元地球視域下“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生智慧課程體系構(gòu)建

［摘 要］ 通過構(gòu)筑“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生技術(shù)體系，設(shè)計基于元地球的線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型，進(jìn)一步探索數(shù)字孿生模式下“氣象災(zāi)害學(xué)”課程線上線下多元融合的教學(xué)新模式。研究聚焦防災(zāi)專業(yè)人才培養(yǎng)，融合數(shù)字化媒介系統(tǒng)，對接新型人才培養(yǎng)方案。同時，把握研究熱點和行業(yè)前沿，以靈活的教學(xué)方式，構(gòu)筑多維融合學(xué)習(xí)空間，創(chuàng)新搭建“氣象災(zāi)害學(xué)”課程數(shù)字孿生學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生實現(xiàn)分時段、碎片化學(xué)習(xí)，提高教學(xué)有效性，有效拓展了基于數(shù)字孿生的線上線下多元型教學(xué)模式。

［關(guān)鍵詞］ 氣象災(zāi)害學(xué)；元地球；數(shù)字孿生；智慧課程；教學(xué)模式

［基金項目］ 2022年度江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題“元地球視域下‘氣象災(zāi)害學(xué)’數(shù)字孿生智慧課程體系構(gòu)建與多元教學(xué)模式研究”（JXJG-22-6-15）；2022年度江西省研究生教學(xué)改革研究項目“基于螺旋理論的‘一核三鏈四平臺’研究生培養(yǎng)模式研究——以地球物理學(xué)專業(yè)為例”（JXYJG-2022-119）

［作者簡介］ 趙斐宇（1988—），男，甘肅武威人，博士，東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院講師，主要從事地球物理學(xué)專業(yè)方向的教學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）34-0053-04 ［收稿日期］ 2023-04-11

目前，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，以人工智能、VR/AR/MR、云計算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、5G、數(shù)字孿生等為代表的數(shù)字技術(shù)日漸成熟，且不斷與教學(xué)體系和課程建設(shè)融合應(yīng)用，加速了高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐［1-4］。數(shù)字化時代正在催生新的地球科學(xué)范式與相應(yīng)的智慧課程體系以及多元教學(xué)模式。

“氣象災(zāi)害學(xué)”是防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)與工程專業(yè)的必修課。以元地球背景為契機(jī)，創(chuàng)新構(gòu)建數(shù)字孿生智慧課程體系，不僅能夠達(dá)到有效教學(xué)的目的，更能夠為國家防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化、大氣環(huán)境治理、災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)測等重大問題提供科學(xué)支撐。

元地球視域下，基于數(shù)字孿生的“氣象災(zāi)害學(xué)”智慧課程體系是在教學(xué)大綱和培養(yǎng)方案規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容上，以Meta-Earth數(shù)字孿生服務(wù)器為依托，綜合應(yīng)用語音識別、GPS、Wi-Fi及攝像頭等多模態(tài)移動終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過條碼鏈接、信息識別3D建模、行為分析和智能評價等技術(shù)手段，形成虛擬仿真、物理模擬、數(shù)值模擬、正演反演和綜合解譯為一體的多層次數(shù)據(jù)驅(qū)動。在此過程中，及時跟進(jìn)教學(xué)反饋進(jìn)行迭代交互優(yōu)化，進(jìn)一步構(gòu)建出基于數(shù)字孿生的智慧課程系統(tǒng)化技術(shù)架構(gòu)解決方案，如圖1所示。該模型以虛擬世界行為建模為載體，以“氣象災(zāi)害學(xué)”課程專業(yè)知識技能訓(xùn)練為核心，以學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為主線，將課程置于虛擬環(huán)境中讓學(xué)習(xí)者進(jìn)行風(fēng)、云、雷、電、雨等氣象現(xiàn)象的教學(xué)體驗，能夠讓學(xué)習(xí)者對氣象災(zāi)害進(jìn)行可視化、多視角、全景式以及沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。

本文通過構(gòu)筑“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生技術(shù)體系，設(shè)計基于元地球的線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型，進(jìn)一步探索數(shù)字孿生模式下“氣象災(zāi)害學(xué)”課程線上線下多元融合的教學(xué)新模式。本研究的實施能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)過程中知識點抽象難懂的不足，打造沉浸式學(xué)習(xí)體驗，提供智慧化學(xué)習(xí)支持；能夠釋放教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的主觀能動性，構(gòu)筑多維融合學(xué)習(xí)空間，搭建共享式學(xué)習(xí)平臺；能夠虛實結(jié)合滿足學(xué)習(xí)者個性化發(fā)展需求，對接新型人才培養(yǎng)方案，拓展多元型教學(xué)模式。

一、構(gòu)筑“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生技術(shù)體系

“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)依賴于當(dāng)前氣象大數(shù)據(jù)和模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，按照數(shù)據(jù)采集、仿真建模、功能設(shè)計、結(jié)果呈現(xiàn)等功能，可分為平臺層、數(shù)據(jù)層、模型層、服務(wù)層、分析層以及應(yīng)用層。各功能層之間有機(jī)融合、緊密銜接，每一層功能的實現(xiàn)均是基于前一層基礎(chǔ)上的持續(xù)拓展，并不斷完善和豐富各項功能。

二、設(shè)計基于數(shù)字孿生的線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型

本研究以“元地球與數(shù)字孿生”的基本內(nèi)涵為基礎(chǔ)，深度融合線上線下學(xué)習(xí)空間的本質(zhì)特征，結(jié)合學(xué)習(xí)空間結(jié)構(gòu)的主要要素，設(shè)計了“元地球與數(shù)字孿生”背景下“氣象災(zāi)害學(xué)”線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型。該模型從學(xué)習(xí)場所、學(xué)習(xí)客體、認(rèn)識主體和他者之間的關(guān)系為切入點，明確了實現(xiàn)溝通各要素之間的技術(shù)支持路徑與特征匹配關(guān)系，設(shè)計了各要素的主要內(nèi)容。

（一）學(xué)習(xí)空間模型設(shè)計原則

基于“元地球與數(shù)字孿生”的學(xué)習(xí)空間模型設(shè)計遵循整體性、智能性、探究性以及融合性原則。在設(shè)計“氣象災(zāi)害學(xué)”學(xué)習(xí)空間模式時，需要充分考慮不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求。同時，本研究所設(shè)計的數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間能夠提供虛擬平臺與靈活多樣的多功能接口，使學(xué)習(xí)者實現(xiàn)氣象災(zāi)害虛擬環(huán)境下的沉浸式體驗，進(jìn)而實現(xiàn)與其他學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)工具的動態(tài)連接與融合。

（二）線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型設(shè)計

“元地球與數(shù)字孿生”視域下，本研究所設(shè)計的線上線下融合學(xué)習(xí)空間主要包含三個層面：首先是實體物理空間，該空間主要由學(xué)習(xí)過程中的實體場所決定。氣象災(zāi)害實體物理空間中的各類主體需要與學(xué)習(xí)同伴開展同步或異步的跨時空、跨結(jié)構(gòu)的正式或非正式學(xué)習(xí)。其次是元地球空間，該空間主要由學(xué)習(xí)過程中的虛擬場所決定。根據(jù)元地球空間所處結(jié)構(gòu)的特性、現(xiàn)實條件以及實際需求，學(xué)習(xí)者需要選擇沉浸式交互設(shè)備或全媒體訪問設(shè)備作為技術(shù)中介。全媒體訪問設(shè)備包括電腦、平板、智能手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）眼鏡等，而沉浸式交互設(shè)備則更適用于在同步學(xué)習(xí)時全程使用。最后還包括混合現(xiàn)實空間，該空間主要由MR技術(shù)對實體物理空間和元地球空間的銜接所構(gòu)成。混合現(xiàn)實空間作為一種中介存在來支撐虛實融通的結(jié)構(gòu)化條件。來自元地球空間的虛擬學(xué)習(xí)者能夠突破學(xué)習(xí)空間的限制，跨越學(xué)習(xí)空間參與到實體物理空間中，學(xué)習(xí)同伴針對氣象災(zāi)害致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境以及防災(zāi)減災(zāi)等方面的頭腦風(fēng)暴、協(xié)作實驗和自然探索的學(xué)習(xí)活動，還可以跨界訪問他們的全媒體設(shè)備及沉浸式交互設(shè)備。

（三）空間模型與理論教學(xué)深度融合

“氣象災(zāi)害學(xué)”的一個重要研究內(nèi)容就是探明地球空間各圈層的運動形態(tài)，并識別出特殊的天氣情況。在以往的教學(xué)中，采用截取多個衛(wèi)星云圖的方式來顯示多尺度的天氣對流情況，學(xué)生根據(jù)一系列圖片，通過想象建立對三維空間的整體認(rèn)知，這種方式不夠具體直觀。借助線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型，可以對多尺度空間氣象進(jìn)行建模，讓學(xué)生與三維空間發(fā)生交互，自主尋找角度和方向，直觀地識別出云層氣象現(xiàn)象。通過空間模型與理論教學(xué)進(jìn)行深度融合，能夠?qū)⒄n程抽象概念進(jìn)行可視化闡釋、物理模擬進(jìn)行多視角展示、三維空間進(jìn)行全景式觀察，進(jìn)行氣象災(zāi)害過程虛擬情境的沉浸式體驗。

三、構(gòu)建基于學(xué)習(xí)空間模型的多元融合教學(xué)模式

基于“元地球與數(shù)字孿生”的線上線下融合學(xué)習(xí)空間的最大特點是學(xué)習(xí)者能夠進(jìn)行全場景、多結(jié)構(gòu)的相互融通。為了滿足不同學(xué)習(xí)者對實體物理空間、元地球空間及混合現(xiàn)實空間等學(xué)習(xí)空間的應(yīng)用期待，本研究設(shè)計了基于線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型的“氣象災(zāi)害學(xué)”基本教學(xué)模式。

（一）多元化教學(xué)組織

由于線上線下融合教學(xué)包含混合學(xué)習(xí)和混成學(xué)習(xí)模式，其組織形式與教學(xué)模式也可能是極其多元的。首先，在課前和課后階段，個體學(xué)習(xí)者可以在元地球空間及混合現(xiàn)實空間等虛實融通的學(xué)習(xí)空間中開展針對性的同步合作探究。學(xué)習(xí)者通過技術(shù)中介跨越不同學(xué)習(xí)空間進(jìn)入元地球空間或混合現(xiàn)實空間中，以“集中—不定序”的形式進(jìn)行個體學(xué)習(xí)。而教師則可以憑借過程性跨界數(shù)據(jù)予以學(xué)習(xí)者全過程學(xué)習(xí)狀態(tài)的追蹤與評估。其次，在課中學(xué)習(xí)階段采用“集中—同步”與“分散—同步”兩種組織形式，在課前與課后學(xué)習(xí)階段則采取“多元—不定序”的形式，形成自組織的復(fù)合結(jié)構(gòu)。最后，課后學(xué)習(xí)的實施則融合實體物理學(xué)習(xí)空間和數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間，跨越學(xué)習(xí)空間進(jìn)行多方式學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者在完成學(xué)習(xí)重點和難點的解決方案后，需要將學(xué)習(xí)方案、作品或者其他學(xué)習(xí)成果上傳至數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間的展示平臺，邀請其他學(xué)習(xí)者、實體教師與虛擬教師共同進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評價，并提出改進(jìn)建議。

（二）融合式教學(xué)模式

在線上線下融合教學(xué)活動中，受不同學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力差異化影響，教學(xué)活動的組織結(jié)構(gòu)以及學(xué)習(xí)空間都是多元化的。在此條件下，教師為實現(xiàn)學(xué)習(xí)者基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)或高于基礎(chǔ)目標(biāo)的多樣化、個性化發(fā)展，所設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該著重考慮從學(xué)習(xí)者統(tǒng)一的基礎(chǔ)知識技能掌握轉(zhuǎn)向高階思維能力培養(yǎng)為主。

課前階段，學(xué)習(xí)者借助數(shù)字孿生平臺開展“氣象災(zāi)害學(xué)”課程內(nèi)容的自主探究、合作學(xué)習(xí)以及社群共創(chuàng)等學(xué)習(xí)活動。在此教學(xué)過程中，實體教師或虛擬的人工智能教師精準(zhǔn)定位學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程，并可隨時、隨地為學(xué)習(xí)者提供導(dǎo)向性干預(yù)，糾正其學(xué)習(xí)過程中錯誤的探究方向與片面的感性認(rèn)知。課中階段，學(xué)習(xí)者對課程主要知識點進(jìn)行梳理，明確存在的問題，并運用線上線下融合學(xué)習(xí)空間向教師和其他學(xué)習(xí)者展示問題的解決方案與設(shè)計思路。課后階段，由于線上線下融合學(xué)習(xí)空間具有虛實融通與無邊界的特點，各學(xué)習(xí)者可運用多種技術(shù)中介進(jìn)行聯(lián)動，既可以將虛擬的或真實的氣象災(zāi)害場景以混合現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實的形式與他人共享，也可以參與到他者提供的氣象災(zāi)害發(fā)生過程以及孕災(zāi)環(huán)境的場景中，并由此逐步增強(qiáng)“氣象災(zāi)害學(xué)”課程特定知識的遷移與轉(zhuǎn)化能力。最后，依據(jù)教學(xué)效果和學(xué)習(xí)者反饋持續(xù)優(yōu)化提升教學(xué)方案和資源。

（三）拓展型教學(xué)策略

“元地球與數(shù)字孿生”視域下的線上線下融合學(xué)習(xí)空間，為教師和學(xué)習(xí)者提供了開放共建的無邊界學(xué)習(xí)空間、動態(tài)更新的學(xué)習(xí)資源、虛擬仿真的學(xué)習(xí)場景以及智能化的教學(xué)效果評估工具。因此，在“氣象災(zāi)害學(xué)”線上線下融合學(xué)習(xí)空間的實際教學(xué)過程中，授課教師要靈活運用多種教學(xué)形式，組織有意義、規(guī)模化、個性化的師生交互活動；要充分利用電腦、平板、智能手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）眼鏡等智能工具，開展精準(zhǔn)的、差異化的教學(xué)工作以及實時的學(xué)習(xí)監(jiān)督與動態(tài)的教學(xué)管理；要鼓勵學(xué)習(xí)者基于實體教師與虛擬教師的導(dǎo)向性建議在課前和課后等學(xué)習(xí)階段自主開展個性化學(xué)習(xí)。

四、教學(xué)評價方式

在“元地球與數(shù)字孿生”智慧課程教學(xué)環(huán)境下，實體教師與虛擬教師可以通過與學(xué)習(xí)者線上隨時的交互活動，由數(shù)字孿生教學(xué)系統(tǒng)基于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況的大數(shù)據(jù)分析自動實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者的個體評價。“氣象災(zāi)害學(xué)”的教學(xué)評價機(jī)制是師生之間的雙向評價，除了教師可以對學(xué)習(xí)者進(jìn)行動態(tài)考評，學(xué)習(xí)者也可以及時對教師的教學(xué)效果進(jìn)行追蹤反饋，以便教師可以清楚地了解不同學(xué)習(xí)者對“氣象災(zāi)害學(xué)”課程知識的掌握程度及理解能力。基于數(shù)字孿生的線上線下融合學(xué)習(xí)空間模型特點，本次研究設(shè)計了包括教學(xué)體驗用戶界面評價、可用性評價以及交互設(shè)計評價等三方面評價體系。

（一）教學(xué)體驗的用戶界面評價

用戶界面是“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生系統(tǒng)教學(xué)場景的用戶接口，對其評價應(yīng)綜合考慮信息顯示、菜單設(shè)置、地理位置、進(jìn)度存取、操作、輸入、視野、定制性等因素。

（二）教學(xué)體驗的可用性評價

可用性主要考慮“氣象災(zāi)害學(xué)”智慧課程教學(xué)體驗在達(dá)成教學(xué)目標(biāo)時的可重復(fù)性、可預(yù)期性、可識別性及一致性等因素。

（三）教學(xué)體驗的交互設(shè)計評價

交互設(shè)計評價主要考慮學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的使用環(huán)境、體驗感、情境劇情設(shè)定是否貼合教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)等因素。

結(jié)語

本研究突破“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生技術(shù)瓶頸，以課程主要知識點為主線，在元地球視域下有效構(gòu)筑“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生平臺。本研究實施能夠達(dá)到如下目標(biāo)：（1）優(yōu)化和更新教學(xué)內(nèi)容，整合多種數(shù)字資源，打造沉浸式學(xué)習(xí)體驗。創(chuàng)新構(gòu)建與課程內(nèi)容相對應(yīng)的教學(xué)模型，提供智慧化學(xué)習(xí)支持，讓學(xué)生掌握傳統(tǒng)課堂無法理解的知識細(xì)節(jié)，將理論知識內(nèi)化為實踐能力。（2）實現(xiàn)靈活的教學(xué)方式，把握研究熱點和行業(yè)前沿，構(gòu)筑多維融合學(xué)習(xí)空間。創(chuàng)新搭建“氣象災(zāi)害學(xué)”數(shù)字孿生學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生實現(xiàn)分時段、碎片化學(xué)習(xí)，提高教學(xué)有效性。（3）聚焦防災(zāi)專業(yè)人才培養(yǎng)，融合數(shù)字化媒介系統(tǒng)，對接新型人才培養(yǎng)方案。創(chuàng)新拓展基于數(shù)字孿生的線上線下多元型教學(xué)模式。

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Construction of Digital Twin Wisdom Curriculum System of “Meteorological Disaster Science” from the Perspective of Meta-Earth

ZHAO Fei-yu， ZHANG Hua， SHENG Shu-zhong

（School of Geophysics and Measurement-Control Technology， East China University of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China）

Abstract： By constructing the digital twin technology system of “meteorological disaster science” and designing the online and offline integrated learning space model based on “meta-earth”， this study further explores the new teaching mode of online and offline integration of “meteorological disaster science” under the digital twin mode. This study focuses on the training of disaster prevention professionals， integrates digital media systems， and docks with new talent training programs. At the same time， this study grasps the research hotspots and industry frontiers， constructs a multi-dimensional integrated learning space with flexible teaching methods， innovatively builds a digital twin learning platform of “meteorological disaster science”， so that students can achieve time-sharing and fragmented learning， improve the effectiveness of teaching， and effectively expand the online and offline multiple teaching mode based on “digital twin”.

Key words： Meteorological Disaster Science; meta-earth; digital twin; wisdom curriculum; teaching mode