基于數字孿生的北斗導航實踐教學探索

［摘 要］文章針對北斗導航實踐教學現狀，在教學改革中融入數字孿生理念，探索了數字孿生在北斗導航實踐教學中的應用：基于數字孿生應用需求，優化實踐教學資源；基于數字孿生高保真特征，搭建高仿真訓練平臺；基于數字孿生虛實共生特征，重構教學流程；基于數字孿生實時交互特征，助力教學分析。

［關鍵詞］數字孿生；實踐教學；虛實結合；北斗導航

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）15-0071-04

教育部發布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中提出，要推進現代信息技術與教育教學深度融合，重塑教育教學形態。針對高等教育實踐教學的特點與需求，開展實踐教學創新，特別是工科實踐教學改革創新，一直是深化教學改革的著力點。

作為工業 4.0 時代的核心技術之一，數字孿生通過數字化方式建立物理實體的虛擬數字模型，真實再現物理實體的全生命周期運行狀態并兼具擴展功能。基于學習工廠、教育大數據、人工智能等前沿教育技術與理念，數字孿生的應用走向也從工業領域拓展到教育領域，以教學信息化構筑智慧教育新生態，為教育教學模式改革提供了新方案。本文聚焦數字孿生在北斗導航實踐教學中的應用，探索數字孿生賦能沉浸式訓練的形式，以支持實踐教學“練中學”“學中練”，為數字孿生深度融入實踐教學提供一定的參考。

一、基于數字孿生開展北斗導航實踐教學的必要性

（一）數字孿生的主要特征及其在教學中的應用

結合數字孿生領域的文獻關鍵詞進行分析，目前數字孿生的研究熱點主要分布在航空航天、智能制造和教學應用等領域。數字孿生在教學中的應用具有高保真、虛實共生、實時交互和深度洞見等特征[1]。

1.基于高保真特征，以“孿生車間”賦能教學應用。國內外相關大學分別嘗試了“數字孿生實驗室”（DTL）支持學習者的真實體驗學習、“智能化車間”在高職數控實訓教學中的應用、基于數字孿生的未來車間運行教學新模式、基于數字孿生的單片機虛擬仿真實驗教學等[2-4]。

2.基于虛實共生特征，以新學習空間推動教學方式變革。通過提供變革性的學習環境，推動翻轉課堂課前、課中、課后的學習場景、學習活動和教學事件走向深度融合，并促使線上和線下的混合式學習活動、學習空間、學習交互進一步全面整合[5-6]。

3.基于實時交互特征，以可視化工具助力教學數據分析。在教學改革實踐中通過綜合運用大數據可視化技術、用戶畫像技術、行為大數據分析技術、機器學習算法等，開展教學流程設計與教育大數據技術分析[7]。

4.基于深度洞見特征，以數據分析平臺優化教學。通過構建認知數字孿生體、數字孿生講臺、數字孿生輔助教學系統與智慧校園等，采用智能仿真算法模型對學習者的實時數據進行分析，動態調整學習任務，優化教與學流程[8-9]。

（二）北斗導航實踐教學現狀

為強化北斗導航體系化應用，北斗導航應用教學體系中多門課程的實踐教學內容都涉及北斗導航設備的使用，通過實踐教學讓學生理解北斗導航設備與指揮控制融合機理，掌握北斗位置服務應用的體系架構，最終實現個人到系統、操作到演練、單一科目到合成應用（如表1所示）。但實踐教學實施中普遍存在以下突出問題：

1.教學設備數量少。因北斗導航設備列裝數量有限，且設備更新換代不及時，實踐教學中損耗較多，常造成訓練設備匱乏難題。

2.實踐教學場景有限。因不具備搭建所有訓練環境的條件，教學中主要以陸地實踐為主，缺少北斗導航體系化應用訓練環節，易導致“重單科目需求，輕聯合應用”。

3.實時教學指導不佳。傳統實踐教學形式多為現場集中式授課，即教師講解、演示，學生操作、練習，學生自主訓練的過程數據無法實時記錄，教師難以對學生實裝訓練過程給予實時指導與評價，不利于教學糾錯與反饋。

（三）基于數字孿生開展北斗導航實踐教學的優勢

實踐教學是理論教學必要的延伸、拓展和補充，在本科教育中發揮著重要作用。知識來源于實踐，能力來源于實踐，素質更需要在實踐中養成。如何適應信息時代的變革需求，如何為學生開展探究性實驗、自主實驗和創新實踐提供先進手段、開放平臺和優質資源，如何在提高人才培養質量的同時為實踐教學改革增添活力和動力……要應對這些問題和挑戰，必須以現代信息技術為依托，積極探索個性化、智能化、泛在化的實踐教學新模式，持續推動實踐教學改革與創新。

從北斗導航實踐教學的改革趨勢來說，重點是加快實現信息技術與實踐教學的深度融合，通過打造智慧學習環境，探索實施智能化的精準教育。隨著新一輪科技革命突飛猛進，數字孿生在教育領域的不斷應用和發展必將變革未來教學模式，即在教與學理論指導下，利用學習環境、學習資源和學習工具，鞏固教與學活動中各個要素之間的穩定關系，設計教與學活動開展的進程，最終形成穩定的教學活動程序或者構型[10]。

因此，結合數字孿生在教學中的應用特征，基于數字孿生開展多模態實踐教學改革，對完善北斗導航實踐教學的實裝設備訓練和案例場景應用都有重大的現實意義；基于數字孿生突出“練為中心”的北斗導航實踐教學設計，引導學生從理論中來、到實踐中去，對強化學生實踐創新能力也有極大的作用。

二、數字孿生在北斗導航實踐教學中的應用

（一）基于數字孿生應用需求，優化實踐教學資源

課程組通過分析不同教學對象對實踐教學內容的要求，對教學資源之間的內在關系進行了梳理，設計并構建了包含主講教材、實習教材、綜合文獻以及微視頻庫、實踐操作系列視頻、演習視頻、綜合演練視頻等的數字化教學資源。

在原有實踐教學基礎上，課程組優化重組了現有教學資源，通過編輯修改并拓展實踐教學內容，在原有北斗導航教學視頻基礎上，添加新內容，錄制引導視頻并構建知識圖譜；將典型北斗導航設備的操作說明重新編輯整理，轉化成虛擬仿真教學模塊，方便學生在實驗室進行自主學習與訓練，以解決實裝設備數量少等問題。

將實踐教學資源集中存儲、共享，讓學生在課后利用教學典型案例等教學資源開展學習實踐，一方面能促進實踐教學優質資源的常態化積累，另一方面能讓學生通過反復觀看錄播視頻，深入理解實踐操作步驟。

（二）基于數字孿生高保真特征，搭建高仿真訓練平臺

課程組從“虛景實訓”角度入手，基于實踐教學內容構建真實或接近真實的數字化訓練平臺，具體平臺架構如圖1所示；引導學生借助常規設備與數字化環境中的對象進行交互，研究并設計實踐任務闖關訓練，涵蓋“新手學習”“獨立訓練”和“綜合考核”等多層次教學方式；針對北斗導航設備實踐教學，搭建兩種虛擬教學模式——指導模式與考核模式，前者是讓學生在虛擬場景中按步驟完成實踐流程，后者是將學生置于一個“真實項目”特定階段場景中，指派任務，引導學生發現并解決問題。通過提供貼近實戰應用的“數字孿生課堂”，基于高仿真設備與聯合應用虛擬場景，進一步強化學生的北斗導航體系化應用保障能力[11]。

[高仿真訓練平臺 ][新手學習 ][過程考核 ][綜合演練 ][主題訓練 ][任務籌劃 ][訓練視頻 ][教學視頻 ][理論考核 ][角色選搭 ][新形態教材 ][綜合考核 ][獨立訓練 ][ ][ ][ ][ ]

圖 1 高仿真訓練平臺架構

（三）基于數字孿生虛實共生特征，重構教學流程

結合高仿真訓練平臺，課程組設計了“虛實結合”實踐教學流程：學生基于高仿真訓練平臺進行多維認知訓練與考核，開展北斗導航實裝設備綜合演練，利用指揮型用戶機、手持型用戶機和北斗態勢系統，自主實現演練力量部署、位置態勢監控和導航定位服務。

主要實踐流程為“學生觀看視頻（原理示教）—提交學習報告—實施虛擬訓練（采集實驗數據）—訓練糾錯（針對性示教）—實裝綜合訓練（同伴協同訓練）—任務點評”，實踐教學后進行總結報告，采取“主題發言”和“論辯爭辯”等形式，開展問題研討，拓展與鞏固課程內容。

針對“虛實結合”實踐教學流程，課程組運用問卷調查方式開展學情調研，問卷使用李克特五級量表進行評價，問卷內容主要涉及學生對虛實結合實踐教學的體驗反饋。學生普遍認為，高仿真訓練平臺能幫助他們提前熟悉實裝訓練內容和應用場景；個人實驗數據記錄和綜合反饋能幫助他們充分理解訓練細節；在綜合演練環節，高仿真訓練平臺與實裝設備的融合，能夠有針對性地為學生提供學習支持，增強實踐訓練的沉浸感。

（四）基于數字孿生實時交互特征，助力教學分析

基于數字孿生的實踐訓練平臺，在學生訓練交互過程中產生的實時數據，主要包含訓練行為數據、訓練內容數據以及訓練管理數據。課程組在北斗導航實踐教學中設計了相關應用場景，充分利用實時交互特征進行教學數據分析，如表2所示。

實踐教學中，課程組通過應用數字孿生數據，改變了以往定性的教學評估方式，轉向以數據驅動為主的定量評估。通過在實踐教學中采用時間曲線圖繪制、人員信息統計分析、移動軌跡回放等可視化方法，可以回溯教學重難點，幫助教師從多視角分析實踐教學環節。

三、基于數字孿生開展北斗導航實踐教學的效果

基于數字孿生開展北斗導航實踐教學的基本思路為以新工科人才培養要求為指導，利用數字孿生的高保真特征，構建北斗導航實踐教學虛擬平臺；利用數字孿生的虛實共生和實時交互特征，強化北斗導航設備與虛擬平臺的融合，推進北斗導航實踐教學改革。數字孿生在北斗導航實踐教學中的應用，從應對缺少實踐設備問題的“以虛代實”，到拓展教學空間的“以虛補實”，再到綜合演練環節的“以虛驗實”，重點是讓學生更好地掌握實裝設備操作技能，及時處理各種實際問題，培養實踐動手能力和創新思維。

同時，課程組以現有教學目標為基礎，拓展了數字孿生的一體化教學應用，體現“練為中心”理念：在低年級實踐教學中，構建虛實結合的專業導論認知實踐流程，幫助學生理解與應用課程知識點；在高年級實踐教學中，開展研究性綜合實驗，引導學生參與教學模塊開發，提升專業知識綜合應用能力；根據授課進度，引導學生參與“北斗杯”全國青少年科技創新大賽等相關學科競賽，拓展實踐教學內容。

課程組在4個專業班開展了8次實踐教學應用，持續更新與完善課程教學實施計劃；指導本科學生參加“北斗杯”全國青少年科技創新大賽，獲全國一等獎9項、二等獎12項、三等獎8項；參與保障多期導航時頻保障任職培訓，為相關人員提供技術平臺；籌備建設職業教育平臺的在線虛擬訓練課程，為相關崗位提供北斗導航體系化訓練保障。

四、結語

盡管上述北斗導航實踐教學改革取得了一些成績，如目前的實踐教學已從“傳統實踐教學”轉向“基于信息化的實踐教學”、從“基于經驗的過程性評價”轉向“基于實證和實驗數據的評價”，但后期教學應用還面臨著許多挑戰。在數字孿生與北斗導航實踐教學的深度融合方面，還需要在教學模式創新、實踐教學數據綜合應用和多元評價體系構建等方面進行深入研究，進一步利用數字孿生的深度洞見特征，構建個性化訓練效果評價標準，推動北斗導航實踐教學向智能化方向發展。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3] 褚樂陽，陳衛東，譚悅，等.虛實共生：數字孿生（DT）技術及其教育應用前瞻[J].遠程教育雜志，2019，37（5）：3-12.

[4] 李海峰，王煒.數字孿生教育應用的教學模式探究：基于美國、瑞士和芬蘭數字孿生教育應用的案例分析[J].現代教育技術，2021，31（7）：12-20.

[5] 李晶，楊立娟，陳雪峰，等.虛實結合的智能制造實踐教學模式構建研究[J].高等工程教育研究，2020（6）：86-92.

[6] 周萌，曹政才.基于虛擬仿真平臺的科教融合拔尖創新人才培養方案探索：以機器人控制技術為例[J].高等工程教育研究，2020（6）：62-66.

[7] 黃音，毛莉莎，張小帆，等.基于數字孿生講臺的在線沉浸式教學體系分析與流程設計[J].遠程教育雜志，2021，39（1）：51-62.

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[10] 李克東.新編現代教育技術基礎[M].上海：華東師范大學出版社，2002.

[11] 朱蕊，王力，徐立，等.數字孿生在北斗導航實踐教學中的探索與應用[J].測繪通報，2022（S1）：110-112.

［責任編輯：周侯辰］