張艷麗 袁 磊 王以寧 張 海 譚姣連

（1.東北師范大學 信息科學與技術學院，吉林長春 130117；2.佳木斯大學 教育科學學院，黑龍江佳木斯 154007；3.廣西師范大學 教育學部，廣西桂林 541004；4.東北師范大學 傳媒科學學院，吉林長春 130117）

數(shù)字孿生被視為工業(yè)數(shù)字化時代提高生產(chǎn)力的主要工具，是與工業(yè)4.0 浪潮相關的主要概念之一。全息技術則是利用干涉和衍射原理完成拍攝和成像，最終呈現(xiàn)一幅立體感強、具有真實視覺效應圖像的技術。數(shù)字孿生與全息技術的融合，有望彌補互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術在聽覺、觸覺與真實再現(xiàn)等方面的不足，變革人類的工作、生活與學習形態(tài)。比如，生產(chǎn)全要素的模擬與監(jiān)控、不耗實物的多維“感覺”美妝體驗、孿生體的健康實時監(jiān)測與精準醫(yī)療、多模態(tài)交通的有序運轉(zhuǎn)以及普智教育的多人遠程實時交互等[1]。而在未來學習場域中，虛擬空間將走向全感官學習體驗、全方位學習過程監(jiān)控、超精準學習績效預測、師生與生生之間的全息信息交互，進而為學生提供智能、精準、高效的學習服務與學習體驗。

基于對文獻的梳理發(fā)現(xiàn)，已有研究初步探索了數(shù)字孿生在教育領域的應用[2]，構建了數(shù)字孿生融入的高校創(chuàng)客空間框架[3]，探討了數(shù)字孿生在工程教育中的優(yōu)勢和障礙。普遍認為數(shù)字孿生能夠有效提升學生的學習動力，增強其學習責任感，促進專業(yè)知識發(fā)展，改善學習效果[4]。可見，數(shù)字孿生的應用研究已經(jīng)不再聚焦于工業(yè)領域，正逐漸向教育領域擴散。那么，數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習又有何內(nèi)涵？是何圖景？場域如何?基于此，我們在分析數(shù)字孿生和全息技術基本內(nèi)涵的基礎上，從二者融合的視角出發(fā)，探討未來學習的內(nèi)涵、圖景與場域，深度剖析未來學習的基本形態(tài)與應用場域，以期為今后開展數(shù)字孿生、全息技術的相關研究與實踐，提供一些參考。

一、數(shù)字孿生與全息技術概述

（一）數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生（Digital Twin）是信息化高度發(fā)展的產(chǎn)物，它將成為人類重新認識、診斷與監(jiān)測物理世界的重要工具。數(shù)字孿生的概念可以追溯到Grieves[5]2002年在密歇根大學產(chǎn)品生命周期管理（PLM）中心成立儀式上，向工業(yè)界演講時所展示的“PLM 概念設想”。通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，已有研究并沒有對數(shù)字孿生給出一個公認的定義，相關定義的范圍、詳細程度和技術重點各不相同。其中，最早將數(shù)字孿生用于太空探索任務的美國國家航天航空局（NASA），將數(shù)字孿生[6]定義為“一個整合多物理、多尺度、概率模擬的飛行器或系統(tǒng)，通過物理模型、傳感器、飛行歷史等反映其飛行孿生生活，從而實現(xiàn)產(chǎn)品物理空間和虛擬空間的融合”[7]?！癓NS 研究”[8]則認為，數(shù)字孿生是一個可執(zhí)行的物理事物或系統(tǒng)虛擬模型。

（二）全息技術的概念

全息技術由丹尼斯·伽柏（Dennis Gabor）[9]于1948年提出，旨在解決電子透鏡球差對電子顯微鏡分辨率限制的新微觀原理問題，該原理是一種用于記錄和波前重現(xiàn)的振幅和相位的方法。全息技術利用其高度相干性與高強度特性的激光，得到了進一步的發(fā)展，其中，Leith 和Upatnieks 利用連續(xù)波激光，解決了原始圖像與共軛圖像分不開、光源相干性太差等問題，為全息技術創(chuàng)造了巨大的應用空間。

（三）數(shù)字孿生與全息技術的關系

從數(shù)字孿生和全息技術特點、功能、應用場景三個維度來看，二者既有關聯(lián)，又有差異，如表1所示。

1.數(shù)字孿生與全息技術的關聯(lián)性

（1）連接物理世界與虛擬世界的端口。數(shù)字孿生與全息技術可以將物理世界的實體元素與過程，進行數(shù)字化處理，在幫助人們感受現(xiàn)實世界的同時，可以使人們體驗帶有裸眼3D 效果般的虛擬世界，實現(xiàn)物理世界與虛擬世界的無縫連接，開啟虛實連接之門，進而使兩個世界中的人和物，發(fā)生實時的虛實交互。比如，人們通過物聯(lián)網(wǎng)溫度計測量物理電動機的溫度變化，將測量值返回虛擬環(huán)境；通過虛擬過程確定物理和虛擬電動機之間的溫差，更新虛擬電動機，以使兩個度量值保持一致[10]，從而實現(xiàn)了物理世界與虛擬世界的完美連接。

（2）視覺體驗具有相似性。數(shù)字孿生與全息技術可以創(chuàng)建任何事物的虛擬復制品，為人們提供三維立體的沉浸式視覺體驗，其所呈現(xiàn)的虛擬影像具有高仿真、高精度、高分辨率等特點，與物理世界中人與物的形態(tài)、特征、行為等高度匹配。比如，將數(shù)字孿生與全息技術用于解剖訓練，學生能夠直接觀察全視差、自動立體的三維解剖圖像[11]，有助于增強學生對復雜的空間解剖學和動態(tài)生理過程的理解。

表1 數(shù)字孿生與全息技術的關聯(lián)性和差異性

（3）應用場景中具有互補性。數(shù)字孿生與全息技術基于其自身特點，能夠在不同的場景中為人們提供服務，但有些場景需要兩種技術的相互融合、相互支撐，才能為人們提供適切、高效的服務體驗。如，數(shù)字孿生與全息技術相互融合共同支持的老年人云醫(yī)療服務[12]，能夠為老年人提供形象生動、實時準確的危機預警，并成為健康監(jiān)測、疾病診斷、遠程醫(yī)療的有效輔助手段；物理和虛擬雙重視角的數(shù)字孿生車間[13]，與呈現(xiàn)可視化設備內(nèi)部結構的全息技術相融合，可實現(xiàn)虛實車間生產(chǎn)與管控的優(yōu)化；全息導航、全息墻與數(shù)字孿生交通的組合，促使司機和行人遵守人行橫道規(guī)則，減少交通事故的發(fā)生。

2.數(shù)字孿生與全息技術的差異性

（1）實現(xiàn)方式不同。數(shù)字孿生以“建模、仿真、數(shù)字主線” 為基礎核心技術，以MBSE 為頂層框架技術，以物聯(lián)網(wǎng)為底層伴生技術，以大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等為外圍使能技術，強調(diào)數(shù)據(jù)的精確度。全息技術則利用干涉與衍射原理，通過全息膜/空氣等全息投影介質(zhì)實現(xiàn)物體三維圖像的記錄與再現(xiàn)。

（2）功能上的差異。全息技術一直致力于立體影像的還原，能夠重現(xiàn)現(xiàn)實世界中的人與物，在人民幣、護照、駕照、商品防偽中廣泛應用。數(shù)字孿生技術則在“數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸，機理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型設計，模擬與仿真，狀態(tài)實時監(jiān)控與描述，已有問題的評估與診斷”等方面，具有較大的應用空間。

（3）側重點的區(qū)別。全息技術側重于三維信息存儲，具備存儲容量大、可分割性等特點，全息圖中的任一碎片均可還原完整的影像；數(shù)字孿生則側重于智能化、實時化、感知水平，可實現(xiàn)智能操控與干預。

由此可見，數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習，將是物理空間與虛擬空間深度融合、虛實共生的學習，物理空間中的教師、學習資源、學習環(huán)境、學生特性，將精準映射到虛擬空間的全息教師與孿生教師、全息資源與孿生資源、全息環(huán)境與孿生環(huán)境以及全息學生與孿生學生之上，具體如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習空間

物理空間中的教師與學生、教師與學習資源、教師與學習環(huán)境、教師與教師、學生與學生、學生與學習資源、學生與學習環(huán)境、學習資源與學習環(huán)境等相互作用的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、派生數(shù)據(jù)，將向虛擬空間源源不斷地傳輸，虛擬空間再將真實的狀態(tài)描述與預測信息反饋到物理空間。這些信息將被用于管理物理世界的日常教與學，幫助學生更好地了解自己，協(xié)助教師全面把握學生當前狀態(tài)，為協(xié)調(diào)智能化學習評價與學習管理決策提供有效參考，從而有利于提升學生的學習效率，促進其全面發(fā)展。

二、數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習內(nèi)涵

數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習將以學生為中心，以數(shù)字孿生與全息技術為載體，在虛實映射的學習場所中，借助透視化、精準映射的學習內(nèi)容，以自然交互的互動方式以及全面多維的學習評價，不斷增強學生的知識與技能，提升學生個體和整體的學習質(zhì)量，為學生提供“虛實共生、具身體驗”的學習體驗[14]。隨著數(shù)字孿生與全息技術的不斷融合，將促進學習場所形態(tài)、學習內(nèi)容呈現(xiàn)方式、師生交互形式以及學習評價方式等發(fā)生演變（見圖2），讓學生有更多的機會參與到深層次、有意義的學習中，有利于學習者進行新知識的建構、新舊知識的融合以及知識的遷移[15]，進而激發(fā)其深度學習的發(fā)生。

圖2 技術與學習場所演變圖

（一）學習場所形態(tài)的演變

現(xiàn)實的物理空間是人類賴以生活、工作與學習的場所，但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，人們能夠在虛擬空間中獲得更多的機會，進而導致學習場所也從物理空間向虛擬空間延伸。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的引入，學習場所逐漸由相對獨立、平行運行[16]的物理空間與虛擬空間，轉(zhuǎn)向人機并行的虛實交互空間。數(shù)字孿生[17]作為物理實體的虛擬表示形式，是一個反映物理孿生狀態(tài)的“數(shù)字影子”。數(shù)字孿生與全息技術的融合，將構建一個與物理實體空間等同的虛擬空間，即產(chǎn)生一個虛實映射的空間，通過實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、派生數(shù)據(jù)的相互聯(lián)結與同步，對學生學習、練習、實踐等產(chǎn)生重要影響。

（二）學習內(nèi)容呈現(xiàn)方式的演變

隨著多媒體技術的發(fā)展，學生將接觸到更多的口頭敘述文字、照片或插圖、動畫、視頻等，直觀、形象的多媒體資源[18]，豐富的視覺效果[19]，有助于增強學生對知識的理解力?；ヂ?lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了從傳統(tǒng)課程到在線課程高級形態(tài)的嬗變[20]，“人工智能+5R”技術打造的沉浸式學習環(huán)境，帶給學生從二維平面延伸到三維全景的全新視覺體驗。數(shù)字孿生與全息技術融合的學習內(nèi)容，將以高逼真、透視化[21]、精準映射的形式再現(xiàn)物理世界中的人與物。學生在實時觀測事物內(nèi)部實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)的同時，還可與教師進行互動，提升學習舒適感與獲得感。比如，教師借助數(shù)字孿生與全息技術將《清明上河圖》“搬到”課堂上，再現(xiàn)孫羊店老板、店小二、琵琶女等的日常生活，使學生可以近距離感受北宋生活，了解汴梁，深刻理解《清明上河圖》的寓意。

（三）師生交互形式的演變

傳統(tǒng)課堂教學大多采用“提問—回答”、“討論—點評”以及“練習—指導”等面對面的雙向師生交互方式，同時借助社交網(wǎng)絡的文本、圖片、音視頻等功能，實現(xiàn)非面對面的師生同步/異步互動[22]，以增加師生互動的頻率與途徑。但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術的引入，促使師生的交互空間、內(nèi)容、方式等發(fā)生重大變化，教師、學生、智能機器[23]共存于物理空間與虛擬空間，將成為一種新常態(tài)?！敖處煛悄軝C器”“學生—智能機器”的人機交互與“教師—學生”的面對面交互相輔相成，有助于提高學生的學習效果。而數(shù)字孿生與全息技術打通了物理世界與虛擬世界的通道，為學生營造出一個三維立體、不受時空阻礙的學習環(huán)境[24]。自然交互、虛實共生的互動方式與具身體驗，有助于擴展師生交互的廣度、深度與效度，促進學生學習情感的投入，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及團隊協(xié)作的能力。

（四）學習評價方式的演變

共性化評價以一張涵蓋所學知識點的標準化試卷與標準答案，來評判學生的成就，實現(xiàn)了對學生學習過程的監(jiān)控[25]。但隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，學習評價的內(nèi)容、范圍、主體以及方式，將逐漸從單一化轉(zhuǎn)向多元化[26]。尤其是人工智能與大數(shù)據(jù)技術的興起，為學生提供了高層次認知能力與非認知能力的精準評價方式[27]，實現(xiàn)了學習評價與學習體驗的有效融合，從而更具針對性地反映了學生個體的動態(tài)表現(xiàn)。未來，數(shù)字孿生與全息技術融合的學習評價，將是全面分析與預測、多維度反饋相結合的全面多維式的全新評價方式，能夠最大限度地提升學習效果。

三、數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習圖景

數(shù)字孿生與全息技術的融合，弱化了物理空間與虛擬空間的區(qū)別，實現(xiàn)了物理空間到虛實映射空間、多媒體表征到精準映射、面對面交互到自然交互、共性化評價到全面多維評價的演變。數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習，不僅能夠激發(fā)學生的學習動機、調(diào)動學生的參與度；還能促進學生學習方式轉(zhuǎn)變、學習內(nèi)容創(chuàng)新、學習目標達成、學習效果提升等。我們認為，數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習圖景，主要體現(xiàn)在八個方面：

（一）事物的自我數(shù)字映像

數(shù)字孿生與全息技術具有可復制、可放大、可縮小、可修改、可組裝、可刪除、可遷移、可反復操作等特性，能夠促使物理空間中事物的全要素虛擬化與可視化。在虛擬空間中，每個人與物都擁有一到多個數(shù)字映像。虛擬空間不僅在外觀上重現(xiàn)物理空間的人與物，還可以實現(xiàn)行為的高度仿真，實現(xiàn)物理世界到虛擬世界的精準映射。比如，微軟高管Julia White與她的等比全息圖同臺亮相，便是一場跨時空、跨語言的虛實映射演講。

（二）知識點的動態(tài)呈現(xiàn)

數(shù)字孿生與全息技術融合下的知識點動態(tài)呈現(xiàn)，可以從兩個層面來理解：第一，以三維立體、生動形象的方式，揭示事物的變化過程與內(nèi)部相互作用；第二，根據(jù)學生年齡、性別、先驗知識、空間能力、學習風格、學習偏好、歷史學習行為等信息，為學生動態(tài)匹配符合其個性特征的知識點呈現(xiàn)方式。例如，針對視覺偏好者與聽覺偏好者，分別動態(tài)呈現(xiàn)與之學習偏好相適應的視覺文本/靜態(tài)圖像/動態(tài)圖像或聽覺文本，使學生可以選擇自己所喜歡的呈現(xiàn)方式進行學習，有助于提升其學習效果。

（三）學習要素的全程交互

交互程度是衡量學習質(zhì)量的有效標尺，數(shù)字孿生與全息技術能夠?qū)⒅悄芙K端變成隨身攜帶的 “移動課堂”，為學習的師生交互、師生與資源的交互以及師生與環(huán)境的交互等，提供“現(xiàn)場版”科學實驗的演示與指導、“面對面”的小組討論與圓桌會議、教師的“全程在場”等。這些場景不僅具有強大的臨場感，能夠為學生提供“真實課堂”般的感受，還能提升學生的參與度與注意力，促進有效學習的發(fā)生。

（四）虛實共生的課堂環(huán)境

數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來課堂，作為虛實共生的和諧新型課堂[28]，將進一步聚焦學生的全面發(fā)展，對學生的知識與技能掌握、人機互動、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、如何更好地合作以及如何更深入地看待世界等方面，產(chǎn)生了深遠影響。數(shù)字孿生與全息技術融合的三維教室將打破傳統(tǒng)教學的時空限制，營造一種實時、高效與別致的師生互動情境。例如，借助5G 技術，一堂穿越福州、長沙，以甲骨文為主題的英語公開課，能夠使學生感受虛實共生課堂中清晰流暢的實時互動與無障礙交流。

（五）量身定制的課程內(nèi)容

認知能力與認知風格是個體差異的重要變量[29]，也是影響學習發(fā)生的重要因素。每個學生都是唯一、獨特的個體，統(tǒng)一的培養(yǎng)模式在大規(guī)模培養(yǎng)人才的同時，可能會抹殺學生的創(chuàng)造力，導致學生習得的技能與認知能力低于應有水平。而數(shù)字孿生與全息技術的融合，將充分發(fā)揮實時學習狀態(tài)監(jiān)控的優(yōu)勢，基于學生的先驗知識、技能、情感、態(tài)度、注意力、記憶力等個體差異，為其提供符合學生認知風格、學習興趣、學習動機、學習偏好的版塊式課程內(nèi)容，真正實現(xiàn)學習方式與學習內(nèi)容的個性化。

（六）全域感知的學習空間

數(shù)字孿生與全息技術通過傳感器與智能終端所獲得海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了學習空間的全域感知。這為學生提供了精確的學習預警，能夠快速診斷學生學習過程中存在的問題，提供最佳學習路徑，打破了以往學生學習與機器記錄、診斷割裂[30]的尷尬局面，實現(xiàn)學習活動中學習診斷與學習策略的無縫銜接。同時，能夠降低學生的認知負荷，促進知識遷移，最大限度地激發(fā)每個學生的學習潛能，加快教育的內(nèi)涵式發(fā)展。

（七）支持移動計算的終端設備

移動計算使用語音識別、面部識別、自然語言處理、計算機視覺和圖形、機器學習、增強現(xiàn)實、計劃和決策等技術，來增強人們的認知能力[31]。改變學習領域中的學習方式與交互方式，可為物理世界與虛擬世界的深度融合奠定基礎。學生借助學習設備的移動計算功能，可以在任何時間、任何地點獲取所需的工具，從而與教師、環(huán)境、資源、終端等發(fā)生自然交互，以隨時隨地開展學習。

（八）真實有效的具身體驗

具身體驗是人們通過身體手勢、動作、言語等行為方式，與物理空間、虛擬空間發(fā)生交互，并從中獲得交流感覺、價值、意圖與存在意義的過程。學生通過觀看、操作以及感受與這些體驗相關的感知線索，來獲得具身體驗[32]。比如，在開展“植物種植”綜合實踐活動課程時，數(shù)字孿生與全息技術可為學生打造一個“真實”的果蔬園，學生可以直接體驗從種植到結果的植物成長全過程，還能進行澆水、除草、殺蟲等植物管理工作，觸發(fā)具身認知與學習。這種具身體驗有助于學生對植物成長的理解，促進學生情節(jié)記憶、程序記憶、語義記憶以及情緒記憶[33]的獲取。

四、數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習場域

隨著技術革新、社會發(fā)展，學習形態(tài)也在不斷更新。以社會形態(tài)、教育時代為劃分依據(jù)，學習形態(tài)的演進過程，可以分為學習目標、學習形式、學習內(nèi)容、學習空間、組織形式、信息載體等部分（見圖3）。

圖3 學習表征形態(tài)的演進

早在原始社會，教育1.0 時代就產(chǎn)生了學習萌芽，教育方式主要依靠家庭與社會環(huán)境的言傳身教。到了農(nóng)業(yè)社會，進入教育2.0 時代，以官學、私塾的面授與學生的自主學習為主要學習形式。工業(yè)社會迎來教育3.0 時代，出現(xiàn)了學校與教輔機構等多種形式。如今步入信息社會的教育4.0 時代，隨著數(shù)字孿生與全息技術的不斷融入，將孕育全新的學習形態(tài)，即以“數(shù)字孿生+全息技術”為主要載體，以自適應學習為主要形式，在虛實共生的學習空間中開展量身定制的個性化學習，這將為教師、學生、學習資源、學習環(huán)境、學習評價與學習管理等學習要素，提供全方位的支持（見圖4）。具體而言，體現(xiàn)在：

（1）教師、學生、學習環(huán)境、學習資源既是未來學習的核心要素，也是數(shù)字孿生架構中物理層的實體。在未來學習場域下，通過傳感器采集物理世界中教師、學生、學習資源、學習環(huán)境等實體數(shù)據(jù)，并實時傳遞到模擬現(xiàn)實世界過程和狀態(tài)的教師模型、學生模型、學習資源模型以及學習環(huán)境模型中，從而實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的連接，二者相互促進、互聯(lián)互通。（2）通過孿生教師、孿生學生、孿生資源、孿生環(huán)境等虛擬對象可進一步觀測教師、學生、學習資源、學習環(huán)境等物理實體的當前狀況，對孿生學生、孿生資源、孿生環(huán)境的數(shù)據(jù)進行實時分析，可以幫助教師更全面地了解學生在學習過程中遇到的問題。（3）虛擬世界結合已有學生的生理數(shù)據(jù)、情感數(shù)據(jù)、課程學習等歷史數(shù)據(jù)的分析給出初步診斷，并預測學生當前狀態(tài)可能帶來的后果，教師再將虛擬世界的反饋與實際經(jīng)驗相結合，給予學生最有力的反饋與支持。（4）全息技術支持的全息教師、全息學生、全息資源、全息環(huán)境，與數(shù)字孿生技術支持的孿生教師、孿生學生、孿生資源與孿生環(huán)境，將為未來學習注入新鮮血液，這些虛擬空間的“虛擬體”將與物理空間的教師、學生、學習資源、學習環(huán)境密切配合與同步發(fā)展，最終實現(xiàn)學習評價與學習管理的最優(yōu)化。

圖4 數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習場域

（一）三維并存的未來教師

1.助力教師變身專家，由“教書”走向“育人”

數(shù)字孿生與全息技術作為教學的輔助工具，能夠以“真實在場”的方式，幫助教師完成基本知識與技能的傳授，緩解重復與機械工作帶給教師的壓力，同時激發(fā)學生的學習投入。教師肩負著教書育人的責任與使命，但技術并不能完全取代教師[34]，而是為教師爭取更多的時間投入到“育人”的教學活動中，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀與價值觀。

2.優(yōu)質(zhì)師資共享，促進學生全面發(fā)展

教師是整個學習過程的引導者、協(xié)作者，已有研究表明，教師經(jīng)驗與學生考試成績存在顯著正相關[35]。未來，數(shù)字孿生與全息技術可以把遠端知名專家、學者、名師“請到”課堂中，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)師資的開放共享，其深厚的文化底蘊與專業(yè)素養(yǎng)，將對學生產(chǎn)生深遠影響，同時進一步豐富了學生的學習體驗，可促進學生的全面發(fā)展。

3.塑造“完美教師”，讓三維教師巧配合

數(shù)字孿生與全息技術可以將優(yōu)秀專家、學者、名師的經(jīng)驗保存、修改與轉(zhuǎn)移，亦可塑造一個融合眾多優(yōu)秀教師經(jīng)驗的數(shù)字化“完美教師”。比如，教師在講解《端午粽》時，可以與“完美教師”討論授課方案，同時將“全息外婆”請進課堂，為學生展示粽子的制作流程；此外，“屈原”的全息影像也將為學生講述他的親身經(jīng)歷，幫助學生深入理解端午節(jié)的歷史與文化，培養(yǎng)學生整合學科知識的問題解決能力和科學探究精神[36]，最終實現(xiàn)“五育并舉”的育人目標。

（二）“假”學習過渡到“真”學習的未來學生

1.新型的學習共同體，引發(fā)“真”學習

根據(jù)學生的學習興趣與認知風格組建學生—學生、學生—教師、學生—全息教師、學生—孿生教師的新型學習共同體，進一步促使學習有效發(fā)生，改變以往“課堂背誦記憶知識，考試全靠刷題，課程一結束，學習就隨之結束”的“假”學習現(xiàn)象。

2.呈現(xiàn)新環(huán)境，創(chuàng)建有意義的學習經(jīng)驗

經(jīng)驗是學習和發(fā)展的源泉，在數(shù)字孿生與全息技術呈現(xiàn)的學習環(huán)境中，學生將獲得更多的實踐機會，有助于激發(fā)其學習熱情、提升學習投入度與實踐動手能力，從而在學習與實踐中獲得解決真實問題的學習經(jīng)驗。比如，學生在學習沸點與氣壓關系時，教師運用數(shù)字孿生與全息技術為學生呈現(xiàn)1∶1 的實驗臺與實驗器材，學生通過點觸的“在場”操作方式，將冷水澆在已停止沸騰的燒瓶上，觀看新一輪沸騰的實驗現(xiàn)象，幫助其更好地理解沸點與氣壓的關系。

（三）盡顯細節(jié)的未來學習資源

數(shù)字孿生與全息技術不需要復雜的頭盔，就能使人們欣賞逼真的三維影像，并將事物的不同部分以可視化、透明化的方式進行呈現(xiàn)，堪稱物理世界的精確復制品。比如，在解剖課上，借助數(shù)字孿生與全息技術展示的視神經(jīng)解剖結構，如同浮在學生面前的實體一般，視神經(jīng)、視交叉、視束、外側膝狀體、視放射等部位均清晰可見；學生可以任意縮放、旋轉(zhuǎn)、切片、標記和度量視神經(jīng)的內(nèi)部結構，增進對人類神經(jīng)解剖學關系的理解，這種學習效果是二維照片或圖表方式無法比擬的[37]。

（四）全感官參與的未來學習環(huán)境

1.再現(xiàn)真實的學習情境，成為深度學習的重要載體

深度學習或表層學習的發(fā)生，在一定程度上取決于學生所處的學習情境，同一學生在不同的學習情境中獲得的知識、技能、情感、態(tài)度可能有所不同。數(shù)字孿生與全息技術可以將著名人物、建筑、藝術作品等重新帶入學習環(huán)境，為學習者營造真實的學習情境，激發(fā)學生的學習興趣。比如，英國帝國理工學院商學院借助全息技術，為師生營造了一場“真實大小、3D實體形式”演講者的“現(xiàn)場”講座，如圖5所示。演講者借助高清顯示器精確觀看師生的反應，并通過全息圖鏈接與他們進行實時互動，從而為學生創(chuàng)造具備具身性和啟發(fā)性的學習體驗，豐富其學習經(jīng)歷[38]。

2.全感官的學習體驗，成就未來學生

圖5 英國帝國理工學院商學院通過全息圖提供現(xiàn)場講座

已有成熟的技術，可以測量和復制人類感官的視覺、聽覺和觸覺，但實踐表明，人類的味覺和嗅覺兩大感官是最難被復制的[39]。而融合數(shù)字氣味技術、味覺技術的數(shù)字孿生與全息技術，可以打造一個集視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺于一體的未來學習環(huán)境。比如，學生在學習《槐鄉(xiāng)五月》一文時，數(shù)字孿生與全息技術營造的逼真、全感官體驗的學習情境，將為學生帶來身臨其境的感受，學生可以欣賞槐花盛開的景象，傾聽小蜜蜂的嗡嗡聲，“品嘗”醇香的槐花飯，感受槐花的香氣以及微風拂過的清新。因此，數(shù)字孿生與全息技術創(chuàng)設的未來學習環(huán)境，可為學生帶來全感官的學習體驗，有助于提升學生的注意力與理解力。

（五）全面多維的學習評價方式

1.全面分析與預測，實現(xiàn)學習最優(yōu)化

學生在學習過程中經(jīng)歷的工作記憶負荷是影響成功學習的關鍵因素之一，將腦機接口技術應用于學習場景，可以實時評估學習者的認知負荷[40]。腦機接口技術、數(shù)字孿生與全息技術相結合，可以“生成”虛擬映射新個體。物理空間中學生提供的學習狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過通信通道傳輸?shù)教摂M映射的學生個體，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我更新與同步。之后，虛擬世界通過對虛擬學生生理狀態(tài)、心理狀態(tài)、學習成績等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與分析，評估學生的學習狀態(tài)。物理世界教師則可根據(jù)評估結果及時干預并提供個性化學習方案，指導學生的學習行為，以達到最佳學習效果。

2.多維度實時反饋，提高學習積極性

反饋是與學習目標和學習標準密切相關的信息[41]，它是對學習和成就最有力的影響之一，也是改進學習的重要手段。數(shù)字孿生與全息技術打造的未來學習環(huán)境，將提供教師反饋、同伴反饋與自我反饋等多維度實時反饋。其中，教師反饋與同伴反饋的可靠性與有效性較高，有利于發(fā)展學生個體的元認知和專業(yè)技能。而來自虛擬學生與物理學生的自我反饋，則可協(xié)助教師把握學生的理解程度、學習需求以及學習狀態(tài)，從而動態(tài)調(diào)整自身的輸入水平[42]，保證學習資源與學生認知水平的匹配度。

五、結語

以生活化、泛在化、大眾化、智能化為表征的信息技術優(yōu)化了教學過程，改善了學生的學習和知識體系，為解決棘手的現(xiàn)實問題提供了新的方案。數(shù)字孿生與全息技術作為新信息技術的代表，將成為下一輪創(chuàng)新教育教學的顛覆性技術，進一步推動學習方式、學習空間、師生交互、學習評價的創(chuàng)新發(fā)展。數(shù)字孿生與全息技術的融合也將改變?nèi)藗冋J識世界與改造世界的方式，同時也為學生發(fā)展帶來了更多的機遇，以有力推進信息技術與教育教學的深度融合。

目前，數(shù)字孿生與全息技術尚處于初級階段，技術本身也在不斷迭代更新之中，所以本文的研究內(nèi)容還存在一些不足：一是對于數(shù)字孿生與全息技術融合下的未來學習尚處于粗線條理論層面的探討；二是所構建的未來學習場域尚未得到實踐檢驗。未來，隨著數(shù)字孿生與全息技術的不斷成熟與發(fā)展，未來學習場域的實證研究、人才培養(yǎng)機制以及學生學習模式等，將成為重要的研究方向。