數字孿生技術在職業教育領域的應用研究

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2025.12.044

[中圖分類號］G434 [文獻標識碼］A [文章編號]1673-0194（2025）12-0134-04

1數字孿生技術發展現狀

2002年，美國密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯（MichaelGrieves）在產品生命周期管理課程中提出了“信息鏡像模型”概念，后逐漸演變為數字孿生（DigitalTwin）的概念。2011年，美國空軍研究實驗室開始發展數字孿生技術，并與多家企業合作，取得了顯著成果，主要包括飛機的數字化制造等。2012年，美國NASA確定了“數字孿生”的概念：利用真實物理模型、數字仿真模型、傳感器和相關歷史數據，集成多學科知識進行多尺度的仿真模擬，在虛擬空間中構造出真實產品的數字鏡像，并在虛擬空間中反映產品全生命周期過程。2015年，美國通用電氣公司利用數字孿生技術實現對飛機發動機的實時監控、維護和故障預測等。數字孿生適用于多個行業，目前主要應用于智能制造、醫學分析、工程建設等領域，其中研究熱度最高的是智能制造領域。

2021年，國務院印發《“十四五”數字經濟發展規劃》指出，因地制宜構建數字孿生城市。2023年，中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》強調，構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系。我國各?。▍^、市）也出臺了關于數字孿生技術的應用規劃，主要集中于數字經濟發展和智能制造。

我國數字孿生技術主要應用領域有機械制造、航天航空等，但隨著物聯網、大數據、人工智能等技術發展，逐漸延伸到智慧城市、智能建造、智慧醫療等領域。

我國科研院所和企業對于數字孿生的研究也日趨深入。例如，陶飛等人總結了數字孿生的五維結構模型，提出了6條應用準則，探索數字孿生的應用設想和關鍵技術[1]。雖然我國關于數字孿生技術的研究和應用已經取得一定的成效，但是其深度和廣度仍較為有限[2]。

2 數字孿生技術在職業教育領域的具體應用

隨著大數據、人工智能等技術的發展，數字孿生的概念和形態不斷擴展，也對傳統教育教學方式產生深刻影響[3]。數字孿生技術憑借虛實共生的特點解決了網絡學習中虛實學習空間實時反饋難的問題。數字孿生技術具有高虛擬仿真特點，能夠將知識的媒介形態從文本、視頻等轉化為更貼近真實物理世界的具象形態，便于學習者理解[4]。

本文選擇知網作為文獻檢索數據庫，檢索主題詞為‘數字孿生”“教育”等，對相關研究成果進行總結、分析，詳情如表1所示。

通過以上案例分析可以發現，目前數字孿生技術教育應用案例主要集中在智慧學習空間的構建和數字孿生工廠的建設兩個方面。高職院校是培養應用型技術人才的重要陣地，但是由于高職院校的生源質量、實訓設施等多方面的不足，學生的學習自律性不強，并且學校的學生管理系統也相對滯后，導致學生培養質量難以滿足市場要求。而數字孿生技術憑借其實時交互、深度洞見等特征，不僅可以激發高職學生的學習熱情，還可以根據學生自身實際情況設計學習路徑和方法，優化學習過程。數字孿生技術在職業教育中的主要應用領域如圖1所示。

高職院校旨在培養有一定理論水平和實踐能力的高素質技術技能人才，而高職學生往往基礎知識相對薄弱，學習自主性不高，學習習慣有待改進，自身素養與高校要求有一定差距。數字孿生技術具有實時交互、虛實共生、高保真等特點，為職業教育提供了新的運作空間和發展方向。

高職院?？衫脭底謱\生技術構建虛實融合的智慧課堂、孿生講臺等，基于多維數據的學生學情分析和建模指導學生學習行為，提高學習效率；基于增強現實和虛擬現實的在線沉浸式交互體驗為學生提供“身臨其境”的學習環境，激發學生學習興趣；基于精準教學和精準管理的數據應用為教師教學提供支持，優化教學路徑。

高職院?？山ㄔO數字孿生車間和工廠指導學生實訓。首先，通過物聯網和大數據模擬的動態仿真模型，深度還原現實中的設備細節、工藝規程和執行過程，學生在模型上進行實踐操作，能夠為學生提供容錯率較高的場域。其次，由于大數據、人工智能技術的發展，虛擬模型還可以分析、預測和演示操作結果，糾正學生的操作流程，幫助學生規避操作風險。最后，根據行業技術發展現狀，可以對孿生工廠內的實操項目和設備進行改進，保證學生的實踐技能滿足企業需求。

高職院校師資力量相對薄弱，學校在學生管理較為困難的情況下，通過構建數字孿生校園不僅可以實現學校公共安全管理和預警，還可以對學校的能耗進行精細化管理，提高高職院校管理水平。

高職院?？梢源罱〝底掷钌鷪鲳^，提高學生的人文素養。由于高職學生的入學門檻較低，高職院校更應該加強人文綜合素質教育。通過數字孿生技術創造出特定歷史時期的虛擬空間，學生能夠沉浸式感受歷史事件，加深歷史文化熏陶。數字孿生的高仿真過程可以幫助學校搭建不同的體育運動場景，幫助學生更好地感受體育之美，加強學生體育鍛煉。

3基于數字孿生技術的教學應用框架設計

本文基于現有數字孿生研究，結合職業教育的問題和需求，構建基于數字孿生技術的教學應用框架，具體如圖2所示。

3.1數字孿生技術架構

數字孿生技術是具有普遍適用意義的各種技術的綜合應用，貫穿于整個教學流程，通過相關技術的合理應用，實現對實訓設備或學習過程的監測、仿真、預測和優化等操作，從而提升操作技能和學習效率。

3.1.1數據采集、傳輸和管理

數據是構成數字孿生體的基礎，可通過傳感器技術、智能識別技術、平臺數據采集技術等對學生整個學習過程的感知進行數據收集。例如，通過學校學生信息管理系統，收集學生的基本信息、學習成績和獎懲情況；通過學習通等學習平臺收集學生課程學習數據；通過實驗實訓的傳感設備收集學生的實操行為數據；通過學校一卡通等收集學生的校園生活行為數據。

關于數據的傳輸，主要是使用物聯網、互聯網等將相關數據傳輸至云端數據庫。隨著5G技術的發展，數據傳輸網絡的帶寬和容量會進一步提高。高效的數據存儲和管理技術是后期數據挖掘與分析的前提，其中，數據安全技術、性能優化技術、分布式存儲技術等都是構建全生命周期數據管理體系的核心技術。

3.1.2建模計算仿真

以學生的歷史和實時數據為基礎，運用數據特征識別技術、數據分析與挖掘技術、數據關聯分析技術和用戶畫像技術構建學生的認知和行為模型，通過分類、聚類、關聯、預測、回歸等算法對模型進行機器學習，形成一個動態、發展、個性、全面的分析與預測模型，為教師的教學提供支持。

通過虛擬仿真技術、實時建模技術、數據可視化技術以及虛實融合技術，職業院?？梢詷嫿▽嵱栂嚓P模型，包括項目場景模型、設備模型、運行動畫模型、工藝流程模型等，進而形成虛實融合的學生實訓空間。

3.1.3沉浸式交互

相較于單一感官、參與感低的傳統人機交互方式，沉浸式交互具有體驗度高、交互性強、保真度高、靈活性強的特點。利用數據可視化技術、虛擬現實技術可實現實訓項目內容高度可視化，并將其無邊界、全方位呈現于虛擬教學空間。利用增強現實技術、觸覺傳感技術，可在虛擬實訓空間實現無障礙、高保真的數字化操作，從而達成學生“身臨其境”的操作體驗。通過遠程控制技術，可實現以虛控實、虛以實用，打破校企合作的時空限制，進而提高實訓項目設置的有效性和創造性。

3.2理實一體智慧學習空間創建

3.2.1理實一體智慧學習空間的內涵

理實一體智慧學習空間是指利用機器學習、大數據等智能技術以及其他信息技術，構建由全域感知、智能計算和網絡連接設備組成，能夠同時滿足學校理論與實踐教學需求的智慧型學習空間。該學習空間具有高保值、虛實交互、數據驅動等特點，能夠幫助學生具身實踐理實一體的教學項目，也能為開展學生的綜合素質教育提供智能教學環境，促進學校人才培養目標的實現[8]。

3.2.2理實一體智慧學習空間的特點

第一，高保真的參與體驗。目前，高職院校由于實驗實訓資源不足和設備落伍，實踐內容滯后于行業發展，培養的學生難以滿足行業需求。而在數字孿生理實一體智慧學習空間內，可利用仿真建模和大數據技術構建符合行業主流水平的虛擬設備和系統、虛擬實訓環境，同時利用虛擬現實和增強現實技術，結合傳感器、智能可穿戴設備，使學生模擬真實設備的操作過程，增強實訓的真實感和效果。

第二，數據驅動的探究式學習。探究式學習是指在教學環境中創設合理的項目情境，學生通過發現問題、收集和整理相關信息、操作驗證等探索活動獲得知識，鍛煉技能，特別是培養探索精神和創新能力。數字孿生智慧學習空間能夠實時收集和整理學習者的相關數據，包括學習成績、上網數據、校園軌跡等，構建并驅動以某一技能訓練或者知識理解為目標的智能模型。模型具有可重復驗證、可實時預測等特點，能夠為學生的探究式學習提供支持。

第三，多維時空協作學習。通過物聯網、互聯網、云計算等技術，數字孿生智慧學習空間能夠打破時間與空間的限制，實現多區域、多時段、多學科、多主體的協作學習。在校生的學習會受到學校時空的限制，難以滿足學生綜合素養的發展需求，而數字孿生學習空間利用高速通信技術，連接不同時空、不同學科的相關數據并上傳云端，系統計算中心結合不同主體學習目標制定下一步的操作實踐和知識學習任務，并將結果反饋給學習主體，指導學生自主學習。

3.2.3理實一體智慧學習空間的框架

目前，國內關于數字孿生智慧學習空間的研究有數字孿生講臺、智慧教室、數字孿生實訓系統的構建。本文綜合相關研究，構建數字孿生智慧學習空間的框架，如圖3所示。

首先，通過智能識別、物聯感知技術、在線平臺數據采集技術等收集學生整個學習周期的相關數據，并傳送至云端服務器。其次，數據經過分析和整理后可用于學生知識模型和行為模型構建，模型隨著數據的更新也不斷自我進化，改進模型算法。最后，通過增強現實、虛擬現實、數據可視化技術，將學生的認知能力結構、知識架構、學情分析預測等信息提供給學生和教師，輔助引導學生的學習。

3.3應用服務功能實現

應用服務主要分為3個方面：第一，數字孿生的虛擬學習空間與映射的物理世界在內容和性質上是一樣的，在虛擬世界可以實時、精準地展示物理世界的發展變化；第二，對學生的學習狀態、學情發展、預測分析、智能輔助進行多尺度描述，將系統模擬仿真的結果通過人體感知、設備展示等方式表達出來；第三，在虛擬學習空間內，集成人-機-物的動態仿真模擬結果，并將結果以綜合、智能的虛擬場景展現出來，如數字孿生實驗室。應用服務可以表現為學生在線學習監控、學生學情分析與預測、學生操作監督與指導、教師輔助決策等，這些功能將以多種形式集成在智慧學習空間內，輔助學生學習和教師教學。

4結束語

目前，數字孿生技術在職業教育領域的應用仍處于初步探索階段，它正在悄然改變我們的教學理念和方式，重塑學生的學習體驗和知識內化方法，但是在數據挖掘和分析算法、智能模型構建、虛擬數字世界構建等方面仍面臨諸多挑戰。本文在分析國內數字孿生技術教育應用情況的基礎上，探討數字孿生技術在職業教育領域的具體應用，并設計數字孿生技術教學應用框架，為數字孿生技術在教育領域的應用提供借鑒。

主要參考文獻

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[2]趙亮，許娜，張維.我國數字孿生研究的進展、熱點和前沿：基于中國知網核心期刊數據庫的知識圖譜分析［J].實驗技術與管理，2021（11）：96-104.

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[8]李海峰，王煒.數字孿生智慧學習空間：內涵、模型及策略［J].現代遠程教育研究，2021（3）：73-80，90.