趙海波 趙紅梅
摘要:基于數(shù)字孿生的教育效用分析是教育對象(如教育者、學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)素材、學(xué)習(xí)過程、價值模型、能力評估等)大數(shù)據(jù)的因果鏈、價值鏈的數(shù)字分析模型,通過接收來自教育對象的數(shù)據(jù)而實(shí)時演化??蓪θ说呐囵B(yǎng)過程進(jìn)行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等(即仿真),并將仿真結(jié)果反饋給教育對象,從而幫助對教育對象進(jìn)行培養(yǎng)過程優(yōu)化和干預(yù)決策。
關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生? 教育大數(shù)據(jù)? 教育效用分析? 數(shù)字分析模型
Analysis of Educational Utility Based on Digital Twin
ZHAO Haibo? ZHAO Hongmei
(School of Electronic Commerce, Beijing Open University, Beijing, 100098 China)
Abstract: Educational utility analysis based on digital twin is a digital analysis model of the causal chain and value chain of big data for educational objects (such as educators, learners, learning materials, learning process, value model, ability evaluation, etc.),which evolves in real time by receiving data from educational objects. It can analyze, predict, diagnose, train, etc. (i.e. simulation) of the human training process, and feed back the simulation results to the education object, thereby helping the education object to optimize the training process and intervene in decision-making.
Key Words: Digital twin; Education big data; Education utility analysis; Digital analysis model
現(xiàn)代教育就是把“自然人”培養(yǎng)成為具有現(xiàn)代價值理性的“社會人”的社會性活動,其根本出發(fā)點(diǎn)就是人的發(fā)展。為此,以人本身為立足點(diǎn)和歸宿點(diǎn),實(shí)現(xiàn)個人的權(quán)利、價值及個性的自由發(fā)展,就成為了人本化教育的目標(biāo)導(dǎo)向與價值所在。對于個人來說,有效地將分散在各處的數(shù)據(jù)價值作為一個整體投資到有益于個人乃至整個社會群體的再成長具有重要價值。
數(shù)字孿生,英文名叫Digital Twin(數(shù)字雙胞胎),也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。其主流定義是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過程[1]。雖然人們對把人類完全變成數(shù)字化概念的解釋并不認(rèn)同,但換個角度想一想,數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的真正意義,是強(qiáng)調(diào)家庭養(yǎng)育的意義、教育過程干預(yù)的實(shí)踐價值,教育領(lǐng)域數(shù)字孿生是對這種有目的地培養(yǎng)人的活動的數(shù)字化映射,創(chuàng)造敢冒風(fēng)險、鼓勵創(chuàng)新的教育環(huán)境,大規(guī)模培育創(chuàng)新性人才。
通過數(shù)字孿生技術(shù)可以有無數(shù)種可以縱觀一生的視角來觀察反思自己的學(xué)習(xí)過程。人是平等的、有尊嚴(yán)的、個性化的,利用現(xiàn)代技術(shù)極大化豐富培養(yǎng)模式路徑可以有效避免現(xiàn)有教育模式由于人力不足導(dǎo)致的單一模式化教育。當(dāng)今,倡導(dǎo)素質(zhì)教育就應(yīng)該明確這一點(diǎn),融入到日常的教育教學(xué)過程之中去,融入到充滿互動、豐富多彩的師生關(guān)系之中去。教育對象、數(shù)字孿生以及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems)。面向數(shù)字孿生全生命周期(構(gòu)建、演化、評估、管理、使用)的技術(shù)稱為數(shù)字孿生技術(shù)(Digital Twin Technology)[2]。
在當(dāng)下新興信息技術(shù)與教育深度融合的教育語境中,在教育實(shí)踐中如何多維度、全周期評估教育者和學(xué)習(xí)者的教育健康狀態(tài),更好地為學(xué)生賦能,讓學(xué)生掌控自己的學(xué)習(xí)過程。在現(xiàn)代信息技術(shù)的加持下,學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程中,科技起著重要作用,在傳統(tǒng)教育過程中口傳和讀寫為主的知識表達(dá)和傳播被各種形式的數(shù)字化工具所替代,并為現(xiàn)代學(xué)習(xí)過程評價提供了堅實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。
在教育領(lǐng)域,利用覆蓋整個校園的衣食住行、教學(xué)、教務(wù)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、技能等數(shù)據(jù),構(gòu)建學(xué)習(xí)者的數(shù)字孿生畫像。數(shù)據(jù)孿生可以被定義為學(xué)習(xí)過程環(huán)境的歷史和當(dāng)前行為的動態(tài)數(shù)字模型;在新時代的物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)將教育對象本身的數(shù)字模擬來預(yù)測受教育者的未來狀態(tài)。主要針對數(shù)字孿生的建模、信息物理融合、交互與協(xié)作及服務(wù)應(yīng)用等方面開展相關(guān)研究[3]。
通過數(shù)字技術(shù)、學(xué)習(xí)過程和教學(xué)教務(wù)的深度融合,圍繞學(xué)習(xí)者重構(gòu)整體效用體系,基于數(shù)據(jù)流的因果鏈、價值鏈的分析建模、價值深挖和創(chuàng)造的良性迭代循環(huán),數(shù)字孿生的教育效用分析從應(yīng)用場景來看,全局視野、精準(zhǔn)映射、推演仿真、虛實(shí)交互、智能干預(yù),多維度、全周期評估教育者和學(xué)習(xí)者的教育健康狀態(tài)[4]。
1 因果鏈與價值鏈的效用分析
1.1用戶畫像
隨著新一代互聯(lián)網(wǎng)原住民的成長,億萬用戶在每天使用互聯(lián)網(wǎng)平臺的過程中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),互聯(lián)網(wǎng)平臺又從這海量的數(shù)據(jù)中創(chuàng)造出巨額的經(jīng)濟(jì)價值,通過數(shù)字孿生的教育效用分析可以創(chuàng)造出巨大的社會價值,也是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)價值公有化的體現(xiàn)。
由于疫情原因,這一次大規(guī)模在線教學(xué)的社會實(shí)驗(yàn),不僅是一場轉(zhuǎn)變教學(xué)方式的變革;從深層次來看,這是一場對原有知識體系、對人才培養(yǎng)的素質(zhì)結(jié)構(gòu)的全方位審視和思考。大數(shù)據(jù)是未來新教育的“標(biāo)配”不再僅有印刷時代的課本和課堂,知識內(nèi)容的數(shù)字化表達(dá)和傳播,教學(xué)的在線化、靈活性及伴隨終身,將成為一種新常態(tài)[5]。
在線教學(xué)的核心不是錄制音/視頻課件,這些“資源”都可以用優(yōu)質(zhì)圖書、紀(jì)錄片等替代。一門在線課程最核心的任務(wù)是設(shè)計高質(zhì)量的交互教學(xué)活動,通過優(yōu)良的學(xué)習(xí)活動設(shè)計,實(shí)踐“以學(xué)生為中心”的在線學(xué)習(xí)。
1.2數(shù)字孿生的因果鏈、價值鏈分析框架
數(shù)字孿生的因果鏈、價值鏈分析框架如圖1所示,主要包括以下幾方面。(1)基礎(chǔ)性素質(zhì)因素:這一單項(xiàng)素質(zhì)的缺失,是否會導(dǎo)致更大范圍人格、價值的崩潰。(2)競爭護(hù)城河因素:這項(xiàng)因素是否能為競爭優(yōu)勢提供強(qiáng)大防御力。(3)人生安全風(fēng)險因素:這項(xiàng)因素是否可能對個人、社會安全構(gòu)成直接威脅。(4)加速器素質(zhì)因素:這項(xiàng)因素是否能提升整體創(chuàng)新價值速度。有些素質(zhì)因素既是基礎(chǔ)性素質(zhì)因素,又是加速器素質(zhì)因素,對個人發(fā)展、社會發(fā)展具有重大意義。
2 分析過程:
通過利用大數(shù)據(jù)對個人成長過程中的軌跡線(孩童時期的圖書、動畫、音樂、培訓(xùn)、家庭、入學(xué)等全域數(shù)據(jù)的分析)以及各年齡階段的教育機(jī)理通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行建模,然后通過仿真方式以確定給定輸入下所得輸出是否符合目標(biāo),通過大數(shù)據(jù)的數(shù)字化模型不斷豐富迭代中的參數(shù)并多次仿真與實(shí)際校驗(yàn)比對,待輸出符合目標(biāo)后將教育過程干預(yù)配置到現(xiàn)實(shí)教育過程中進(jìn)行培養(yǎng),將培養(yǎng)結(jié)果再反饋到孿生模型中進(jìn)行優(yōu)化,以此大數(shù)據(jù)迭代最終使得教育過程仿真所得輸出與實(shí)際產(chǎn)出一致,并由仿真得到環(huán)境參數(shù)最優(yōu)配置,則可得到現(xiàn)實(shí)條件下教育過程最優(yōu)配置,以此減少實(shí)際試錯的風(fēng)險;當(dāng)工作環(huán)境、技術(shù)變革、社會變革需進(jìn)行改進(jìn)提升時只按需調(diào)整即可得到最優(yōu)教育輸出[6],如圖2所示。(1)定義與價值;(2)創(chuàng)建學(xué)習(xí)者的數(shù)字孿生;(3)數(shù)字孿生體系架構(gòu);(4)數(shù)字孿生與數(shù)字教育因果鏈、價值鏈主線分析;(5)數(shù)字孿生,對學(xué)習(xí)過程周期管理;(6)場景先行,部分應(yīng)用初顯成效;(7)數(shù)字孿生總體架構(gòu);(8)數(shù)字孿生核心平臺;(9)數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)要素對教育智能化創(chuàng)新;(10)數(shù)字孿生,重新定義教育服務(wù)。
3? 數(shù)據(jù)使用模式
歸根結(jié)底,在成熟的數(shù)據(jù)交易市場上,交易的是數(shù)據(jù)的使用權(quán),或者更明確地說,是“用數(shù)據(jù)回答問題”的權(quán)利:數(shù)據(jù)使用者將自己的問題以算法形式提交到數(shù)據(jù)交易所的計算平臺上,獲得計算的結(jié)果,并為使用數(shù)據(jù)和算力付費(fèi)。
4? 改進(jìn)建議
學(xué)習(xí)的輸入不局限于閱讀書本,聆聽播客、瀏覽視頻、甚至投入游戲本身都是學(xué)習(xí);學(xué)習(xí)的輸出不局限于文字創(chuàng)作,圖像、音頻、視頻、網(wǎng)站、產(chǎn)品實(shí)物等形式的數(shù)字制品都可以成為展示想法的有力工具;學(xué)習(xí)不局限于個人的冥思苦想,討論、合作、分享也可帶來集體智慧。當(dāng)學(xué)生從自己的創(chuàng)造、構(gòu)建、設(shè)計、制作、協(xié)作中去學(xué)習(xí),更有可能遵循自己的方向,表達(dá)出自己的觀點(diǎn),并產(chǎn)生創(chuàng)造性成果。
課堂上的“發(fā)言”,在時間上是“串聯(lián)”的,每次只能一個人發(fā)言,整堂課沒有幾個人有機(jī)會“說話”。異步文字討論區(qū)的“發(fā)表”是“并行”,給學(xué)生提供了更多的表達(dá),以及相互分享、交流的機(jī)會。
探索通過直播,錄制視頻,線下參觀等形式教學(xué)打通“企業(yè)—學(xué)校”人才培養(yǎng)通道,以充分多視野的“養(yǎng)分”撐開學(xué)生看世界的頭腦。
5? 結(jié)語
學(xué)習(xí)不局限在教室、互聯(lián)網(wǎng)這樣的環(huán)境,它可以發(fā)生在戶外走訪、實(shí)地考察甚至個人的冥思苦想,通過觀察周遭、切身體驗(yàn)、與人訪談,了解一個新事物或新行業(yè);所以,以教育大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生模型并不能完全全息全維度地體現(xiàn)教育對象的全部信息,數(shù)字孿生這一動態(tài)、全周期可溯源的分析模型仍具有進(jìn)一步提升的空間。
參考文獻(xiàn)
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【2】艾興,張玉.從數(shù)字畫像到數(shù)字孿生體:數(shù)智融合驅(qū)動下數(shù)字孿生學(xué)習(xí)者構(gòu)建新探[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2021,39(1):41-50.
【3】Zaballos Agustín et al. A Smart Campus’ Digital Twin for Sustainable Comfort Monitoring[J]. Sustainability,2020,12(21):9196-9196.
【4】張霖.關(guān)于數(shù)字孿生的冷思考及其背后的建模和仿真技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2020,32(4):1-10.
【5】陶飛,劉蔚然,張萌等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2019,25(1):1-18.
【6】陶飛,劉蔚然,劉檢華,等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2018,24(1):1-18.
中圖分類號:G64 DOI:10.16660/j.cnki.1674-098x.2108-5640-7375 第一作者:趙海波,(1973—),男,碩士研究生,高級工程師,研究方向?yàn)檐浖こ?、?shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)應(yīng)用
作者簡介:趙海波(1973—),男,碩士研究生,高級工程師,研究方向?yàn)檐浖こ?、?shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)應(yīng)用。
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