數字孿生在教育領域的研究進展與思考

劉冠群 周偉 趙瑞軍

摘 要：圍繞數字孿生如何助力教育，國內外開展了多樣化的實踐探索。為總結數字孿生技術在教育教學領域的應用特點及演變趨勢，采用系統性文獻綜述法，對國內外近5年的51篇論文進行統計，分析發現，數字孿生教育應用的研究對象多元，高等教育領域是熱點；研究類型以非實驗研究為主，探索性研究居多；正式教育學習場景最普遍，聚焦工程類學科；應用場景單一，學習評價研究稀缺；理論模型占較大比例，需求導向的系統平臺開發較少。基于此，提出3點建議：探索數字孿生在基礎教育不同場景的應用、關注數字孿生教育應用水平及效果評估、重視孿生數據驅動的學習評價研究。

關鍵詞：數字孿生；系統性文獻綜述；教育元宇宙；教育數字化轉型

中圖分類號：G4文獻標識碼：A文章編號：2096-0069（2023）02-0026-07

引言

數字化技術是教育信息化的重要支撐，是實現教育教學深刻變革、促進人才培養和科技創新的重要保障。2021年11月，上海市教委出臺《上海市教育數字化轉型實施方案（2021—2023）》，指出要深度融合數字技術，形成數字治理體系與機制[1]。數字孿生指通過數字化的方式創建實體的虛擬模型，并對物理實體的空間和時間維度進行數字化表達和動態表征。由于具有虛實共生、實時交互、高保真性、可拓展性、深度洞見等特征，數字孿生儼然成為多個領域的熱點話題。近年，數字孿生技術逐步應用于教育領域，為教育教學方式的變革注入了新的活力，也為未來智慧教育空間、形態和模式的重構提供了新的內涵、圖景和空間。

圍繞數字孿生如何助力教育，國內外開展了多樣化的探索，包括理論研究、技術開發和實踐應用，相關成果涉及數字孿生智慧校園、數字孿生輔助教學系統、數字孿生體等[2-3]，然而，這些研究隸屬不同研究類型，涉及不同的對象、方法與場景，無法體現不同教育情境的特點。李海峰等人[4]采用案例分析法，對美國、瑞士和芬蘭數字孿生教育應用案例進行了剖析，但分析對象主要選取了3所大學的典型研究成果，缺乏系統性的文獻述評。此外，作為從航空工業領域遷移而來的概念，數字孿生在教育教學方面的研究存在很多不足，諸如數字孿生教育應用缺乏、應用程度不高、缺少規范化的應用流程與模式等，這在很大程度上限制了數字孿生在教育領域的拓展與深度實踐。

因此，本研究聚焦數字孿生技術與教育領域，旨在對國內外近5年數字孿生教育領域應用研究進行梳理，探究數字孿生技術在教育教學領域的應用特點及演變趨勢，分析數字孿生技術在教育領域的發展現狀及不足，促進數字孿生技術在教育領域的應用進程。

一、數字孿生的概念發展及其教育價值

（一）數字孿生與仿真技術的概念辨析

數字孿生起源于傳統仿真。仿真是對物理世界的抽象描述，是將包含了確定性規律的數學、物理或計算機模型轉化為仿真軟件，并通過輸入相應數據和環境信息來模擬真實世界的方式，不具備分析和優化物理實體的功能。數字孿生的核心是模型和數據，其主要思想是數字模型和物聯網的融合與互通，強調通過實時采集與分析，預測與優化物理對象的行為。數字孿生以仿真為本，又遠高于仿真，其區別主要體現在以下幾個方面：（1）靜態和動態。虛擬仿真模型是靜態的，其改變與發展依賴設計者對外部元素的引入，而數字孿生中實時數據的引入為孿生模型提供了更主動的模擬。（2）可能性與真實性。虛擬仿真體現物理世界可能發生情形，而數字孿生則描述現實世界特定現象并提供真實反饋。（3）數據基數與數據運用能力。數字孿生充分運用物聯網作為底層支撐技術，通過科學部署的大量傳感器收集物理世界的各類數據，構成建立數字孿生模型的基礎數據資源池，其數據量遠超傳統仿真所需數據。此外，數字孿生通過高性能協同計算、深度學習和人工智能等技術形成強大算力，其計算量和計算能力也遠超傳統仿真。

（二）數字孿生技術的發展

“孿生”的概念最早可追溯到美國航空航天局，后來廣泛出現在工業、金融、農業、制造業等多個領域，由于其能通過虛擬孿生體實現對物體實體的驅動控制、運行維護和管理優化，逐漸成為各個領域所青睞的多維動態管理模式和解決方案。在我國，2020年國家發改委和中央網信辦發布《關于推進“上云用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》，正式將數字孿生技術納入國家戰略發展體系；同年，中國工業4.0研究院牽頭發起成立“數字孿生體聯盟”（Digital Twin Consortium，簡稱DTC），成為全球第一個數字孿生行業組織。2020年11月，中國電子技術標準化研究院發布《數字孿生應用白皮書（2020版）》，對智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑和智慧健康等6個領域的數字孿生應用案例進行了闡述，為數字孿生應用的推進提供了可參考的方向；2022年1月，中國信息通信研究院發布的《數字孿生城市優秀案例匯編（2021年）》遴選呈現了54個數字孿生應用案例，涵蓋園區綜合治理、一網統管、安全應急、文體旅游、學校場景等，為數字孿生城市建設提供了有力借鑒。可見，數字孿生成為數字經濟戰略實現的重要抓手已成共識，從“數字孿生是個無人區”到開展“數字孿生的中國實踐”，我國數字孿生正在各個領域加速落地。

（三）數字孿生賦能未來教育

數字孿生破解了虛擬空間的大數據障礙，消除了現實環境的物聯網困境，實現了物理現實系統向賽博虛擬空間數字化模型的反饋，允許學習者穿越虛實界墻，在物理和數字學習環境下自主地交互，為虛實融合、數據賦能的泛在智慧教育提供了新的愿景與方向[5]。數字孿生融入教學，將促進學習場所形態、學習內容呈現方式、師生交互形式以及學習評價方式的演變。已有研究對數字孿生技術應用于未來教育和學習的特征、場景和發展趨勢進行了探討，并指出數字孿生技術在優化教學過程、提供優質學習體驗、觸發創新靈感與參與積極性等方面具有重要作用[6-7]。例如，張喜艷等人[8]從教育主體視角出發，論述了數字孿生作為教師的智能助手、專屬的學情分析師及真正的智慧學伴，在提供精準有價值的學情分析、多元個性化的學習路徑及激發學習內驅力等方面的優勢。褚樂陽等人[6]從微觀、中觀及宏觀層面，闡述了數字孿生對學習資源、學習活動的泛在影響，并描繪了數字孿生教育領域的主要應用場景：教學設施管理、校園能耗管理、職業教育訓練、可視化探究過程、教學動態評估、場館學習、數字孿生全息課堂等。張枝實[9]則聚焦數字孿生賦能未來教育，從學習評估、學習分級、學習遷移以及學習外延維度，指出了數字孿生在重塑教學組織方式、重構教育技術形態、重筑教育覆蓋范圍、重組教學評價方式等方面的重要價值。

二、研究設計

（一）分析框架

作為一個嶄新的技術概念，數字孿生遷移至教育領域具有特定的路徑，對這個過程的分析有助于明確技術與教育的融通整合現態，加速數字孿生在教育領域的實踐應用進程。近20年來，人工智能、虛擬現實、機器人等新技術不斷涌現并逐漸被應用于教育教學活動，創新推動了教育形態的變革與發展。為深入探析教育技術的應用現狀，及時把握技術驅動教育變革的趨勢和規律，國內外學者也展開了相應的研究與探討。例如，龔禮林等人[10]從研究主題、研究情境、研究方法和研究結果維度探究了機器人教育在課堂教學類型、學段分布、樣本數量、實驗周期、機器人類型、數據收集方法、作用效果等層面的研究進展。羅恒等人[11]從研究情境、技術特性、教學設計、效果評價角度出發，梳理歸納了虛擬現實技術在基礎教育階段的研究類型、實施學段、數據收集方式、硬件設備、功能特點、教學策略、評價方法等方面的現狀與特點。因此，本研究構建了數字孿生在教育領域的研究分析框架，如圖1所示，以期對2017年以來數字孿生在教育領域的相關文獻加以梳理分析，呈現國內外學者在該領域研究中的整體樣貌圖景。本研究框架包括研究情境和應用情況兩個維度。其中，研究情境包括研究類型、研究對象、教學形態三個方面；應用情況從應用場景和實踐成果兩個方面進行梳理，以反映數字孿生在教育領域的實施與效果。

（二）研究方法

基于前文構建的分析框架，研究將采用系統性文獻綜述法，對國內外數字孿生教育領域的相關文獻進行分析。系統性文獻綜述以研究問題為核心，旨在尋找對研究問題最具價值的文獻，并通過對這些系統研究文獻的理論整合來獲得對問題的綜合性洞見。相較于傳統的文獻研究，系統性文獻綜述強調動態的知識觀、規范化的文獻檢索與分析流程，具有標準化、創新性和親和性等優勢，能夠揭示數字孿生在教育領域的發展特征以及應用現狀，深度解釋數字孿生技術如何支持教育教學實踐過程。研究步驟主要包括檢索與評估文獻、抽取與整合數據等。

1．檢索與評估文獻

為有效獲取國內外近5年數字孿生教育領域的高質量研究文獻，本研究以中國知網數據庫（CNKI）、Web of Science數據庫、Elsevier數據庫、SpringerLink數據庫為文獻來源庫，搜索形式為“主題”，日期限定為2017年1月1日至2022年4月24日。中文數據庫檢索語句有兩組：第一組為“數字孿生”，第二組為“教學”“教育”“課堂”等與教育情境相關的詞語，兩組為“并且”關系，共獲得153篇文獻；外文數據庫以“Digital Twin & education（數字孿生&教育）”“Digital Twin & class（數字孿生&課堂）”等為關鍵詞，共獲得182篇文獻。

對文獻質量進行評估是系統文獻綜述法的關鍵一環，可通過制定納入/排除標準來對文獻進行篩選。為保證文獻分析結果的準確性及可靠性，基于研究問題，本研究制定出了5條文獻納入/排除標準，如表1所示。

基于上述標準，本研究對文獻進行了篩選，最終確定51篇文獻。其中中文文獻36篇，外文文獻15篇。篩選過程如圖2（見下頁）所示。

2. 抽取與整合數據

為從納入的文獻中抽取關鍵性信息，本研究編制了文獻信息抽取單，主要包括以下幾個層面：（1）文獻基本信息，包括作者、國家、發表年份、來源期刊；（2）研究情境，包括研究對象（基礎教育、高等教育）、研究類型（實驗研究、非實驗研究）、教學形態（正式教育、非正式教育、正式與非正式教育融合）；（3）應用情況，包括應用場景（教學、評價、管理）、實踐成果（開發系統、構建模型、實踐應用）。

三、研究結果

（一）整體趨勢

從發表時間來看，當前國內外數字孿生在教育領域應用研究呈逐年遞增趨勢（見圖3），尤其是近兩年的文獻數量突增，表明數字孿生持續受到教育界的關注；從文獻來源看，51篇論文發表在40種不同的期刊或會議上，其中，國內期刊發表數量前四的期刊分別是《遠程教育雜志》《實驗技術與管理》《高等工程教育》《現代教育技術》，國外期刊則以《國際在線工程雜志》（International Journal of Online Engineering）居多。

（二）研究情境

從教育階段來看（見圖4），國內外近5年數字孿生教育應用研究中，31篇在高等教育階段開展（60.8%），13篇在基礎教育階段開展（25.5%），7篇在職業教育階段開展（13.7%）。可見，高等教育是數字孿生教育應用的主要場所，其原因可能是作為從工業領域遷移而來的概念，高等教育的工科（如制造業、建造業等）對其適應性更強；且數字孿生產品的應用需要較為系統的軟硬件及設備，基礎教育階段（尤其是義務教育階段）的教學環境不足以支撐相應的活動開展。

從研究類型來看（見下頁圖5），實驗研究有9篇（17.6%），非實驗研究有42篇（82.4%）。其中，實驗研究主要通過對照實驗、多階段對比等方法開展，并利用問卷調查、成績測評等方式評估數字孿生教育應用實踐效果。例如，李海峰等人[12]采用準實驗研究，通過前后測對照實驗發現，基于數字孿生的教學能夠有效提高學習者的自我效能感、合作學習傾向、學習體驗和學習成績，且學習者的認知負荷更小。非實驗研究則主要是結合某一特定的主題，設計相應的數字孿生教學模式或開展相應的案例實踐，但沒有量化數據分析過程。在當前的數字孿生教育應用中，這類研究占據較大比例，說明當前數字孿生教育應用尚處于理論探索階段，結合具體的情境研發相應的平臺或工具，并開展實證研究是未來重點與趨勢。

從教學形態來看（見圖6），正式教育有39篇（76.5%）、非正式教育有5篇（9.8%）、正式與非正式教育融合有7篇（13.7%）。在正式教育的文獻研究中，主要涉及智能制造業、智能建造業（如船舶）等工程課教學，以及英語課、體育課等基礎教育課程；非正式教育則是以場館學習、孿生圖書館等非正式學習場景為載體，設計相應的數字孿生融合模式。例如，王小根等人[13]將數字孿生技術引入場館教學中，具體闡述了孿生場館的概念，指出孿生場館在數字化保護與館藏資源傳播、沉浸式檢索與場館知識體驗、場館實時監控與評估、智能化控制等方面的優勢，并詳細介紹了孿生場館的模型和架構。此外，也有研究將正式教育與非正式教育相融合，探索基于數字孿生的智慧學習空間在課堂、住所、娛樂場地等環境中的應用[14]。

（三）應用情況

從應用場景來看（見圖7），46篇文章關注課堂教學（90.2%），5篇關注教學管理（9.8%）。可見，當前數字孿生教育應用仍聚焦于教學層面；且在51篇文獻中沒有評價研究，說明數字孿生應用于學生評價方面的潛力還有待深入挖掘。

從實踐成果來看（見圖8），26篇文章的研究成果為構建模型（51%），5篇文章的研究成果為開發系統（9.8%），20篇文章的研究成果為開展實踐應用（39.2%）。可見，當前數字孿生教育應用研究處于“苗頭正猛”狀態，其在教育領域的潛力使得諸多學者關注相關的數字孿生教學模式構建，并逐步開展相應的實踐應用。

四、總結與啟示

本研究利用系統性文獻綜述法，篩選國內外近五年數字孿生教育領域的51篇文獻，從研究類型、研究對象、教學形態、應用場景、實踐成果等方面對數字孿生教育領域應用現狀進行了系統分析，研究發現：（1）數字孿生教育應用的研究對象多元，高等教育領域是熱點；（2）研究類型以非實驗研究為主，探索性研究居多；（3）正式教育學習場景最普遍，聚焦工程類學科；（4）應用場景單一，學習評價研究稀缺；（5）理論模型（應用模式）占較大比例，需求導向的系統平臺開發較少。基于上述結論，本研究提出以下建議。

（一）探索數字孿生在基礎教育領域不同場景的應用

當前，數字孿生技術廣泛應用于高等教育的工程類課程學習。隨著技術的發展、教與學需求的攀升，數字孿生技術支持的教育教學應用逐漸得到越來越多基礎教育研究者的關注。朱珂等人[14]對數字孿生賦能下的全息課堂構建進行了探索，指出數字孿生技術支持下的全息課堂將打破現實環境條件的限制，拓寬資源獲取途徑，具有變革與強化教學、深化具身認知、拓寬學習評價等功能。在地理教學中，教師可以將地球或太陽的數字地形孿生體直觀展示給學生，并在此基礎上呈現不同季節、氣候的場景；在歷史教學中，教師可以構建紅軍長征的可視化孿生場景，促進學生的記憶與理解。總之，數字孿生在基礎教育領域（尤其是主學科）具有蓬勃的發展態勢，未來數字孿生教育領域應用可以更多關注基礎教育階段，探索數字孿生技術深度融合的各類教育教學應用與實踐，實現教學相長[15]。

（二）關注數字孿生教育應用水平及效果評估

隨著數字孿生逐漸從理論研究邁向實踐落地，實際應用對數字孿生模型的質量、性能、適用性和共生性等方面都提出了更高的要求，如何深入推廣和應用數字孿生成為一大挑戰。當前，數字孿生教育應用大多停留在現狀孿生階段，缺乏對孿生水平的具體詳細劃分。同時，當前數字孿生教育領域應用以非實驗研究為主，缺少對數字孿生應用效果恰當的評估。因此，未來研究可以關注兩個方面：一方面，可以研發數字孿生教育應用水平層級框架，提高對學習孿生場景的具體階段的認識，鞏固并促進實踐的可持續性；另一方面，可以將數字孿生技術應用于具體的教學場景，采用實驗或準實驗方法探究數字孿生技術對學習績效、學生自我效能感、創造性思維等高階思維的具體影響。

（三）重視孿生數據驅動的學習評價

在教育信息化2.0時代，傳統的教育教學評價機制已逐步轉向數據驅動的精準化學習評價。數據是數字孿生的核心驅動力，基于數字孿生技術構建的數字孿生學習體具有很強的數據感知能力，能夠全方位地采集、處理、分析學習者的動態學習數據，并為學習者提供精準的學習過程分析與學習內容推送[16]。通過文獻分析發現，數字孿生教育領域應用大多是借助數字孿生技術實現對日常難以獲得的教學環境的直觀體驗，缺乏對學習評價這一關鍵場景的深層次應用與分析。因此，數字孿生教育領域應用需關注孿生數據驅動的學習分析與評價，通過可穿戴設備、自適應、情感計算等各種方式，收集學習者學習、行為及生理等多模態數據，開展個性化、多維度的學習評價，并基于歷史數據、實時數據以及算法模型，實現對學習全周期過程的模擬、驗證和預測。

基金項目：浙江省哲學社會科學規劃年度課題“基于場所感的虛擬學習空間構建”（23NDJC239YB）

作者簡介：劉冠群（1997 — ），女，湖南婁底人，中學初級教師，研究方向為信息技術教學、教育信息化等；周偉（1978 — ），男，上海青浦人，中學高級教師，研究方向為區域教育信息化、教育大數據應用等；趙瑞軍（1980— ），男，河北邯鄲人，副教授，研究方向為信息化學習環境。

參考文獻

[1] 上海市教委.上海市教委印發《上海市教育數字化轉型實施方案（2021—2023）》[EB/OL].（2021-11-10）[2022-05-15].http：//edu.sh.gov.cn/xwzx_bsxw/20211110/9a48015bacfe4af1a4eb131abef5585b.html.

[2] SHI T. Application of VR image recognition and digital twins in artistic gymnastics courses[J]. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems， 2021，40（4）：7371-7382.

[3] 鄭浩，王娟，王書瑤，等.認知數字孿生體教育應用：內涵、困境與對策[J].現代遠距離教育，2021（1）：13-23.

[4] 李海峰，王煒.數字孿生教育應用的教學模式探究：基于美國、瑞士和芬蘭數字孿生教育應用的案例分析[J].現代教育技術，2021，31（7）：12-20.

[5]張艷麗，袁磊，王以寧，等.數字孿生與全息技術融合下的未來學習：新內涵、新圖景與新場域[J].遠程教育雜志，2020，38（5）：35-43.

[6]褚樂陽，陳衛東，譚悅，等.虛實共生：數字孿生（DT）技術及其教育應用前瞻——兼論泛在智慧學習空間的重構[J].遠程教育雜志，2019，37（5）：3-12.

[7] 黃音，毛莉莎，張小帆，等.基于數字孿生講臺的在線沉浸式教學體系分析與流程設計[J].遠程教育雜志，2021，39（1）：51-62.

[8] 張喜艷，莊會紫.數字孿生技術下智慧教育的可能與實現[J].中國教育技術裝備，2020（22）：1-3，9.

[9]張枝實.數字孿生技術的教育應用研究[J].成人教育，2021，41（5）：27-32.

[10] 龔禮林，趙蔚，劉陽，等.近十年國際K-12領域機器人教育研究最新進展及啟示：基于系統性文獻綜述法[J].中國遠程教育，2020（3）：25-34.

[11] 羅恒，馮秦娜，李格格，等.虛擬現實技術應用于基礎教育的研究綜述（2000—2019年）[J].電化教育研究，2021，42（5）：77-85.

[12] 李海峰， 王煒. 數字孿生驅動的協同探究混合教學模式[J]. 高等工程教育研究， 2021（5）：194-200.

[13] 王小根， 周乾. 孿生場館： 融入數字孿生的虛實共生學習空間[J]. 現代教育技術， 2021， 31（7）： 5-11.

[14] 朱珂， 張瑩， 李瑞麗. 全息課堂： 基于數字孿生的可視化三維學習空間新探[J]. 遠程教育雜志， 2020， 38（4）： 38-47.

[15]孟杰， 龔波， 沈書生. 面向初中生Python 編程的教學設計與實踐研究：基于項目式教學視角[J]數字教育，2020，6（4）：47-51.

[16] 艾興，張玉.從數字畫像到數字孿生體：數智融合驅動下數字孿生學習者構建新探[J].遠程教育雜志，2021，39（1）：41-50.

（責任編輯 孫興麗）

Abstract： Diverse practical explorations have been carried out at home and abroad on how digital twin can help education. In order to summarize the application characteristics and trends of digital twin technology in education and teaching， this article adopts a systematic literature review method to analyze 51 papers from the past five years at home and abroad. It is found that the research objects of digital twin education applications are diverse with the higher education sector being the hotspot; the type of research is mainly non-experimental with a predominance of exploratory research; formal education learning scenarios are the most prevalent， most of which are from engineering disciplines; the application scenarios are single， and learning evaluation research is scarce; the theoretical models account for a large proportion， and demand-led system platforms are less developed. Based on the results of the review， this article puts forward three recommendations： exploring the application of digital twin in different scenarios of basic education， focusing on the level of application and evaluation of the effectiveness of digital twin in education， and paying attention to the research of twin data-driven learning evaluation.

Key words： Digital twin; Systematic literature review; Education metaverse; Digital transformation of education