑面向工程實(shí)踐應(yīng)用的工程能力和思維等是數(shù)字孿生在工程教育深度學(xué)習(xí)中得以推進(jìn)的主要路徑。該文在剖析基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)包含開辟知識傳遞路徑、建構(gòu)立體化高效課堂、創(chuàng)建驗(yàn)證情境、重構(gòu)師生角色及關(guān)系、支持實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)的多維評價(jià)等維度的理論框架基礎(chǔ)上，探索并構(gòu)建了基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的三階段五環(huán)節(jié)工程教育深度學(xué)習(xí)模式，以期為工程教育深度學(xué)習(xí)的有效展開、提升工程教育專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量提供具有參考意義的視角和思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；仿真推演；工程教育；深度學(xué)習(xí)；模式構(gòu)建

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

* 本文受2024年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（大學(xué)生科技創(chuàng)新培育）重點(diǎn)項(xiàng)目“粵港澳大灣區(qū)高校學(xué)術(shù)創(chuàng)業(yè)效率評價(jià)及影響因素研究”（項(xiàng)目編號：pdjh2024a116）、2023年度清遠(yuǎn)市產(chǎn)教融合社科專項(xiàng)課題規(guī)劃項(xiàng)目“政府+高校+企業(yè)”聯(lián)合培養(yǎng)工程碩博士的實(shí)踐研究（項(xiàng)目編號：ZJCYJY202310）資助。

① 楊光為本文通訊作者。

一、引言

工程教育培養(yǎng)造就了一大批實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主創(chuàng)新、解決復(fù)雜工程問題的工程科技人才隊(duì)伍[1]，是推動產(chǎn)業(yè)迭代升級、助力經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展以及賦能技術(shù)創(chuàng)新的中流砥柱。黨的二十大報(bào)告指出：“加快建設(shè)國家戰(zhàn)略人才力量，努力培養(yǎng)造就更多大師、戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、青年科技人才、卓越工程師、大國工匠、高技能人才”。作為培育工程科技人才的沃土，工程教育被擺在了更加突出的位置。

2016年，我國成為《華盛頓協(xié)議》的正式成員國，這標(biāo)志著我國工程教育的培養(yǎng)質(zhì)量、認(rèn)證體系和組織架構(gòu)得到了其他成員國的認(rèn)可并實(shí)現(xiàn)了國際上的實(shí)質(zhì)等效。但在工程教育專業(yè)人才培養(yǎng)方面，當(dāng)前我國的工程教育依然沿用傳統(tǒng)普通本科教育的教學(xué)模式，仍然存在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的脫節(jié)[2]、學(xué)生工程思維轉(zhuǎn)變滯后、教師教學(xué)缺少知識原理展開的客觀載體、工程倫理及價(jià)值觀的培養(yǎng)有待加強(qiáng)等不足。如何培養(yǎng)具備跨學(xué)科、系統(tǒng)思維、工程思維的能夠引領(lǐng)未來科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的工程專業(yè)人才[3]，逐步構(gòu)建職普融通、本碩銜接的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)體系[4]，將政治立場堅(jiān)定、知識底蘊(yùn)深厚、創(chuàng)新能力突出、業(yè)務(wù)素養(yǎng)精湛四種導(dǎo)向高度統(tǒng)一于工程人才培養(yǎng)的全過程[5]，是推動我國工程教育質(zhì)量提升的關(guān)鍵所在。

學(xué)習(xí)的本質(zhì)是理解，數(shù)智化時(shí)代的深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者從淺層記憶走向深度理解[6]。深度學(xué)習(xí)是指教師引導(dǎo)學(xué)生超越知識的淺層記憶與表層理解，建構(gòu)知識之間的邏輯架構(gòu)和意義關(guān)聯(lián)，注重知識體系背后蘊(yùn)藏的學(xué)科內(nèi)涵與實(shí)踐價(jià)值，并促進(jìn)學(xué)生塑造正向的情感、態(tài)度及價(jià)值觀念。注重理解和強(qiáng)調(diào)遷移是深度學(xué)習(xí)的鮮明特點(diǎn)[7]。工程教育中所要求的工程能力和工程思維的培養(yǎng)及訓(xùn)練離不開深度學(xué)習(xí)提供的方向性指引，以引導(dǎo)學(xué)生從對知識的淺層認(rèn)識轉(zhuǎn)向關(guān)注知識背后隱藏的邏輯、情感和價(jià)值觀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識原理在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)結(jié)和意義理解的網(wǎng)絡(luò)化。工程教育深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)仰賴外在學(xué)習(xí)工具的具象表達(dá)，作為傳統(tǒng)工程教育課堂中主要傳遞信息媒介的語言往往只能抽象地描述輪廓，而無法詳盡呈現(xiàn)其細(xì)節(jié)。數(shù)字孿生與仿真推演的融合所具備的虛實(shí)映射、現(xiàn)實(shí)場景復(fù)刻、實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)裙δ転槲覀兘鉀Q當(dāng)前工程教育存在的問題帶來了嶄新的契機(jī)?；诖耍覀兲岢龌跀?shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)模式，以期改善和解決當(dāng)前我國工程教育發(fā)展面臨的困境。

二、數(shù)字孿生在工程教育深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中的路徑分析

（一）數(shù)字孿生的特征與要素

數(shù)字孿生是對物理實(shí)體精確而完整的數(shù)字化表達(dá)，是形成物理世界中某一生產(chǎn)流程的模型及其在數(shù)字世界中的數(shù)字化鏡像的過程和方法[8]，通過整合系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)、傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及自我挖掘而衍生的數(shù)據(jù)，利用多尺度、多概率、多物理量的仿真過程實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體世界與數(shù)字孿生世界在全生命周期過程的虛實(shí)映射。數(shù)字孿生系統(tǒng)具有虛實(shí)共生、數(shù)據(jù)驅(qū)動、友好交互、動態(tài)更新等特征[9]。

數(shù)字孿生系統(tǒng)在誕生之初主要包含物理空間、虛擬空間和虛擬映射三個(gè)基本要素。當(dāng)前數(shù)字化信息系統(tǒng)的復(fù)雜性難以用單一學(xué)科/專業(yè)、單元化、分散式的知識架構(gòu)和資源進(jìn)行表達(dá)，全鏈條/工業(yè)級的實(shí)踐育人手段的缺乏致使其不足以應(yīng)對高要求、復(fù)雜化的信息物理系統(tǒng)工程問題，不利于實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化快速轉(zhuǎn)型下的系統(tǒng)性工程思維以及跨界整合能力的培養(yǎng)[10]。在傳統(tǒng)數(shù)字孿生三維模型已無法滿足現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求的背景下，陶飛等將傳統(tǒng)數(shù)字孿生三維模型擴(kuò)展為包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和連接等維度的五維概念模型[11]，如圖1所示。

物理實(shí)體及其環(huán)境組成了物理空間，虛擬實(shí)體及其操作部件組成了虛擬空間。物理空間的探測器、傳感器對物理實(shí)體的具體參數(shù)實(shí)時(shí)采集信息，并傳送到數(shù)據(jù)處理及交互系統(tǒng)，識別指令后傳送到虛擬空間，并對虛擬實(shí)體做出相應(yīng)的操作。虛擬實(shí)體主要面向數(shù)字孿生系統(tǒng)的使用者，使用者需要根據(jù)自身的需要對虛擬實(shí)體下達(dá)操作指令，在虛擬空間識別后傳送給數(shù)據(jù)處理及交互系統(tǒng)，最后傳送到物理實(shí)體。數(shù)據(jù)處理及交互系統(tǒng)構(gòu)成物理空間和虛擬空間相互映射的橋梁，從而形成物理世界和虛擬世界能夠信息同步、實(shí)時(shí)相互映射的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

（二）數(shù)字孿生在工程教育深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中的推進(jìn)路徑

1.數(shù)字孿生與仿真推演的融合構(gòu)筑工程教育深度學(xué)習(xí)展開的載體基礎(chǔ)

仿真推演是一種依據(jù)部分真實(shí)環(huán)境信息通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和程序建立合適的數(shù)學(xué)模型“仿真”出“全部”的客觀條件和環(huán)境，對現(xiàn)實(shí)世界中的事件或系統(tǒng)的變化過程和發(fā)展趨勢進(jìn)行“推演”以得出可能結(jié)果的一種數(shù)字化方法。通過比較不同條件下仿真推演的結(jié)果差異，可以幫助人們理解現(xiàn)實(shí)復(fù)雜環(huán)境和系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制并預(yù)測未來可能發(fā)生的情形。不僅如此，仿真推演超越了時(shí)空的限制，能夠根據(jù)自身需要測試方案和計(jì)劃的同時(shí)規(guī)避在真實(shí)環(huán)境中實(shí)際操作的風(fēng)險(xiǎn)和成本。數(shù)字孿生為學(xué)習(xí)者提供了與物理實(shí)體等同的虛擬映像，仿真推演則為改變不同條件下的操作與應(yīng)用提供了復(fù)現(xiàn)客觀真實(shí)場景的工具，而這些特點(diǎn)和功能正是當(dāng)前工程教育中所缺少和需要的部分，因而兩者的融合為工程教育深度學(xué)習(xí)的展開構(gòu)筑了堅(jiān)實(shí)的載體基礎(chǔ)。

2.多向度實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證核心理念貫穿課堂教學(xué)始終

數(shù)字孿生因能夠?qū)?shí)踐全程地帶入，這從根本上改變了實(shí)踐的體驗(yàn)及其認(rèn)知與改造世界的方式[12]。數(shù)字孿生與仿真推演的融合使教師能夠以廣闊的全局視野審視教學(xué)的縱向進(jìn)展及每位學(xué)生的橫向?qū)Ρ?。教師能夠在兼顧教學(xué)效果、把控教學(xué)進(jìn)程的同時(shí)，及時(shí)切換并扮演課前準(zhǔn)備、課中教學(xué)、課后反饋等不同階段或環(huán)節(jié)所要求的角色，圍繞學(xué)生在工程能力與思維培養(yǎng)、工程理論知識與實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)、工程倫理及價(jià)值觀的塑造等方面的培養(yǎng)，依據(jù)學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的動態(tài)變化而不斷調(diào)整課堂教學(xué)的進(jìn)程、策略或評價(jià)起點(diǎn)，以積極、開放、主動的姿態(tài)迎接和包容學(xué)生對所學(xué)知識的思考、質(zhì)疑和批判，從多個(gè)向度實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證核心理念在課堂教學(xué)中的滲透并將其貫穿始終，推動工程教育深度學(xué)習(xí)的有效實(shí)現(xiàn)。

3.全方位重塑面向工程實(shí)踐應(yīng)用的工程能力和思維

數(shù)字孿生與仿真推演的融合能夠?yàn)閷W(xué)生在“真實(shí)”場景中解決復(fù)雜工程問題提供完整的任務(wù)情景和充分的構(gòu)成條件。進(jìn)一步而言，學(xué)生通過數(shù)字孿生與仿真推演的融合這一載體工具展開復(fù)雜工程任務(wù)解決方案的設(shè)計(jì)，并在這一過程中實(shí)現(xiàn)自身復(fù)雜工程問題解決能力、跨學(xué)科能力、系統(tǒng)思維等工程能力和思維自然舒展的調(diào)用和培養(yǎng)。在這樣的課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)生逐漸能夠以工程項(xiàng)目實(shí)踐者的身份自信地站在政府、企業(yè)和用戶等工程實(shí)踐中利益相關(guān)者的視角識別、分析和表達(dá)工程開展中的問題，在堅(jiān)持正向工程倫理及價(jià)值觀的前提下提出解決復(fù)雜工程問題、跨學(xué)科問題等問題的方案，使隨著自身的學(xué)習(xí)與成長所重塑的全方位工程能力與思維更加貼近于工程實(shí)踐的應(yīng)用。

三、基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)理論框架

學(xué)科知識、教學(xué)環(huán)節(jié)等彼此間的深度整合應(yīng)是工程教育深度學(xué)習(xí)堅(jiān)持的邏輯，更加強(qiáng)調(diào)知行合一，即理論與實(shí)踐的辯證統(tǒng)一[13]?；跀?shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)能夠允許理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作的同時(shí)發(fā)生與進(jìn)行。從理論學(xué)習(xí)維度看，它強(qiáng)調(diào)的是對知識原理的前后拓展，建立連續(xù)意義的關(guān)聯(lián)，促進(jìn)新舊知識、新舊經(jīng)驗(yàn)和新舊認(rèn)知在更大范圍內(nèi)的流動，及在此基礎(chǔ)上孕育而生的多維理解和建立起來的立體知識結(jié)構(gòu)。從實(shí)踐操作維度看，它關(guān)注的是學(xué)習(xí)者根據(jù)自身需要改變問題的初始條件并驗(yàn)證結(jié)果，在不同結(jié)果的差異中產(chǎn)生多維體驗(yàn)、比較中生成自發(fā)反思，進(jìn)而引發(fā)在不同觀念的認(rèn)知沖突中達(dá)成對知識原理的批判性認(rèn)識與理解。從理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的關(guān)系看，它使理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作融為一體成為了可能，在理論學(xué)習(xí)中獲得能夠從課堂學(xué)習(xí)靈活遷移并過渡到真實(shí)實(shí)踐的能力，在實(shí)踐操作中加深對理論學(xué)習(xí)的認(rèn)識與理解，在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作的交融互動中實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)的動態(tài)循環(huán)。從教學(xué)效果看，它使傳統(tǒng)課堂教學(xué)中靜態(tài)、單維的知識講解進(jìn)化為以動態(tài)性、立體化的方式呈現(xiàn)，更是對能夠兼顧知識、技能、工程倫理及價(jià)值觀培養(yǎng)的拓展性、包容性、開放性教學(xué)的呼喚，幫助教師在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)知識解讀的深刻、生活經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)結(jié)、思想文化的浸潤、核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，真正達(dá)到有力量、有發(fā)展性的教學(xué)[14]。其理論框架如圖2所示。

在數(shù)字孿生與仿真推演融合支持下的工程教育深度學(xué)習(xí)模式中，實(shí)踐操作將成為課堂學(xué)習(xí)的核心，課程體系及課程內(nèi)容將會在物理實(shí)體世界和虛擬數(shù)字世界融合的數(shù)字孿生空間得到重新的審視和構(gòu)造[15]。數(shù)字孿生和仿真推演的融合在重現(xiàn)“真實(shí)”情景的同時(shí)為學(xué)生發(fā)展認(rèn)知水平提供了附著點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性的同時(shí)，能夠在不超越其思維局限性的前提下提供有針對性的學(xué)習(xí)內(nèi)容以最大限度地輔助其思維進(jìn)階的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的“以解決復(fù)雜問題為核心、在驗(yàn)證過程中提高能力、批判性地形成信念”為基本特點(diǎn)的高階思維[16]，及以復(fù)雜工程問題解決能力為典型代表的工程能力和思維。具體而言，基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)理論框架由五部分組成。

（一）數(shù)字孿生與仿真推演開辟“自下而上”的工程教育知識傳遞路徑

不同于傳統(tǒng)工程教育課堂教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)程的需要自上而下地構(gòu)思和設(shè)計(jì)教學(xué)過程，在數(shù)字孿生與仿真推演融合支持下的工程教育深度學(xué)習(xí)中，教師教學(xué)的邏輯起點(diǎn)不再是教師想讓學(xué)生學(xué)會什么，而是學(xué)生自己通過探究能夠?qū)W會什么，課堂的中心由教師的“教”轉(zhuǎn)移到學(xué)生的“學(xué)”。與此一致的是，知識傳遞的路徑從純粹的由教師向?qū)W生的單向傳遞演變?yōu)閷W(xué)生在教師教學(xué)目標(biāo)的統(tǒng)領(lǐng)下完成對理論學(xué)習(xí)的探究，從原有的知識結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)水平的基礎(chǔ)上建構(gòu)起自身的知識體系，并在與教師所教知識的“博弈”中逐漸趨于完善。

（二）數(shù)字孿生與仿真推演的“操作載體”建構(gòu)立體化形態(tài)的工程教育高效課堂

數(shù)字孿生與仿真推演的融合因其自身具備虛實(shí)映射、現(xiàn)實(shí)場景復(fù)刻、實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)裙δ芏軌驗(yàn)榻處熀蛯W(xué)生創(chuàng)建與所學(xué)知識相匹配的學(xué)習(xí)情景，同時(shí)也成為學(xué)生的思考足跡得以向外邁出并深入探索的操作載體。載體的建立與拓展為教師引導(dǎo)學(xué)生跳出知識的表層認(rèn)識并獲得深層理解進(jìn)而完成知識彼此聯(lián)系的解構(gòu)和重組提供了有力工具，課堂教學(xué)形態(tài)逐漸從扁平化向立體化跨越，知識的廣度和密度也因信息傳遞渠道的多樣化和呈現(xiàn)載體的進(jìn)一步擴(kuò)容而得到大幅的提升，課堂單位時(shí)間內(nèi)能夠囊括并在師生互動中承載和傳遞更多的信息量，課堂教學(xué)效率也會隨之得到顯著提高。

（三）數(shù)字孿生與仿真推演創(chuàng)建工程教育課堂學(xué)習(xí)的驗(yàn)證情境

數(shù)字孿生和仿真推演的融合能夠?yàn)楣こ探逃恼n堂提供完整而連續(xù)的知識載體，學(xué)生據(jù)此可以還原出知識原理被發(fā)現(xiàn)之初的條件，并以可視化的方式呈現(xiàn)知識原理在邏輯上運(yùn)行的模樣。觸手可及的虛擬映像和復(fù)刻的現(xiàn)實(shí)場景為學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造了解決問題的真實(shí)情境，學(xué)生能夠根據(jù)學(xué)習(xí)的實(shí)際需要，改變知識原理呈現(xiàn)的條件，獨(dú)立自主地探索和驗(yàn)證條件改變后的結(jié)果。例如，在虛擬實(shí)體端通過調(diào)整不同參數(shù)狀態(tài)下的數(shù)控機(jī)床以觀察數(shù)控刀具的切割形態(tài)、運(yùn)行速度及行動軌跡等，學(xué)生在不斷嘗試的過程中不僅完成了對這一問題的探究，同時(shí)學(xué)生的預(yù)想和推測能夠得到及時(shí)而有效的驗(yàn)證，并進(jìn)一步鞏固對知識原理的理解和應(yīng)用場景的把握、加強(qiáng)工程思維和方法系統(tǒng)而完整的訓(xùn)練。

（四）數(shù)字孿生與仿真推演重構(gòu)工程教育的師生角色及關(guān)系

課堂主體的轉(zhuǎn)變是數(shù)字孿生與仿真推演融合條件下實(shí)現(xiàn)工程教育深度學(xué)習(xí)所必須做出的改變。此時(shí)，教師的角色從傳統(tǒng)教學(xué)中知識的傳授者和基本教學(xué)資料的提供者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的組織者、啟發(fā)者、引導(dǎo)者、激勵(lì)者和促進(jìn)者，同時(shí)肩負(fù)著學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)者和維護(hù)者等角色[17]，學(xué)生也將由被動的知識信息接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R原理的探究者、關(guān)聯(lián)意義的建構(gòu)者。教師是實(shí)施者，學(xué)生是執(zhí)行者，深度學(xué)習(xí)由教師首先發(fā)起，最終在學(xué)生身上得到落實(shí)和體現(xiàn)。教師和學(xué)生在角色上的轉(zhuǎn)變會自然地喚醒學(xué)生作為“探究者”的潛能，激發(fā)學(xué)生探究好奇心和學(xué)習(xí)興趣，觸發(fā)工程思維、系統(tǒng)思維、批判思維的啟動，為工程教育深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)奠定課堂角色的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，教師與學(xué)生的關(guān)系也會隨角色的轉(zhuǎn)變而發(fā)生變化，教師不再是特定教學(xué)場景下知識的權(quán)威解釋者，學(xué)生會在不斷的審視、質(zhì)疑和驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)教師關(guān)于基礎(chǔ)知識和工程原理未曾涉及的內(nèi)涵與外延并嘗試予以建構(gòu)和解釋，教師與學(xué)生會在更加趨向于平等的師生關(guān)系中建立并完成課堂學(xué)習(xí)的互動與對話。

（五）數(shù)字孿生與仿真推演支持并實(shí)現(xiàn)持續(xù)動態(tài)改進(jìn)的多維評價(jià)

工程學(xué)習(xí)是一個(gè)動態(tài)發(fā)展的過程[18]，與傳統(tǒng)工程教育收斂而又趨同的線性思維培養(yǎng)的課堂不同的是，工程教育深度學(xué)習(xí)更加注重發(fā)散而具有個(gè)性差異的曲線思維的訓(xùn)練，如果只要求學(xué)生進(jìn)行定義明確、結(jié)構(gòu)良好的趨同性問題的學(xué)習(xí)，那么他們解決復(fù)雜問題所需要的批判性思維和創(chuàng)造能力將無法獲得長足的發(fā)展[19]。數(shù)字孿生與仿真推演的融合系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地追蹤每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，監(jiān)測、分析和預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)行為與動作，以持續(xù)動態(tài)地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，收集學(xué)生課堂學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)進(jìn)度、行為軌跡、錯(cuò)誤率以及所關(guān)注的焦點(diǎn)等多維度的數(shù)據(jù)，并據(jù)此分析、歸納學(xué)生的共性問題及個(gè)體差異，進(jìn)而構(gòu)建主要面向?qū)W生的動態(tài)學(xué)習(xí)過程、突出強(qiáng)調(diào)根據(jù)學(xué)生的發(fā)展水平而持續(xù)動態(tài)地改進(jìn)并能夠描述學(xué)生畫像的多維評價(jià)。

數(shù)字孿生與仿真推演的融合支持的虛擬映像和現(xiàn)實(shí)場景復(fù)刻所具備的全要素表達(dá)、全過程呈現(xiàn)、全周期可塑等屬性賦予了工程教育深度學(xué)習(xí)廣闊的發(fā)展空間?；跀?shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)模式能夠助推學(xué)生在解決來源于工程實(shí)踐的復(fù)雜工程問題的過程中逐漸掌握基本概念和工程原理，學(xué)會使用工程思維和方法審視和解決復(fù)雜工程問題，遵循正向工程倫理及價(jià)值觀設(shè)計(jì)、創(chuàng)造和驗(yàn)證更加適切于工程實(shí)踐應(yīng)用的解決方案，提升能夠應(yīng)對不確定環(huán)境和因素的動態(tài)適應(yīng)工程實(shí)踐的能力，從而深化和貫徹工程教育深度學(xué)習(xí)的理論內(nèi)涵及價(jià)值意蘊(yùn)。

四、基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的三階段五環(huán)節(jié)工程教育深度學(xué)習(xí)模式

集中式的課堂學(xué)習(xí)按照時(shí)間順序上的開始、進(jìn)行和結(jié)束可以劃分為課前、課中和課后三個(gè)階段，但根據(jù)數(shù)字孿生和仿真推演融合后的課堂學(xué)習(xí)特點(diǎn)以及教師與學(xué)生在不同階段所發(fā)揮的主體作用，可以將課堂學(xué)習(xí)全程分為師生課前準(zhǔn)備、師生課堂學(xué)習(xí)、學(xué)生自主探究、師生課堂互動、師生課后評價(jià)等五個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)此構(gòu)建了基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的三階段五環(huán)節(jié)工程教育深度學(xué)習(xí)模式，如圖3所示。

高質(zhì)量的課堂學(xué)習(xí)應(yīng)是教師和學(xué)生雙方共同努力與合作追求的目標(biāo)。基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的三階段五環(huán)節(jié)工程教育深度學(xué)習(xí)模式注重理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作結(jié)合的特點(diǎn)，決定了教師和學(xué)生均需要全身心地投入課堂，共同實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的預(yù)期成效。

（一）師生課前準(zhǔn)備階段：搭建課堂環(huán)境、構(gòu)建課堂情景、設(shè)計(jì)課堂活動與任務(wù)

教師以上節(jié)課師生課后評價(jià)的內(nèi)容及存在問題為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合本次課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容搭建課堂環(huán)境。具體如下：首先，通過AI智能引擎、人物屬性模擬、關(guān)聯(lián)分析等方法，獲取學(xué)生的包括學(xué)習(xí)成績、性格特征、學(xué)習(xí)風(fēng)格等在內(nèi)的相關(guān)信息；其次，工程技術(shù)人員運(yùn)用傾斜攝影、三維激光掃描、輪廓模型構(gòu)建、建筑信息模型構(gòu)建等數(shù)字孿生核心技術(shù)，以及符號庫、3D模型庫等資源，構(gòu)建工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)場景，接入物聯(lián)設(shè)備及數(shù)據(jù)資源，將物理環(huán)境復(fù)刻到數(shù)字孿生場景，使學(xué)生能夠在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中觀察瀏覽、交互操作、信息同步；最后，將工程專業(yè)知識、物理規(guī)則建立知識圖譜，構(gòu)建融合教學(xué)情景、智能體（人）和工程領(lǐng)域知識圖譜的仿真推演模型，通過對物理世界的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、多維空間數(shù)據(jù)索引、3D可視化渲染等途徑實(shí)現(xiàn)多終端交互。

教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生的個(gè)人準(zhǔn)備構(gòu)建課堂情境，并據(jù)此設(shè)計(jì)課堂活動與任務(wù)。學(xué)生根據(jù)數(shù)字孿生系統(tǒng)對自身學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)狀況及目前專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握水平的檢測及歷史記錄做出相應(yīng)的查漏補(bǔ)缺，同時(shí)檢測結(jié)果會推送給教師以及學(xué)校教學(xué)監(jiān)管部門；此外，學(xué)生需要根據(jù)檢測結(jié)果結(jié)合以往的自我表現(xiàn)及課程內(nèi)容的掌握情況調(diào)整本節(jié)課的改進(jìn)重點(diǎn)，針對本次課程中將要使用的數(shù)字孿生和仿真推演融合平臺的學(xué)習(xí)內(nèi)容和場景規(guī)劃學(xué)習(xí)步驟。在上述基礎(chǔ)上，教師根據(jù)系統(tǒng)收集到的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及個(gè)體差異等信息，結(jié)合具體的工程實(shí)踐、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，提出符合學(xué)生當(dāng)前水平但又具有挑戰(zhàn)性的工程實(shí)踐問題，設(shè)計(jì)包括個(gè)人任務(wù)、小組任務(wù)和班級任務(wù)等形式的課堂活動，并預(yù)測課堂進(jìn)程及可能出現(xiàn)的問題。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情、調(diào)動學(xué)生探究的積極性和主動性的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在考慮工程環(huán)境、工程倫理等制約因素的條件下識別、分析、表達(dá)工程問題及解決方案的能力。

（二）課中學(xué)習(xí)階段：師生課堂學(xué)習(xí)、學(xué)生自主探究、師生課堂互動

1.師生課堂學(xué)習(xí)

一方面，教師根據(jù)學(xué)生的多維屬性特征設(shè)定不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)訓(xùn)練內(nèi)容和階段考核標(biāo)準(zhǔn)，使得所有學(xué)生借助數(shù)字孿生平臺能夠身臨其境地完成工程教育學(xué)習(xí)的全過程，從而達(dá)到體驗(yàn)工程原理、提升工程能力、培養(yǎng)工程思維、提高學(xué)習(xí)效率等目的。另一方面，根據(jù)數(shù)字孿生與仿真推演融合系統(tǒng)收集到的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的差異以及普遍出現(xiàn)的問題等信息，教師更有針對性地展開對基本概念、工程原理等內(nèi)容的教學(xué)，并在學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶右酝卣埂?/p>

2.學(xué)生自主探究

與傳統(tǒng)課堂中從教材到題目的自主探究不同，基于數(shù)字孿生與仿真推演的工程教育深度學(xué)習(xí)模式課堂中的自主探究以數(shù)字孿生與仿真推演融合平臺作為實(shí)施操作的載體，學(xué)生完全能夠在所學(xué)基礎(chǔ)知識和工程原理的基礎(chǔ)上對自身的猜想展開驗(yàn)證，是工程教育深度學(xué)習(xí)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在課堂學(xué)習(xí)后，學(xué)生對本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容已經(jīng)具備初步的認(rèn)識與理解，接下來需要借助數(shù)字孿生與仿真推演的平臺對基本概念、工程原理的內(nèi)容展開驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對工程原理及情境的向后還原和向前延伸的假設(shè)與檢驗(yàn)。至此，學(xué)科基礎(chǔ)知識的掌握已由純粹的機(jī)械性識記轉(zhuǎn)向解釋性理解的層面。然后，按照教師課前設(shè)計(jì)的具有挑戰(zhàn)性的個(gè)人、小組或班級任務(wù)，學(xué)生帶著自身的猜想以及解決問題的方案在數(shù)字孿生和仿真推演的融合平臺展開進(jìn)一步的實(shí)施，“身臨其境”地體驗(yàn)工程實(shí)踐中如何在充滿未知的情景下通過自身獨(dú)立探究或團(tuán)隊(duì)協(xié)作的力量解決復(fù)雜工程問題，逐漸具備需要站在政府、企業(yè)及用戶等利益相關(guān)者的角度并以工程投入長期使用后的眼光和思維驗(yàn)證和審視解決方案的可行性、有效性及科學(xué)性的能力。最后，學(xué)生可將自身對基本概念、工程原理檢驗(yàn)后的內(nèi)涵與外延的新認(rèn)識、新理解加以介紹與說明，并將個(gè)人或小組方案的具體步驟、實(shí)施過程及執(zhí)行結(jié)果匯總為個(gè)人或小組成果并準(zhǔn)備在班級內(nèi)分享。

需要注意的是，自主探究意味著在充滿不確定性的未知中探尋解決問題的可行路徑，當(dāng)學(xué)生遇到阻礙而進(jìn)展較慢甚至無法繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，教師需要及時(shí)地采取干預(yù)行動，在問題解讀、方案設(shè)計(jì)及方案可行性驗(yàn)證等方面予以提示或指引，助推學(xué)生對基本概念、工程原理、解決方案等已經(jīng)姍姍來遲的理解與構(gòu)思加速到來以緊跟課堂學(xué)習(xí)進(jìn)程的整體步伐。

3.師生課堂互動

課堂教學(xué)進(jìn)行到該環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的探索已經(jīng)幾近結(jié)束，此時(shí)需要全體師生在已有基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)和小組成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行充分的討論。首先，學(xué)生需要對基本學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)識與理解、方案設(shè)計(jì)及成果進(jìn)行演示與解說；其次，其他學(xué)生與教師在途中可隨時(shí)對演示中的同學(xué)進(jìn)行發(fā)問，演示的同學(xué)或小組需要做出積極的回應(yīng)；再次，無論是學(xué)生的演示還是提問，教師均需要審時(shí)度勢地在學(xué)生的基礎(chǔ)上進(jìn)行可能的延伸，并予以必要的鼓勵(lì)和糾正；最后，針對共同討論的工程實(shí)踐問題，將不同個(gè)人或小組的解決方案進(jìn)行對比，同時(shí)也可與學(xué)生預(yù)先的猜想或數(shù)字孿生和仿真推演的一般做法進(jìn)行對比，在不同解決方案的彼此交鋒中使學(xué)生對基本概念、工程原理、方案設(shè)計(jì)、工程倫理及價(jià)值觀等的認(rèn)識與理解得到進(jìn)一步的深度加工。

（三）師生課后評價(jià)階段：評價(jià)、反思及改進(jìn)

首先將課堂教學(xué)中各個(gè)階段效果與最優(yōu)的推演效果做對比，同時(shí)將比對結(jié)果反饋給教師和學(xué)生；然后，根據(jù)課中教學(xué)的實(shí)踐效果建立數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和智能分析，構(gòu)建數(shù)字孿生駕駛艙，可以讓教師和學(xué)生對課堂學(xué)習(xí)效果有直觀的認(rèn)識，進(jìn)而修訂階段性的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過個(gè)性化和差異化的評價(jià)引導(dǎo)學(xué)生思考、選擇和使用適合自己的學(xué)習(xí)路線。

需要強(qiáng)調(diào)的是，評價(jià)及反饋是為了讓學(xué)生客觀、全面地了解自身的學(xué)習(xí)狀況，并作為教師了解和掌握教學(xué)效果以更具針對性地進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)的參考依據(jù)。教師和學(xué)生均需要分別對自身教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中存在的優(yōu)點(diǎn)與不足靈活采取不同的評價(jià)方法加以總結(jié)與反思，思考課中改進(jìn)的時(shí)機(jī)與內(nèi)容，并將反思結(jié)果及改進(jìn)方案作用到下一節(jié)課的課前準(zhǔn)備階段，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生與仿真推演融合支持下的工程教育深度學(xué)習(xí)螺旋式前進(jìn)的動態(tài)循環(huán)。

五、結(jié)語

數(shù)字孿生與仿真推演的融合為工程教育深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)提供了具象表達(dá)的外顯工具，為學(xué)生搭建了具身沉浸式地參與工程問題解決的過程以在“最近發(fā)展區(qū)”取得進(jìn)步的“腳手架”，是師生共同對基礎(chǔ)知識和工程原理展開全面而又深入的探討與對話的有力載體。本研究對數(shù)字孿生與仿真推演在工程教育中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試和探索，針對工程教育重在實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字孿生與仿真推演的虛實(shí)映射、現(xiàn)實(shí)場景復(fù)刻等功能構(gòu)建了基于數(shù)字孿生與仿真推演融合的工程教育深度學(xué)習(xí)理論框架，并由此提出了基于數(shù)字孿生和仿真推演融合的三階段五環(huán)節(jié)工程教育深度學(xué)習(xí)模式，為數(shù)字孿生在教育中的應(yīng)用、工程教育深度學(xué)習(xí)的有效展開提供了具有參考意義的視角和思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李飛，牛冰等.工程教育支撐科技自立自強(qiáng)的理論邏輯與實(shí)現(xiàn)路徑[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2023，44（1）：68-84.

[2][3] 羅遠(yuǎn)新，王樹新等.創(chuàng)新引領(lǐng)，特色發(fā)展——重慶大學(xué)新工科教育的探索與實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2023，（3）：31-36.

[4] 朱露，胡德鑫.歷史制度主義視域下美國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的嬗變邏輯[J].黑龍江高教研究，2023，41（11）：63-71.

[5] 孫亮，徐震等.高等工程教育中課程思政的“八個(gè)維度”[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2023，（3）：64-71.

[6] 陳明選，周亮.數(shù)智化時(shí)代的深度學(xué)習(xí)：從淺層記憶走向深度理解[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2023，41（8）：53-62.

[7] 曾文婕.深度學(xué)習(xí)究竟是什么——來自歷史、共時(shí)和未來維度的探問[J].教育研究，2023，44（3）：52-62.

[8] 陳根.數(shù)字孿生[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.4.

[9] 鄭浩，王娟等.認(rèn)知數(shù)字孿生體教育應(yīng)用：內(nèi)涵、困境與對策[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2021，（1）：13-23.

[10] 謝遠(yuǎn)龍，王書亭等.教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型下數(shù)字孿生驅(qū)動的機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2023，（6）：47-53.

[11] 陶飛，劉蔚然等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[12] 涂良川.“數(shù)字孿生”拓展實(shí)踐技術(shù)邏輯的哲學(xué)敘事[J].理論與改革，2023， （4）：64-74.

[13] 崔允漷.深度教學(xué)的邏輯：超越二元之爭，走向整合取徑[J].中小學(xué)管理，2021，（5）：22-26.

[14] 伍遠(yuǎn)岳.論深度教學(xué)：內(nèi)涵、特征與標(biāo)準(zhǔn)[J].教育研究與實(shí)驗(yàn)，2017，（4）： 58-65.

[15] 李培根，陳立平.在孿生空間重構(gòu)工程教育：意識與行動[J].高等工程教育研究，2021，（3）：1-8.

[16] 李海峰，王煒.面向高階思維能力培養(yǎng)的數(shù)字孿生智慧教學(xué)模式[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2022，（4）：51-61.

[17] 林健.工程教育的信息化[J].高等工程教育研究，2022，（1）：1-10.

[18] 湯瑞麗，梁丙卓等.面向復(fù)雜系統(tǒng)的高等工程教育再設(shè)計(jì)——南方科技大學(xué)SDIM“深度整合”新工科教育實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2023，（5）：41-47.

[19] Felder M R，Woods R D，et al.The Future of Engineering Education：Part 2.Teaching Methods that Work [J].Chemical Engineering Education，2000，34（1）：26-39.

作者簡介：

蔣林浩：副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，常務(wù)副院長，研究方向?yàn)楦叩冉逃⒀芯可逃?，科學(xué)教育。

張艷鹿：在讀碩士，研究方向?yàn)榻逃芾怼⒔處熃逃?、教育信息化?/p>

楊光：副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字孿生、人工智能。

Research on the Construction of Deep Learning Mode of Engineering Education Based on Digital Twin and Simulation Deduction

Jiang Linhao1， Zhang Yanlu2， Yang Guang3

1.（Qingyuan） Institute of Science and Technology Innovation， South China Normal University， Qingyuan 511517， Guangdong 2.College of Teacher Education， South China Normal University， Guangzhou 510631， Guangdong 3.School of Artificial Intelligence， Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic， Guangzhou 510550， Guangdong

Abstract： The integration of digital twin and simulation deduction has the functions of mapping reality to reality and reproducing realistic scenes. The integration of digital twin and simulation deduction provides a powerful carrier for the realization of deep learning in engineering education. Digital twin can promote the application of deep learning in engineering education through integrating simulation deduction to construct a foundation of carrier for the development of deep learning in engineering education， realize the core concepts of engineering education accreditation throughout classroom teaching， and reshape the engineering ability and thinking for practical engineering application in an all-round way. On the basis of analyzing the theoretical framework that the deep learning in engineering education based on the integration of digital twin and simulation deduction includes opening up the knowledge transfer path， constructing three-dimensional and efficient classroom， creating validation situations， reconstructing teacher-student roles and relationships， and supporting the realization of multi-dimensional and continuous evaluation for improvement， this paper explored and constructed a three-phase and five-link deep learning model of engineering education based on the integration of digital twin and simulation deduction， in order to provide a referential perspective and idea for the effective development of deep learning in engineering education and the enhancement of the cultivation quality of engineering education professionals.

Keywords： digital twin； simulation deduction； engineering education； deep learning； model construction