基于數字孿生的地理可視化教學實現探索

李立人

（浙江省溫州中學, 浙江 溫州 325014）

基于數字孿生技術構建虛擬學習空間及數字孿生體，能將地理知識、原理和地理思維可視化，幫助學生獲取真實的學習體驗，解決實際地理考察中的難題。相較于野外實踐和社會調查，通過數字孿生技術建立地理事物的孿生體，可以使師生在課堂進行數字孿生體的實時驅動，直接觀察、演示和預測地理事物的發生、發展過程，對地理事物的發展方向作出判斷，對地理問題的解決做出決策。這能夠實現與理論學習的銜接，比野外實踐、社會調查等活動更具時效性。

一、數字孿生技術下的地理教學方向

數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，是在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是物理實體的3D模型，該3D模型的動畫是由實體的實時數據驅動的，具有“虛實共生，精準映射”“閉環優化，智能決策”“實時交互，動態調整”的特點。應用數字孿生技術進行地理教學，可通過將地理事象三維可視化等方式，呈現地理現象、表征地理概念和驗證地理規律，以此達成地理教學目標。應用數字孿生技術的地理教學，主要通過全數字建模、渲染（將模型生成圖像）、仿真等關鍵性技術構建數字孿生體，運用其空間構造、物聯感知、空間計算、逼真渲染、仿真推演五大核心能力，解決地理學科中有關時空構建、地理要素聯系、地理過程演替、地理問題預測及決策等問題。數字孿生的應用場景包括航空航天、城市管理等，地球系統數字孿生能實現從大氣圈到巖石圈、從海洋到內陸的全空間要素孿生及過程演化等場景模擬。

數字孿生技術可以通過收集學生的個性化數據（學習興趣、學習習慣等），制定個性化教育計劃，滿足不同學生的需求。系統可以根據學生在虛擬環境中的學習表現和反饋，自動調整教學內容和難度，使教學更加符合學生的需要。數字孿生技術可以構建虛擬學習空間，使學生在虛擬環境中進行學習和交流。這種虛擬學習空間可以為學生提供更加豐富的學習體驗。學生可以在虛擬環境中觀察和操作三維模型，更好地理解復雜的概念和知識。數字孿生技術可以幫助學校和教育管理部門進行數據分析和決策支持，以制定更加科學、有效的教育政策和管理措施。

二、數字孿生技術下的地理教學探索

《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，借助大數據、人工智能、“互聯網+”等信息技術的學習，是面向未來的學習方式之一。數字孿生技術的發展為地理可視化教學實現提供了可能。與傳統教學不同，基于數字孿生技術的教學活動需要依托相應的技術部分，將基于真實的學習映射空間轉化為虛擬數字模型，形成數字孿生體。在課堂教學中，教師通過數字孿生體呈現相關地理現象或地理過程，引導學生觀察現象，激發學生的學習興趣；設置相關的情境問題，引導學生開展課堂探究。學生利用數字孿生體的實時監測、預測、優化、分析等功能，開展場景的模擬、預測、評估等問題探究，以匯報的方式分享學習成果，最終落實相關地理學習內容。教師適時創設時空拓展方向或遷移應用方向的案例，引導學生開展深度探究，進一步鞏固、驗證地理知識；最后通過教師評價、學生評價等評價方式開展學習評價，構建如下教學模式（見圖1）。

圖1 基于數字孿生體的教學模式

數字孿生技術在城市規劃領域的應用廣泛，可實現對城市交通、環境、建筑等進行模擬和預測，幫助城市規劃者制定更加科學、合理的規劃方案，還可以幫助城市管理者進行城市管理和應急管理。構建城鎮孿生體，可以對城鎮發展過程中出現的問題做出決策。從當前的應用場景看，城市作為數字孿生最重要的落地場景，景氣度高，應用較為成熟。從地理專業視角看，城市出現在特定的地理環境中，又時刻影響著環境，城市的發展與影響及產生的環境問題一直是人類面臨的主要問題之一。為此，筆者以湘教版必修《地理2》第二章第三節“城鎮化進程及其影響”為例，開展同課異構研究（見表1）。

表1 “城鎮化進程及其影響”的同課異構

三、數字孿生技術下的地理教學優勢

通過同課異構的課例比較及相關問卷調研，基于數字孿生技術的教學方式具有以下優勢。

1.提高學生的學習興趣

在對地理學習水平和人數相近的兩個班級開展同課異構教學后，筆者開展問卷調研。在“城鎮化進程及其影響”一節教學中，實驗班采用基于數字孿生技術的教學模式，對照班采用傳統教學模式。其問卷內容及數據結果如下所示（見表2）。

表2 問卷內容及數據

在學習興趣模塊，相比傳統教學模式，基于數字孿生技術的教學模式更易激發學生的興趣，其比例遠高于對照班。在課堂互動模塊，課堂師生互動氛圍差異不大，基于數字孿生技術的教學模式在課堂活動的沉浸感、探究性上優勢明顯，更能推動學生融入課堂探究。傳統教學模式下僅43.83%的學生認為能通過課堂提供的內容驗證想法，遠低于基于數字孿生技術的教學模式的93.16%，這說明基于數字孿生技術的教學模式更能為學生提供自主空間和開展自我探究的途徑。在學習效果模塊，實驗組和對照組在“我可以很清晰地將這節課的思路陳述出來”“我可以很清晰地講出這節課知識點之間的關系”“我可以很明確這節課的重難點”問題中差異不大，在“這節課的內容可以幫助我正確推演我所在城市甚至是任何一個城市的時空發展特征”“這節課的內容可以幫助我正確推演城城鎮化對地理環境的影響及作用過程”問題上有顯著的差異，這表明基于數字孿生技術的教學模式更能落實學生綜合思維等素養的培育。

2.提升學生的綜合思維能力

在結束本節課的教學后，筆者對兩個班級同時進行了關于城鎮化知識點的測試，共計5個題組，10個題目，每小題10分，滿分100分，各題組的考查內容和水平要求下所示（見表3），兩個班級的得分率如下所示（見圖2）。實驗班平均分為83.1分，對照班為68.6分，實驗班明顯高于對照班。在考察基礎識記內容的1至2題，得分差異不大，但對綜合能力要求較高的3至10題，實驗班優勢明顯。

與傳統教學模式不同，在基于數字孿生技術的課堂中，學生可通過具身操作三維可視化的仿真模型，開展監測、預測、分析等實踐，對城鎮化的時空變化有更清晰的認知。通過仿真模擬，能夠更好地驗證城鎮化對地理環境的正面、負面影響，提升學生的學科思維能力。

3.實現教學的虛實互動

數字孿生城市在頂層設計上結合虛擬和現實，在數字化、信息化的基礎上將物理實體與對應孿生體重疊，實現虛實互動。基于數字孿生技術的教學利用數字孿生技術的動態化、可視化、可操作的特點，構建城市數字孿生體，比較不同區域城鎮化的過程和特點，研究城鎮化過程產生的問題及發展方向，有利于實現地理可視化教學和互動教學。

4.提供具身學習體驗

基于數字孿生技術進行教學利用數字孿生的高保真、精確映射、實時交互、虛實共生、三維可視化等特點，為學生提供了真實的具身學習體驗。在實現地理教學的可視化、實時動態操控等方面，具有不可比擬的優勢。

5.創設三維學習環境

在學習場所方面，基于數字孿生技術的教學構建了一個等價于物理實體的虛擬空間，即生成一個虛擬真實映射空間。該空間通過實時數據、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虛擬學習環境。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。

四、總結反思

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。其一是數據隱私和信息安全問題。其二，數字孿生模型的構建需要大量的數據和計算資源以及復雜的技術支持，這對教師水平提出了更高的要求。此外，在教育教學中，應用數字技術還存在以下問題。

1.學生認知負荷超載

數字孿生體中豐富的信息元素可能會使學生無法在第一時間準確判斷和獲取最重要的知識，并容易出現一些錯誤。這容易導致學生專注于教學內容之外的其他元素、技術與學習內容之間的契合度較低和學生認知負荷超載。

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。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生的真實狀態不一致，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。教師和管理者必須具備一定的數據素養，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體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。目前的數字化環境不能支撐數字孿生技術的全面應用。

構建數字孿生體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。