數字孿生技術在高校實驗室建設中的應用研究

摘要：本文闡述了數字孿生技術的特征及其發展現狀，以及數字孿生技術在實驗室建設中的優勢，結合分析高校實驗室當前建設中的不足，研究數字孿生技術應用于高校實驗室建設的可行方案，進而探索應用數字孿生技術的高校實驗室建設新模式。本文旨在有效解決當前問題，充分利用現代信息技術，不斷拓展和延伸實驗室功能，從而順應新時代發展，提高實驗室建設水平，助推教育信息化發展。

關鍵詞：數字孿生技術；高校實驗室建設

引言

高等教育是國家科技創新人才培養的核心戰場，而實驗實踐教學環節是其中的重要組成部分。作為教學科研、創新實踐重要場所的高校實驗室，其信息化管理與應用水平一定程度反映了學校辦學實力、實踐教學、科研創新、人才培養的能力。近年來，高校實驗設施信息化程度逐步提高，能滿足實驗教學基本要求，提供理論結合實踐的基礎教學環境，但仍存在一系列問題。

《教育信息化2.0行動計劃》[1]中明確要求，在人工智能、5G、AR、VR等新一代信息技術興起的背景下，必須“充分激發信息技術對教育的革命性影響”“發揮技術優勢，變革傳統模式，推進新技術與教育教學的深度融合”，從而加快實現2035年中國教育現代化目標。

具有高保真仿真、可視化、動態交互和伴隨生命全周期等特點的數字孿生技術，在物理空間的基礎上可實現真實環境在虛擬世界的全映射，并實現無縫融合，有望對傳統高校實驗教學場景帶來變革與重構。

1. 數字孿生技術概述

數字孿生技術主要是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據實施的仿真過程，涉及多個學科，涵蓋了多物理量和多尺度，可于虛擬空間中完成映射，反映出實體裝備的全生命周期。數字孿生技術的核心在于轉化真實世界中的物體，用數字信息形式呈現出來，并對其進行有效管控和優化。其原理涵蓋了三個步驟：首先，采集數據，這需要利用不同類型的傳感器，將真實世界中的環境參數、運動軌跡等各項數據采集到一起。其次，進行數據轉換，將所采集的數據轉化為多種數字信息形式，可以是視頻，也可以是三維模型等。最后，進行數據處理，主要是處理轉換后的數字信息，采用建模、仿真等方式[2]。

數字孿生技術具有交互實時、虛實共生、洞察深度、高度保真等基本特征。具體表現為以下三個方面：一是互操作性，能夠實現物理對象、數字空間的雙向映射，具有多樣的數字模型映射物理實體能力。二是可擴展性，具備集成、替換數字模型的能力，而且擴展了多層級的模型內容。三是實時性，可以通過表征隨時間軸變化的物理實體來映射實體的實際狀態。

數字孿生技術目前在智慧城市、智能制造、智能健康、智慧教育等領域已有很多應用場景的研究與探索。數字孿生技術為數字時代教育教學新模式的探索提供了新方向，尤其在教與學虛實新空間、實踐新環境、交互新方式等方面提供了新的探索方向。美國加州大學、芬蘭坦佩雷大學、瑞士應用科學大學分別從數字孿生實驗室、智慧學習工廠、微型學習工廠等角度開展探索應用[3]。國內褚樂陽、萬力勇等也初步探索數字孿生技術在教育領域的應用，構建了數字孿生技術融入的高校創客空間框架[4-5]，探討數字孿生技術在教育領域的利弊，認為數字孿生技術能有效提升學生學習動力，增強學習責任感，改善學習效果。

數字孿生技術在實驗室建設中同樣具有重要的優勢：其一，操作較為簡單，容易創新，可借助物聯網技術、仿真工具等將物理設備屬性映射于虛擬空間中，幫助人們認識物理實體，這有利于學生開展虛擬仿真實驗，加深學生對理論知識的理解，于真實環境中進行實驗體驗。其二，能夠全面測量物理實體，采集大量數據，快速了解物理實體的屬性、參數和運行狀態，這在實驗室建設中也十分有用。

2. 高校實驗室當前建設中的不足

近年來，隨著我國高等教育投入力度的加大，高校實驗設施歷經更迭，信息化程度逐步提高，但仍存在一系列問題。作者查閱相關文獻資料，并對南京市部分高校在校師生進行問卷調查，對高校實驗室負責人、管理人員、學生進行訪談，分析得出高校實驗室當前建設中存在的問題，主要表現在以下幾個方面。

一是高校對實驗室的建設工作不夠重視。部分高校對于實驗室的認知較為片面，認為實驗室只是教學的附屬品，缺乏創造性理念，還有部分高校僅將實驗室當作科研工作內容，忽視了實驗室的作用，不利于培養學生的技術應用能力，也在一定程度上影響了學生的實踐教學效果。

二是部分高校實驗室建設較為簡單，仍然采用傳統模式。各類物理環境指標缺乏統一監控和預警，學生自主實踐學習環境不理想，教學內容單一、人機交互手段匱乏，實驗條件因設備占地、成本及操作安全等因素無法滿足實驗需求，無法給予學生實訓場景，不利于提升學生的動手實踐能力[6]。

三是高校實驗室的整體效益有待進一步提升。高校在申請實驗室建設的時候，一般是以學校教學群體需求為主，面向社會公共開放程度不夠，在資源配置方面缺乏自動化、智能化管理，實驗設備維護量大且存在利用率不高甚至浪費現象，實驗室建設規劃不夠優化，效益受到影響。

3. 數字孿生技術在高校實驗室建設中的踐行方案

應用數字孿生技術的高校實驗室建設，主要涵蓋五層框架結構。

一是物理層，針對的是實驗室中的物理世界，包含人、物、資源和環境，以及通過數字孿生技術映射出的虛擬世界，也就是人、物、資源、環境的平行孿生模型，兩者之間通過數字孿生技術實現實時管控與優化。

二是網絡層，指運用現代數字化技術搭建的人工智能物聯網。

三是平臺層，指利用數字孿生等技術構建的實驗室虛擬管理平臺。

四是應用層，指基于數字孿生技術建設的實驗室在數據采集的基礎上，可擴展引申出的若干應用管理功能。應用層包含虛擬仿真教學平臺、遠程直播、錄播平臺、機器人助教、學習考核與評價系統、學生能力培養智慧引導系統和綜合能力數字畫像系統（通過機器視覺分析技術、深度學習技術來分析學生的學習行為，采集實驗過程、實驗報告等學習數據，為學生的能力培養提供智慧引導），以及環境、資產等監控管理平臺，還可包含場館、大型儀器設備公開服務、開放預約管理平臺等。

五是頂端用戶層，可面向多維度的用戶使用，包含教師、學生、管理員、遠程用戶、社會人員、領導及決策者。

此外，應用數字孿生技術的高校實驗室，產生了更為豐富、多維度的數據，包含人員數據、資產數據、資源數據、環境數據，人員數據再也不是基本信息、學習成績、考勤等平面數據，而更多展現出學生學習行為、語言交互等立體數據。這些數據構建出教學大數據平臺及互動式教學知識庫，能夠為高校教與學提供高層次的領導及決策依據。

4. 應用數字孿生技術的高校實驗室新模式

應用數字孿生技術的高校實驗室建設是一種全新模式，具有以下特點。

一是數字化程度較高。基于數字孿生技術的高校實驗室充分應用了信息技術，投入了大量的通信設備，能夠快速獲取精準信息，并進行有效的信息傳輸，為實驗室教學實踐新環境提供建設方向。

二是具有較強的數據共享性。數字孿生技術在實驗室中的應用，涵蓋了多個方面，涉及的信息數據較多，如科研成果信息、學生檔案信息等，這些數據信息可有效共享，有利于整合各項數據，為教與學新模式探究提供領導及決策依據。

三是支持多元化的應用場景。高校實驗室新模式中運用了先進的云計算技術、物聯網技術、人工智能技術等，支持多樣化的應用場景，可進行智慧教學、組織開展智慧科研活動等。相對于傳統的高校實驗室來說，應用數字孿生技術的高校實驗室提供了“新管理、新資源、新應用、新功能”的教與學實踐新模式，改變了傳統的管理方式，轉變了實驗室教學設備、課程資源的呈現方式，提供更多更新的應用建設可能性，為在校師生甚至社會人員提供更多功能服務。

4.1 構建一個教學云中心

應用數字孿生技術構建高校實驗室，須結合相關產業發展的人才需求，全面培養學生各項能力，提升學生綜合素質。可堅持“一個教學云中心”的理念，制定有效的數智人才應用能力培養方案，將教學、實踐和科研相結合，增加教學互動性，為高校科研活動提供可靠支持。同時在服務學生本專業教學之外，利用該教學中心引導學生跨學科交叉學習，強化學生復合能力[7]。

4.2 搭建兩個資源中心

基于教學云中心搭建兩個資源中心：一是課程資源中心，二是數據資源中心。課程資源中心應包含專業課程的實踐教學內容，包括實驗課程、實訓項目案例等；數據資源中心須突破高校各學科內部數據信息之間的壁壘，實現數據信息共享，構建高校數據要素庫，促進實驗室教學改革水平的提升，實現學科間交叉融合，為科研、教學活動的開展奠定扎實基礎，進一步提升高校教師的科研能力，培養其良好的創新意識[8]。

4.3 設計多種開發方式

高校學生群體有一定差異性，可針對不同學生設計不同培養目標及培養方式，突出教學過程中的針對性，應對不同人才培養需求，營造良好實驗室實訓環境，提供基礎的工具平臺。例如，針對計算機實踐課程，針對教學目標及學生編碼能力不同設計三種教學開發方式：低代碼開發、編程開發、混合交互開發，從而設計不同的實訓任務目標，引導學生開展實踐活動，增強學生核心競爭力[9]。

4.4 開展六大應用場景

基于數字孿生技術打造數智實驗室需圍繞六大應用場景展開，分別是數學課程實踐、科研創新應用、產教數據融合、集中項目實訓、創新創業實踐和區域人才培育。從學生方面來說，數智實驗室可為學生提供豐富的學習資源，提升學生的技術能力，讓學生進行理論學習，鍛煉學生的實踐能力；從教師方面來說，可為教師提供科研平臺；從區域人才培育方面來說，數智實驗室能夠融合產教數據，對接不同區域和行業的數據資源，專向性培育人才。

4.5 提供七大服務體系

基于數字孿生技術打造的數智實驗室提供了新的服務。

一是學科建設體系。數智實驗室可有助于學校和教師進行特色學科建設和規劃，其所采集的實驗室數據和學生的學習數據等，能為學科建設提供可靠的參考依據。

二是實習就業體系。數智實驗室的建設能夠對接行業崗位資源，為學生提供實習平臺，整合行業崗位資訊，引導學生就業。

三是師資培養體系。數智實驗室的用戶也針對教師、領導、決策者，有利于進行師資團隊建設。

四是競賽支持體系。數智實驗室可以和行業大賽合作聯辦，負責輔導學習者參與競賽，提升其競爭能力。

五是培訓認證體系。數智實驗室的建設有利于實現崗證賽課融通服務。

六是產業對接體系。數智實驗室能夠精準對接產業發展。

七是科研合作體系。數智實驗室可進行項目聯合申報、與企業進行課題合作等。

5. 高校實驗室建設應用案例

目前，數字孿生技術在高校實驗室建設中被廣泛應用，許多學校和企業合作創建了數字孿生實驗室，如清華大學數字孿生實驗室，其主要致力于研究智能制造，開發智慧城市技術，該實驗室靈活運用了仿真技術、數字建模技術，能夠實時監測城市交通，并予以進一步優化。

另外，2024年1月24日，三峽大學水利與環境學院聯合51WORLD共建的“數字孿生水利平臺聯合實驗室”正式揭牌成立[10]，為數字孿生水利建設提供有力的人才支撐。該實驗室圍繞技術研發孵化、專業水利人才培養、產學研用深度合作等方面展開。通過整合學院在水利行業長期領先的科學研究與創新人才培養成果，與51WORLD在數字孿生領域的行業沉淀以及領先的工程化技術能力，實驗室將最大化發揮產學研結合優勢。

這兩個數字孿生實驗室建設案例，充分展現了數字孿生技術在不同領域的應用，及其較好的發展潛力。

結語

總而言之，高校應當重視實驗室建設工作，需轉變傳統的建設模式，淘汰落后的實驗室教學理念，充分發揮數字孿生技術的作用。可在數字孿生技術的支持下，探索全新的實驗室建設模式，打造數智實驗室，以提高實驗室建設水平，有效發揮現代信息技術優勢，培養學生從技術應用能力轉向信息素養能力，為推進信息技術與教育教學的深度融合、培養高水平和高素質創新型人才提供創新實踐途徑。

參考文獻：

[1]教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知（教技〔2018〕6號）[A/OL].（2018-04-18）[2024-03-14].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]凌振光，張安翔，王友祥，等.人機協作與數字孿生技術在智能實驗室中的前瞻性研究[J].廣州建筑，2023，51（6）：118-120.

[3]趙麗艷.數字孿生和全息技術融合下智慧教學模式構建與實踐[J].湖北工程學院學報，2023，43（3）：74-78.

[4]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——兼論泛在智慧學習空間的重構[J].遠程教育雜志，2019，37（5）：3-12.

[5]萬力勇.融入數字孿生的高校創客空間：意蘊、框架與功能——從物理空間、混合空間到映射空間之演進[J].遠程教育雜志，2020，38（3）：15-24.

[6]劉芳敏，蘇文斌，李茂奎.5G+“MetaLab”智慧實驗室建設探索研究[J].中國新通信，2023，25（13）：71-73.

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[8]田申，甘芳吉.數字孿生技術在實驗室建設中的運用研究——以物聯網專業為例[J].實驗技術與管理，2021，38（7）：30-35.

[9]黃音，毛莉莎，龐燕，等.基于數字孿生技術的校企合作實踐教學創新模式研究[J].高等工程教育研究，2021（4）：105-110，117.

[10]“數字孿生水利平臺聯合實驗室”簽約儀式成功舉行[EB/OL].（2024-01-25）[2024-03-14].https：//hee.ctgu.edu.cn/info/1262/17897.htm.

作者簡介：胡淼，碩士研究生，實驗師，研究方向：智慧校園應用、數字信息化教學服務；謝華，碩士研究生，助理研究員，研究方向：體育學教育管理；李俊，碩士研究生，實驗師，研究方向：體育教學、運動員管理、網絡安全與信息化建設；陳強，碩士研究生，工程師，研究方向：網絡安全、智慧校園、人工智能、大數據、云計算。

基金項目：江蘇省現代教育技術研究2023年度智慧校園專項立項課題——數字孿生和全息技術背景下高校實驗室“數智新模式”探驪（編號：2023-R-107318）。