元地球視域下“氣象災害學”數字孿生智慧課程體系構建

［摘 要］ 通過構筑“氣象災害學”數字孿生技術體系，設計基于元地球的線上線下融合學習空間模型，進一步探索數字孿生模式下“氣象災害學”課程線上線下多元融合的教學新模式。研究聚焦防災專業人才培養，融合數字化媒介系統，對接新型人才培養方案。同時，把握研究熱點和行業前沿，以靈活的教學方式，構筑多維融合學習空間，創新搭建“氣象災害學”課程數字孿生學習平臺，讓學生實現分時段、碎片化學習，提高教學有效性，有效拓展了基于數字孿生的線上線下多元型教學模式。

［關鍵詞］ 氣象災害學；元地球；數字孿生；智慧課程；教學模式

［基金項目］ 2022年度江西省高等學校教學改革研究課題“元地球視域下‘氣象災害學’數字孿生智慧課程體系構建與多元教學模式研究”（JXJG-22-6-15）；2022年度江西省研究生教學改革研究項目“基于螺旋理論的‘一核三鏈四平臺’研究生培養模式研究——以地球物理學專業為例”（JXYJG-2022-119）

［作者簡介］ 趙斐宇（1988—），男，甘肅武威人，博士，東華理工大學地球物理與測控技術學院講師，主要從事地球物理學專業方向的教學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）34-0053-04 ［收稿日期］ 2023-04-11

目前，隨著高新技術的發展，以人工智能、VR/AR/MR、云計算、區塊鏈、物聯網、5G、數字孿生等為代表的數字技術日漸成熟，且不斷與教學體系和課程建設融合應用，加速了高等教育數字化轉型的步伐［1-4］。數字化時代正在催生新的地球科學范式與相應的智慧課程體系以及多元教學模式。

“氣象災害學”是防災減災科學與工程專業的必修課。以元地球背景為契機，創新構建數字孿生智慧課程體系，不僅能夠達到有效教學的目的，更能夠為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理、災害精準預測等重大問題提供科學支撐。

元地球視域下，基于數字孿生的“氣象災害學”智慧課程體系是在教學大綱和培養方案規定的教學內容上，以Meta-Earth數字孿生服務器為依托，綜合應用語音識別、GPS、Wi-Fi及攝像頭等多模態移動終端數據采集系統，通過條碼鏈接、信息識別3D建模、行為分析和智能評價等技術手段，形成虛擬仿真、物理模擬、數值模擬、正演反演和綜合解譯為一體的多層次數據驅動。在此過程中，及時跟進教學反饋進行迭代交互優化，進一步構建出基于數字孿生的智慧課程系統化技術架構解決方案，如圖1所示。該模型以虛擬世界行為建模為載體，以“氣象災害學”課程專業知識技能訓練為核心，以學生創新創業能力培養為主線，將課程置于虛擬環境中讓學習者進行風、云、雷、電、雨等氣象現象的教學體驗，能夠讓學習者對氣象災害進行可視化、多視角、全景式以及沉浸式的學習體驗。

本文通過構筑“氣象災害學”數字孿生技術體系，設計基于元地球的線上線下融合學習空間模型，進一步探索數字孿生模式下“氣象災害學”課程線上線下多元融合的教學新模式。本研究的實施能夠彌補傳統教學過程中知識點抽象難懂的不足，打造沉浸式學習體驗，提供智慧化學習支持；能夠釋放教師“教”與學生“學”的主觀能動性，構筑多維融合學習空間，搭建共享式學習平臺；能夠虛實結合滿足學習者個性化發展需求，對接新型人才培養方案，拓展多元型教學模式。

一、構筑“氣象災害學”數字孿生技術體系

“氣象災害學”數字孿生技術的實現依賴于當前氣象大數據和模擬技術的發展與應用，按照數據采集、仿真建模、功能設計、結果呈現等功能，可分為平臺層、數據層、模型層、服務層、分析層以及應用層。各功能層之間有機融合、緊密銜接，每一層功能的實現均是基于前一層基礎上的持續拓展，并不斷完善和豐富各項功能。

二、設計基于數字孿生的線上線下融合學習空間模型

本研究以“元地球與數字孿生”的基本內涵為基礎，深度融合線上線下學習空間的本質特征，結合學習空間結構的主要要素，設計了“元地球與數字孿生”背景下“氣象災害學”線上線下融合學習空間模型。該模型從學習場所、學習客體、認識主體和他者之間的關系為切入點，明確了實現溝通各要素之間的技術支持路徑與特征匹配關系，設計了各要素的主要內容。

（一）學習空間模型設計原則

基于“元地球與數字孿生”的學習空間模型設計遵循整體性、智能性、探究性以及融合性原則。在設計“氣象災害學”學習空間模式時，需要充分考慮不同學習者的學習需求。同時，本研究所設計的數字孿生智慧學習空間能夠提供虛擬平臺與靈活多樣的多功能接口，使學習者實現氣象災害虛擬環境下的沉浸式體驗，進而實現與其他學習空間和學習工具的動態連接與融合。

（二）線上線下融合學習空間模型設計

“元地球與數字孿生”視域下，本研究所設計的線上線下融合學習空間主要包含三個層面：首先是實體物理空間，該空間主要由學習過程中的實體場所決定。氣象災害實體物理空間中的各類主體需要與學習同伴開展同步或異步的跨時空、跨結構的正式或非正式學習。其次是元地球空間，該空間主要由學習過程中的虛擬場所決定。根據元地球空間所處結構的特性、現實條件以及實際需求，學習者需要選擇沉浸式交互設備或全媒體訪問設備作為技術中介。全媒體訪問設備包括電腦、平板、智能手機、增強現實（AR）眼鏡等，而沉浸式交互設備則更適用于在同步學習時全程使用。最后還包括混合現實空間，該空間主要由MR技術對實體物理空間和元地球空間的銜接所構成。混合現實空間作為一種中介存在來支撐虛實融通的結構化條件。來自元地球空間的虛擬學習者能夠突破學習空間的限制，跨越學習空間參與到實體物理空間中，學習同伴針對氣象災害致災因子和孕災環境以及防災減災等方面的頭腦風暴、協作實驗和自然探索的學習活動，還可以跨界訪問他們的全媒體設備及沉浸式交互設備。

（三）空間模型與理論教學深度融合

“氣象災害學”的一個重要研究內容就是探明地球空間各圈層的運動形態，并識別出特殊的天氣情況。在以往的教學中，采用截取多個衛星云圖的方式來顯示多尺度的天氣對流情況，學生根據一系列圖片，通過想象建立對三維空間的整體認知，這種方式不夠具體直觀。借助線上線下融合學習空間模型，可以對多尺度空間氣象進行建模，讓學生與三維空間發生交互，自主尋找角度和方向，直觀地識別出云層氣象現象。通過空間模型與理論教學進行深度融合，能夠將課程抽象概念進行可視化闡釋、物理模擬進行多視角展示、三維空間進行全景式觀察，進行氣象災害過程虛擬情境的沉浸式體驗。

三、構建基于學習空間模型的多元融合教學模式

基于“元地球與數字孿生”的線上線下融合學習空間的最大特點是學習者能夠進行全場景、多結構的相互融通。為了滿足不同學習者對實體物理空間、元地球空間及混合現實空間等學習空間的應用期待，本研究設計了基于線上線下融合學習空間模型的“氣象災害學”基本教學模式。

（一）多元化教學組織

由于線上線下融合教學包含混合學習和混成學習模式，其組織形式與教學模式也可能是極其多元的。首先，在課前和課后階段，個體學習者可以在元地球空間及混合現實空間等虛實融通的學習空間中開展針對性的同步合作探究。學習者通過技術中介跨越不同學習空間進入元地球空間或混合現實空間中，以“集中—不定序”的形式進行個體學習。而教師則可以憑借過程性跨界數據予以學習者全過程學習狀態的追蹤與評估。其次，在課中學習階段采用“集中—同步”與“分散—同步”兩種組織形式，在課前與課后學習階段則采取“多元—不定序”的形式，形成自組織的復合結構。最后，課后學習的實施則融合實體物理學習空間和數字孿生智慧學習空間，跨越學習空間進行多方式學習。學習者在完成學習重點和難點的解決方案后，需要將學習方案、作品或者其他學習成果上傳至數字孿生智慧學習空間的展示平臺，邀請其他學習者、實體教師與虛擬教師共同進行學習效果評價，并提出改進建議。

（二）融合式教學模式

在線上線下融合教學活動中，受不同學習者的認知能力差異化影響，教學活動的組織結構以及學習空間都是多元化的。在此條件下，教師為實現學習者基礎學習目標或高于基礎目標的多樣化、個性化發展，所設計的教學目標應該著重考慮從學習者統一的基礎知識技能掌握轉向高階思維能力培養為主。

課前階段，學習者借助數字孿生平臺開展“氣象災害學”課程內容的自主探究、合作學習以及社群共創等學習活動。在此教學過程中，實體教師或虛擬的人工智能教師精準定位學習者學習過程，并可隨時、隨地為學習者提供導向性干預，糾正其學習過程中錯誤的探究方向與片面的感性認知。課中階段，學習者對課程主要知識點進行梳理，明確存在的問題，并運用線上線下融合學習空間向教師和其他學習者展示問題的解決方案與設計思路。課后階段，由于線上線下融合學習空間具有虛實融通與無邊界的特點，各學習者可運用多種技術中介進行聯動，既可以將虛擬的或真實的氣象災害場景以混合現實或虛擬現實的形式與他人共享，也可以參與到他者提供的氣象災害發生過程以及孕災環境的場景中，并由此逐步增強“氣象災害學”課程特定知識的遷移與轉化能力。最后，依據教學效果和學習者反饋持續優化提升教學方案和資源。

（三）拓展型教學策略

“元地球與數字孿生”視域下的線上線下融合學習空間，為教師和學習者提供了開放共建的無邊界學習空間、動態更新的學習資源、虛擬仿真的學習場景以及智能化的教學效果評估工具。因此，在“氣象災害學”線上線下融合學習空間的實際教學過程中，授課教師要靈活運用多種教學形式，組織有意義、規模化、個性化的師生交互活動；要充分利用電腦、平板、智能手機、增強現實（AR）眼鏡等智能工具，開展精準的、差異化的教學工作以及實時的學習監督與動態的教學管理；要鼓勵學習者基于實體教師與虛擬教師的導向性建議在課前和課后等學習階段自主開展個性化學習。

四、教學評價方式

在“元地球與數字孿生”智慧課程教學環境下，實體教師與虛擬教師可以通過與學習者線上隨時的交互活動，由數字孿生教學系統基于學習者學習情況的大數據分析自動實現對學習者的個體評價。“氣象災害學”的教學評價機制是師生之間的雙向評價，除了教師可以對學習者進行動態考評，學習者也可以及時對教師的教學效果進行追蹤反饋，以便教師可以清楚地了解不同學習者對“氣象災害學”課程知識的掌握程度及理解能力。基于數字孿生的線上線下融合學習空間模型特點，本次研究設計了包括教學體驗用戶界面評價、可用性評價以及交互設計評價等三方面評價體系。

（一）教學體驗的用戶界面評價

用戶界面是“氣象災害學”數字孿生系統教學場景的用戶接口，對其評價應綜合考慮信息顯示、菜單設置、地理位置、進度存取、操作、輸入、視野、定制性等因素。

（二）教學體驗的可用性評價

可用性主要考慮“氣象災害學”智慧課程教學體驗在達成教學目標時的可重復性、可預期性、可識別性及一致性等因素。

（三）教學體驗的交互設計評價

交互設計評價主要考慮學習者在學習過程中的使用環境、體驗感、情境劇情設定是否貼合教學大綱、教學目標等因素。

結語

本研究突破“氣象災害學”數字孿生技術瓶頸，以課程主要知識點為主線，在元地球視域下有效構筑“氣象災害學”數字孿生平臺。本研究實施能夠達到如下目標：（1）優化和更新教學內容，整合多種數字資源，打造沉浸式學習體驗。創新構建與課程內容相對應的教學模型，提供智慧化學習支持，讓學生掌握傳統課堂無法理解的知識細節，將理論知識內化為實踐能力。（2）實現靈活的教學方式，把握研究熱點和行業前沿，構筑多維融合學習空間。創新搭建“氣象災害學”數字孿生學習平臺，讓學生實現分時段、碎片化學習，提高教學有效性。（3）聚焦防災專業人才培養，融合數字化媒介系統，對接新型人才培養方案。創新拓展基于數字孿生的線上線下多元型教學模式。

參考文獻

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Construction of Digital Twin Wisdom Curriculum System of “Meteorological Disaster Science” from the Perspective of Meta-Earth

ZHAO Fei-yu， ZHANG Hua， SHENG Shu-zhong

（School of Geophysics and Measurement-Control Technology， East China University of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China）

Abstract： By constructing the digital twin technology system of “meteorological disaster science” and designing the online and offline integrated learning space model based on “meta-earth”， this study further explores the new teaching mode of online and offline integration of “meteorological disaster science” under the digital twin mode. This study focuses on the training of disaster prevention professionals， integrates digital media systems， and docks with new talent training programs. At the same time， this study grasps the research hotspots and industry frontiers， constructs a multi-dimensional integrated learning space with flexible teaching methods， innovatively builds a digital twin learning platform of “meteorological disaster science”， so that students can achieve time-sharing and fragmented learning， improve the effectiveness of teaching， and effectively expand the online and offline multiple teaching mode based on “digital twin”.

Key words： Meteorological Disaster Science; meta-earth; digital twin; wisdom curriculum; teaching mode