基于數字孿生技術的智慧教學模式創新研究

董紫君 孫飛云 蘇棟 楊頌

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“基于數字孿生的新工科智慧教學創新模式研究”（230805862182447）；深圳市教育學會2023年度科研課題“數字化背景下新工科數孿混合教學模式創新與實踐研究”（YB2023012）；2023深圳大學研究生教育改革研究項目“基于數字孿生技術的教學模式研究”（SZUGS023JG9）

第一作者簡介：董紫君（1983-），女，漢族，江蘇南京人，博士，副教授，碩士研究生導師，高級工程師。研究方向為數字化教學。

*通信作者：蘇棟（1978-），男，漢族，福建永定人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為巖土和地下工程。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.017

摘? 要：隨著物聯網、大數據、人工智能的飛速發展，新一代信息技術與教育業深度融合；數字孿生技術的不斷革新為市政工程、土木工程等專業的教學改革提供新契機，也成為教育創新研究的新方向。該文借鑒數字孿生技術在工業領域的成功模式，研究其在智慧課程教學模式改革中的應用；通過對數字孿生智慧教學的特點及數字化教學的發展歷程進行系統梳理，提出數字孿生智慧教學新模式體系的設計和構建要素；最后，提出數字孿生技術在未來市政工程教學中的應用前景，期望能夠實現物理實體教學與智慧信息教學交互與共融，在國家數字化教育大背景下更好地培養新工科人才。

關鍵詞：數字化教育；數字孿生；智慧教學；虛實交互；課程設計

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）06-0073-04

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things， big data， and artificial intelligence， the new generation of information technology and the education industry are deeply integrated; the continuous innovation of digital twin technology provides a new opportunity for the teaching reform of municipal and civil engineering majors， and it has also become a new direction for educational innovation research. This paper draws on the successful model of digital twin technology in the industrial field to study its application in the reform of wisdom course teaching mode; through the systematic combing of the characteristics of digital twin teaching and the development history of digital teaching， it proposes the design and construction elements of the new model system of digital twin wisdom teaching; finally， it puts forward the prospects of the application of digital twin technology in the future teaching of municipal engineering， and expects to be able to realize interaction and communion between physical entity teaching and wisdom information teaching， and better cultivate new engineering talents in the context of national digital education.

Keywords： digital education; digital twin; intelligent tutoring systems; virtual and real interaction; course design

2023年2月，中共中央、國務院公布了《數字中國建設整體布局規劃》，其中明確指出數字中國建設是推動中國式現代化發展的重要引擎，也是國家競爭新優勢建設的強有力支撐。我國正處在由工業經濟向數字化社會轉型的關鍵時期，也是數字經濟加速崛起的關鍵階段。數字中國的建設加速，對于全面推進社會主義現代化國家建設、實現中華民族偉大復興具有至關重要的意義和深遠的影響。教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，旨在構建一體化智能化教學的學習平臺環境，推動數字信息技術與教育的深度融合，堅持以信息技術為引領，打造以學習者為核心的全新學習場域和教育生態環境。這為市政工程、土木工程等專業的智慧教學建設帶來了重大的發展機遇。數字孿生技術（Digital Twins）具有高保真、實時交互、虛實共生、深度洞見等特征，近年來在科技、工程領域得到迅速發展和應用。基于數字孿生技術應用的課程教學研究是一個全新的教學改革探索方向[1-2]。

一? 數字孿生技術的產生與定義

數字孿生（Digital Twin，DT）的概念最早是在美國密歇根大學產品全生命周期管理課程中由Michael Grieves教授提出來的，被稱為鏡像空間模型，其主要內涵為包括物理實體、虛擬實體、虛實之間的連接數據和信息的三維模型。當前，關于數字孿生并沒有一個標準定義，學術界將數字孿生定義為“以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。”總而言之，數字孿生是信息化、智慧化高度發展的產物[3]。

近年來，教育領域已經開始廣泛應用新興技術，如大數據、人工智能、全息技術和物聯網等，數字孿生在教育領域的應用價值也不斷體現；數字孿生開始從工業制造延伸到教育領域，并對教育改革和課堂模式都產生深遠影響，教育數字孿生的概念也隨之產生[4-5]。教育數字孿生是指利用數字孿生技術對教育領域的學習空間、學習資源、學習角色、課程設計等進行多源數據采集、全方位進行數字建模、對物理實體進行精準映射，通過虛擬空間呈現物理實體，比如對城市建造、交通運輸、水廠運行等進行映射展示，能夠使學生具身體驗實際場景的最真實狀態，并能通過數據收集和分析對教學進行溯源，預測教學效果和趨勢，提出客觀的教學決策建議，從而實現教育領域虛擬課堂與物理課堂的互控互聯、融合共生[6-8]。

二? 數字孿生智慧教學的特點

（一）? 虛實交互性

數字孿生的虛體和實體不僅需要保持幾何結構的高度仿真，在狀態、相態和時態上也要仿真。在不同的數字孿生場景下，同一數字虛體的仿真程度可能不同。例如在教學中體驗水廠運行工況場景，既要展示虛體的物理結構，也需要關注水量、水質等細節。在實踐教學中，未來數字孿生水廠可觀測水廠運行，在各單元虛擬空間還可搜索各類數據。虛實融合、虛實協同將定義市政工程教學實踐的未來新模式。

（二）? 精準映射性

數字孿生需要用到各種數字化手段，包括物聯網、虛擬現實、仿真工具等，通過這些手段來把物理場景的屬性映射到虛擬空間中，這樣可以加快學生對物理實體的了解[8]。比如市政工程教學中一些工藝單元如水下曝氣等是很難展示的，但是用虛擬的物理實體就能夠做到。數字孿生可以根據各層面的傳感器布設，構建水廠工藝的全方位數字化模型，以及對水廠運行的動態監測、充分感知，在信息維度上形成虛擬水廠對實體水廠各單元的精準信息表達和映射。

（三）? 智能決策性

數字孿生中的物理對象和數字空間可以實現動態交互和實時連接的效果，因此，數字孿生智慧教學手段能夠通過海量教學數據的收集和智能分析，客觀評價教學效果，并給出合理有效的決策建議，以未來視角智能干預傳統教學的發展軌跡和模式，進而指引和優化教學的規劃、管理和深度改革。

三? 數字化教學的發展歷程

數字化教學是指教師和學習者在數字化的教學環境中，遵循現代教育理論和規律，利用數字化的教學資源，通過數字化教學模式進行培養適應新世紀需要的具有創新意識和創新能力的復合型人才的教學活動[9-10]。在黨的二十大報告中，提出了“推進教育數字化”的戰略部署，這一舉措標志著推進教育數字化已經成為社會各界的普遍共識和共同任務。數字化教學總體上經歷了傳統多媒體教學、互聯網教學，以及現今的數字孿生智慧教學三個主要階段（圖1）。

（一）? 傳統多媒體教學

傳統多媒體教學是數字信息化發展的早期教學模式，主要是接受型學習。學習空間主要是單一的物理空間即傳統的電教教室，一般采取統一的教室布置，較為呆板。通過電化教學手段，如電腦投影、PPT演示等更為直觀地展現教學內容。多媒體教學有助于減少教師板書時間，有效利用上課時間，提高課堂教學效率。師生之間的互動主要是面對面交流，以教師講授為主，師生互動性不強。學習評價方式也較為簡單，大多以一份涵蓋教學知識點的標準化試卷評價學生的學習效果，以此反饋課堂的教學情況。

（二）? 互聯網數字教學

第二代互聯網數字教學在教學空間、課程呈現和師生互動等方面都有了較大的改革。教學空間不再是單一物理空間，而是實體空間與虛擬空間的結合；利用網絡課程平臺、直播平臺等，通過網課、直播課程、遠程教學等實現了教學時空的交融。目前國內主要的網絡課程平臺有中國大學MOOC（慕課）、雨課堂、網易公開課等；而直播平臺則包括騰訊會議、騰訊課堂、Classin等。教師可以在這些平臺上，利用課程視頻、電子教材、因特網等信息技術進行教學。師生互動方式也從人人互動向人機互動疊加轉變，教師、學生、學習機器共存于實體和虛擬學習空間里。

（三）? 數字孿生智慧教學

近年來，隨著5G、AI 和VR等技術的發展，數字孿生智慧教學正成為現今數字化教育時代的研究熱點。數字孿生的學習空間將在物理空間與虛擬空間的組合基礎上，實現物理空間和虛擬空間的交互融合，產生一個虛實映射的學習環境。采用人工智能信息化教學模式，通過“5S”教學手段，即共享數據（Shared Resources）、自主學習（Self-study）、課堂集中（Centralized Seminar）、資源交互（Swap Resources）和數據互評（Statistics Cross Evaluation），讓學生在信息化教學過程中通過數字孿生技術達到教學效果。數字孿生智慧教學將帶領學生走向全感官學習體驗、全方位地開展學習過程跟蹤、超精準進行學習效果預測，為學生提供具身、智能、高效的學習體驗。

四? 數字孿生智慧教學新模式的設計和構建

對于市政工程、土木工程等傳統學科的教學，數字孿生技術的引入將帶來變革性的教育改革。以市政水處理工程為例，常規教學涉及的儀器設備較多，需要足夠寬敞的實驗空間，有些實驗儀器占地面積大，需要專職人員安裝、調試及維修[11-12]。一些市政管網實驗，如水力學研究，所需課時較長，甚至需要幾天才能完成，現有教學條件無法滿足多人長歷時的實驗需求。此外，如飲用水廠的實踐教學，由于涉及到安保等，無法滿足大量學生長時間聚集開展，給水處理實踐教學帶來更多的挑戰。因此，現有條件的制約和外部環境的影響，使學生理論學習與實際操作脫節，難以掌握水廠實際運行的狀況，一定程度上影響實踐教學效果。

當前，數字孿生虛實交互平臺作為一種新的技術手段，可以實現教學數字化、智能化等先進理念的重要使能。特別是以5G、AI和VR虛擬現實為代表的前沿信息技術集群的發展，將極大地改變傳統的管網、水廠單元模擬試驗，擴大新的認知、感知領域。構建數字孿生虛實交互平臺，全息展現市政管網、水廠可視化場景，將克服現實實驗條件與外部環境的局限性，有效解決實驗場地、設備和課時不足的問題。基于數字孿生技術開展水處理工程課程的智慧教學模式創新，將有利于推動數孿虛實混合教學的發展，實現教學過程中多元空間相互融合。對于應用數字孿生技術提升教學環境的智能化水平，打通關鍵教學信息通道具有重要作用[13]。

數字孿生智慧課堂不僅僅是利用5G、VR、AI等先進的人工智能技術，而是要通過這些技術服務課堂，更好地對課程進行設計、編排和組織；同時通過物理空間和虛擬空間的結合，讓學生的參與度、融入度更好，具身體驗更好；通過大數據處理等手段，挖掘數字課堂的數據價值，對課堂效果進行及時、精準的反饋，對教學決策起到正向的引導作用。

數字孿生智慧課堂的設計包括空間構建、角色建立、模型構建、效果分析四大方面（圖2）。

圖2? 數字孿生智慧課堂設計

（一）? 空間構建

通過物理實體空間和虛擬空間的交互，構建一個數字孿生三維教室，打破傳統電教教室的時空限制，打造實時、高效、具真的師生互動平臺。例如，可以通過三維場景，借助VR技術讓學生全身體驗洪水的發生過程、水庫潰壩的模擬、洪水淹沒的模擬，以及洪水災情評估。

（二）? 角色建立

在數字孿生智慧課堂中，除了傳統的教師和學生角色外，還將建立“孿生人”，即高效的孿生教師和孿生學生。當前，我國新課程改革的主要理念是以學生為主體，教師為主導。“孿生人”在未來智慧教育中將會扮演愈來愈重要的角色。從“孿生教師”的角度來看，能夠更好地對課堂學生學習的多元異構數據進行綜合掌握和分析，優化教學策略。而從“孿生學生”的角色來看，能夠全鏈條評估、動態跟蹤學習者的真實學情，解決學生的難題，實現學生與“孿生學生”的同生共長。

（三）? 模型構建

多維模型的構建是數字孿生的重要組成部分，是實現數字孿生功能的重要支撐。如何構建基于課程教育的數字孿生模型當前還缺少通用方法和準則，需要結合專業課程的知識體系。以市政工程專業水處理工程課程為例，將以數字孿生水廠為對象，在水廠單元工況分析的基礎上，從數字孿生水廠實體要素建模、數據驅動的水廠運行過程動態建模、水廠運行系統仿真建模等方面對數字孿生水廠模型構建方法和理論進行系統分析，最終構建滿足水處理工程課程知識展示和三維場景體驗的數字孿生課程學習模型。

（四）? 效果分析

教育數字孿生的一大優勢即可及時、深入地對學習對象的學情效果進行全鏈條的深度跟蹤、精準反饋，能更加快速、高效地讓學生掌握所學專業知識，并通過多維的考核方式，達到標準化教育的目標；同時教師也將從傳統枯燥、重復的日常教學任務中得到解脫，根據大數據分析的結果，更好地完善教學決策。

五? 結束語

在國家數字化教育大背景下，數字孿生技術作為與工業4.0密切相關的趨勢性技術之一，能夠有效實現智慧化教學。利用數字孿生技術對教育領域的學習空間、學習資源、學習角色、課堂設計等進行多源數據采集、全方位地進行數字建模、實現對物理實體的精準映射；在教學跟蹤和評估上，能通過數據收集和分析對教學進行溯源，預測教學效果和趨勢，提出客觀的教學決策建議，從而實現教育領域虛擬課堂和物理課堂的互控互聯與融合共生。實際智慧教學課堂的設計中，通過對孿生角色、學習環境、專業模型的精細構建，創造數字孿生智慧教學的新模式，為學生提供智能、精準、高效的學習服務與學習體驗；并通過大數據處理，挖掘數字課堂的數據價值，對課堂效果進行及時、精準的反饋，對教學決策起到正向的引導作用。數字孿生技術在教學課程中的運用，將為數字化教育賦能，為數智時代的教育教學創造出新的模式和實踐。

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