基于青少年美育的人工智能融合數字孿生創新設計研究

林菁，張晨晨，譚欣

基于青少年美育的人工智能融合數字孿生創新設計研究

林菁1，張晨晨2*，譚欣3

（1.電子科技大學成都學院，成都 611731；2.四川師范大學，成都 610101； 3.西南民族大學，成都 610041）

本研究探討了人工智能與數字孿生技術在青少年美育中的應用，旨在提供沉浸式、互動式、個性化的學習體驗。研究結合了認知發展理論、社會文化理論等以優化美育教育效果。首先，運用文獻研究法梳理人工智能和數字孿生技術的理論內涵及其與美育的理論聯系；其次，通過案例分析法總結數字孿生等技術在美育設計領域的典型應用實例與應用場景；最后，利用模型構建法探索了數字孿生技術賦能下的青少年美育系統，著重研究了技術與教育的互動和技術應用于實際教育環境中的挑戰。人工智能與數字孿生技術的融合提升了青少年的美育體驗，增強了學習的沉浸性和互動性，并通過提供個性化學習路徑促進了青少年的認知、情感，以及社會的發展。同時，這些技術與教育理論相協調，為美育教育帶來了新的范式。人工智能與數字孿生技術在青少年美育設計中的應用具有的重要時代意義。它們不僅突破了時間和空間的限制，實現了全方位的美育設計，而且有效地促進了美育的數字化升級。此外，這些技術為青少年提供了全新的美育體驗，有助于其在數字和文化素養交織的世界中全面發展。

美育；人工智能；數字孿生；創新設計

在這個數字化和智能化高速發展的時代，新興技術正在引領著一場涵蓋多個領域的變革浪潮。其中，人工智能和數字孿生憑借技術優勢，使許多行業實現了革命性升級，并滲透到人類生活的方方面面。在教育領域，這些技術也帶來了轉型契機，其不僅能推動教學方式和手段的變革，還使人們得以實現精準化和個性化教育。這種趨勢在青少年美育教育中尤為重要——技術的融合既為傳統美育注入了新的活力，也能開啟青少年個性化和創新教育的新篇章。然而也要看到，要真正實現技術賦能美育，需要解決一系列挑戰，其中之一便是如何在技術設計與應用中平衡美感培養、興趣激發與認知發展的需求。這要求人們對青少年的認知和美育規律進行更深入的研究。例如，Jean Piaget 的認知發展理論[1]為人們提供了一個框架，以更好地理解不同年齡段青少年如何通過技術增強的美育體驗來促進其智力和情感的成長。

1 理論框架——技術與教育的交匯

1.1 人工智能理論基礎——智能化的藝術教學

隨著人工智能（AI）技術的飛速發展，其在教育領域的應用已成為推動教學和學習創新的關鍵因素。特別是在藝術教育中，AI的融合不僅開辟了新的教學方法，也為青少年美育提供了前所未有的機遇。人工智能的基礎理論源自于機器學習和深度學習的核心概念，這些理論的發展標志著機器能夠通過算法進行自主學習和決策。Russell 等[2]在其著作中詳細闡述了這些理論，并探討了AI的廣泛應用前景。在藝術教育領域，這意味著AI不僅能夠輔助藝術創作的過程，還能夠對藝術作品進行分析和解讀，從而提供豐富多樣的教學內容和視角，見圖1。

圖1 人工智能在藝術教育中的應用示意

AI在藝術教學中的應用，尤其體現在其對創造性思維的促進和藝術欣賞能力的提升上。通過AI技術，學生能夠接觸到基于數據和算法生成的藝術作品，這不僅拓寬了他們對藝術的認識，也激發了創新思維。此外，AI技術在藝術分析中的應用，如風格識別和圖像處理，使得學生能夠更深入地理解藝術作品背后的歷史和文化背景。

對于青少年，融合AI的藝術教育提供了一種新的學習方式。這不僅促進了他們的技術理解能力，也加深了他們對藝術的感知和體驗。通過與AI技術的互動，青少年能夠從更多角度和維度體驗藝術，從而培養出更加全面和深入的藝術鑒賞能力和創造力。

1.2 數字孿生技術解析——虛實結合的教育場景

數字孿生技術的核心在于創建一個虛擬環境，這個環境能夠實時地映射和模擬現實世界的對象和過程。通過收集和分析來自真實世界的數據，數字孿生可以在虛擬環境中準確地再現和預測物理實體的行為和狀態。這種技術原理不僅在工業和醫療領域得到廣泛應用，而且在教育領域，尤其是藝術教育中，也展現出顯著的教育價值。

在藝術教育場景中，數字孿生技術能夠提供一個沉浸式學習環境，其中學生可以通過虛擬仿真來探索和體驗藝術創作的各個方面。例如，在數字孿生的環境中，學生可以親自嘗試不同的藝術技法，如繪畫、雕塑、音樂創作，而無需擔心材料或空間的限制。此外，數字孿生技術還能夠模擬歷史上著名的藝術作品和事件，使學生能夠跨越時間和空間的界限[3]，從而深入了解藝術史。

通過將數字孿生技術應用于藝術教育領域，人們不僅能夠提高教育的可訪問性和靈活性，還能夠促進青少年對藝術的理解和欣賞。這種技術使得藝術教育不再局限于傳統的教室環境，而是變得更加動態和互動。學生可以通過直觀和實踐的方式，更加深入地探索藝術的多樣性和復雜性。將數字孿生技術融入藝術教育，不僅為青少年提供了一個全新的學習平臺，也為教育者提供了一個強大的工具，以更有效地傳授藝術知識和技能，其具體應用流程如圖2所示。這種技術的應用不僅限于提高學習效率，更重要的是，它激發了學生的創造力和想象力，為他們打開了探索藝術的新視角。隨著技術的不斷發展和優化，數字孿生在未來藝術教育中的角色將更加突出，為青少年的美育發展帶來更廣闊的前景。

圖2 數字孿生技術的教育應用流程

1.3 教育學視角——青少年美育的理論支撐

教育學理論在青少年的美育過程中發揮著不可或缺的作用。這些理論為人們提供了關于如何有效地設計和實施美育活動的深刻見解，特別是在促進青少年的認知、情感和社會發展方面。

建構主義學習理論由Piaget提出，強調了學習者作為知識的主動建構者角色，其有效性主要體現在學習者是否能積極主動地參與學習，從而保證對知識的主動建構[4]。在美育領域，這意味著教育活動應鼓勵青少年通過實踐體驗來探索藝術的各個方面。此理論促使人們設計那些能夠讓學生通過創作、批判和欣賞活動來構建個人藝術理解的教育方案。

然而，學習不僅僅是個人的認知過程。Vygotsky[5]的社會文化理論補充到，學習也深受社會環境和文化背景的影響。這一理論強調了合作學習和社會互動在藝術教育中的價值。它鼓勵人們在青少年美育中創造豐富的社會互動環境，如團隊藝術項目和群體討論，以促進學生之間的思想交流和共同成長。此外，Howard Gardner的多元智能理論提出了智能的多樣性觀點[6]。在美育教學中，這一理論指導人們識別并培養青少年不同類型的智能，特別是與藝術相關的智能，如視覺空間智能和音樂智能。這種方法有助于發掘和支持每個學生獨特的藝術潛力和興趣。

建構主義學習理論為青少年提供了主動探索藝術的機會；社會文化理論強調了在藝術學習過程中社會互動和文化參與的重要性；而多元智能理論則支持了對青少年個別差異和藝術興趣的認可和培養。這些理論共同構成了一個堅實的理論基礎，不僅支持了青少年在藝術領域的技能提升，更重要的是，它們促進了青少年作為全面發展個體的成長（如圖3所示）。

1.4 技術與教育的交匯——融合AI與數字孿生技術的藝術教育

通過將人工智能和數字孿生技術巧妙地融入到教育學的理論框架之中，人們不僅在技術層面上豐富和提升了美育的維度，而且極大地拓寬了藝術教育的領域，深化了其內涵和廣度。

圖3 教育理論在美育中的應用框架

1.4.1 融入現有教育模式

1.4.1.1 個性化學習

人工智能技術，尤其是在數據分析和機器學習領域的應用，賦予了人們分析學生的學習行為、偏好和表現的能力。利用這些深入的分析，AI能夠精準地識別出每位學生的獨特需求和興趣點。基于這一點，藝術教育系統能夠靈活調整其教學內容和方法，從而精確匹配每個學生的個人學習風格和能力水平。例如，對于那些對繪畫有濃厚興趣的學生，系統能夠智能地提供更加豐富的、與繪畫技巧相關的材料。設想一個在數字繪畫領域展現出顯著興趣和才華的學生，AI系統可以根據其興趣和技能發展，推薦更高級別的數字繪畫課程，介紹相關藝術家的作品進行深入學習，并可能建議學生參與在線繪畫比賽或項目，以進一步激發其潛能和創造力。

1.4.1.2 互動式學習

數字孿生技術通過構建精確且逼真的虛擬藝術環境，為學生們打開了一個無界限的實驗和探索領域。在這些仿真環境中，學生們得以自由地嘗試和練習各種藝術形式與技術。無論是進行虛擬繪畫、雕塑創作還是音樂制作，這些活動都超越了物理空間和材料的常規限制。例如，在一個數字孿生的3D雕塑工作室里，學生們可以嘗試使用各種不同的雕塑材料和技術，如數字黏土建模，而完全不必擔憂實際材料的成本或工作室的空間約束。他們可以在這個虛擬空間里創作出自己的雕塑作品，并將這些作品展示給同學和老師，甚至有可能將這些虛擬作品轉化為實體，并通過3D打印技術使其成為現實。

1.4.2 改善和創新藝術教育

1.4.2.1 增強創造力

人工智能技術，尤其是神經風格遷移，展現了其在分析和模仿多種藝術風格方面的獨特能力。這項先進的技術可以將特定的藝術風格應用于任何圖像或設計，從而孕育出全新的視覺藝術作品。這一過程不僅為學生提供了一個輕松嘗試和融合不同藝術風格的平臺，而且有效地激發了他們的創造性思維和創新能力。例如，學生們可以利用神經風格遷移技術，將梵高的繪畫風格融入到他們自己的照片中，或者將現代藝術風格與古典藝術作品相結合，創作出具有獨特個性和風格的藝術作品。

1.4.2.2 深化藝術理解

數字孿生技術的應用能夠精確地復制歷史藝術作品和文化場景，為學生提供了一個獨特的虛擬環境，使他們得以親身體驗和深入探索這些藝術珍品。這種沉浸式的互動體驗不僅讓學生能夠更加深刻地理解藝術作品的歷史背景和文化意義，還能夠讓他們直觀地學習相關的藝術技巧。例如，在一個由數字孿生技術打造的虛擬現實環境中，學生們可以步入重現的文藝復興時期畫廊，近距離欣賞達·芬奇等大師的作品。他們不僅能夠觀察每一筆觸和色彩的細節，還能通過互動模塊深入了解這些畫作背后的歷史故事和創作技巧。這樣的體驗不僅豐富了學生的藝術知識，也激發了他們對藝術歷史的興趣和熱愛。

由此可以明確地看到，將先進的科技手段和深厚的教育學理論相結合，將會在未來的青少年美育實踐中發揮重要作用，為青少年的全面發展和創新能力的培養提供強大的支持，其相互關系如圖4所示。

圖4 融合人工智能、數字孿生技術與教育學理論的美育關系

2 案例研究——實踐中的技術應用

2.1 美育領域的AI應用實例

當探索人工智能（AI）在美育領域的應用時，其對藝術教育產生的深刻影響顯而易見。以下案例展示了AI如何在不同的藝術領域中被利用，以及這些應用是如何根據教育理論進行設計和實施的。

2.1.1 AI在音樂創作中的應用

David Cope的“Emily Howell”項目是音樂AI領域的一個突破[7]。Cope開發的這一算法利用了復雜的計算機程序，模擬了音樂創作過程。它通過分析和學習歷史上大量的音樂作品，從巴洛克到現代音樂，能夠生成全新的音樂作品，這些作品不僅遵循傳統音樂的規則，還展現了獨特的創新風格，見圖5。

Cope的方法體現了 Vygotsky[5]社會文化理論的核心觀點，即認為學習和創造是社會互動和文化環境的產物[8]。在這個案例中，AI通過分析和模仿人類藝術家的作品，從而在某種程度上模擬了人類的創造過程。這種方法強調了學習者（在這個情況下是AI系統）與其社會和文化環境之間的互動，以及這種互動如何促進創造力的發展。此外，這個項目還體現了現代教育的一個重要趨勢，即強調學生的主動學習能力和創新能力。如Sawyer所述，創新教育需要提供環境，使學習者能夠進行實踐、探索和創造[9]。在音樂AI的背景下，這意味著利用技術工具來激發和擴展學生的創造力。通過這種方式，學生不僅能學習到音樂理論和作品分析，還能夠通過與AI系統的互動，探索音樂創作的新領域，發展自己的藝術表達方式。

在教育實踐中，音樂AI的應用可以豐富傳統音樂課程，為學生提供創新的學習體驗。例如，通過分析和修改AI創作的音樂，學生可以更深入地理解音樂構成元素，如旋律、和聲和節奏，并學習如何創造性地應用這些元素。這種教學方法有助于培養學生的批判性思維和創造力，同時提高他們對音樂藝術的欣賞和理解。

圖5 Emily Howell音樂網站

2.1.2 AI與視覺藝術的融合

DeepArt的風格遷移技術是一項突破性的AI應用，它利用深度學習算法分析并模仿藝術家的風格，從而將這些風格遷移到任何給定的圖片上。這項技術首先分析目標藝術作品的風格特征，例如顏色、線條和形狀，然后將這些特征應用到其他圖像上，創造出全新的視覺藝術作品。這不僅是技術上的創新，也是藝術表達方式的一種全新探索。

該技術的應用在藝術教育領域尤為重要。它體現了Howard Gardner在其多元智能理論中提出的視覺空間智能概念[6]。根據這一理論，不同個體在視覺空間智能方面具有不同的潛能，這種智能使他們能夠以獨特的方式理解和創造視覺藝術作品[10]。通過AI技術，學生可以更加深入地理解和體驗不同的藝術風格，進而探索和發展自己獨特的藝術表達方式。

在實際教學中，風格遷移技術可以作為一種強大的教學工具。教師可以利用這種技術讓學生更直觀地理解藝術史中不同時期和流派的風格特征，如文藝復興時期的細致畫風或印象派的色彩運用。學生可以實驗性地將這些風格應用于自己的作品中，從而加深對藝術風格和技術的理解，同時激發他們的創造力和想象力（如圖6所示）。此外，在數字技術中的AI還為學生提供了一個自由的環境來嘗試不同的藝術風格，而不用擔心材料成本或無法撤銷的錯誤。這樣的實踐環境鼓勵學生的探索和創新，有助于他們建立對藝術的個人理解和欣賞。

2.1.3 AI在舞蹈教育中的創新

AI在舞蹈教育中的一項關鍵應用是運動捕捉技術。這種技術使用高級傳感器捕捉舞者的動作，然后通過AI算法進行分析，提供對動作的精確反饋。這種方法使得舞蹈學習更加科學和系統化，允許教師和學生對舞蹈動作進行更精確的分析和改進。

圖6 Deep Art Effects網站主頁

運動捕捉技術的應用在教育理論中有其根基。它與Piaget的認知發展理論緊密相連[1]，該理論強調通過親身體驗和實踐來促進認知的發展[11]。在舞蹈教育中，運動捕捉技術為學生提供了一個互動的學習環境，使他們能夠通過實踐、觀察和反思來掌握舞蹈技能。學生可以通過觀看自己的動作捕捉數據來了解自己的動作質量，并據此進行調整和改進。

這種技術的應用也符合現代教育的趨勢，即強調學習者的主動參與和實踐體驗。學生不再是被動的接收者，而是通過與技術的互動成為主動的參與者。這種交互性不僅提高了學習效率，也增強了學生對舞蹈的興趣和熱情。此外，AI運動捕捉技術在舞蹈教育中的應用還有助于個性化學習。每位學生的身體條件和動作習慣都有所不同，這種技術能夠根據每個學生的獨特特點提供定制化的指導和反饋，從而更有效地促進個別學習者的技能發展。

通過對AI在音樂創作、視覺藝術和舞蹈教育中的應用案例進行詳細分析，筆者揭示了AI技術在美育領域的廣泛應用及其顯著影響。這些實例不僅展示了AI技術的多樣性和創新性，也展現出它們是如何根據不同的教育理論被設計和實施的。這種理論與實踐的結合不僅提高了青少年的藝術理解和創造能力，還豐富了他們的藝術學習體驗。隨著AI技術的不斷進步，它在美育領域的應用預計將繼續擴展，為藝術教育帶來新的機遇。然而，這同時伴隨著諸如確保教育公平性和處理數據隱私問題等挑戰，這些都是未來研究和實踐需要關注和解決的重要方面。

2.2 數字孿生技術的教育創新案例

在美育領域，數字孿生技術的應用正開辟著新的教育模式和學習體驗。其中，故宮博物院的數字孿生項目就充分展示了這一技術在藝術教育中的應用及其對美育的影響。

故宮博物院的數字孿生項目不僅是技術創新的杰出代表，也是美育領域中的一個重要突破。通過深入探討該項目的技術細節、藝術作品的增強效果，以及對青少年美育的影響，可以更好地理解數字孿生技術在傳統文化傳承中的重要作用。

該項目團隊采用高精度激光掃描技術，詳細捕捉了故宮建筑的每一寸細節，從而確保數字模型的準確性和真實性。此外，該團隊還利用先進的三維建模技術，成功地重建了故宮的完整數字模型，包括宮殿、院落、文物等所有細節。再通過整合虛擬現實技術，為訪客提供了一個全面的、互動式的數字故宮體驗，使參觀者能夠以全新的方式探索這一歷史遺址（如圖7所示）。

同時，數字孿生技術提供了一種沉浸式的參觀體驗，讓訪客仿佛身臨其境地走進故宮，體驗宮廷的壯麗與歷史的厚重。通過增加互動元素，如可探索的虛擬環境和互動展示，該項目增強了參觀者對文化遺產的親身感受和學習興趣。

該項目通過提供一個可視化、互動的學習環境，激發了青少年對中國傳統文化的好奇心和學習興趣，加深了他們對文化遺產的認知。所以，將數字孿生技術應用于美育，可以為青少年提供一種新的學習模式，使他們能夠以更積極、主動的方式參與到文化學習中[12]。

盡管在技術上取得了重大進展，項目仍面臨著進一步提高圖像質量和用戶互動體驗的挑戰。此外，高昂的技術成本和持續的系統維護也是項目實施中需要考慮的重要因素。通過故宮博物院的數字孿生項目，不僅能夠看到數字孿生技術在美育領域的巨大潛力，也能夠理解其在提升文化傳承和教育體驗方面的重要作用。這一項目為未來在類似領域的技術應用和教育創新提供了寶貴的參考和啟示。

圖7 故宮·騰訊聯合創新實驗室數字孿生智慧管理平臺示意圖

故宮博物館項目的成功經驗之一便是其得益于教育理論與技術創新的結合。根據John Dewey的經驗學習理論，學習是一個主動探索和體驗的過程，數字孿生技術正好提供了這樣的平臺。數字孿生技術在美育領域的應用展示了其在教育創新方面的巨大潛力[13]。這些案例不僅突出了技術的先進性，而且揭示了教育領域內技術和傳統教育理念的成功融合。隨著技術的不斷發展，預計數字孿生技術將在未來的藝術教育中扮演更加重要的角色，為教學方法和學習體驗帶來新的變革。

2.3 案例分析——技術應用的效果與挑戰

在探討人工智能和數字孿生技術在美育領域的應用時，筆者注意到這些技術不僅改變了教育模式，也提出了新的挑戰。故宮博物院的數字孿生項目采用了高精度激光掃描和三維建模技術，精確地復現了故宮博物院的宏偉建筑和豐富文物，提供了一種互動式數字化體驗[14]。這種技術的應用不僅增加了青少年對歷史和文化的認知，還提升了教育體驗的質量。通過虛擬現實技術，參觀者可以沉浸在一個生動的歷史環境中，從而獲得比傳統教育方法更豐富的學習體驗。

此外，從教育的視角來看，這些技術應用案例體現了美國教育心理學家Benjamin Bloom的認知領域教育目標分類學[15]。該理論旨在描述認知領域中的學習目標和層次，其中有效學習包括：知識、理解、應用、分析、綜合和評價六個層面[16]。故宮博物院項目提供了一個平臺，使學生能夠在這些層面上積極參與和體驗藝術，從而全面提升學習效果：學生首先通過互動式體驗獲得關于故宮歷史和文化的基礎知識（知識層面）；隨后，他們能夠理解并解釋這些信息（理解層面），并將所學應用到其他學科或現實生活情境中（應用層面）；通過分析和批判性地思考他們在虛擬環境中的體驗（分析層面），學生能夠綜合不同的知識點和觀點（綜合層面）；最后對所學內容進行評價（評價層面）。

然而，這種技術的應用也面臨著挑戰，特別是在保持數字內容與物理展品同步更新方面。此外，虛擬體驗的圖像質量和互動性也是需要持續改進的領域。

這些技術應用案例表明，通過創新的技術手段，美育領域能夠為學生提供更加深入和互動的學習體驗。這些項目不僅增加了藝術作品的可及性，還促進了學生在藝術領域的創造力和批判性思維的發展。通過這樣的技術應用，藝術教育可以跨越時間和空間的限制，為學生提供更加豐富和多元的學習機會（如圖8所示）。

總體來看，這些項目提供了寶貴的經驗和啟示，對未來藝術教育的發展方向具有重要的指導意義。雖然存在成本和技術維護等挑戰，但這些技術的有效運用仍為青少年美育領域帶來了前所未有的機遇。隨著這些技術的不斷完善和發展，可以預見它們在未來藝術教育中將扮演越來越重要的角色。這些深入的案例分析不僅揭示了當前的實踐成果，同時也為下一階段的創新設計實踐提供了寶貴的洞見，指明了需要關注和解決的關鍵問題，為未來的藝術教育創新鋪設了道路。

圖8 人工智能、數字孿生技術功能對比圖

3 模型構建與創新設計——以美育場館為例

3.1 整合教育理論與數字創新——理論與實踐的橋梁

3.1.1 數字美育教育中的理論基礎

數字孿生和人工智能技術在美育教育中的融合是將認知發展和社會文化理論應用于現代教育背景的生動例證。這些技術創造了一個超越傳統界限的學習環境，允許學生在一個社會互動和文化豐富的虛擬空間中與藝術互動。這種技術的融合不僅改變了教育的形式，還為學生提供了全新的學習體驗。

1）認知發展理論：皮亞杰[17]的《教育科學與兒童心理學》中詳細闡述了認知發展階段理論。數字孿生技術在教育中的應用與這一理論高度契合，尤其是在促進具體操作和形式操作階段的應用上。學生通過與藝術作品的數字復制品互動，能夠培養抽象思維和邏輯推理能力。這種互動不僅促進了學生的認知發展，還為他們提供了深入理解藝術作品的機會。

2）社會文化理論：維果茨基[18]在《社會中的心智》中強調了社會互動和文化工具在學習過程中的重要性。這一理論在以人工智能為驅動的美育教育中得到了具體的應用實踐。人工智能技術使得學生能夠在虛擬環境中進行協作學習，從而促進了社會互動和文化理解的深化。這種協作學習體驗不僅豐富了學生的社會經驗，還加深了他們對藝術和文化的理解。

3）建構主義學習：建構主義學習理論強調學習是一個主動的、建構性的過程，其中學習者在與環境互動的過程中構建了自己的知識體系。在美育教育中，數字孿生和人工智能技術的應用與建構主義學習理論相呼應。這些技術提供了一個互動豐富的數字環境，使學生能夠通過探索和實踐來構建和深化他們對藝術的理解。這種學習方式不僅促進了學生的主動探索，還激發了他們對藝術的深層次興趣和理解。通過這樣的互動，學生們能夠更加深入地掌握藝術概念，發展個人的藝術感知和創造力。

正是這種理論與技術的結合，為進一步探索數字孿生在美育場館中的具體應用和模型構建提供了堅實的基礎。

3.2 數字孿生在美育場館中的模型構建與應用

3.2.1 數字孿生在教育環境中的引入

在深入理解了數字孿生和人工智能技術在美育教育中的理論基礎后，筆者轉向具體探討這些技術在美育場館中的模型構建與應用。數字孿生技術在教育領域，尤其是美育教育中的應用，標志著從傳統教學方法向更為動態、互動方式的轉變。這項技術通過在虛擬環境中動態復制物理實體，提供了以往無法實現的沉浸式學習體驗。核心在于創造一個實時、互動的物理世界鏡像，從而提供一個豐富的、數據驅動的教育景觀。

3.2.2 孿生場館的六維模型

孿生場館的六維模型，如Grieves和Vickers在《數字孿生：減輕復雜系統中不可預測、不希望出現的突發行為》中所述[19]，包括以下幾個部分（如圖9所示）。

1）物理場館：包括教育環境的有形方面，如基礎設施、物理文物和學習者本身。這是現實世界教育互動發生的基礎層。

2）虛擬場館：指物理場館的高保真數字復制品。這是一個動態的、互動的空間，學習者可以在其中與物理文物的數字副本進行互動。

3）場館服務：這部分包括在孿生場館中提供的教育和運營服務，涉及物理和虛擬兩個領域。服務內容覆蓋了行政管理功能、教育內容的有效傳遞，以及對學習者的全面支持服務。

4）孿生數據：數字孿生概念的核心，連接物理和虛擬場館。涉及實時數據的收集、處理和交換，使兩個領域之間的信息流動無縫。

5）前端展示：涉及用戶界面和可視化工具，以易于訪問、吸引人的方式呈現孿生數據。通過使復雜數據易于理解和互動，增強用戶互動并豐富學習體驗。

圖9 孿生場館的六維模型

6）連接：指支撐孿生場館的數字基礎設施。確保所有維度的無縫整合，促進物理和虛擬領域之間的數據流動和互動。

3.2.3 在美育教育中的應用

在美育教育領域，數字孿生模型革新了學習者與藝術之間的互動方式。例如，在博物館環境中，數字孿生使學生能夠在虛擬空間中探索并與歷史文物進行互動，提供對其歷史背景和藝術意義的深入見解。這種沉浸式體驗與建構主義學習理論相一致，強調通過體驗學習主動構建知識。它允許學習者以超越物理限制的方式與藝術互動，促進對文化遺產的更深層理解和欣賞。

數字孿生在美育教育中的應用還與 Vygotsky[5]的社會文化理論相符，該理論強調社會互動和文化工具在學習中的作用。通過創造一個學習者可以協作探索和討論藝術的虛擬空間，數字孿生促進了一個社會豐富的學習環境。這種方法得到了Gardner多元智能理論的進一步支持，特別是視覺空間和身體動覺智能，因為它允許學習者以多維和身體互動的方式與藝術互動[6]。

總之，數字孿生技術在美育教育中的整合提供了一種在教授和體驗藝術和文化遺產方面的范式轉變。它不僅通過沉浸式互動增強了學習體驗，而且與既定的教育理論相一致，從而豐富了美育教育中的教學方法。這種技術的融合不僅改變了教育的形式，還為學生提供了全新的學習體驗，為人們進一步探索數字孿生和人工智能技術在教育理論與實踐中的融合鋪平了道路。

3.3 數字孿生美育場館的架構設計與人工智能驅動的創新

3.3.1 數字孿生美育場館的架構設計

在探討了數字孿生技術在美育場館中的具體應用后，本章節將聚焦于這些技術如何與現代教育理論相結合，以及它們如何推動美育教育的創新和發展。筆者將從數字孿生美育場館的架構設計開始，深入分析人工智能在美育教育中的擴展作用和實際應用案例。在美育領域中，數字孿生技術的應用不僅僅局限于場館的數字化表達，更深入到場館的管理和評估[19]。借鑒現有數字孿生技術體系和在其他領域的應用架構，如數字孿生實驗室平臺的七層架構和數字孿生圖書館的五層架構，本研究根據“以服務和需求為導向、以數據為驅動力、以設施建設為基礎、以標準規范為支撐”的原則[19]，設計了適用于美育場館的數字孿生架構。該架構自下而上地被分為五個層級：空間基礎層、數據信息層、模型功能層、服務應用層和用戶交互層，其中數據信息層和模型功能層構成了孿生場館運行的核心，見圖10。

1）空間基礎層：包括美育場館內的藝術作品、基礎設施和空間環境等物理實體。利用高精度GPS和傳感器，如溫濕度傳感器和光照傳感器，收集環境數據，為智慧化管理和服務提供支持。

2）數據信息層：負責數據的高速傳輸、大容量存儲和高性能處理。例如，使用大數據技術和云存儲解決方案來存儲和處理來自物理和虛擬場館的數據。

3）模型功能層：在虛擬空間內構建各類模型，如藝術作品的三維模型、用戶畫像模型和個性化推薦模型。使用機器學習和深度學習算法來分析用戶行為和偏好，為場館服務和用戶體驗提供決策支持。

4）服務應用層：提供配置管理、運行監控、資源定位和用戶服務等功能。例如，利用物聯網技術實現場館設備的智能控制和監控，提升場館的運行效率。

5）用戶交互層：利用智能交互設備，例如AR/VR設備和觸摸屏，為不同類型的用戶提供定制化服務。又如，通過增強現實技術提供互動式藝術展覽，增強用戶的沉浸式體驗。

3.3.2 人工智能在美育教育中的擴展作用

人工智能在美育教育中的應用超越了傳統數據分析，進入創造個性化和沉浸式學習體驗的領域。

圖10 數字孿生美育場館的架構設計

3.3.3 案例研究和實際應用

在音樂創作中，人工智能算法可以分析和生成音樂，為學生提供關于作曲技巧和風格的見解。在視覺藝術中，通過人工智能算法分析藝術風格和技巧，為學習者提供對藝術歷史和設計原則更深入的理解。盡管人工智能在美育教育中具有變革性的潛力，但數據隱私、倫理考慮和維護數字表現的真實性等挑戰仍然重要。例如，數據隱私的問題涉及到能否確保用于個性化教育體驗的學習者數據能被安全和道德地處理。在藝術教育中維護數字表現的真實性對保持原始藝術作品的完整性至關重要。

綜上所述，數字孿生技術和人工智能在美育場館的應用，不僅提升了教育體驗的互動性和沉浸感，還為美育教育帶來了新的教學方法和學習體驗。通過這種技術的融合，能夠為學習者創造一個更加豐富、多元和互動的美育環境。在深入分析了數字孿生和人工智能技術在美育場館架構設計中的具體應用后，可以看到這些技術在美育教育中所帶來的范式轉變。這種轉變不僅解決了傳統美育教育方法的局限性，也為教育創新開辟了新途徑[20]。

1）美育教育中的范式轉變：當前美育教育面臨的挑戰，如文化藝術品的有限獲取和單一維度的學習體驗，正在通過數字創新得到克服。數字孿生和人工智能的沉浸式和互動性質允許學生在多維空間中更全面地理解藝術。

2）未來發展：這些技術的持續發展，受到教育理論和實際應用的指導，預示著對美育教育的變革性影響。隨著這些技術的演變，它們提供了更細致和復雜的教育工具的潛力，進一步增強了美育教育中的學習體驗。

3）青少年發展：整合數字孿生和人工智能技術在美育教育中的最終目標是青少年的全面發展。通過提供豐富、互動和個性化的學習體驗，這些技術有助于學生的認知、情感和社會發展，為他們在數字和文化素養交織的世界中生活做好準備。

歸根結底，數字孿生和人工智能技術在美育教育中的整合，基于確立的教育理論，代表了該領域的重大進步。這種整合不僅增強了學習體驗，而且與學生的認知和社會文化發展相一致，預示著美育教育新時代的到來。

4 結語

本研究全面探索了人工智能和數字孿生技術在青少年美育領域的應用，案例研究突出了這些技術在藝術教育中的應用潛力和挑戰，特別是它們在促進個性化學習和沉浸式體驗方面的作用。AI對藝術作品分析、個性化學習路徑設計，以及沉浸式數字藝術體驗的應用，展現了技術在美育中的創新潛力。盡管存在數據隱私、教育公平性等亟待解決的問題，但研究亦強調了在美育實踐中有效融合現代技術的重要性，并提出了未來研究方向，包括優化AI算法、確保技術應用的教育公平性，以及將技術融入傳統教育體系等。總體而言，本研究為理解和利用人工智能和數字孿生技術在美育中的角色提供了理論和實踐基礎，展望了這些技術為青少年藝術教育帶來的新機遇和挑戰。隨著技術的不斷進步，期待在未來看到更多創新的應用，為美育教育的發展開辟新的道路。

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Innovative Design of Artificial Intelligence Fused Digital Twin Based on Youth Aesthetic Education

LIN Jing1, ZHANG Chenchen2*, TAN Xin3

(1. Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 2. Sichuan Normal University, Chengdu 610101, China; 3. Southwest Minzu University, Chengdu 610041, China)

The work aims to provide an immersive, interactive, and personalized learning experience by examining the application of artificial intelligence and digital twin technology in youth aesthetic education and combines cognitive developmental theory and socio-cultural theory in order to optimize the effectiveness of aesthetic education. Firstly, the literature research method was used to sort out the theoretical connotation of artificial intelligence and digital twin technology and their theoretical connection with aesthetic education. Secondly, the case study method was used to summarize the typical application examples and application scenarios of digital twin and other technologies in the field of aesthetic education and design. Lastly, the modeling method was used to explore the system of youth aesthetic education empowered by digital twin technology, with an emphasis on the interaction between technology and education and the challenges of the application of technology in the actual educational environment. The integration of artificial intelligence and digital twin technology enhanced the aesthetic education experience for the youth, increased the immersion and interactivity of learning, and promoted the cognitive and emotional as well as social development of the youth by providing personalized learning paths. At the same time, these technologies harmonized with educational theories and brought a new paradigm to aesthetic education. The application of artificial intelligence and digital twin technology in the design of aesthetic education for the youth is of great contemporary significance. They not only break through the limitations of time and space to realize all-round aesthetic education design, but also effectively promote the digital upgrade of aesthetic education. In addition, these technologies provide a brand new experience of aesthetic education for the youth, which helps them to develop holistically in a world where digital and cultural literacy are intertwined.

aesthetic education; artificial intelligence; digital twin; innovative design

TB472

A

1001-3563(2024)04-0466-12

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.04.052

2023-09-20