智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)何以可能：基于數(shù)字孿生技術(shù)的分析

范小雨　鄭旭東　鄭浩

摘 要：我國職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)大致經(jīng)歷了依賴物理空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)1.0、依托信息空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)2.0、虛實(shí)簡(jiǎn)單交互的實(shí)訓(xùn)教學(xué)3.0三個(gè)發(fā)展階段，并正在向第四個(gè)階段即智能技術(shù)支持的實(shí)訓(xùn)教學(xué)4.0邁進(jìn)。基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)具有創(chuàng)造虛實(shí)無縫連接的映射空間、實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)展、實(shí)現(xiàn)虛實(shí)動(dòng)態(tài)交互與人機(jī)實(shí)時(shí)交互及迭代優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)等價(jià)值。基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系包括三個(gè)階段：教學(xué)準(zhǔn)備階段，精準(zhǔn)構(gòu)建學(xué)生畫像，規(guī)劃與模擬教學(xué)過程;教學(xué)實(shí)施階段，搭建協(xié)同工作環(huán)境，精準(zhǔn)推送實(shí)訓(xùn)課程資源;教學(xué)評(píng)價(jià)階段，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的伴隨式評(píng)價(jià)，提供可靠有效的反饋。

關(guān)鍵詞：職業(yè)教育;智能實(shí)訓(xùn)教學(xué);數(shù)字孿生技術(shù);虛實(shí)融合;伴隨式評(píng)價(jià)

基金項(xiàng)目：2020年度江蘇省社科基金青年項(xiàng)目“區(qū)塊鏈技術(shù)推進(jìn)區(qū)域教育治理的創(chuàng)新機(jī)制與實(shí)踐路徑研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20JYC002）;2020年江蘇師范大學(xué)研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“混合學(xué)習(xí)中共享調(diào)節(jié)行為模式研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2020XKT908）

作者簡(jiǎn)介：范小雨，女，江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院2019級(jí)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹腔劢逃W(xué)習(xí)科學(xué);鄭旭東（通訊作者），男，江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院講師，博士，主要研究方向?yàn)橹腔劢逃⒔逃龜?shù)據(jù)治理;鄭浩，男，江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院2019級(jí)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹腔劢逃⑦h(yuǎn)程教育。

中圖分類號(hào)：G710 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-7747（2020）12-0026-06

《中國教育現(xiàn)代化2035》提出，要培養(yǎng)創(chuàng)新人才尤其是拔尖創(chuàng)新人才，加強(qiáng)應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)力度[1]。職業(yè)院校作為技術(shù)技能人才的搖籃和供給主體，其重要地位越來越突出。實(shí)訓(xùn)教學(xué)是職業(yè)院校理論課堂的延伸，是職業(yè)教育人才掌握技術(shù)技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)卻存在實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)質(zhì)量不高、師資力量不強(qiáng)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式陳舊、實(shí)訓(xùn)教學(xué)考核方式單一等問題。先進(jìn)的智能技術(shù)能為開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供重要支撐，利用數(shù)字孿生技術(shù)改革實(shí)訓(xùn)教學(xué)，迭代優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程和評(píng)價(jià)模式，不失為培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的重要途徑。

一、實(shí)訓(xùn)教學(xué)發(fā)展歷程

我國職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)大致經(jīng)歷了依賴物理空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)1.0、依托信息空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)2.0、虛實(shí)簡(jiǎn)單交互的實(shí)訓(xùn)教學(xué)3.0三個(gè)發(fā)展階段，并正在向第四個(gè)階段即智能技術(shù)支持的實(shí)訓(xùn)教學(xué)4.0邁進(jìn)，如圖1所示。

（一）依賴物理空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)1.0階段

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)1.0階段，職業(yè)院校使用傳統(tǒng)物理空間開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，主要存在兩方面的局限。其一，實(shí)訓(xùn)基地?zé)o論是在場(chǎng)地建設(shè)還是設(shè)備添置等方面都需要花費(fèi)大量的資金，這會(huì)增加職業(yè)院校的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。由于高端設(shè)備價(jià)格昂貴，職業(yè)院校通常購買的都是通用型的中小型實(shí)訓(xùn)設(shè)備，且設(shè)備更新?lián)Q代不及時(shí)[3]。這就造成學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作的設(shè)備與其畢業(yè)后在工作崗位中使用的設(shè)備存在很大偏差，最終導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)校掌握的技術(shù)技能不能滿足實(shí)際工作需要。其二，由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)形式多為發(fā)生在實(shí)訓(xùn)車間的現(xiàn)場(chǎng)集中式授課，即教師講解、演示，學(xué)生操作、練習(xí)。在這個(gè)過程中，雖然教師的示范教學(xué)很直觀，但是實(shí)驗(yàn)次數(shù)甚少，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)記住整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，并且只有少數(shù)學(xué)生有機(jī)會(huì)操作實(shí)訓(xùn)設(shè)備，大部分學(xué)生在實(shí)訓(xùn)課期間實(shí)則處于“游離”狀態(tài)。如果學(xué)生分組輪流操作實(shí)訓(xùn)設(shè)備，教師還需要按照分組依次指導(dǎo)，這不僅增加了教師重復(fù)教學(xué)的負(fù)擔(dān)，也不利于提高教學(xué)效率。

（二）依托信息空間的實(shí)訓(xùn)教學(xué)2.0階段

隨著多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)的現(xiàn)代信息技術(shù)開始應(yīng)用到傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)信息空間出現(xiàn)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)入2.0發(fā)展階段。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)2.0中，教師運(yùn)用音視頻信號(hào)采集技術(shù)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行錄播，把實(shí)訓(xùn)課件、視頻集中存儲(chǔ)、共享，學(xué)生可在課后共享實(shí)訓(xùn)教學(xué)典型案例等學(xué)習(xí)資源，一方面能促進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的常態(tài)化積累，另一方面學(xué)生可通過反復(fù)觀看錄播視頻，練習(xí)實(shí)訓(xùn)操作步驟。之后出現(xiàn)了多功能視頻交互平臺(tái)，它把虛擬演播和視頻會(huì)議的非線性編輯功能結(jié)合起來，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)課程錄播，而且支持傳輸實(shí)訓(xùn)教學(xué)遠(yuǎn)程視頻以及師生雙向互動(dòng)。遠(yuǎn)程視頻傳輸既可以將企業(yè)專家的實(shí)操行為實(shí)時(shí)傳輸給學(xué)生，又可以讓專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)，實(shí)現(xiàn)專家與學(xué)生的互動(dòng)交流和對(duì)學(xué)生實(shí)操作品的在線點(diǎn)評(píng)。然而，信息空間的出現(xiàn)只是促進(jìn)信息物理空間中的學(xué)生交流方式和知識(shí)共享方式的融合，學(xué)生活動(dòng)仍然完全在線下物理空間完成，尚未有在線上實(shí)時(shí)操作設(shè)備和制造產(chǎn)品的條件與機(jī)會(huì)，存在現(xiàn)實(shí)條件限制的實(shí)操練習(xí)難以開展等問題[4]。

（三）虛實(shí)簡(jiǎn)單交互的實(shí)訓(xùn)教學(xué)3.0階段

將多媒體計(jì)算機(jī)、虛擬仿真等技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可為學(xué)生創(chuàng)建真實(shí)生動(dòng)的情境和條件，營造積極自由的實(shí)訓(xùn)環(huán)境及培養(yǎng)創(chuàng)造能力的學(xué)習(xí)活動(dòng)氛圍[5]，由此也推動(dòng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)入了虛實(shí)簡(jiǎn)單交互的實(shí)訓(xùn)教學(xué)3.0階段。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)除了能夠降低實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)成本、降低實(shí)訓(xùn)過程中的危險(xiǎn)系數(shù)之外，還能夠通過外部輸入設(shè)備、頭盔式顯示器等實(shí)現(xiàn)學(xué)生與虛擬環(huán)境之間的交互。然而，這種交互仍然停留在簡(jiǎn)單交互的階段，缺乏深度交互;并且，這種交互需要借助頭盔、手柄等工具操作虛擬世界的設(shè)備，不僅繁瑣復(fù)雜，而且妨礙教師觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)投入情況。這些都導(dǎo)致虛實(shí)環(huán)境之間缺乏連續(xù)、實(shí)時(shí)的深度交互，可能會(huì)增加學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作活動(dòng)難度，不利于提升他們的技術(shù)技能水平。

（四）智能技術(shù)支持的實(shí)訓(xùn)教學(xué)4.0階段

在新一代智能制造技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，很多職業(yè)院校期望實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的物理空間與信息空間之間的雙向真實(shí)映射與實(shí)時(shí)交互。在這樣的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，信息空間能夠不斷收集物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在對(duì)物理空間高度保真的前提下，對(duì)其操作過程進(jìn)行持續(xù)調(diào)控與迭代優(yōu)化[6]，實(shí)現(xiàn)物理空間、信息空間和空間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，實(shí)訓(xùn)教學(xué)由此進(jìn)入4.0階段，即智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)階段。實(shí)訓(xùn)教學(xué)4.0綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)智能技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)觀察物理世界、認(rèn)識(shí)物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界的目標(biāo)[7]，而且實(shí)訓(xùn)教學(xué)4.0與其配套的課程體系是分層或定制化的，學(xué)習(xí)資源也能夠根據(jù)個(gè)體需求精準(zhǔn)推送，適應(yīng)學(xué)生個(gè)性化特征，滿足學(xué)生不同的實(shí)訓(xùn)需求。

二、數(shù)字孿生技術(shù)的教育應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字孿生可將物理實(shí)體的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維、多尺度、多物理量模型，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互[8]。數(shù)字孿生具有虛實(shí)共生、高實(shí)時(shí)交互、高虛擬仿真、深度洞見的特征[9]，是實(shí)現(xiàn)未來智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

（一）創(chuàng)造虛實(shí)無縫連接的映射空間，賦能學(xué)生技術(shù)技能的實(shí)訓(xùn)與發(fā)展

將數(shù)字孿生技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)空間建設(shè)，能夠?qū)?shí)訓(xùn)物理空間和信息空間深度融合，形成一個(gè)無縫的映射空間。該空間不僅為實(shí)訓(xùn)教學(xué)搭建了一個(gè)操作示范、師生互動(dòng)、小組協(xié)作的平臺(tái)，而且能再造實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程。該空間的具體價(jià)值體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：其一，基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)空間能夠突破傳統(tǒng)物理實(shí)訓(xùn)教學(xué)空間的設(shè)備局限性，讓處于游離狀態(tài)的學(xué)生回歸課堂，營造“人人可實(shí)踐”的學(xué)習(xí)氛圍;其二，虛擬模型可以模擬各種條件，并把狀態(tài)信息及時(shí)反饋給物理實(shí)體，使學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)容易忽視和出錯(cuò)的環(huán)節(jié)，更全面深刻地理解實(shí)訓(xùn)操作過程，最終產(chǎn)出預(yù)期作品;其三，學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)能夠先虛后實(shí)、虛實(shí)融合地進(jìn)行，相較于完全依賴信息空間的實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)，學(xué)生能獲得更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，賦能其技術(shù)技能的培養(yǎng)。

（二）實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和產(chǎn)品的全生命周期管理

基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)空間可對(duì)物理空間環(huán)境進(jìn)行高保真復(fù)現(xiàn)，能對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與物理實(shí)體產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)字孿生體記錄物理實(shí)體性能狀態(tài)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的攝像頭，可以無差別地獲取物理實(shí)體迭代變化的所有參數(shù)，然后通過對(duì)這些參數(shù)的智能化處理和分析，同步得出物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，并通過虛擬模型將物理實(shí)體的內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)展示出來。數(shù)字孿生技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備和產(chǎn)品全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障預(yù)警、壽命預(yù)測(cè)等功能，進(jìn)而保障教學(xué)設(shè)備的健康運(yùn)行，對(duì)及時(shí)改善實(shí)訓(xùn)操作步驟和物理實(shí)體產(chǎn)品具有極大的提示作用。

（三）虛實(shí)動(dòng)態(tài)交互與人機(jī)實(shí)時(shí)交互，縮小虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的差距

基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)不僅強(qiáng)調(diào)虛擬模型與物理實(shí)體之間的動(dòng)態(tài)交互，而且重視人機(jī)交互的體驗(yàn)。一方面，物理實(shí)體設(shè)備通過傳感器與數(shù)字孿生體動(dòng)態(tài)交互，數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體制造產(chǎn)品的情況，并將結(jié)果反饋給物理實(shí)體，為物理產(chǎn)品的優(yōu)化操作提供參考信息和決策支持;另一方面，數(shù)字孿生技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠營造良好的人機(jī)交互全息環(huán)境，使參與其中的學(xué)生獲得身臨其境般的沉浸式體驗(yàn)。值得注意的是，基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)不僅僅局限于視覺和聽覺的感知，還擴(kuò)展到了全感官融合，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)教學(xué)空間的虛實(shí)動(dòng)態(tài)交互和人機(jī)實(shí)時(shí)交互真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)連接、虛實(shí)共生和聯(lián)通互動(dòng)。

（四）迭代優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)和實(shí)操步驟，提高學(xué)生的問題解決與深度學(xué)習(xí)能力

融入數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)在迭代優(yōu)化教學(xué)及提高學(xué)生問題解決與深度學(xué)習(xí)能力方面的作用主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。其一，在數(shù)字孿生體迭代進(jìn)化的過程中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)中實(shí)操步驟的所有歷史記錄都可被隨時(shí)提取，重現(xiàn)物理實(shí)體在其制造過程中的任一時(shí)刻的狀態(tài)。當(dāng)某項(xiàng)制作指標(biāo)不在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)字孿生體將進(jìn)行提示和預(yù)警，學(xué)生在得到預(yù)警信號(hào)后，可檢查自己的實(shí)訓(xùn)操作步驟，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題環(huán)節(jié)并及時(shí)改正。其二，通過虛實(shí)映射，數(shù)字孿生體基于大數(shù)據(jù)能智能化評(píng)估實(shí)際教學(xué)效果，給予教師決策建議。教師可通過數(shù)字孿生體的反饋信息改進(jìn)教學(xué)策略，有效完善整個(gè)教學(xué)流程，優(yōu)化教學(xué)效果。由此可見，該實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程是一個(gè)“實(shí)施—監(jiān)控—預(yù)警—優(yōu)化”不斷迭代循環(huán)的動(dòng)態(tài)過程。其三，基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)還支持學(xué)生開展崗前預(yù)演和鍛煉，便于學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行深層挖掘，探究問題關(guān)鍵所在，培養(yǎng)其洞察、怡情和自我認(rèn)識(shí)的深度學(xué)習(xí)能力。

三、數(shù)字孿生技術(shù)支持的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建

本文構(gòu)建了數(shù)字孿生技術(shù)支持的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系，包括教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)實(shí)施、教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)階段。

（一）教學(xué)準(zhǔn)備階段：精準(zhǔn)構(gòu)建學(xué)生畫像，規(guī)劃與模擬教學(xué)過程

1.精準(zhǔn)構(gòu)建學(xué)生畫像。教學(xué)準(zhǔn)備階段主要是開展教學(xué)設(shè)計(jì)工作，需要分析學(xué)生特征，確定符合學(xué)生認(rèn)知水平的學(xué)習(xí)目標(biāo)。數(shù)字孿生技術(shù)能對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)信息（如年齡、性別、家庭住址）、學(xué)習(xí)成績(jī)（如與實(shí)訓(xùn)課程相關(guān)的理論基礎(chǔ)課程成績(jī)）、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)投入及學(xué)習(xí)風(fēng)格等數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與智能分析，進(jìn)而構(gòu)建全面精確地反映學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)與個(gè)性特征的學(xué)生畫像。精準(zhǔn)的學(xué)生畫像不僅可以幫助教師深入挖掘隱藏于錯(cuò)綜復(fù)雜數(shù)據(jù)之下的學(xué)生的學(xué)習(xí)特征和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的全面監(jiān)測(cè)與智能干預(yù)，而且可以幫助教師根據(jù)不同學(xué)生的特征確定相應(yīng)的教學(xué)起點(diǎn)，進(jìn)行因材施教，真正形成針對(duì)學(xué)生個(gè)性特征和個(gè)體差異的個(gè)性化教學(xué)模式。

2.規(guī)劃與模擬教學(xué)過程。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中難免會(huì)出現(xiàn)某些環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的不合理、不準(zhǔn)確等問題，若將其直接運(yùn)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)可能會(huì)對(duì)學(xué)生理解技術(shù)原理和熟練操作設(shè)備造成不良影響，阻礙實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程的順利開展，而高仿真的數(shù)字孿生體可以規(guī)劃與模擬各類教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施過程。當(dāng)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)完成后，教師孿生體與學(xué)生孿生體之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以幫助教師實(shí)現(xiàn)兩方面的目標(biāo)。一方面，教師孿生體能重點(diǎn)關(guān)注以往教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)在此次教學(xué)過程中的實(shí)施情況，提前預(yù)判教學(xué)環(huán)節(jié)的不足之處，發(fā)現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)中的漏洞;另一方面，教師孿生體能清楚了解學(xué)生孿生體的反饋信息，可以通過分析數(shù)字孿生體的反饋信息選擇最優(yōu)化的教學(xué)策略、教學(xué)方法和教學(xué)媒體，提高整個(gè)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的適用性、可行性和成功率。

（二）教學(xué)實(shí)施階段：搭建協(xié)同工作環(huán)境，精準(zhǔn)推送實(shí)訓(xùn)課程資源

1.搭建協(xié)同工作環(huán)境。教學(xué)實(shí)施階段是對(duì)準(zhǔn)備階段各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的檢驗(yàn)，其最重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分彰顯學(xué)生的主體地位。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，小組協(xié)作學(xué)習(xí)能夠?qū)⒉煌闹R(shí)加以交流、綜合和分析，充分彰顯每個(gè)學(xué)生的主體地位，對(duì)專業(yè)理論知識(shí)寬泛、技術(shù)要求高、注重實(shí)踐應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)課程具有重要促進(jìn)作用。基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)可以幫助學(xué)生開展虛擬協(xié)作。相對(duì)于傳統(tǒng)虛擬仿真模型而言，數(shù)字孿生體不僅可以快速獲取傳感器數(shù)據(jù)、模擬特殊條件、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)結(jié)果，而且能動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)記錄操作流程，學(xué)生根據(jù)實(shí)訓(xùn)需要便能隨時(shí)切換到任意操作狀態(tài)。數(shù)字孿生體還可以幫助小組成員達(dá)成以下兩方面的目標(biāo)。其一，小組成員能夠圍繞同一個(gè)數(shù)字孿生模型進(jìn)行操作演練，隨著操作流程的進(jìn)行，數(shù)字孿生體的最新狀態(tài)以可視化的方式呈現(xiàn)，便于小組成員隨時(shí)判斷操作流程的合理性。其二，小組成員一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品朝著不可預(yù)估的方向發(fā)展，可以回溯操作流程中的不足之處，迅速改進(jìn)操作步驟，促進(jìn)實(shí)訓(xùn)任務(wù)保質(zhì)保量地完成。

2.精準(zhǔn)推送實(shí)訓(xùn)課程資源。基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)徹底改變了傳統(tǒng)模式下教學(xué)過程的“統(tǒng)一化”狀態(tài)，其以“智能”為驅(qū)動(dòng)，通過建設(shè)智能的教育信息化體系，實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展[10]。基于數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系精準(zhǔn)推送課程資源包括兩個(gè)方面。其一，首先，數(shù)字孿生體通過對(duì)教學(xué)過程要素（教師、學(xué)生、教學(xué)媒體、教學(xué)內(nèi)容等）的數(shù)據(jù)建模，可從多個(gè)維度了解學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作過程;其次，依托學(xué)生畫像對(duì)學(xué)生個(gè)性偏好進(jìn)行分析，可預(yù)測(cè)其偏愛的學(xué)習(xí)方法和適合的學(xué)習(xí)資源等;最后，針對(duì)企業(yè)的崗位能力需求，幫助推送個(gè)性化的實(shí)訓(xùn)課程資源，定制個(gè)性化學(xué)習(xí)路線。其二，關(guān)于實(shí)訓(xùn)過程中存在的疑惑與問題，學(xué)生還可與專家孿生體直接進(jìn)行討論交流，專家孿生體針對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的問題，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)與工作經(jīng)驗(yàn)給出個(gè)性化解答。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)階段：采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的伴隨式評(píng)價(jià)，提供可靠有效的反饋

在以往的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果的評(píng)價(jià)多為在教學(xué)過程結(jié)束時(shí)對(duì)他們的資格認(rèn)定或檢測(cè)，但這類評(píng)價(jià)方式往往只有目標(biāo)評(píng)價(jià)而無過程評(píng)價(jià)，多指向選拔的目標(biāo)而忽視學(xué)生的未來發(fā)展。《教育部關(guān)于職業(yè)院校專業(yè)人才培養(yǎng)方案制訂與實(shí)施工作的指導(dǎo)意見》指出，要“健全多元化考核評(píng)價(jià)體系，完善學(xué)生學(xué)習(xí)過程監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與反饋機(jī)制。強(qiáng)化實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的全過程管理與考核評(píng)價(jià)”[11]。數(shù)字孿生技術(shù)支持的實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)具有以下三方面優(yōu)勢(shì)。其一，實(shí)訓(xùn)的智能評(píng)價(jià)體系符合教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)，融合了大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的伴隨式采集和智能化分析，為教師改進(jìn)教學(xué)過程和學(xué)生提高實(shí)訓(xùn)效果提供了更加可信的反饋。其二，數(shù)字孿生體基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中來源廣、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的海量數(shù)據(jù)，不僅可以精準(zhǔn)記錄實(shí)訓(xùn)教學(xué)全過程，而且能夠智能分析重點(diǎn)操作是否符合規(guī)定，形成“教學(xué)—評(píng)價(jià)—反饋—再教學(xué)”大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)體系，改善傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。其三，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的伴隨式評(píng)價(jià)可以增加實(shí)訓(xùn)課程的重難點(diǎn)考核權(quán)重，擴(kuò)大評(píng)價(jià)維度，豐富評(píng)價(jià)指標(biāo)，加強(qiáng)評(píng)價(jià)深度，促使教師從過去以直觀感受為主的教學(xué)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皵?shù)據(jù)+算法”為核心的智能評(píng)價(jià)。

近年來，融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)備受社會(huì)各領(lǐng)域關(guān)注，正在以前所未有的速度和力量顛覆性變革著生產(chǎn)制造，也促進(jìn)職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)向智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。融入數(shù)字孿生技術(shù)的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)即將成為現(xiàn)實(shí)，其將重塑實(shí)訓(xùn)教學(xué)新生態(tài)體系，促進(jìn)職業(yè)教育在智能時(shí)代的發(fā)展。基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不僅能彰顯智能時(shí)代的職業(yè)教育辦學(xué)特色，推進(jìn)智能產(chǎn)業(yè)所需高技術(shù)技能人才的培養(yǎng)，而且能融入到數(shù)字孿生的學(xué)校、城市等建設(shè)中，更好地服務(wù)于智能教育與社會(huì)環(huán)境的構(gòu)建。

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[責(zé)任編輯 ? 賀文瑾]

How is Intelligent Practical Training Teaching Possible： The Study

Based on Digital Twin Technology

FAN Xiaoyu， ZHENG Xudong， ZHENG Hao

Abstract： The practical teaching of vocational education in China has experienced three development stages： training teaching 1.0 relying on physical space， practical teaching 2.0 relying on information space， and practical training teaching 3.0 with simple interaction between virtual and actual conditions. It is moving forward to the fourth stage， training teaching 4.0 supported by intelligent technology. The training teaching based on digital twin technology has the value of creating mapping space of seamless connection between virtual and reality， real-time monitoring of training teaching progress， realizing dynamic interaction between virtual and reality and real-time interaction between human and computer， and iterative optimization of practical teaching. The intelligent practical training teaching system based on digital twin technology includes three stages： In the preparation stage， student portraits are accurately constructed， and teaching process is planed and simulated; In the implementation stage， the collaborative work environment is built and accurately provide the training curriculum resources; In the evaluation stage， the data-driven accompanying evaluation is used to provide reliable and effective feedback.

Key words： vocational education; intelligent practical training teaching; digital twin technology; virtual-real fusion; accompanying assessment