基于数字孪生技术的智慧教学模式创新研究

2024-03-04董紫君孙飞云苏栋杨颂

高教学刊 2024年6期

董紫君孙飞云苏栋杨颂

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“基于数字孪生的新工科智慧教学创新模式研究”（230805862182447）；深圳市教育学会2023年度科研课题“数字化背景下新工科数孪混合教学模式创新与实践研究”（YB2023012）；2023深圳大学研究生教育改革研究项目“基于数字孪生技术的教学模式研究”（SZUGS023JG9）

第一作者简介：董紫君（1983-），女，汉族，江苏南京人，博士，副教授，硕士研究生导师，高级工程师。研究方向为数字化教学。

*通信作者：苏栋（1978-），男，汉族，福建永定人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为岩土和地下工程。

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

摘要：随着物联网、大数据、人工智能的飞速发展，新一代信息技术与教育业深度融合；数字孪生技术的不断革新为市政工程、土木工程等专业的教学改革提供新契机，也成为教育创新研究的新方向。该文借鉴数字孪生技术在工业领域的成功模式，研究其在智慧课程教学模式改革中的应用；通过对数字孪生智慧教学的特点及数字化教学的发展历程进行系统梳理，提出数字孪生智慧教学新模式体系的设计和构建要素；最后，提出数字孪生技术在未来市政工程教学中的应用前景，期望能够实现物理实体教学与智慧信息教学交互与共融，在国家数字化教育大背景下更好地培养新工科人才。

关键词：数字化教育；数字孪生；智慧教学；虚实交互；课程设计

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：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、國务院公布了《数字中国建设整体布局规划》，其中明确指出数字中国建设是推动中国式现代化发展的重要引擎，也是国家竞争新优势建设的强有力支撑。我国正处在由工业经济向数字化社会转型的关键时期，也是数字经济加速崛起的关键阶段。数字中国的建设加速，对于全面推进社会主义现代化国家建设、实现中华民族伟大复兴具有至关重要的意义和深远的影响。教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》，旨在构建一体化智能化教学的学习平台环境，推动数字信息技术与教育的深度融合，坚持以信息技术为引领，打造以学习者为核心的全新学习场域和教育生态环境。这为市政工程、土木工程等专业的智慧教学建设带来了重大的发展机遇。数字孪生技术（Digital Twins）具有高保真、实时交互、虚实共生、深度洞见等特征，近年来在科技、工程领域得到迅速发展和应用。基于数字孪生技术应用的课程教学研究是一个全新的教学改革探索方向[1-2]。

一数字孪生技术的产生与定义

数字孪生（Digital Twin，DT）的概念最早是在美国密歇根大学产品全生命周期管理课程中由Michael Grieves教授提出来的，被称为镜像空间模型，其主要内涵为包括物理实体、虚拟实体、虚实之间的连接数据和信息的三维模型。当前，关于数字孪生并没有一个标准定义，学术界将数字孪生定义为“以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。”总而言之，数字孪生是信息化、智慧化高度发展的产物[3]。

近年来，教育领域已经开始广泛应用新兴技术，如大数据、人工智能、全息技术和物联网等，数字孪生在教育领域的应用价值也不断体现；数字孪生开始从工业制造延伸到教育领域，并对教育改革和课堂模式都产生深远影响，教育数字孪生的概念也随之产生[4-5]。教育数字孪生是指利用数字孪生技术对教育领域的学习空间、学习资源、学习角色、课程设计等进行多源数据采集、全方位进行数字建模、对物理实体进行精准映射，通过虚拟空间呈现物理实体，比如对城市建造、交通运输、水厂运行等进行映射展示，能够使学生具身体验实际场景的最真实状态，并能通过数据收集和分析对教学进行溯源，预测教学效果和趋势，提出客观的教学决策建议，从而实现教育领域虚拟课堂与物理课堂的互控互联、融合共生[6-8]。

二数字孪生智慧教学的特点

（一）虚实交互性

数字孪生的虚体和实体不仅需要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如在教学中体验水厂运行工况场景，既要展示虚体的物理结构，也需要关注水量、水质等细节。在实践教学中，未来数字孪生水厂可观测水厂运行，在各单元虚拟空间还可搜索各类数据。虚实融合、虚实协同将定义市政工程教学实践的未来新模式。

（二）精准映射性

数字孪生需要用到各种数字化手段，包括物联网、虚拟现实、仿真工具等，通过这些手段来把物理场景的属性映射到虚拟空间中，这样可以加快学生对物理实体的了解[8]。比如市政工程教学中一些工艺单元如水下曝气等是很难展示的，但是用虚拟的物理实体就能够做到。数字孪生可以根据各层面的传感器布设，构建水厂工艺的全方位数字化模型，以及对水厂运行的动态监测、充分感知，在信息维度上形成虚拟水厂对实体水厂各单元的精准信息表达和映射。

（三）智能决策性

数字孪生中的物理对象和数字空间可以实现动态交互和实时连接的效果，因此，数字孪生智慧教学手段能够通过海量教学数据的收集和智能分析，客观评价教学效果，并给出合理有效的决策建议，以未来视角智能干预传统教学的发展轨迹和模式，进而指引和优化教学的规划、管理和深度改革。

三数字化教学的发展历程

数字化教学是指教师和学习者在数字化的教学环境中，遵循现代教育理论和规律，利用数字化的教学资源，通过数字化教学模式进行培养适应新世纪需要的具有创新意识和创新能力的复合型人才的教学活动[9-10]。在党的二十大报告中，提出了“推进教育数字化”的战略部署，这一举措标志着推进教育数字化已经成为社会各界的普遍共识和共同任务。数字化教学总体上经历了传统多媒体教学、互联网教学，以及现今的数字孪生智慧教学三个主要阶段（图1）。

（一）传统多媒体教学

传统多媒体教学是数字信息化发展的早期教学模式，主要是接受型学习。学习空间主要是单一的物理空间即传统的电教教室，一般采取统一的教室布置，较为呆板。通过电化教学手段，如电脑投影、PPT演示等更为直观地展现教学内容。多媒体教学有助于减少教师板书时间，有效利用上课时间，提高课堂教學效率。师生之间的互动主要是面对面交流，以教师讲授为主，师生互动性不强。学习评价方式也较为简单，大多以一份涵盖教学知识点的标准化试卷评价学生的学习效果，以此反馈课堂的教学情况。

（二）互联网数字教学

第二代互联网数字教学在教学空间、课程呈现和师生互动等方面都有了较大的改革。教学空间不再是单一物理空间，而是实体空间与虚拟空间的结合；利用网络课程平台、直播平台等，通过网课、直播课程、远程教学等实现了教学时空的交融。目前国内主要的网络课程平台有中国大学MOOC（慕课）、雨课堂、网易公开课等；而直播平台则包括腾讯会议、腾讯课堂、Classin等。教师可以在这些平台上，利用课程视频、电子教材、因特网等信息技术进行教学。师生互动方式也从人人互动向人机互动叠加转变，教师、学生、学习机器共存于实体和虚拟学习空间里。

（三）数字孪生智慧教学

近年来，随着5G、AI 和VR等技术的发展，数字孪生智慧教学正成为现今数字化教育时代的研究热点。数字孪生的学习空间将在物理空间与虚拟空间的组合基础上，实现物理空间和虚拟空间的交互融合，产生一个虚实映射的学习环境。采用人工智能信息化教学模式，通过“5S”教学手段，即共享数据（Shared Resources）、自主学习（Self-study）、课堂集中（Centralized Seminar）、资源交互（Swap Resources）和数据互评（Statistics Cross Evaluation），让学生在信息化教学过程中通过数字孪生技术达到教学效果。数字孪生智慧教学将带领学生走向全感官学习体验、全方位地开展学习过程跟踪、超精准进行学习效果预测，为学生提供具身、智能、高效的学习体验。

四数字孪生智慧教学新模式的设计和构建

对于市政工程、土木工程等传统学科的教学，数字孪生技术的引入将带来变革性的教育改革。以市政水处理工程为例，常规教学涉及的仪器设备较多，需要足够宽敞的实验空间，有些实验仪器占地面积大，需要专职人员安装、调试及维修[11-12]。一些市政管网实验，如水力学研究，所需课时较长，甚至需要几天才能完成，现有教学条件无法满足多人长历时的实验需求。此外，如饮用水厂的实践教学，由于涉及到安保等，无法满足大量学生长时间聚集开展，给水处理实践教学带来更多的挑战。因此，现有条件的制约和外部环境的影响，使学生理论学习与实际操作脱节，难以掌握水厂实际运行的状况，一定程度上影响实践教学效果。

当前，数字孪生虚实交互平台作为一种新的技术手段，可以实现教学数字化、智能化等先进理念的重要使能。特别是以5G、AI和VR虚拟现实为代表的前沿信息技术集群的发展，将极大地改变传统的管网、水厂单元模拟试验，扩大新的认知、感知领域。构建数字孪生虚实交互平台，全息展现市政管网、水厂可视化场景，将克服现实实验条件与外部环境的局限性，有效解决实验场地、设备和课时不足的问题。基于数字孪生技术开展水处理工程课程的智慧教学模式创新，将有利于推动数孪虚实混合教学的发展，实现教学过程中多元空间相互融合。对于应用数字孪生技术提升教学环境的智能化水平，打通关键教学信息通道具有重要作用[13]。

数字孪生智慧课堂不仅仅是利用5G、VR、AI等先进的人工智能技术，而是要通过这些技术服务课堂，更好地对课程进行设计、编排和组织；同时通过物理空间和虚拟空间的结合，让学生的参与度、融入度更好，具身体验更好；通过大数据处理等手段，挖掘数字课堂的数据价值，对课堂效果进行及时、精准的反馈，对教学决策起到正向的引导作用。

数字孪生智慧课堂的设计包括空间构建、角色建立、模型构建、效果分析四大方面（图2）。

图2 数字孪生智慧课堂设计

（一）空间构建

通过物理实体空间和虚拟空间的交互，构建一个数字孪生三维教室，打破传统电教教室的时空限制，打造实时、高效、具真的师生互动平台。例如，可以通过三维场景，借助VR技术让学生全身体验洪水的发生过程、水库溃坝的模拟、洪水淹没的模拟，以及洪水灾情评估。

（二）角色建立

在数字孪生智慧课堂中，除了传统的教师和学生角色外，还将建立“孪生人”，即高效的孪生教师和孪生学生。当前，我国新课程改革的主要理念是以学生为主体，教师为主导。“孪生人”在未来智慧教育中将会扮演愈来愈重要的角色。从“孪生教师”的角度来看，能够更好地对课堂学生学习的多元异构数据进行综合掌握和分析，优化教学策略。而从“孪生学生”的角色来看，能够全链条评估、动态跟踪学习者的真实学情，解决学生的难题，实现学生与“孪生学生”的同生共长。

（三）模型构建

多维模型的构建是数字孪生的重要组成部分，是实现数字孪生功能的重要支撑。如何构建基于课程教育的数字孪生模型当前还缺少通用方法和准则，需要结合专业课程的知识体系。以市政工程专业水处理工程课程为例，将以数字孪生水厂为对象，在水厂单元工况分析的基础上，从数字孪生水厂实体要素建模、数据驱动的水厂运行过程动态建模、水厂运行系统仿真建模等方面对数字孪生水厂模型构建方法和理论进行系统分析，最终构建满足水处理工程课程知识展示和三维场景体验的数字孪生课程学习模型。

（四）效果分析

教育数字孪生的一大优势即可及时、深入地对学习对象的学情效果进行全链条的深度跟踪、精准反馈，能更加快速、高效地让学生掌握所学专业知识，并通过多维的考核方式，达到标准化教育的目标；同时教师也将从传统枯燥、重复的日常教学任务中得到解脱，根据大数据分析的结果，更好地完善教学决策。

五结束语

在国家数字化教育大背景下，数字孪生技术作为与工业4.0密切相关的趋势性技术之一，能够有效实现智慧化教学。利用数字孪生技术对教育领域的学习空间、学习资源、学习角色、课堂设计等进行多源数据采集、全方位地进行数字建模、实现对物理实体的精准映射；在教学跟踪和评估上，能通过数据收集和分析对教学进行溯源，预测教学效果和趋势，提出客观的教学决策建议，从而实现教育领域虚拟课堂和物理课堂的互控互联与融合共生。实际智慧教学课堂的设计中，通过对孪生角色、学习环境、专业模型的精细构建，创造数字孪生智慧教学的新模式，为学生提供智能、精准、高效的学习服务与学习体验；并通过大数据处理，挖掘数字课堂的数据价值，对课堂效果进行及时、精准的反馈，对教学决策起到正向的引导作用。数字孪生技术在教学课程中的運用，将为数字化教育赋能，为数智时代的教育教学创造出新的模式和实践。

参考文献：

[1] 张艳丽，袁磊，王以宁，等.数字孪生与全息技术融合下的未来学习：新内涵、新图景与新场域[J].远程教育杂志，2020，38（5）：35-43.

[2] 林楷奇，郑俊浩，陆新征.数字孪生技术在土木工程中的应用：综述与展望[J].哈尔滨工业大学学报，2024，56（1）：1-16.

[3] 钱小龙，张奕潇，宋子昀，等.打开元宇宙学校之门：发端、现状与走向[J].现代教育技术，2023，33（3）：15-26.

[4] 王妍捷，冯怡嫣，房琳.基于数字孪生技术的互联网+“5S”教学模式创新研究[J].电子元器件与信息技术，2022，6（5）：228-231.

[5] 刁生富，孔湘莹.教育领域数字孪生技术应用的伦理问题研究[J].华南理工大学学报（社会科学版），2022，24（6）：16-24.

[6] 李海峰，王炜.数字孪生教育应用的教学模式探究——基于美国、瑞士和芬兰数字孪生教育应用的案例分析[J].现代教育技术，2021（5）：194-200.

[7] 张乐敏，张若曦.基于数孪混合技术的智慧教学系统建构——以高校未来城市课程教学改革为例[J].城市建筑，2021，18（19）：17-22.

[8] 李海峰，王炜.数字孪生驱动的协同探究混合教学模式[J].高等工程教育研究，2021（5）：194-200.

[9] 陈卫东，戴超凡，谭树人.基于数字化学习空间拓展智慧课堂的设计模型[J].计算机教育，2019（8）：40-44.

[10] 张天驰，曹建秋.基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索[J].黑龙江工程学院学报，2023，37（2）：73-77.

[11] 李浩，王保升，闫注文.数字孪生课程理论与实践教学探索[J].科教导刊，2022（34）：132-134.