智能實訓教學何以可能：基于數字孿生技術的分析

范小雨　鄭旭東　鄭浩

摘 要：我國職業教育實訓教學大致經歷了依賴物理空間的實訓教學1.0、依托信息空間的實訓教學2.0、虛實簡單交互的實訓教學3.0三個發展階段，并正在向第四個階段即智能技術支持的實訓教學4.0邁進。基于數字孿生技術的實訓教學具有創造虛實無縫連接的映射空間、實時監控實訓教學進展、實現虛實動態交互與人機實時交互及迭代優化實訓教學等價值。基于數字孿生技術的智能實訓教學體系包括三個階段：教學準備階段，精準構建學生畫像，規劃與模擬教學過程;教學實施階段，搭建協同工作環境，精準推送實訓課程資源;教學評價階段，采用數據驅動的伴隨式評價，提供可靠有效的反饋。

關鍵詞：職業教育;智能實訓教學;數字孿生技術;虛實融合;伴隨式評價

基金項目：2020年度江蘇省社科基金青年項目“區塊鏈技術推進區域教育治理的創新機制與實踐路徑研究”（項目編號：20JYC002）;2020年江蘇師范大學研究生科研與實踐創新計劃項目“混合學習中共享調節行為模式研究”（項目編號：2020XKT908）

作者簡介：范小雨，女，江蘇師范大學智慧教育學院2019級碩士研究生，主要研究方向為智慧教育、學習科學;鄭旭東（通訊作者），男，江蘇師范大學智慧教育學院講師，博士，主要研究方向為智慧教育、教育數據治理;鄭浩，男，江蘇師范大學智慧教育學院2019級碩士研究生，主要研究方向為智慧教育、遠程教育。

中圖分類號：G710 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-7747（2020）12-0026-06

《中國教育現代化2035》提出，要培養創新人才尤其是拔尖創新人才，加強應用型、復合型、技術技能型人才培養力度[1]。職業院校作為技術技能人才的搖籃和供給主體，其重要地位越來越突出。實訓教學是職業院校理論課堂的延伸，是職業教育人才掌握技術技能的關鍵環節。然而，當前職業教育實訓教學卻存在實訓基地建設質量不高、師資力量不強、實訓教學模式陳舊、實訓教學考核方式單一等問題。先進的智能技術能為開展實訓教學提供重要支撐，利用數字孿生技術改革實訓教學，迭代優化實訓教學過程和評價模式，不失為培養高素質技術技能型人才的重要途徑。

一、實訓教學發展歷程

我國職業教育實訓教學大致經歷了依賴物理空間的實訓教學1.0、依托信息空間的實訓教學2.0、虛實簡單交互的實訓教學3.0三個發展階段，并正在向第四個階段即智能技術支持的實訓教學4.0邁進，如圖1所示。

（一）依賴物理空間的實訓教學1.0階段

在實訓教學1.0階段，職業院校使用傳統物理空間開展實訓教學，主要存在兩方面的局限。其一，實訓基地無論是在場地建設還是設備添置等方面都需要花費大量的資金，這會增加職業院校的經濟負擔[2]。由于高端設備價格昂貴，職業院校通常購買的都是通用型的中小型實訓設備，且設備更新換代不及時[3]。這就造成學生實訓操作的設備與其畢業后在工作崗位中使用的設備存在很大偏差，最終導致學生在學校掌握的技術技能不能滿足實際工作需要。其二，由于實訓設備數量有限，傳統實訓教學形式多為發生在實訓車間的現場集中式授課，即教師講解、演示，學生操作、練習。在這個過程中，雖然教師的示范教學很直觀，但是實驗次數甚少，學生難以在短時間內記住整個實驗流程，并且只有少數學生有機會操作實訓設備，大部分學生在實訓課期間實則處于“游離”狀態。如果學生分組輪流操作實訓設備，教師還需要按照分組依次指導，這不僅增加了教師重復教學的負擔，也不利于提高教學效率。

（二）依托信息空間的實訓教學2.0階段

隨著多媒體計算機技術的發展，基于多媒體技術、網絡技術、存儲技術的現代信息技術開始應用到傳統實訓教學中，實訓教學信息空間出現，實訓教學進入2.0發展階段。在實訓教學2.0中，教師運用音視頻信號采集技術對實訓教學進行錄播，把實訓課件、視頻集中存儲、共享，學生可在課后共享實訓教學典型案例等學習資源，一方面能促進實訓教學優質資源的常態化積累，另一方面學生可通過反復觀看錄播視頻，練習實訓操作步驟。之后出現了多功能視頻交互平臺，它把虛擬演播和視頻會議的非線性編輯功能結合起來，不僅能夠實現課程錄播，而且支持傳輸實訓教學遠程視頻以及師生雙向互動。遠程視頻傳輸既可以將企業專家的實操行為實時傳輸給學生，又可以讓專家遠程指導學生練習，實現專家與學生的互動交流和對學生實操作品的在線點評。然而，信息空間的出現只是促進信息物理空間中的學生交流方式和知識共享方式的融合，學生活動仍然完全在線下物理空間完成，尚未有在線上實時操作設備和制造產品的條件與機會，存在現實條件限制的實操練習難以開展等問題[4]。

（三）虛實簡單交互的實訓教學3.0階段

將多媒體計算機、虛擬仿真等技術應用于實訓教學，可為學生創建真實生動的情境和條件，營造積極自由的實訓環境及培養創造能力的學習活動氛圍[5]，由此也推動實訓教學進入了虛實簡單交互的實訓教學3.0階段。虛擬仿真實訓教學系統除了能夠降低實訓基地建設成本、降低實訓過程中的危險系數之外，還能夠通過外部輸入設備、頭盔式顯示器等實現學生與虛擬環境之間的交互。然而，這種交互仍然停留在簡單交互的階段，缺乏深度交互;并且，這種交互需要借助頭盔、手柄等工具操作虛擬世界的設備，不僅繁瑣復雜，而且妨礙教師觀察學生的學習投入情況。這些都導致虛實環境之間缺乏連續、實時的深度交互，可能會增加學生的實訓操作活動難度，不利于提升他們的技術技能水平。

（四）智能技術支持的實訓教學4.0階段

在新一代智能制造技術驅動下，很多職業院校期望實現實訓教學的物理空間與信息空間之間的雙向真實映射與實時交互。在這樣的實訓教學過程中，信息空間能夠不斷收集物理空間的實時數據，在對物理空間高度保真的前提下，對其操作過程進行持續調控與迭代優化[6]，實現物理空間、信息空間和空間服務系統的全要素、全流程、全業務數據的集成和融合，實訓教學由此進入4.0階段，即智能實訓教學階段。實訓教學4.0綜合運用物聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等先進智能技術，不僅能夠實現觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界的目標[7]，而且實訓教學4.0與其配套的課程體系是分層或定制化的，學習資源也能夠根據個體需求精準推送，適應學生個性化特征，滿足學生不同的實訓需求。

二、數字孿生技術的教育應用價值

數字孿生可將物理實體的屬性、結構、狀態、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態多維、多尺度、多物理量模型，實現虛實之間雙向映射、實時連接、動態交互[8]。數字孿生具有虛實共生、高實時交互、高虛擬仿真、深度洞見的特征[9]，是實現未來智能實訓教學的關鍵技術，其應用價值主要體現在以下四個方面。

（一）創造虛實無縫連接的映射空間，賦能學生技術技能的實訓與發展

將數字孿生技術融入實訓教學空間建設，能夠將實訓物理空間和信息空間深度融合，形成一個無縫的映射空間。該空間不僅為實訓教學搭建了一個操作示范、師生互動、小組協作的平臺，而且能再造實訓教學過程。該空間的具體價值體現在以下三個方面：其一，基于數字孿生技術的實訓教學空間能夠突破傳統物理實訓教學空間的設備局限性，讓處于游離狀態的學生回歸課堂，營造“人人可實踐”的學習氛圍;其二，虛擬模型可以模擬各種條件，并把狀態信息及時反饋給物理實體，使學生及時發現并改進容易忽視和出錯的環節，更全面深刻地理解實訓操作過程，最終產出預期作品;其三，學生實訓操作練習能夠先虛后實、虛實融合地進行，相較于完全依賴信息空間的實訓操作練習，學生能獲得更多的動手操作機會，賦能其技術技能的培養。

（二）實時監控實訓教學進展，實現設備和產品的全生命周期管理

基于數字孿生技術的實訓教學空間可對物理空間環境進行高保真復現，能對實訓教學的設備運行狀態與物理實體產品參數進行實時監控。數字孿生體記錄物理實體性能狀態的準確性和實時性的能力遠遠大于傳統的攝像頭，可以無差別地獲取物理實體迭代變化的所有參數，然后通過對這些參數的智能化處理和分析，同步得出物理實體的運行狀態，并通過虛擬模型將物理實體的內部細節結構展示出來。數字孿生技術融入實訓教學設備和產品全生命周期管理，實現了設備故障預警、壽命預測等功能，進而保障教學設備的健康運行，對及時改善實訓操作步驟和物理實體產品具有極大的提示作用。

（三）虛實動態交互與人機實時交互，縮小虛擬世界與現實世界之間的差距

基于數字孿生技術的實訓教學不僅強調虛擬模型與物理實體之間的動態交互，而且重視人機交互的體驗。一方面，物理實體設備通過傳感器與數字孿生體動態交互，數字孿生體實時反映物理實體制造產品的情況，并將結果反饋給物理實體，為物理產品的優化操作提供參考信息和決策支持;另一方面，數字孿生技術融入實訓教學能夠營造良好的人機交互全息環境，使參與其中的學生獲得身臨其境般的沉浸式體驗。值得注意的是，基于數字孿生技術的實訓教學不僅僅局限于視覺和聽覺的感知，還擴展到了全感官融合，豐富了學生的學習體驗。數字孿生實訓教學空間的虛實動態交互和人機實時交互真正實現了數據連接、虛實共生和聯通互動。

（四）迭代優化實訓教學和實操步驟，提高學生的問題解決與深度學習能力

融入數字孿生技術的實訓教學在迭代優化教學及提高學生問題解決與深度學習能力方面的作用主要體現在以下三點。其一，在數字孿生體迭代進化的過程中，實訓教學中實操步驟的所有歷史記錄都可被隨時提取，重現物理實體在其制造過程中的任一時刻的狀態。當某項制作指標不在規定范圍內時，數字孿生體將進行提示和預警，學生在得到預警信號后，可檢查自己的實訓操作步驟，準確發現問題環節并及時改正。其二，通過虛實映射，數字孿生體基于大數據能智能化評估實際教學效果，給予教師決策建議。教師可通過數字孿生體的反饋信息改進教學策略，有效完善整個教學流程，優化教學效果。由此可見，該實訓教學過程是一個“實施—監控—預警—優化”不斷迭代循環的動態過程。其三，基于數字孿生技術的實訓教學還支持學生開展崗前預演和鍛煉，便于學生對問題進行深層挖掘，探究問題關鍵所在，培養其洞察、怡情和自我認識的深度學習能力。

三、數字孿生技術支持的智能實訓教學體系的構建

本文構建了數字孿生技術支持的智能實訓教學體系，包括教學準備、教學實施、教學評價三個階段。

（一）教學準備階段：精準構建學生畫像，規劃與模擬教學過程

1.精準構建學生畫像。教學準備階段主要是開展教學設計工作，需要分析學生特征，確定符合學生認知水平的學習目標。數字孿生技術能對學生的基礎信息（如年齡、性別、家庭住址）、學習成績（如與實訓課程相關的理論基礎課程成績）、學習行為、學習投入及學習風格等數據進行建模與智能分析，進而構建全面精確地反映學生知識基礎與個性特征的學生畫像。精準的學生畫像不僅可以幫助教師深入挖掘隱藏于錯綜復雜數據之下的學生的學習特征和規律，實現對學生學習行為的全面監測與智能干預，而且可以幫助教師根據不同學生的特征確定相應的教學起點，進行因材施教，真正形成針對學生個性特征和個體差異的個性化教學模式。

2.規劃與模擬教學過程。教師在教學設計中難免會出現某些環節設計的不合理、不準確等問題，若將其直接運用于實訓教學可能會對學生理解技術原理和熟練操作設備造成不良影響，阻礙實訓教學過程的順利開展，而高仿真的數字孿生體可以規劃與模擬各類教學活動的實施過程。當實訓課程教學設計完成后，教師孿生體與學生孿生體之間能夠進行數據交換，數字孿生系統可以幫助教師實現兩方面的目標。一方面，教師孿生體能重點關注以往教學的重點難點在此次教學過程中的實施情況，提前預判教學環節的不足之處，發現教學活動中的漏洞;另一方面，教師孿生體能清楚了解學生孿生體的反饋信息，可以通過分析數字孿生體的反饋信息選擇最優化的教學策略、教學方法和教學媒體，提高整個教學活動設計的適用性、可行性和成功率。

（二）教學實施階段：搭建協同工作環境，精準推送實訓課程資源

1.搭建協同工作環境。教學實施階段是對準備階段各項設計活動的檢驗，其最重要的是激發學生的學習熱情，充分彰顯學生的主體地位。在實訓教學過程中，小組協作學習能夠將不同的知識加以交流、綜合和分析，充分彰顯每個學生的主體地位，對專業理論知識寬泛、技術要求高、注重實踐應用的實訓課程具有重要促進作用。基于數字孿生技術的實訓教學可以幫助學生開展虛擬協作。相對于傳統虛擬仿真模型而言，數字孿生體不僅可以快速獲取傳感器數據、模擬特殊條件、精準預測學習結果，而且能動態地實時記錄操作流程，學生根據實訓需要便能隨時切換到任意操作狀態。數字孿生體還可以幫助小組成員達成以下兩方面的目標。其一，小組成員能夠圍繞同一個數字孿生模型進行操作演練，隨著操作流程的進行，數字孿生體的最新狀態以可視化的方式呈現，便于小組成員隨時判斷操作流程的合理性。其二，小組成員一旦發現實訓產品朝著不可預估的方向發展，可以回溯操作流程中的不足之處，迅速改進操作步驟，促進實訓任務保質保量地完成。

2.精準推送實訓課程資源。基于數字孿生技術的智能實訓教學徹底改變了傳統模式下教學過程的“統一化”狀態，其以“智能”為驅動，通過建設智能的教育信息化體系，實現每個學生的個性化發展[10]。基于數字孿生技術的實訓教學體系精準推送課程資源包括兩個方面。其一，首先，數字孿生體通過對教學過程要素（教師、學生、教學媒體、教學內容等）的數據建模，可從多個維度了解學生的實訓操作過程;其次，依托學生畫像對學生個性偏好進行分析，可預測其偏愛的學習方法和適合的學習資源等;最后，針對企業的崗位能力需求，幫助推送個性化的實訓課程資源，定制個性化學習路線。其二，關于實訓過程中存在的疑惑與問題，學生還可與專家孿生體直接進行討論交流，專家孿生體針對學生出現的問題，結合實踐教學與工作經驗給出個性化解答。

（三）教學評價階段：采用數據驅動的伴隨式評價，提供可靠有效的反饋

在以往的實訓教學中，對學生實訓效果的評價多為在教學過程結束時對他們的資格認定或檢測，但這類評價方式往往只有目標評價而無過程評價，多指向選拔的目標而忽視學生的未來發展。《教育部關于職業院校專業人才培養方案制訂與實施工作的指導意見》指出，要“健全多元化考核評價體系，完善學生學習過程監測、評價與反饋機制。強化實習、實訓、畢業設計（論文）等實踐性教學環節的全過程管理與考核評價”[11]。數字孿生技術支持的實訓教學評價具有以下三方面優勢。其一，實訓的智能評價體系符合教育信息化的發展趨勢，融合了大數據、人工智能等先進技術，實現了評價數據的伴隨式采集和智能化分析，為教師改進教學過程和學生提高實訓效果提供了更加可信的反饋。其二，數字孿生體基于實訓教學過程中來源廣、種類多、結構復雜的海量數據，不僅可以精準記錄實訓教學全過程，而且能夠智能分析重點操作是否符合規定，形成“教學—評價—反饋—再教學”大數據評價體系，改善傳統實訓教學體系。其三，數據驅動的伴隨式評價可以增加實訓課程的重難點考核權重，擴大評價維度，豐富評價指標，加強評價深度，促使教師從過去以直觀感受為主的教學評價轉變為以“數據+算法”為核心的智能評價。

近年來，融合了物聯網、大數據、云計算、區塊鏈、混合現實等技術的數字孿生技術備受社會各領域關注，正在以前所未有的速度和力量顛覆性變革著生產制造，也促進職業教育實訓教學向智能化方向轉型升級。融入數字孿生技術的智能實訓教學即將成為現實，其將重塑實訓教學新生態體系，促進職業教育在智能時代的發展。基于數字孿生技術的智能實訓教學，不僅能彰顯智能時代的職業教育辦學特色，推進智能產業所需高技術技能人才的培養，而且能融入到數字孿生的學校、城市等建設中，更好地服務于智能教育與社會環境的構建。

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[責任編輯 ? 賀文瑾]

How is Intelligent Practical Training Teaching Possible： The Study

Based on Digital Twin Technology

FAN Xiaoyu， ZHENG Xudong， ZHENG Hao

Abstract： The practical teaching of vocational education in China has experienced three development stages： training teaching 1.0 relying on physical space， practical teaching 2.0 relying on information space， and practical training teaching 3.0 with simple interaction between virtual and actual conditions. It is moving forward to the fourth stage， training teaching 4.0 supported by intelligent technology. The training teaching based on digital twin technology has the value of creating mapping space of seamless connection between virtual and reality， real-time monitoring of training teaching progress， realizing dynamic interaction between virtual and reality and real-time interaction between human and computer， and iterative optimization of practical teaching. The intelligent practical training teaching system based on digital twin technology includes three stages： In the preparation stage， student portraits are accurately constructed， and teaching process is planed and simulated; In the implementation stage， the collaborative work environment is built and accurately provide the training curriculum resources; In the evaluation stage， the data-driven accompanying evaluation is used to provide reliable and effective feedback.

Key words： vocational education; intelligent practical training teaching; digital twin technology; virtual-real fusion; accompanying assessment