數字孿生技術的教學特性與應用場景分析

王婷婷 胡衛星

摘要：數字孿生技術是數字化技術發展的最新階段之一，通過它的深度應用，能夠實現教育與技術的有機融合，助力教育實現新一輪的最優化和轉型化。基于此，作者圍繞數字孿生技術的主題，分析其在教育應用中的教學特性，并指出數字孿生技術在當前教育應用的基本場景，以探尋其在教學過程中應用的潛在價值。

關鍵詞：數字孿生技術；教學特性；教育應用場景

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0086-04

現代社會是一個以信息化、網絡化、智能化和數字化等特征為中心的綜合性“信息技術應用圈”，如VR、AI、5G和物聯網等一系列信息科技，在人們的日常生活中得到廣泛應用。其中，數字孿生技術快速發展并受到人們的廣泛關注，正日趨成為工業4.0時代的核心引領技術之一。數字孿生技術起源于航天軍工和生產，現正廣泛應用于智能管理、智慧教育和輔助決策等領域，在自然災難防范、人群智能疏導、農業決策支持等方面發揮著科學預測、遠程監控和模擬仿真等功能。數字孿生技術以其虛實系統相互映射創新的技術特性，通過對各種數據的采集和分析，可實現對實體的模擬、控制與改進等。因此，在當前新一輪的智能信息革命中，數字孿生技術將會發揮關鍵性作用。在教育信息化2.0的推進過程中，數字孿生技術對教育改革也會起到推波助瀾的作用，其可以實現新教學分析、評估、設計與遷移，突破傳統時間、空間、資源和人力等限制，形成新的教學場景。總之，數字孿生技術對當前智能技術賦能教育的發展有著重要的推動作用，它的不斷優化與完善，能夠為當前教育數字化轉型提供一定的參考和借鑒。

數字孿生技術的認識與理解

1.數字孿生技術的認識

數字孿生（Digital Twin）最初由美國密歇根大學的Grieves教授提出，它是指以數字化方式創建物理實體虛擬模型，通過空間變換映射、虛實反饋交互、數據融合分析、檢測判斷評價和決策迭代優化等手段，來全面精準高效智能地展示物理實體在信息環境全生命周期的過程行為。[1]數字孿生實際上是采用信息技術對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數字化定義和建模的過程，它是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。[2]它的本質是為現實的物理模型仿真一個與其多角度相吻合的虛擬模型，這也很好地闡釋了其又叫“數字雙胞胎”這個名稱的由來。數字孿生會在學習者個體和虛擬孿生體之間建立橋梁，以此實現兩者之間的交互與聯系，模型會依據學習者的傳輸數據進行全面衡量與總結，從而做到對學習者精準的學情分析、資源定制、成果預測[3]，這也注定了它在教育領域有著廣闊的應用前景。

2.數字孿生技術的特征

數字孿生技術是實體空間在虛擬空間數字化、網絡化和智能化的映射，在物理與數字兩個空間同時記錄個體全生命周期的運行軌跡[4]，其具有如下三大特點：①復制。就像給文件創建一個副本，復制即對原樣的仿造過程。無論是現實社會的物體或設備等，還是人類個體的日常生活，數字孿生技術都可以通過對物理模型局部數據的采集與整合，來復制出一個相似的虛擬數字化模型，一虛一實兩個系統互相映射，虛實交互，從而對物理模型進行及時的操作。②實時。通過傳感器對多元數據進行獲取和分析，孿生體可直觀形象地反映物理模型的具體情況，包括其外觀、特征、位置、角度和功能等，可以實時進行討論和交流，也能即時對物理模型做出預測、調整、完善、更新以及優化與升級。③以虛代實和以實控虛。現實中的物理模型往往存在結構復雜、可預測度低和不確定性高等缺點，因而常常會使人們對出現的問題手足無措，虛擬孿生體可以實現以虛代實和以實控虛，通過虛擬的模型參數調整來控制物理實體的實時狀態和動態更新。

數字孿生技術的教學特性分析

1.數字可視化呈現技術

數字孿生的可視化呈現技術在地理、生物、物理等需要多種教學資源來輔助學習的課程教學中大有用武之地。數字孿生會替代傳統的圖片、視頻、實物模型等教學呈現形式，直接將地球、恐龍、飛機等進行三維可視化孿生體展示，通過與其自由互動，讓學生發生并進行深度學習。越來越多的應用實踐表明，這種生動逼真的可視化學習資源呈現技術能大大激發學生的學習動力，提高學生對學習的熱愛。

2.教育智慧運營與管理技術

數字孿生技術能夠融合物聯網技術的數據收集、大數據的分析處理和人工智能的模型剖析等優勢，完成對當前系統情況的評定、產生問題的分析及其對未來發展趨勢的預測[5]，模擬并分析各種事件大概發生的可能性，從而給予相應的解決措施與決策支持。首先，數字孿生技術可將整個校園細節可視化，如占地位置、師資力量、建設規劃等，利用人工智能和大數據分析，提前預算規劃各種資源的消費；其次，數字孿生技術可對校園實時監測，能通過智能門禁或緊急報警等措施，消除一些未知的安全隱患和管理短板；最后，數字孿生技術可實時進行監督教育教學過程管理，為學生提供虛實融合的全新教學環境，豐富的教學資源能讓學生們發生沉浸式學習。整體上，數字孿生技術能做到校園的智慧運營與管理，真正實現智慧校園的深度廣泛應用。

3.教學精準分析與活動創新技術

在傳統教學中，教育者常受技術環境和設備條件等因素的限制而無法做到對教學過程數據的全面把握與探索，尤其是對不同學科的教學活動環節很難做到精準分析。憑借物聯網技術和大數據技術，數字孿生技術能夠依靠大樣本數據庫和深度學習機制推斷出一些可及時精確測量的指標值。同時，更為重要的是，數字孿生技術可將物理學設備的各類特性映射到網站空間中，產生可操作、可復制、可測量和可移除的虛擬映射模型，能夠讓許多原先因物理標準限定和必須依賴物理實體的操作得以實現，如仿真模擬、批量拷貝、虛擬安裝等。[6]它不僅能為學習者提供獨特的儀器設備，創造獨特的教學環境，更能讓學生們身臨其境，精準分析出自身的學習狀態，不斷激發學生的學習動機以幫助其取得良好的學習效果。另外，數字孿生技術還可以培養學習者的創新思維和高階認知能力，使其能夠學會利用多元化探究方式去破解更多的未知問題。

4.教學建模與仿真技術

所謂數字孿生虛擬仿真教學是指以計算機的方式將教學中不易呈現的教學內容、實操實驗等，通過三維立體構建模型的方式更直觀地展示出來。[7]學生通過虛擬仿真教學技術不僅可以更好地理解教學內容，而且能夠實時進行動態模擬訓練，從而獲得更好的模擬效果和感官體驗。更為重要的是，虛擬仿真教學可以解決日常在知識學習與操作訓練中遇到的“高難度、高成本”與“難理解、難再現”這樣的兩高兩難問題，讓學生在學習過程中實現“可節約、可掌握、可反饋”的學習效果。目前，虛擬仿真教學在教育領域發揮著引領性與顛覆性的作用，直觀的情感體驗讓學生擺脫環境的限制，從而揭開了以往消失的、未來復雜的萬物奧秘。基于此，無論是社會中以某項技能學習為主的非正式學習，還是在初、中等教育，職業教育等正式學習中，建模與仿真教學系統的建設已經成為教育領域努力奮斗的方向。

數字孿生技術的教學應用場景

1.學生數字畫像

畫像是根據一個參照物進行細節的描摹，學生數字畫像就是一個學生性格、愛好、學習情況等綜合信息的集合。在教育領域，數字孿生技術會采集學生數據，用數字化方式創建學生個人學習狀況的畫像，不僅可以模擬和反饋學生的各種學習行為，診斷學生的學情，而且還可通過VR技術描述學生的全學習過程，預測學生未來學習趨勢。基于數字孿生技術的學生數字畫像構建，一方面可以為學生創建一個自我參照物，幫助學生清晰地定位自己，能使學生更加立體、客觀和形象地了解自身學習情況和狀態，進而幫助學生構建起科學客觀的自我評價；另一方面也可以為教師提供各種教學數據，使教師的教學工作更具針對性、過程性和即時性。

2.虛擬實景教學

數字孿生技術通過現實與虛擬場景雙向映射，可成功構建出虛擬實景教學系統，不僅可以實現對復雜景物的虛擬再現，而且可以強化人們對虛擬設備的自由操作。在虛擬實景教學系統中，學生可以隨意放大、縮小或旋轉數字化物體，甚至可看到物體的內部，教學內容因此變得更加生動豐富且便于理解。如果教學設備或教學資源均構建與之對應的孿生體，且孿生體能夠實時接受物理實體反饋的數據，學生就可以在物理實體上進行實踐操作，再次將交互數據傳回數字孿生體，這樣即可形成一個數據循環，孿生體就會根據反饋的有效信息對實體進行優化與完善。這樣既可以很好地解決傳統教學裝備實操成本高和網絡教學體驗差等問題，又可以大幅度地節省教學成本和顯著地改善教學效果。

3.沉浸技能訓練

數字孿生技術提供的技能訓練平臺，可以有效地將人與設備、虛擬場景與現實環境進行動態融合，讓訓練者的注意力更加集中。在虛擬與現實相融合的訓練環境中，參訓者的觸覺、嗅覺、視覺和聽覺等會全面沉浸，尤其是對體育、醫學、表演、信息技術等以提高技能為主的教學或訓練，不僅可使學生擁有身臨其境的技能訓練體驗，而且還能使其與虛擬設備進行積極互動，擺脫傳統生硬的“言傳身教”，讓學生在沉浸中享受技能訓練的樂趣。沉浸技能訓練會根據訓練對象的不同，準備不同的虛擬技能訓練設備，學生可通過虛擬裝備和設備數據的即時反饋了解訓練效果和效率。

4.輔助教育決策

數字孿生技術對智慧校園輔助教育實際上發揮的是數字化校園整體性的功能，具體包括兩大方面：一是從數據驅動上進行輔助決策。數字孿生技術可收集大量的學生數據并進行全面多維的處理[8]，構建虛擬化的孿生體，幫助制訂個性化的學習方案。二是從教學技術上進行輔助決策。借助于數字孿生技術，教師可全面收集各種課堂動態教學數據，并基于這些數據獲得更加完備和系統的新教學資源。

5.裝配式工程實訓教學

基于數字孿生技術模型，結合物聯網平臺、三維可視模型、流式數據追蹤和區塊鏈技術等，可建立起裝配式工程實訓演練系統，不僅能夠配置相應的工程崗位工種，涵蓋裝配式施工的全流程，而且還能模擬出真實的工程項目施工環境，形成教學、實訓、考核、比賽和評價一體化的實戰操作環境。三維仿真的模擬教學場景突破了傳統教學二維空間的限制，使原本抽象的知識直觀化，能幫助學生產生更深更系統的理解。尤其是裝配式工程實訓教學會將零散知識和技能應用串聯起來，形成一條工程問題解決實踐主線，幫助學生發生有效深度學習。此外，通過將數字孿生與物聯網、智能計算等前沿技術結合，將教學與崗位所涉及的所有現實與虛擬的環境因子互相鏈接和互相映射會創造出新的教育生態。

6.數字孿生實驗室

將數字孿生技術應用于實驗室的建設與運營，可從成本上顯著節省對實驗室維修所需要的花費。從功能上來講，數字孿生實驗室是針對某個學科或課程主題而設立的，因此數字孿生實驗室所涉及的教學內容是清晰且具體的。在數字孿生實驗室中，數字孿生體可作為教學輔助工具被教師與學生進行反復觀察與應用，學生在實驗室中對其進行測量、移動、改裝等大量實驗與探究，實驗數據可通過精準分析技術得到，由此學生可進行分析和判斷，并對實驗進行客觀的評價。

總之，在教育信息化2.0時代，數字孿生技術以其鮮明的特點，依靠物聯網、人工智能和虛擬現實等技術的支持，可實現對物理個體的預測、數據追蹤、更新與實時交互等功能。目前，數字孿生技術還處于初期發展階段，好多應用場景還只是停留在構想與計劃階段，因此，如何更好地致力于教育未來智慧發展，發揮虛實融合教學優勢是數字孿生技術當前迫切需要解決的問題。

參考文獻：

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[8]鄭思思，陳衛東，徐銣憶，等.數智融合：數據驅動下教與學的演進與未來趨向——兼論圖形化數據智能賦能教育的新形態[J].遠程教育雜志，2020，38（04）：27-37.

作者簡介：王婷婷（1998.12—），在讀碩士研究生，主要研究方向為信息化教育和數字化教學資源研發；胡衛星（1978.10—），教授，博士，主要研究方向為學習科學與技術、數字化教學資源研發和信息化教育。