董紫君 孫飛云 蘇棟 楊頌

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于數(shù)字孿生的新工科智慧教學(xué)創(chuàng)新模式研究”（230805862182447）；深圳市教育學(xué)會2023年度科研課題“數(shù)字化背景下新工科數(shù)孿混合教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐研究”（YB2023012）；2023深圳大學(xué)研究生教育改革研究項目“基于數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)模式研究”（SZUGS023JG9）

第一作者簡介：董紫君（1983-），女，漢族，江蘇南京人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，高級工程師。研究方向為數(shù)字化教學(xué)。

*通信作者：蘇棟（1978-），男，漢族，福建永定人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向為巖土和地下工程。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.017

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的飛速發(fā)展，新一代信息技術(shù)與教育業(yè)深度融合；數(shù)字孿生技術(shù)的不斷革新為市政工程、土木工程等專業(yè)的教學(xué)改革提供新契機，也成為教育創(chuàng)新研究的新方向。該文借鑒數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的成功模式，研究其在智慧課程教學(xué)模式改革中的應(yīng)用；通過對數(shù)字孿生智慧教學(xué)的特點及數(shù)字化教學(xué)的發(fā)展歷程進行系統(tǒng)梳理，提出數(shù)字孿生智慧教學(xué)新模式體系的設(shè)計和構(gòu)建要素；最后，提出數(shù)字孿生技術(shù)在未來市政工程教學(xué)中的應(yīng)用前景，期望能夠?qū)崿F(xiàn)物理實體教學(xué)與智慧信息教學(xué)交互與共融，在國家數(shù)字化教育大背景下更好地培養(yǎng)新工科人才。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化教育；數(shù)字孿生；智慧教學(xué)；虛實交互；課程設(shè)計

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）06-0073-04

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things， big data， and artificial intelligence， the new generation of information technology and the education industry are deeply integrated; the continuous innovation of digital twin technology provides a new opportunity for the teaching reform of municipal and civil engineering majors， and it has also become a new direction for educational innovation research. This paper draws on the successful model of digital twin technology in the industrial field to study its application in the reform of wisdom course teaching mode; through the systematic combing of the characteristics of digital twin teaching and the development history of digital teaching， it proposes the design and construction elements of the new model system of digital twin wisdom teaching; finally， it puts forward the prospects of the application of digital twin technology in the future teaching of municipal engineering， and expects to be able to realize interaction and communion between physical entity teaching and wisdom information teaching， and better cultivate new engineering talents in the context of national digital education.

Keywords： digital education; digital twin; intelligent tutoring systems; virtual and real interaction; course design

2023年2月，中共中央、國務(wù)院公布了《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》，其中明確指出數(shù)字中國建設(shè)是推動中國式現(xiàn)代化發(fā)展的重要引擎，也是國家競爭新優(yōu)勢建設(shè)的強有力支撐。我國正處在由工業(yè)經(jīng)濟向數(shù)字化社會轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，也是數(shù)字經(jīng)濟加速崛起的關(guān)鍵階段。數(shù)字中國的建設(shè)加速，對于全面推進社會主義現(xiàn)代化國家建設(shè)、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有至關(guān)重要的意義和深遠的影響。教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》，旨在構(gòu)建一體化智能化教學(xué)的學(xué)習(xí)平臺環(huán)境，推動數(shù)字信息技術(shù)與教育的深度融合，堅持以信息技術(shù)為引領(lǐng)，打造以學(xué)習(xí)者為核心的全新學(xué)習(xí)場域和教育生態(tài)環(huán)境。這為市政工程、土木工程等專業(yè)的智慧教學(xué)建設(shè)帶來了重大的發(fā)展機遇。數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twins）具有高保真、實時交互、虛實共生、深度洞見等特征，近年來在科技、工程領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。基于數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的課程教學(xué)研究是一個全新的教學(xué)改革探索方向[1-2]。

一? 數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)生與定義

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）的概念最早是在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期管理課程中由Michael Grieves教授提出來的，被稱為鏡像空間模型，其主要內(nèi)涵為包括物理實體、虛擬實體、虛實之間的連接數(shù)據(jù)和信息的三維模型。當(dāng)前，關(guān)于數(shù)字孿生并沒有一個標準定義，學(xué)術(shù)界將數(shù)字孿生定義為“以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)及算法模型等，模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段?！笨偠灾?，數(shù)字孿生是信息化、智慧化高度發(fā)展的產(chǎn)物[3]。

近年來，教育領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用新興技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、人工智能、全息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等，數(shù)字孿生在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值也不斷體現(xiàn)；數(shù)字孿生開始從工業(yè)制造延伸到教育領(lǐng)域，并對教育改革和課堂模式都產(chǎn)生深遠影響，教育數(shù)字孿生的概念也隨之產(chǎn)生[4-5]。教育數(shù)字孿生是指利用數(shù)字孿生技術(shù)對教育領(lǐng)域的學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)角色、課程設(shè)計等進行多源數(shù)據(jù)采集、全方位進行數(shù)字建模、對物理實體進行精準映射，通過虛擬空間呈現(xiàn)物理實體，比如對城市建造、交通運輸、水廠運行等進行映射展示，能夠使學(xué)生具身體驗實際場景的最真實狀態(tài)，并能通過數(shù)據(jù)收集和分析對教學(xué)進行溯源，預(yù)測教學(xué)效果和趨勢，提出客觀的教學(xué)決策建議，從而實現(xiàn)教育領(lǐng)域虛擬課堂與物理課堂的互控互聯(lián)、融合共生[6-8]。

二? 數(shù)字孿生智慧教學(xué)的特點

（一）? 虛實交互性

數(shù)字孿生的虛體和實體不僅需要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上也要仿真。在不同的數(shù)字孿生場景下，同一數(shù)字虛體的仿真程度可能不同。例如在教學(xué)中體驗水廠運行工況場景，既要展示虛體的物理結(jié)構(gòu)，也需要關(guān)注水量、水質(zhì)等細節(jié)。在實踐教學(xué)中，未來數(shù)字孿生水廠可觀測水廠運行，在各單元虛擬空間還可搜索各類數(shù)據(jù)。虛實融合、虛實協(xié)同將定義市政工程教學(xué)實踐的未來新模式。

（二）? 精準映射性

數(shù)字孿生需要用到各種數(shù)字化手段，包括物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、仿真工具等，通過這些手段來把物理場景的屬性映射到虛擬空間中，這樣可以加快學(xué)生對物理實體的了解[8]。比如市政工程教學(xué)中一些工藝單元如水下曝氣等是很難展示的，但是用虛擬的物理實體就能夠做到。數(shù)字孿生可以根據(jù)各層面的傳感器布設(shè)，構(gòu)建水廠工藝的全方位數(shù)字化模型，以及對水廠運行的動態(tài)監(jiān)測、充分感知，在信息維度上形成虛擬水廠對實體水廠各單元的精準信息表達和映射。

（三）? 智能決策性

數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間可以實現(xiàn)動態(tài)交互和實時連接的效果，因此，數(shù)字孿生智慧教學(xué)手段能夠通過海量教學(xué)數(shù)據(jù)的收集和智能分析，客觀評價教學(xué)效果，并給出合理有效的決策建議，以未來視角智能干預(yù)傳統(tǒng)教學(xué)的發(fā)展軌跡和模式，進而指引和優(yōu)化教學(xué)的規(guī)劃、管理和深度改革。

三? 數(shù)字化教學(xué)的發(fā)展歷程

數(shù)字化教學(xué)是指教師和學(xué)習(xí)者在數(shù)字化的教學(xué)環(huán)境中，遵循現(xiàn)代教育理論和規(guī)律，利用數(shù)字化的教學(xué)資源，通過數(shù)字化教學(xué)模式進行培養(yǎng)適應(yīng)新世紀需要的具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才的教學(xué)活動[9-10]。在黨的二十大報告中，提出了“推進教育數(shù)字化”的戰(zhàn)略部署，這一舉措標志著推進教育數(shù)字化已經(jīng)成為社會各界的普遍共識和共同任務(wù)。數(shù)字化教學(xué)總體上經(jīng)歷了傳統(tǒng)多媒體教學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，以及現(xiàn)今的數(shù)字孿生智慧教學(xué)三個主要階段（圖1）。

（一）? 傳統(tǒng)多媒體教學(xué)

傳統(tǒng)多媒體教學(xué)是數(shù)字信息化發(fā)展的早期教學(xué)模式，主要是接受型學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)空間主要是單一的物理空間即傳統(tǒng)的電教教室，一般采取統(tǒng)一的教室布置，較為呆板。通過電化教學(xué)手段，如電腦投影、PPT演示等更為直觀地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。多媒體教學(xué)有助于減少教師板書時間，有效利用上課時間，提高課堂教學(xué)效率。師生之間的互動主要是面對面交流，以教師講授為主，師生互動性不強。學(xué)習(xí)評價方式也較為簡單，大多以一份涵蓋教學(xué)知識點的標準化試卷評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以此反饋課堂的教學(xué)情況。

（二）? 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字教學(xué)

第二代互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字教學(xué)在教學(xué)空間、課程呈現(xiàn)和師生互動等方面都有了較大的改革。教學(xué)空間不再是單一物理空間，而是實體空間與虛擬空間的結(jié)合；利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺、直播平臺等，通過網(wǎng)課、直播課程、遠程教學(xué)等實現(xiàn)了教學(xué)時空的交融。目前國內(nèi)主要的網(wǎng)絡(luò)課程平臺有中國大學(xué)MOOC（慕課）、雨課堂、網(wǎng)易公開課等；而直播平臺則包括騰訊會議、騰訊課堂、Classin等。教師可以在這些平臺上，利用課程視頻、電子教材、因特網(wǎng)等信息技術(shù)進行教學(xué)。師生互動方式也從人人互動向人機互動疊加轉(zhuǎn)變，教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)機器共存于實體和虛擬學(xué)習(xí)空間里。

（三）? 數(shù)字孿生智慧教學(xué)

近年來，隨著5G、AI 和VR等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生智慧教學(xué)正成為現(xiàn)今數(shù)字化教育時代的研究熱點。數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)空間將在物理空間與虛擬空間的組合基礎(chǔ)上，實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的交互融合，產(chǎn)生一個虛實映射的學(xué)習(xí)環(huán)境。采用人工智能信息化教學(xué)模式，通過“5S”教學(xué)手段，即共享數(shù)據(jù)（Shared Resources）、自主學(xué)習(xí)（Self-study）、課堂集中（Centralized Seminar）、資源交互（Swap Resources）和數(shù)據(jù)互評（Statistics Cross Evaluation），讓學(xué)生在信息化教學(xué)過程中通過數(shù)字孿生技術(shù)達到教學(xué)效果。數(shù)字孿生智慧教學(xué)將帶領(lǐng)學(xué)生走向全感官學(xué)習(xí)體驗、全方位地開展學(xué)習(xí)過程跟蹤、超精準進行學(xué)習(xí)效果預(yù)測，為學(xué)生提供具身、智能、高效的學(xué)習(xí)體驗。

四? 數(shù)字孿生智慧教學(xué)新模式的設(shè)計和構(gòu)建

對于市政工程、土木工程等傳統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)，數(shù)字孿生技術(shù)的引入將帶來變革性的教育改革。以市政水處理工程為例，常規(guī)教學(xué)涉及的儀器設(shè)備較多，需要足夠?qū)挸ǖ膶嶒灴臻g，有些實驗儀器占地面積大，需要專職人員安裝、調(diào)試及維修[11-12]。一些市政管網(wǎng)實驗，如水力學(xué)研究，所需課時較長，甚至需要幾天才能完成，現(xiàn)有教學(xué)條件無法滿足多人長歷時的實驗需求。此外，如飲用水廠的實踐教學(xué)，由于涉及到安保等，無法滿足大量學(xué)生長時間聚集開展，給水處理實踐教學(xué)帶來更多的挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)有條件的制約和外部環(huán)境的影響，使學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實際操作脫節(jié)，難以掌握水廠實際運行的狀況，一定程度上影響實踐教學(xué)效果。

當(dāng)前，數(shù)字孿生虛實交互平臺作為一種新的技術(shù)手段，可以實現(xiàn)教學(xué)數(shù)字化、智能化等先進理念的重要使能。特別是以5G、AI和VR虛擬現(xiàn)實為代表的前沿信息技術(shù)集群的發(fā)展，將極大地改變傳統(tǒng)的管網(wǎng)、水廠單元模擬試驗，擴大新的認知、感知領(lǐng)域。構(gòu)建數(shù)字孿生虛實交互平臺，全息展現(xiàn)市政管網(wǎng)、水廠可視化場景，將克服現(xiàn)實實驗條件與外部環(huán)境的局限性，有效解決實驗場地、設(shè)備和課時不足的問題?；跀?shù)字孿生技術(shù)開展水處理工程課程的智慧教學(xué)模式創(chuàng)新，將有利于推動數(shù)孿虛實混合教學(xué)的發(fā)展，實現(xiàn)教學(xué)過程中多元空間相互融合。對于應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提升教學(xué)環(huán)境的智能化水平，打通關(guān)鍵教學(xué)信息通道具有重要作用[13]。

數(shù)字孿生智慧課堂不僅僅是利用5G、VR、AI等先進的人工智能技術(shù)，而是要通過這些技術(shù)服務(wù)課堂，更好地對課程進行設(shè)計、編排和組織；同時通過物理空間和虛擬空間的結(jié)合，讓學(xué)生的參與度、融入度更好，具身體驗更好；通過大數(shù)據(jù)處理等手段，挖掘數(shù)字課堂的數(shù)據(jù)價值，對課堂效果進行及時、精準的反饋，對教學(xué)決策起到正向的引導(dǎo)作用。

數(shù)字孿生智慧課堂的設(shè)計包括空間構(gòu)建、角色建立、模型構(gòu)建、效果分析四大方面（圖2）。

圖2? 數(shù)字孿生智慧課堂設(shè)計

（一）? 空間構(gòu)建

通過物理實體空間和虛擬空間的交互，構(gòu)建一個數(shù)字孿生三維教室，打破傳統(tǒng)電教教室的時空限制，打造實時、高效、具真的師生互動平臺。例如，可以通過三維場景，借助VR技術(shù)讓學(xué)生全身體驗洪水的發(fā)生過程、水庫潰壩的模擬、洪水淹沒的模擬，以及洪水災(zāi)情評估。

（二）? 角色建立

在數(shù)字孿生智慧課堂中，除了傳統(tǒng)的教師和學(xué)生角色外，還將建立“孿生人”，即高效的孿生教師和孿生學(xué)生。當(dāng)前，我國新課程改革的主要理念是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)?！皩\生人”在未來智慧教育中將會扮演愈來愈重要的角色。從“孿生教師”的角度來看，能夠更好地對課堂學(xué)生學(xué)習(xí)的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進行綜合掌握和分析，優(yōu)化教學(xué)策略。而從“孿生學(xué)生”的角色來看，能夠全鏈條評估、動態(tài)跟蹤學(xué)習(xí)者的真實學(xué)情，解決學(xué)生的難題，實現(xiàn)學(xué)生與“孿生學(xué)生”的同生共長。

（三）? 模型構(gòu)建

多維模型的構(gòu)建是數(shù)字孿生的重要組成部分，是實現(xiàn)數(shù)字孿生功能的重要支撐。如何構(gòu)建基于課程教育的數(shù)字孿生模型當(dāng)前還缺少通用方法和準則，需要結(jié)合專業(yè)課程的知識體系。以市政工程專業(yè)水處理工程課程為例，將以數(shù)字孿生水廠為對象，在水廠單元工況分析的基礎(chǔ)上，從數(shù)字孿生水廠實體要素建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動的水廠運行過程動態(tài)建模、水廠運行系統(tǒng)仿真建模等方面對數(shù)字孿生水廠模型構(gòu)建方法和理論進行系統(tǒng)分析，最終構(gòu)建滿足水處理工程課程知識展示和三維場景體驗的數(shù)字孿生課程學(xué)習(xí)模型。

（四）? 效果分析

教育數(shù)字孿生的一大優(yōu)勢即可及時、深入地對學(xué)習(xí)對象的學(xué)情效果進行全鏈條的深度跟蹤、精準反饋，能更加快速、高效地讓學(xué)生掌握所學(xué)專業(yè)知識，并通過多維的考核方式，達到標準化教育的目標；同時教師也將從傳統(tǒng)枯燥、重復(fù)的日常教學(xué)任務(wù)中得到解脫，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，更好地完善教學(xué)決策。

五? 結(jié)束語

在國家數(shù)字化教育大背景下，數(shù)字孿生技術(shù)作為與工業(yè)4.0密切相關(guān)的趨勢性技術(shù)之一，能夠有效實現(xiàn)智慧化教學(xué)。利用數(shù)字孿生技術(shù)對教育領(lǐng)域的學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)角色、課堂設(shè)計等進行多源數(shù)據(jù)采集、全方位地進行數(shù)字建模、實現(xiàn)對物理實體的精準映射；在教學(xué)跟蹤和評估上，能通過數(shù)據(jù)收集和分析對教學(xué)進行溯源，預(yù)測教學(xué)效果和趨勢，提出客觀的教學(xué)決策建議，從而實現(xiàn)教育領(lǐng)域虛擬課堂和物理課堂的互控互聯(lián)與融合共生。實際智慧教學(xué)課堂的設(shè)計中，通過對孿生角色、學(xué)習(xí)環(huán)境、專業(yè)模型的精細構(gòu)建，創(chuàng)造數(shù)字孿生智慧教學(xué)的新模式，為學(xué)生提供智能、精準、高效的學(xué)習(xí)服務(wù)與學(xué)習(xí)體驗；并通過大數(shù)據(jù)處理，挖掘數(shù)字課堂的數(shù)據(jù)價值，對課堂效果進行及時、精準的反饋，對教學(xué)決策起到正向的引導(dǎo)作用。數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)課程中的運用，將為數(shù)字化教育賦能，為數(shù)智時代的教育教學(xué)創(chuàng)造出新的模式和實踐。

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