職業本科學生數字孿生體構建探討

成志偉，李雪嬌，曾莉，彭光彬

（1.重慶機電職業技術大學 信息工程學院，重慶 402760；2.重慶電訊職業學院 智慧城市建設學院，重慶 402247）

一、引言

近年來，我國十分關注和重視新時代科技革命的發展和產業轉型升級，為滿足由制造業大國向制造業強國轉變對人才的需求，我國實施了大力發展和推進職業教育發展的戰略[1]。信息技術是教育生態重要的組成部分，對教育的影響也隨著人工智能、大數據、區塊鏈等新技術的迅猛發展越來越明顯，學生的學習習慣和方式都發生了很大改變。教育工作者會面臨如何依托大數據、物聯網和人工智能等技術深入整合職業本科教學的各類數據，以及如何通過數據挖掘和預測性分析來科學評價學生的綜合素質。職業本科教育顯著區別于普通本科教育，是一種職業教育，具有職業導向性特征，著重于學生的技能、技術培養，但同時還需要達到本科層次的學業要求[2]。在職業本科學生教育過程中，對學生個性化培養是保障學生培養質量的內在要求，是建設職業本科教育體系的需要。

用戶畫像是一種將用戶的信息多角度、深層次地刻畫下來的技術，是大數據服務生態的重要組成部分。學生畫像是用戶畫像在高校大數據應用中的擴展，根據學生全方位的數據抽象出標簽化的學生模型。它可以用于對職業本科學生培養過程中的綜合素質評價，為學生培養方式、方法及過程反饋給予了強力的技術支持，保障了綜合素質評價元素的真實有效性和科學性，評價過程的合理性和精確性，評價反饋的及時性和可實施性。在國外早期的研究中，已經出現了不少諸如覆蓋模型、鉛版模型、攝動模型、貝葉斯網絡模型等經典學生畫像模型[3]。這些學生畫像模型注重使用不同維度來描述學生已學到的知識并評估其運用知識的程度，再參照不同學生掌握知識的程度和差異性，提供個性化的培養策略。這種學生畫像建模方式存在缺陷，即不夠智能化，數據動態更新能力不強，學生模型與學生實體不能實現共同成長。隨著大數據和人工智能技術在建模中的作用日益突出，學生畫像正朝著實踐情景多樣化、建立方法智能化、物理實體與數字孿生體的方向發展。數字孿生體擁有高度仿真、動態互聯、即時映射等特點，是信息化高度發展的產物，正助力教育生態系統的再構建[4]。在數字孿生體理念和技術驅動下，用于學生個性化培養的學生畫像建模有“學生——數字孿生體”共同體模型的趨勢。

二、數字孿生體系構建方案

（一）數字孿生體定義及概念

“數字孿生體”思想是由密歇根大學Michael Grieves 提出的“ 信息鏡像模型”演變而產生的，是一種擬人化的稱謂。同時，它也被稱為“數字化雙胞胎”和“數字化映射”，該概念是美國國防部在航空航天飛行器維護與保障中最早提出的。2012 年NASA給出一種解釋，即“數字孿生體”合理配合運用物理實體映射、傳感器即時收集機械設備歷史運行等信息數據，綜合多學科交叉、多物理量融合、多尺度信息描述的模擬仿真過程，在模擬空間中對物理實體進行精確動態數字映射，進而能夠關聯其全生命周期的過程。此外，“數字孿生體”的概念在數字孿生體實驗室與安世亞太聯合發布的《數字李生體技術白皮書（2019）》中也給出了解釋，將其定義為一種能夠通過實時測量、模擬仿真和算法分析來對物理實體進行即時交互、智能診斷和狀態評估的數字化仿真模型[5]。

總之，“數字孿生體”就是一個物理產品或實體的數字化表達，它能夠讓我們在虛擬世界中的數字化產品上看到實際物理產品的即時狀態和未來可能發生的情況。同時，通過這種數字化形式的表達，可以與物聯網、大數據處理分析和人工智能等技術相結合，實現對過去發生的過程進行描述性、診斷、預測性和規范化分析，對當前狀態給出分析結果來模擬各種可能性，從而為產品的設計、生產、管理等提供全面的決策支持。

職業本科學生的數字化映射體即數字孿生體，是學生畫像技術更綜合、更全面和更專業的深化和延展，其嘗試采用最先進的數字模擬技術，為智能制造時代培養具有較強技術理論、技術應用和初步研究能力，面向生產、建設、管理、服務全過程的本科層次高技術技能人才。職業本科學生數字孿生體系統使用虛擬維度與現實維度的時空數據交互、轉換與驅動，能夠對數字孿生體的學習狀態、培養進度及發展動態進行準確描述、精確認知、智能診斷、理性評估與培養經驗共享，可以提供合理即時的培養過程反饋，多角度、深層次地保障培養過程中職業本科學生的職業資源共享、認知行為改善、求知興趣提升、職業技能提高，培養學生的高階思維，從而使職業本科教育培養出適應我國產業轉型升級、創新發展需要的高層次、高素質技術技能人才[6]。

（二）總體構架

職業本科學生數字孿生體系的總體架構如圖1所示，由職業本科學生物理域、人才培養決策支持系統、職業本科學生孿生域、大數據中臺和數據驅動互聯構成。

圖1 職業本科學生數字孿生體系架構圖

1.職業本科學生物理域

職業本科學生物理域是其數字孿生域的物理實體，即職業本科學生的本體，是構建職業本科學生數字孿生培養體系的關鍵。只有全方面、高層次、多角度地對學生物理域進行描述和刻畫，才能建立有效的學生物理實體，進而對學生動態全域追蹤、精確預測和有效干預。學生物理域通常使用學生的特征進行描述，在具體實施上，采用可穿戴技術、邊緣設備、自適應系統、自學習技術、情景評估、情感分析、深度學習等信息科學手段，采集、處理職業本科學生的基本學習信息、職業興趣、職業技能、設備操作、行為認知數據、情感狀態、心理活動、社會網絡等，組成職業本科學生物理特征域。

2.職業本科學生孿生體域

職業本科學生孿生體域是通過全周期、多維度、全方位采集、處理和分析職業本科學生物理域的相關數據而形成的數字化鏡像。它基于數據驅動的實時虛擬映射系統，依托于數據科學、計算機科學、系統工程、大數據、人工智能、可穿戴設備等技術，其內容涵蓋了抽象的職業本科學生和職業本科學生數字孿生體。根據學生特征將學生實體抽象化為數據描述，并從數字化映射的視角對其進行數字孿生體構建。在此基礎上，通過信息流、數據流和控制流傳遞物理信息、測量數據和控制信號映射出學生知識技能、情感體驗和認知行為等。職業本科學生數字孿生體具有高度仿真、虛實共生、動態映射、數據驅動與智慧服務等系列特征，是學生模型的優化和拓展。

3.人才培養決策支持系統

人才培養決策支持系統是一種能夠基于物理實體和虛擬模型來提供智能化構建、精準化管控與個性化培養服務，并集成學習能力評估、學習進度控制和學習策略優化等各類信息的培養系統。其還能夠根據職業本科學生孿生域，實時更新學生的動態信息，整個學習空間中眾多學生孿生體之間的信息也將被有效集成，可以實現自動歸約、分析，以挖掘學生在培養過程中出現的問題及根源，并對后續的培養起到預警與矯正作用。人才培養決策支持系統不僅可以運用于教學場景中幫助學生記錄、分析學習過程中的行為表現，還可以運用于預測性場景中，例如，根據系統先前收集到的學生各類數據來對學生后續的學習過程進行演練和模擬，從而為學校提供適合學生的預警和教學策略。

4.職業本科學生孿生大數據中臺

職業本科學生數字孿生體系中最核心的要素就是孿生大數據，它相當于數字孿生體系的“血液”，其來源于物理實體的多維度特征、仿真模型的即時動態和服務系統的優化更新，可以取之于各子系統，又用之于各個子系統。孿生大數據匯聚到職業本科學生孿生大數據中臺，包括學生物理域、學生孿生域、人才培養決策支持系統的相關數據、領域知識及其融合數據，并隨著實時數據的產生被不斷更新與優化。數字孿生體系運行的核心驅動就是大數據中臺，它在體系架構過程中起著不可替代的作用，主要通過多維度、立體化、全方位、多角度數據采集工具和方法，打破數據壁壘，貫通數據孤島，搭建職業本科學生數據資產。同時，對采集到的學生特征進行數據加工、處理、存儲、轉換、分析、建模和可視化，讓數據價值達到最大化。

5.數據驅動互聯

職業本科學生數字孿生體系是以職業本科學生孿生大數據中臺為數據中樞，分別與職業本科學生物理域、人才培養決策支持系統、職業本科學生孿生域進行數據采集、傳輸、驅動和更新的多向動態互聯交互。此外，職業本科學生物理域、職業本科學生孿生域和人才培養決策支持系統三者之間有一個多向的動態即時交互與迭代的持續關系，能夠保障人才培養決策支持系統的即時構建與連續的優化更新。人才培養決策支持系統中主要涵蓋職業本科學生孿生域的構建與服務。

（三）實施策略

1.創建學生模型，仿真培養過程，建立物理狀態孿生

通過可穿戴技術、邊緣設備、自適應系統、自學習技術、情景評估、情感分析、深度學習等手段，多維度、深層次、全視角采集和處理職業本科學生的基本學習信息、職業興趣、職業技能、設備操作、行為認知數據、情感狀態、心理活動、社會網絡等，進而深度繪制深度仿真的職業本科學生畫像。同時，為了給后續構建職業本科學生數字孿生體打下數據支持和驅動基礎，應擬定數據的相關策略和約定。在職業本科學生數字孿生體的構建過程中數據治理策略有著重大意義。首先，通過可視化體系內不同階段采集的數據，可以協助管理人員、決策人員及實施人員實行人才培養任務的統籌、分配等；再次，學生培養過程中的實施和參與者依照數據產生的先后整理離散的業務數據，確定系統中不同角色的數據權限和數據接口等。在物理域數據的采集過程中，為了滿足系統對獲取數據的準確性、一致性、完整性等要求，應采用專業的數據獲取設備、方法、渠道、系統進行采集。

2.先知學習發展，先覺培養結果，先見培養策略

采用大數據、傳感器、機器視覺、深度學習等手段，結合大數據可視化技術，將培養的實時數據、階段數據、培養決策備案數據和培養運作日志等進行全生命周期的仿真評估與模擬培養，對職業本科學生的學習發展和培養結果進行預測。在此基礎上，體系逐步完善，進而實現“先知”（使用培養機理的評估推測）、“先覺”（使用數據驅動的非線性推測）和“先見”（基于先知先覺的動態培養策略）?！跋戎睘樵诼殬I本科學生數字孿生體模型的基礎上，采用已知的人才學習規律和邏輯原理，估算、解析和評估人才學習及培養機制的發展規律；“先覺”是指依照隨機或混沌的信息流和無法描述或量化的原理，使用大數據深度挖掘和分析方法以推測人才培養的未來發展狀態，如圖2 所示。

圖2 職業本科學生數字孿生體實現步驟圖

3.構建培養體系，共享培養成果，創建教育培養生態

職業本科學生數字孿生體系發展的終極目標是打造教育培養生態——為教育參與者在虛擬世界中創造數字虛擬角色，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學場所，突破了物理世界的局限，滿足教師和學生在物理和虛擬世界同時獲得現實和虛擬教學的需求，并共享資源與成果。教師將不再用粉筆字在黑板上書寫或者一塊屏幕來授課，相反其可以根據課程特性自定義自己的教室。豐富的共享資源只需要簡單操作，便可以向學生展示空間幾何的構建、宇宙大爆炸的過程，甚至可以穿越千年和伽利略一起完成自由落體實驗。而人工智能技術的進化，則可以使其成為一位比任何人都要了解學生的老師。教育部門或者教育聯合體可以把全國各門課程最優秀教師的教學模式和經驗AI 化，訓練成各種款式的虛擬數字老師，以匹配不同類型學生的需求?；趨^塊鏈的認證技術也將在學生的動態評價中發揮作用，教師或者學習系統會將學生平時的作業、考試、關鍵行為等評分上鏈，形成更全面的學分記錄和激勵閉環，可以動態優化學生的學習和行為指導。每位學生還可以根據自己的學習能力及興趣對自己每門功課的學習進度進行調整和規劃，制定適合自己的學習計劃。學歷學分制將與學生的年齡脫鉤，只要積滿對應學歷的學分并且考核過關，都能夠授予相應的學歷，這也是對應個性化學習進度的制度性配套政策。

（四）教育應用價值

1.學生：通過反饋學習狀態，改善自我學習規劃

職業本科學生數字孿生體系可以適應不同的職業應用情景，還可以讓學生內觀到“自己”，從而促進學生在學習過程中不斷進行自我監控、反思和評估。通過數據驅動的學生孿生體，可以對學生學習行為進行實時跟蹤、對學生的學習成效進行評估，進而及時結合學生的實際學習狀況改善學生的學習規劃和目標。

2.教師：通過學生呈現的學生狀態，優化和完善教學策略

職業本科學生數字孿生體系實時反饋學生數據，并動態跟蹤和呈現學生當下的學習進程。教師能夠依照其狀態制定合適的培養策略和方法，及時發現和糾正教學過程中的問題和不足，進行適當的調整。教師還可以提前對學生孿生體進行課堂模擬和訓練測試.事先演練自己的教學方式和策略，并進一步優化和完善教學過程。

3.教學：建立虛擬仿真實訓基地，進行“真實”的理實一體化教學

新時代背景下，創建服務于職業本科教育的虛擬仿真實驗實訓系統，不僅是職業教育傳統教學變革和高技能技術人才培養的需要，也是開展實訓相結合教學活動的迫切要求。學生可以和學習空間中的數字孿生體進行交流互動，提高學習效率和教學效果，解決職業本科教育實訓應用過程中的“三高”（成本高、風險大、易污染）與“四難”（看不到、做不到、進不去、難復現）問題。

4.學生數字孿生群體：模擬交互，可共享學習經驗和資源

職業本科學生數字孿生體系不僅是一個開放、共享、智慧的學習空間，在未來能夠發展為海納百川的教育生態。學生與“學生”、教師與“教師”、其他人與“其他人”都是教育學習培養空間的重要組成元素和參與者、建設者。各個元素之間可以多向、多維、多層次溝通、交流和互動。例如能夠在虛擬空間中通過進行集體活動來促進個體間的合作和協調能力，學生與學生數字孿生體之間進行數據和信息的交互和更新，可以促進其共同成長。

未來每一個職業本科學生在教育中都會存在一個對應現實物理實體的數字化映射——數字孿生體，與我們共同成長，并給職業教育帶來新的變化。數字孿生體以學生畫像模型為研究基礎，結合職業本科學生的學習培養特點而構建。其體系的架構、實現策略、特征、教育應用價值等，給職業本科學生培養帶來的變革，為智能制造時代下高技能人才的培養提供新的維度和視角。