數字孿生技術在教育中的應用研究

武丹

【摘 要】隨著工業化4.0智能制造的到來，更多的新興技術正在不斷興起，數字孿生技術作為一項重要的核心信息技術，在教育領域嶄露頭角。本文從數字孿生的特點出發，探討其應用于教育帶來的優勢。同時也介紹了數字孿生技術應用于教育所需要的數據采集、網絡傳輸、模型構建與仿真模擬等技術。但由于數字孿生技術在教育中的應用理論和實踐都處于起步階段，因此也將面臨許多困境。本文期望通過探索數字孿生技術在教育中的應用，能夠為未來的研究提供有價值的借鑒。

【關鍵詞】數字孿生;虛實共生;實時交互;全息技術

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）07-082-04

近年來，隨著教育大數據、人工智能、虛擬現實等前沿教育技術和理念的興起，新興信息技術將對教育的發展產生更加廣泛和深遠的影響。數字孿生作為近年來備受學界關注的新興概念，被應用于中國工業生產制造、智慧旅游城市、智慧醫療等領域，或許會給教育帶來實質性的變革。以“智能制造”為主要特征的工業4.0即將完成量變，數字孿生技術也得到了迅猛的發展。2020年，國家互聯網信息辦公室發布了《關于推進“上云用數賦智”行動培育新經濟發展實施方案》[1]，該方案呼吁創新，通過數字化轉型的關鍵核心技術進行突破，其中重要的一項就是要開展數字孿生創新計劃，數字孿生是熱度最高的數字化信息技術之一，存在巨大的發展空間。習近平總書記在中共十九屆中央政治局第十二次集體學習[2]時提出，要大膽運用新技術、新機制、新模式，加快融合發展步伐。隨著我國數字孿生技術與大數據、人工智能、虛擬現實、云計算、物聯網等前沿信息技術與理念的不斷融合與發展，將推動教育向更加人性化、全面化和智慧化的方向發展，數字技術作為信息化的重要一極，正在不斷地加速融合生活、改變世界。數字孿生的應用研究已經不再聚焦于工業領域，正逐漸向教育領域擴散，上海市教育委員會發布了《上海教育數字化改造實施方案（2021-2023年）》[3]，明確指出探索數字孿生學校建設，培養100所教育信息應用基準學校。數字孿生技術在教育領域具有廣闊的應用前景與發展空間，但也面臨著許多困境。

數字孿生的概念及特點

1.數字孿生的概念

與許多其他新技術一樣，數字孿生還沒有形成一個公認的學術定義。數字孿生的概念始于航空航天和軍工領域，經歷了技術探索、概念提出、應用萌芽和產業滲透四個發展階段。而這一正式概念是在2003年密歇根大學的產品生命周期管理課程中由邁克爾·格里弗斯博士提出的。在數字孿生技術應用白皮書[4]中指出，數字孿生是一種基于數據與模型的集成與融合，通過在數字空間實時構建物理對象的精確數字映射，在數據集成、分析與預測的基礎上，對物理實體的整個生命周期過程進行模擬、驗證、預測和控制，最終形成智能決策優化閉環的數字化概念和技術手段。其中信息維度的虛擬體與物理維度的實體形成了同生共存與虛實融合的狀態。綜上，本文認為數字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義對物理空間進行描述、診斷、預測和決策，實現物理空間與虛擬空間的交互映射。

在我國，對于數字孿生技術概念的引入是由北京航空航天大學的陶飛教授[5]在《計算機集成制造系統》中提出的。目前，數字孿生在我國的研究和應用已經涉及機械、制造、建筑、自動化、計算機等多個學科，而作為一種社會普遍的理論和技術管理體系，它并不局限于某一學科或專業。隨著數字孿生技術概念和形式的不斷拓展，它為教育教學方法的改革提供了新的發展方向，甚至可能使教育發生實質性的變化。

2.數字孿生的特點

（1）虛實共生，精準映射

數字孿生要求在數字空間中構建物理世界中實體的數字表示。真實世界中的實體對象和數字空間中的孿生對象可以實現雙向測繪和互聯。數字孿生體基于實時傳感等數據采集，可以全面、準確、動態地反映物理實體的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等。數字孿生技術與日益成熟的數字線程技術相結合，使物理實體和虛擬數字孿生能夠完成數據的雙向自流，實現虛擬與現實在其整個生命周期中的最終融合，物理實體與虛擬的數字孿生體相伴一生從而達到虛實共生[6]。通過感知、建模等技術，實時將物理實體映射到其數字孿生體上，實現對物理實體的準確描述，實現虛實融合的效果，并通過數字孿生體的反饋，充分感知物理實體的運行情況，預測其發展規律，根據分析結果對物理實體的行為進行協調和控制，從而達到以虛控實的目的。

（2）閉環優化，智能決策

建立數字孿生的最終目標是描述物理實體的內部機制，分析規律和識別趨勢，并形成優化指令或物理世界的策略，實現物理實體的閉環決策和優化功能。我們可以使用數字孿生技術將物理實體的數據信息傳輸到虛擬數字孿生體中，虛擬數字孿生體可以通過持續的模擬訓練和與物理實體的交互來提供最佳決策。未來，數字孿生技術可以與人工智能、大數據、物聯網、虛擬現實等技術相結合，實現物理空間和虛擬空間的虛實交互、輔助決策和持續優化。

（3）實時交互，動態調整

數字孿生中物理實體的所有狀態能夠實時地更新到虛擬的數字孿生體中，虛擬的數字孿生體本身具備了會思考的能力，從而對物理實體進行一個預判。物理實體在虛擬層由數字孿生控制，在底層通過實時多維數據的收集和解釋進行實時交互。通過實時交互來處理不斷更新的數據，幫助使用者在無需調整物理實體的情況下快速了解物理實體在生命周期內任何時刻所作的任何更改，對其進行分析、預測，從而實現數字式雙動態調節[7]。未來，數字孿生技術可以結合可穿戴設備、增強現實眼鏡、虛擬現實等交互技術，為人們提供更加沉浸式的互動體驗。

數字孿生應用于教育的優勢

1.通過數字孿生鏡像對學習者進行分析與評估

學習者可以使用數字孿生來建立自己的數字圖像，準確地映射在數字孿生世界，模擬學習者的真實行為，并通過虛擬現實、人工智能等在終端上呈現數字孿生圖像。一方面， 可以幫助學習者擺脫主觀判斷的局限性，檢查他們的學習情況，實時地更清楚地了解自己的學習，還可以預測未來學習的趨勢，并提出反饋意見，以便學習者在學習活動中對未來自己的學習行為進行糾正，提高學習效率。另一方面，也有利于家長和教師通過數字孿生對學習者進行監控，使家長和教師對學生的認知水平、學習風格和學習態度有更全面的了解，使教師能及時了解學生的情況，從而提供準確的學習資源和應對策略，提高教師的教學質量。

2.為學習者提供多維的具身學習體驗

具身認知理論[8]強調身體參與并影響認知的形成與發展，人們是通過身體這一媒介來認識世界的，認知是具身的，而身體發展又是嵌入社會環境的，身體在與環境的互動過程中，通過物理經驗獲得學習。而數字孿生技術可以通過收集個人綜合數據，以數字化的方式創建個人數字模型的圖像。它通過虛擬現實技術將完整、動態的學習者模型展現在學習者面前，從而可以實現自己身體與認知的另一種交流。借助數字孿生技術，學習者可以更好地了解自己，更清楚地了解自己的學習目的，從而激發學習動機，提高學習效率。總之，數字孿生高保真、實時交互和虛實共生等特點，為學習者提供了真實的具身學習體驗。

3.與全息技術相融合打造全息孿生課堂

數字孿生與全息技術進行融合的未來課堂將以學生為研究中心。作為一個虛擬與現實共生的新型和諧課堂，它將進一步關注學生的全面發展，對學生掌握知識和技能、人機交互、發現和解決問題、更好地合作以及更深入地看待世界產生深遠影響[9]。在學習場所方面，將構造一個等價于物理實體空間的虛擬空間，即生成一個虛擬真實映射空間。通過實時數據、歷史數據和衍生數據的互聯與同步，對學生的學習、實踐產生重要影響。在學習內容方面，它將以高保真、透視化和精確映射的形式再現物理世界中的人和事物。在師生互動方面，它將打開物理世界和虛擬世界之間的通道，為學生創造一個不受時間和空間阻礙的三維學習環境。在學習評價方面，它將形成一種綜合分析、預測和多維反饋相結合的全面、多維的新評價方法，能夠最大限度地提高學習效果。

4.協同構建豐富的數字孿生智慧校園

智慧校園[10]為數字孿生體提供了物理載體，數字孿生體可以作為智慧校園的一項重要服務體系，通過數字孿生技術，可以真實還原校園內所有發展空間組織結構。校園內的監控設備配合安防監控系統，實現對校園各管理領域的關鍵指標進行監測，協助管理員掌握校園運行情況;對值班人員的在崗執勤情況可以進行可視化管理，為人員指揮調度提供數據信息支撐;校園導航可以根據目的地設計最佳路線;對教室內的人員設備等要素信息進行實時監測;校園設備的集成智能化管理，實時控制設備運行狀態，如暖通設備的開啟關閉、門禁管理等。數字孿生智慧校園賦能新一代智慧場景應用，真正實現了智慧服務生活。

數字孿生應用于教育所需要的技術

1.數據采集

數字孿生技術的關鍵是數據。主要利用物聯網傳感技術、智能識別技術、音視頻記錄技術和平臺獲取技術，感知學習者在整個學習周期中的學習活動。單個傳感器不可避免地存在不確定性或偶然性，缺乏全面性。因此，采用多傳感器集成與融合技術，通過部署不同類型的多個傳感器來采集目標數據，并通過融合算法綜合目標的傳感器數據，以獲得對目標的一致解釋和描述。其數據采集方式主要包括：通過智能課堂監控系統采集課堂行為數據和課堂情緒數據;利用校園一卡通系統獲取學生校園生活數據、行動軌跡和圖書館借閱記錄數據;通過學校信息管理系統收集學生的基本信息、考試成績和獲獎記錄;利用互聯網教學平臺獲取學習者學習過程數據、教學評價數據、學習社區交流互動數據;借助學習者手機、平板電腦、智能手表等個人智能設備，收集學習者生理健康數據、學習資源瀏覽數據、校外生活數據等信息。

2.網絡傳輸

網絡是數字孿生技術的基礎設施，是實現物理對象與數字雙系統之間實時交互的前提。隨著物聯網信息技術的興起和通信方式的不斷更新，網絡承載的業務數據類型、網絡文化服務的對象以及接入網絡的設備類型呈現多樣化發展，這就要求網絡系統具有高度的靈活性。5G技術滿足了數字孿生對數據實時傳輸的高帶寬、大容量和低延遲的要求。隨著新基礎設施進一步發展，5G網絡將成為數字孿生的重要技術支持。只有不斷更新網絡技術，優化網絡資源配置，才能實現低成本、低能耗和安全的數據網絡傳輸。

3.模型構建

數字孿生模型是指在物理學習世界中對對象進行數字化建模的過程。通過建模，物理對象被表現為計算機和網絡能夠識別的數字模型。數字孿生模型的構建是多維度、多層次的。對學習者的各種數據模型化，將學習者的能力結構和知識網絡智能顯示，從而使教師更好地了解學習者認知能力的水平和特點，通過與數字孿生體進行智能對比，為個性化教育提供了數據支持。基于分類、聚類、關聯、預測、回歸等算法，對學習者的知識模型和行為模型進行機器學習，實現對學習者未知規律的預測。

4.仿真模擬

數字孿生技術是一種在線仿真技術。基于5G網絡的傳輸速率和計算機的實時繪制能力得到了極大的提高，使得數字孿生技術能夠提供高仿真度的虛擬對象。數字孿生技術不是簡單的虛擬仿真。我們可以將數字孿生視為虛擬仿真技術的升級，虛擬仿真技術強調“高度仿真”，而數字孿生可以達到“虛實結合”“以虛控實”[11]。數字孿生技術在通用孿生技術的基礎上，借助情境感知功能，為不同的用戶需求提供相應的高保真特殊模型。

數字孿生應用于教育所面臨的挑戰

數字孿生技術作為一種新技術，近年來在產品生命周期管理中得到了廣泛的應用，但在教育領域的應用還存在許多亟待克服的困難。

1.學生認知負荷超載

認知負荷會影響人們通過工作記憶完成任務所需的時間長度和最終質量。適當的內容呈現可以減少認知負荷，幫助學生專注于學習內容，但數字孿生體中豐富的信息元素可能會使學習者無法在第一時間準確判斷和獲取最重要的知識。認知負荷超載會使學習者無法注意到有效的信息，因此無法提取相應的知識，并容易出現一些錯誤。然而過度地使用技術很容易導致學習者專注于教學內容之外的其他元素，導致技術與學習內容之間的契合度較低和學習者認知負荷超載。

2.教師的數據素養有待提高

在當前的教學過程中，許多教師和管理人員非常缺乏收集和使用教育大數據的意識和能力[12]。在教育教學中使用數字孿生技術，如果數據采集不全面，數據標準不規范，數據更新不及時，可能會導致數字孿生體與學習者的真實狀態不一致，使教師和管理者誤讀數據，這將對教學和管理產生巨大的負面影響。我們需要注意的是，學習者的內部信息實際上很難收集，數字孿生體無法確保輸出結果完全正確。因此，教師或管理者不能過分依賴數字孿生體，在沒有數據素養的情況下收集和記錄信息，只會導致最終數據的不準確，這無助于教育教學，反而適得其反。因此，教師和管理者必須具備一定的數據素養，通過數據的引導，科學地提高教育和管理能力。

3.資源體系建設尚不完備

數字孿生技術涉及5G、物聯網、云計算、仿真等技術。現階段，技術成熟度不高，平臺模式標準化滯后。數字孿生技術在教育中的應用基于對大量學生數據信息的收集和分析，勢必帶來隱私泄露和數據濫用的風險。在網絡環境中，實現數字孿生的一個重要條件就是海量數據的實時穩定傳輸，在校園環境下，建設學習型組織的數字孿生具有網絡連接設備多、網絡服務時間集中的特點，給校園網絡環境造成了很大的負擔。數字孿生技術的實現依賴海量數據的整合與集成，物理空間產品形態的多樣性，以及學習者體驗的不確定性，這些都阻礙了數據的收集與分析。

總結與展望

數字孿生作為工業化4.0智能制造時代的重要技術，已成為信息與制造領域交叉研究的新熱點。數字孿生的構建有望打破教育領域虛擬與現實的界限，實現物理空間、社會空間和信息空間的相互融合，實現物理信息系統向虛擬空間數字模型的反饋，這有利于中國教育現代化的發展。

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