基于數字孿生技術的互聯網+“5S”教學模式創新研究

王妍捷，馮怡嫣，房琳

江蘇師范大學科文學院，江蘇，徐州，221116

0 引言

隨著時代的發展和互聯網技術的進步，教育領域在信息化手段的影響下教育內容和教育效果都有了明顯的提升。高校日常教學應該充分利用信息技術，創造生動形象的課堂氛圍，促使學生更好地感受課堂的魅力，迸發對知識的探究熱情，提升學生的創新能力與思維能力，進而幫助其理解知識難點。為了進一步迎合時代的發展需要，滿足現代學生的發展需求，推進信息化教學改革勢在必行[1]。

1 研究背景

“互聯網+”背景下的信息化教育改革，旨在將課程知識通過信息傳遞的方式傳授給學生，讓學生的學習不再受時間、空間的限制，使學生充分利用大數據資源，掌握更加全面的知識。步入2021年，互聯網+大數據的應用使信息化教學被廣泛地在全國范圍內使用起來，在這種大背景下，研究信息化教學改革中的創新勢在必行。

數字孿生（Digital Twin）是虛擬現實技術不斷發展的產物，最早出現在美國航空航天局NASA空間飛行器孿生體技術圖，隨后Grieves教授將其定義為產品的數字虛擬化，用來準確描述產品數據信息和信息集成的仿真技術。鄭思思等認為“數字孿生技術是指在特定的數據閉環中，在指向性的多維異構數據驅動下，創建物理實體（系統）相對應的動態高仿真數字模型， 以提供不同情境下面向特定對象的主動或響應式服務”[2]。而新冠疫情的爆發及常態化促使教育方式的變革，線上線下混合式教學逐漸成為教學常態化。因此，技術賦能的前提下，數字孿生技術也逐漸應用于教育行業，并給教育的發展帶來了無限可能。2019年，褚樂陽等學者提出數字孿生可以作為故障預測及健康管理工具，提升教學設施的管理效率[3]；2021年，張枝實認為通過仿真技術探討和預測未來，能為新時代教育的創新和發展提供新理念和新方案，并從微觀、中觀和宏觀層面總結數字孿生技術在教育領域影響和應用[4]。本文基于數字孿生技術結合互聯網+教育信息化改革的研究提出了“5S”信息化教學法。

2 高校信息化教學現狀分析

目前，在大數據環境下高校信息化教學模式所面臨的問題主要存在以下問題。

2.1 信息化教學與傳統教育模式之間的矛盾

截至2021年，國內高校使用多媒體授課已經成為最普遍的教學方式，然而，在高校中傳統教學模式已經根深蒂固，使得高校信息化教學模式改革困難重重。絕大部分高校教師都面臨著如何從“多媒體化”到“信息化”教學的轉變。2020年，信息化教學在高校中得到了極大的推廣和廣泛的應用，但信息化教學資源的投入對學生學習效果的提升并不明顯，學生對于傳統線下課題的依賴感較重，教師對于信息化教學的內容、質量和水平，均有待于進一步的提高。

2.2 網絡教學迅速發展與制度規范相對匱乏之間的矛盾

網絡教學已逐漸被人們所認可，特別是在2020年發展十分迅速，進入快速發展時期。這就要求高校與時俱進，革新教學理念，建立完善的制度體系，促進網絡教學的發展。同時，在整個大的時代背景下，信息化絕不僅僅只是在教育領域影響著人們，手機信息化課堂教學模式也可以被用于多媒體設備的教室和一般教室，智能手機與信息化教學之間存在著密不可分的聯系，如何規范手機在信息化教學中的作用成為亟待解決的問題之一。

3 高校信息化教學改革的創新及對策研究

3.1 改變教學觀念，推動信息化教學普及化

在大數據及信息化的大背景下，傳統教學模式與信息化教學之間的矛盾被放大。當一些不可抗力導致傳統課堂不復存在，無論是錄播課程還是直播課程，教學資源與教學形式的信息化成了必須要進行的教學手段，在這個過程中比較凸顯的矛盾主要有：首先，教師對于信息化教學技術的掌握程度不一，導致同一所學校不同課程之間的信息化教學水平參差不齊；其次，學生對于突如其來的教學信息化應接不暇，沒有調整好以信息化教學作為主要授課形式的心理準備；第三，信息化教學平臺服務器容量不足以支持幾百萬大學生同時在線學習，相關的技術問題亟待解決。因此，改變原有的教學觀念不僅僅是教育工作者所要面對的問題，同時也是受教育者需要改變的觀念，兩者同時進行，方可推動信息化教學的普及化[5]。

3.2 線上線下教學計分制度亟待統一

2020年上半年，各大信息化教學平臺紛紛加入網絡課程的大軍，無論是對老師還是對學生，都是一場突如其來的挑戰。其中，以“中國慕課”和“超星學習通”為代表的視頻化教學平臺和以“釘釘”及“騰訊會議”為代表的直播教學模式均在此次信息化教學中展示出巨大的生命力。但是與之對應的教學管理辦法卻沒有能夠及時跟進，例如，如何平衡線上與線下教學的時間比例，如何對學生的線上及線下學習成績進行有機的綜合評價。目前關于這部分的制度規范尚沒有統一規范，如何正確平衡與評價學生線上與線下的學習成績與質量，就顯得尤為重要。只有建立完善的線上線下教育混合計分制度，才能為信息化教學真正鋪平道路，讓老師放心教，學生用心學。

4 信息化教學模式“5S”模型的創新研究

信息化教學改革的探索基于數字孿生技術的應用越來越廣泛，同時數字孿生技術結合通信技術，運用物聯網絡大數據融合搭建信息共享平臺；在信息化教學的過程中從真實的情景進入虛擬仿真情景，形成數字孿生體。在于田鋒、段海波、楊振亞等所著的《數字孿生體技術白皮書（2019）》提出了數字孿生體成熟度模型“數化—互動—先知—先覺—共智”，數字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體；這個進化演變的過程稱為成熟度進化，即一個數字孿生體的生長發育將經歷數化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程。通過搭數字線程使用物聯網實時互傳信息和數據，運用模擬仿真科學計算預測信息獲得先知，同時運用機器大數據分析技術推測未來信息，通過共享實現共智[6]。基于數字孿生的混合教學模式如圖1所示。

圖1 基于數字孿生的混合教學模式

信息化教學的本質是教學，教學的主體是學生。如何能讓學生在信息化教學的過程中通過數字孿生技術達到“數化—互動—先知—先覺—共智”的效果。模型仿真技術基于學生個體的數據化模型能否根據學生個體的當前狀態，通過大數據科學計算、分析和預測出每位學生個體的未來狀態？如果要求數字孿生體越來越智能和智慧，就應該全周期和全領域的動態仿真，而每一個學生個體又有著不同的學習習慣，同時在教學過程中，不僅僅由學生單獨完成，而是有教師教授環節和學生學習環節。在教授環節中，信息的互動在數字孿生技術的平臺能否真實地讓學生體驗到仿真的環境？通過2020年上半年至今的信息化教學實踐，筆者提煉出創新信息化教學模型，即“5S”信息化教學模型，這個模型將信息化教學分為五個環節，分別是：“數據共享（Shared Resources）→自主學習（Self-study）→課堂集中（Centralized Seminar）→資源交互（Swap Resources）→數據互評（Statistics Cross Evaluation）”，數字孿生作為實現數字化、智能化、服務化等先進理念，目前很多的信息化教學模型都基于數字孿生的技術研究信息化的教學模式改革，數字孿生的教學模型更強調網絡平臺的應用，將教室內的物聯網平臺和教室外的互聯網平臺緊密結合，有效地挖掘學生上課狀態實時信息，結合學生各項歷史數據，通過數字孿生的形式發送給任課教師，為教師授課過程提供指導和依據[7]。數字孿生體成熟度模型、特征和關鍵技術如表1所示。

表1 數字孿生體成熟度模型、特征和關鍵技術

數據共享（Shared Resources）：在數字孿生的應用中，互聯網+環境下的大數據能夠抓取到教師及學生多方面的數據資源，并儲存分析實現數據的可視化功能，同時將這些數據精準地共享給多方用戶，師生以及交互平臺依據數據分析改變自身的教學和學習方式。

自主學習（Self-study）：自主學習并不僅僅是學生的學習過程，同時教師也在改變自己的角色，教師不再是教學的主體而是教學的設計者，教師根據數據共享的信息設計好教學情境，學生在平臺上可以隨時獲取教學資源，在教學過程中形成資源閉合。

課堂集中（Centralized Seminar）：互聯網+信息化教學模式的改革中，課堂不僅僅是指線下的課堂，依據信息技術、大數據以及數字孿生等技術，實現線上課堂教學，線上課堂可以實現教學模式的時空閉合。

資源交互（Swap Resources）：在線上課堂中實現學生個人學習數據的存儲、分析、和數據可視化；同時也可以實現師生數據，學生與學生之間數據的交互，能讓學生更清楚地了解自己的學習成績，同時也能讓教師更便捷更準確地掌握每個學生的學習過程及學習效果。

數據互評（Statistics Cross Evaluation）：互聯網+、大數據、數字孿生等信息技術的應用使得目前的信息化教學已經成為智能教學信息系統。每次線上的教學過程都會留有師生互評的數據，同時在這些信息化技術的使用中，數據互評可以讓教師可以更好地對每一個教學階段的學習效果進行分析：在學期初、學期中、學期后期分階段對學習效果進行分析，并對實際教學效果進行評估，由任課教師及時改進控制課堂教學策略，保障教學的進行和效果[8]。

5 結語

“5S”信息化教學創新模型的提出不僅僅有利于線上或線下的課堂學習，其主旨是調動學生的主動性，可以利用互聯網平臺的新技術搜集資源，提升學生自主學習的能力，在課堂上利用各種形式的信息化教學輔助工具提高學生的學習興趣，課后再進行資源交互和評價鞏固所學知識。綜上，實現教育強國必須順應時代發展，將新一代信息技術與教育教學深度融合，既要關注內容建設，更要關注促進學生學習認知投入的學習活動設計。