融入數字孿生的圖書館智慧學習空間構建研究

張曉蕾

摘 要：圖書館智慧學習空間是圖書館在智能時代下快速發展的產物。文章基于數字孿生概念分析了現階段圖書館智慧學習空間所具有的高保真性、實時交互性、虛實共生性和真實性等特點，并構建了融入數字孿生技術的圖書館智慧學習空間模型，最后提出了數字孿生賦能的圖書館智慧學習空間構建路徑。

關鍵詞：圖書館；數字孿生；智慧學習空間

中圖分類號：G250?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1003-1588（2023）05-0125-04

隨著機器學習等高新技術的快速發展，人工智能和可視化技術也逐步走進了廣大民眾的視野中，使虛擬與現實世界實現了相互融合，這也成為當今的熱點話題之一，同時“數字孿生”概念應運而生。數字孿生是一種超現實的概念，能夠將現實產品構建為虛擬化的孿生體進行相關分析，強調的是虛實結合的新理念，自問世以來便受到廣泛關注。在我國，雖然數字孿生的研究與應用起步較晚，但近年來國家政策持續對其進行扶持，使數字孿生與大數據等技術并駕齊驅，并提出了“數字孿生創新計劃”［1］。數字孿生并不受實體數量的限制且能實現時空跨越，可被應用于各行各業，并能利用數據充分支持目標系統的相關服務，即物聯網的進一步發展，為圖書館的智慧發展賦予了新的可能，尤其能夠在圖書館智慧學習空間構建方面起到至關重要的作用。鑒于此，文章對融入數字孿生的圖書館智慧學習空間的特征進行分析，并在此基礎上設計了架構模型，同時對其構建路徑進行研究，以期促進圖書館的可持續發展。

1 相關概念

1.1 數字孿生

數字孿生（Digital Twin）指在數字化方式下建立的有關物理對象的動態化仿真模型，

對感知到的物理對象的數據進行采集，并且在虛擬空間中模擬物理對象在生命周期的狀態等［2］。數字孿生能夠對所提供的實際情況進行全面分析，對結果進行實時反饋，并提供相應的幫助。數字孿生源自1969年NASA執行阿波羅計劃時所制造的兩個相同的飛行器，將其實際執行任務與留下進行仿真的飛行器稱為孿生體。2003年，Grieves教授進一步提出了數字孿生的設想，于2011年正式提出了數字孿生的概念，至2012年NASA將其引入航空航天領域，并在2014年被德國西門子和達索公司等企業及美國的國防部所接受，至此得到了國內外的廣泛關注及重視。2016年，數字孿生首次被Gartner公司列入了十大戰略技術趨勢，次年，在世界智能制造大會上，數字孿生被確定為十大科學技術進展之一。當前，數字孿生已經在工業生產等領域形成了成熟的體系［3］。

1.2 智慧學習空間

空間指物質能夠以立體化形式呈現的一種客觀狀態，具體表現為物質具有的廣延性，即主體在執行特定的活動中能夠依賴的條件。學習空間指在學習環境支持下的客觀存在體，具體是指能夠為學習者提供相應的知識獲取與合作交流等服務，且具有開放性的主要學習場所［4］。智慧學習空間指從科技信息技術進行架構的角度著手，能夠參與相關虛擬學習環境方面的設計及規劃，并且具備相關智能技術支持的學習環境。同時，智慧學習空間能夠對各方參與者的真實需求進行感知，用以為學習者提供相應的量身定制的信息資源。

2 數字孿生下圖書館智慧學習空間的特征

2.1 高保真性

數字孿生體在圖書館的智能學習空間中提供了跨越時間和空間的高保真學習體驗，賦予了讀者全新的閱讀體驗，即在虛擬空間達到現實世界一般的高度，感受身臨其境的學習環境及環境相關附屬物。學習者能夠通過數字孿生進行物理實體的觀察并與之積極互動，這樣學到的經驗和技能就可以直接應用于現實世界。此外，學習者還可以實時訪問不同時區的場景和學習區，能夠根據自身需要開展學習活動。

2.2 實時交互性

數字孿生能夠為圖書館智慧學習空間提供分布式和跨區域的協作學習。數字孿生圖書館的學習空間對云計算技術和物聯網等核心技術進行充分應用，使跨區域的協作學習成為可能并不斷發展完善，學習者不僅可以完成相關的學習任務及自我要求，還可以合作探討、協同處理面對的問題。可以說，分布式協作學習既為學習者提供了更便捷的信息交流渠道，還能在模擬場景和其他學習活動中實現協作體驗。

2.3 虛實共生性

數字孿生可以提供數據驅動的學習，在圖書館的智能學習空間中實現虛擬與現實的共生。學習不僅是通過學習者與所處環境氛圍之間的良性互動產生的，也是在學習者自身認知結構的不斷形成過程產生的。充分利用圖書館智慧學習空間的數據管理功能，可以將難以被人們理解的現象或者抽象化機制進行形象化處理并加以展現，從而增強學習者的認知結構，促進其發展［5］。數據驅動下的學習不僅具有及時性、真實性和可預測性特征，而且還對深入探索學習者的問題提供了實時支持。因此，學習者能夠根據問題探索過程中收集到的數據改進他們的解決方案，改善他們的學習和認知結構。

2.4 真實性

數字孿生能夠為圖書館智慧學習空間提供真實的學習體驗。智慧教室的本質是為一系列學習者提供真實、以設計為主導的學習體驗，以設計和測試促進有效學習和更高層次思維的過程。將數字孿生體整合到圖書館的智慧學習空間中，不僅可以在虛擬孿生體和物理孿生體的生命周期中實現數據的雙向流動，還能實現物理孿生體和數字孿生體學習內容之間的實時關聯。

3 基于數字孿生的圖書館智慧學習空間架構模型

基于整體性、探索性、智能性以及融合性等構建原則，本研究提出融入數字孿生的圖書館智慧學習空間的架構模型，見下頁圖1。該模型設計了三個邏輯層，即物理空間層、云端服務層和數字空間層，描述了一個智慧圖書館學習空間的系統框架。

3.1 物理空間層

物理空間層作為圖書館智能學習空間嵌入在數據孿生體的核心層，是其數字空間層（數字孿生的鏡像）的重要數據來源［6］。物理空間層主要由各種館內設施和空間建構所組成，其中館內設施既包括智能的可穿戴設備、自助借還設備、智能識別系統、導航系統以及監控設備等，還包括基礎的圖書資料、移動書架、座椅板凳、飲水機以及空調等；空間建設包括特色的創客空間和多媒體空間等，以及基礎的水泥瓷磚、屋頂隔墻、地基鋼筋和水電工程等。物理空間層利用物聯網等技術提取本層物體的狀態和行為信息，并利用超高速通信技術傳輸到云端服務層上層的智能大腦，智能大腦可以將這些數據和行為指令發送到相關的物理實體，以提示相應的變化。

3.2 云端服務層

云端服務層的核心是智慧大腦，處理從物理和數字空間層收集的數據，并及時準確地發送指令。同時，智慧大腦根據自然語言處理和圖像處理等技術和功能以及學習者當前的行為狀態，準確地傳遞控制指令，并定期分析和處理信息及數據。此外，智慧大腦還能提供智慧學伴及智能導師等超前服務，為在圖書館自主學習的人群提供對應的支持服務。

3.3 數字空間層

數字空間層作為物理空間層的鏡像，包含物理空間層中所有物理實體的相關數字孿生。數字孿生體與物理實體實時接觸，能夠利用數據通信技術同步更新其狀態和行為，其中物理實體和數字孿生體被映射并進行動態互動［7］。數字空間層使數字孿生通過物聯網等技術得以實現，系統上一級收集的多種信息數據被傳輸到下一級的智慧大腦進行相關處理。數字空間層的信息實時交互和迭代優化功能模擬了更多的探索性學習活動，為學習者提供了有力的數據和技術支撐。

4 融合數字孿生的圖書館智慧學習空間構建路徑

4.1 整合資源，架構智慧學習平臺

基于數字孿生的圖書館智慧學習空間可以進一步實施資源整合，為智慧學習平臺的構建提供資源基礎。首先，云服務平臺能夠為圖書館提供包括服務和管理在內的“云”服務，從而有效保障圖書館智慧學習平臺的運行；其次，資源平臺是集資源管理與資源存儲等為一體的有效平臺，包括教材、多媒體教輔素材以及實驗視頻等多種資源，能夠為圖書館智慧學習平臺提供有效的數據支撐；再次，“智慧服務”是圖書館智慧學習平臺基于數據孿生的產物，集合了云服務平臺、資源平臺、移動智能終端（3D打印機、教學機器人、電腦）等智能化的學習環境，能夠在圖書館內進行模擬仿真的現場自我教學等。

4.2 加強建設，推送學習資源

學習資源是學習空間中最主要的服務內容，圖書館智慧學習空間在加強其建設時［8］可以對學習者的學習數據進行深入的數據挖掘并對產生的數據進行智能化分析［9］，用以對學習者的個人情況、個人偏好以及個性化特征展開充分的了解和研究，以此為基礎，智慧空間能夠推送學習者個性化學習資源，并激發學習者對相關領域的學習熱情。AI等高新智能技術的發展也為圖書館智慧學習空間提供了強有力的技術支撐［10］，如：具備全方位覆蓋技術的傳感器能夠精準提供館內環境數據；物聯網技術具有傳輸速率高等優勢，可以降低虛擬空間數據的延遲性，為學習者帶來更加仿真的體驗；人工智能為圖書館進行風險預測和決策輔助；自動優化空間建設有利于資源的更新和熱點知識挖掘。目前，一些學者已開展了多項針對學習資源與學習空間的數據分析和研究［11］，如：美國的My Library、Library@LANL以及我國的浙江大學圖書館等已經實現了能夠依據學習者的興趣領域進行相關建模和推薦工作。

4.3 人機交互，打造學習空間

情境認知理論是智慧學習空間中的基礎理論之一，該理論強調了在技術層面上的相關設備支持，能夠為學習者打造有利于其感知并能夠融入的學習環境。在數字孿生的融入下，圖書館可以充分利用虛擬技術（VR）在人機交互下進行智慧學習空間的構建，打造沉浸式的圖書館智慧學習空間，提高學習者的學習體驗學習效率。例如，英國的紐卡斯爾中學早期建立了VR教育工程，能夠充分運用VR技術在圖書館或教室內進行相關學習行為與教育活動；Chih Hsiao等開發了能夠在課程教學或圖書館服務中使用的VR技術應用。此外，我國諸多高校也都對VR技術在圖書館服務中的應用展開了相關研究，如：南開大學利用VR技術實現了圖書館等場所的成像仿真功能，大連海事大學利用Unity3D等虛擬現實引擎開發了相關仿真項目等［12］。因此，圖書館可以在人機交互以及情境感知環境下進行體驗式學習空間的打造，用以培養用戶的學習意識。

4.4 廣泛采集，注重隱私保護

圖書館在構建基于數據孿生的智慧學習空間過程中，不可避免地需要全面采集用戶數據，因而容易產生用戶隱私信息泄露等問題。因此，圖書館應加強安全保護程序的設定，并在用戶數據采集和存儲過程中實施全方位的隱私信息保護措施。例如，圖書館可以在采集用戶數據前主動向用戶說明數據采集的內容及用途，并一定要得到用戶的同意方可采集；在數據傳輸過程中，可以利用數據的加密算法保障數據傳輸的安全性和保真性，并盡可能通過圖書館的內部網絡傳輸相關數據；在存儲數據時也應盡可能采用分布式的存儲方式，并設置網絡防火墻、安全訪問權限等，防止圖書館用戶隱私信息的泄露。

參考文獻：

［1］ 李璐，尹玉吉，李永明.基于數字孿生的圖書館智慧管控系統模型構建研究［J］.圖書館學研究，2021（4）：29-37.

［2］ 許鑫，蘭昕蕾，鄧璐薌.數字孿生視閾下智慧圖書館業務融合研究［J］.大學圖書館學報，2022（2）：59-66.

［3］ 秦曉珠，張興旺.數字孿生技術在物質文化遺產數字化建設中的應用［J］.情報資料工作，2018（2）：103-111.

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［9］ 張倍思，陳燁，齊藝，等.多源過程性數據驅動的學習者綜合評價模型研究［J］.情報科學，2022（5）：104-110.

［10］ 趙麗萍.“互聯網+”背景下城市開放空間應用研究［D］.青島：青島理工大學，2016.

［11］ 何琦，艾蔚，潘寧利.數字轉型背景下的創新擴散：理論演化、研究熱點、創新方法研究——基于知識圖譜視角［J］.科學學與科學技術管理，2022（6）：17-50.

［12］ 胡國良，黃美初.“5G+AI”視域下智慧學習空間的構建研究：基于開放大學的實踐探索［J］.遠程教育雜志，2020（3）：95-104.

（編校：周雪芹）