摘要：本文闡述了數(shù)字孿生技術(shù)的特征及其發(fā)展現(xiàn)狀，以及數(shù)字孿生技術(shù)在實驗室建設(shè)中的優(yōu)勢，結(jié)合分析高校實驗室當(dāng)前建設(shè)中的不足，研究數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高校實驗室建設(shè)的可行方案，進而探索應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室建設(shè)新模式。本文旨在有效解決當(dāng)前問題，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，不斷拓展和延伸實驗室功能，從而順應(yīng)新時代發(fā)展，提高實驗室建設(shè)水平，助推教育信息化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；高校實驗室建設(shè)

引言

高等教育是國家科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心戰(zhàn)場，而實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是其中的重要組成部分。作為教學(xué)科研、創(chuàng)新實踐重要場所的高校實驗室，其信息化管理與應(yīng)用水平一定程度反映了學(xué)校辦學(xué)實力、實踐教學(xué)、科研創(chuàng)新、人才培養(yǎng)的能力。近年來，高校實驗設(shè)施信息化程度逐步提高，能滿足實驗教學(xué)基本要求，提供理論結(jié)合實踐的基礎(chǔ)教學(xué)環(huán)境，但仍存在一系列問題。

《教育信息化2.0行動計劃》[1]中明確要求，在人工智能、5G、AR、VR等新一代信息技術(shù)興起的背景下，必須“充分激發(fā)信息技術(shù)對教育的革命性影響”“發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，變革傳統(tǒng)模式，推進新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合”，從而加快實現(xiàn)2035年中國教育現(xiàn)代化目標。

具有高保真仿真、可視化、動態(tài)交互和伴隨生命全周期等特點的數(shù)字孿生技術(shù)，在物理空間的基礎(chǔ)上可實現(xiàn)真實環(huán)境在虛擬世界的全映射，并實現(xiàn)無縫融合，有望對傳統(tǒng)高校實驗教學(xué)場景帶來變革與重構(gòu)。

1. 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)主要是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)實施的仿真過程，涉及多個學(xué)科，涵蓋了多物理量和多尺度，可于虛擬空間中完成映射，反映出實體裝備的全生命周期。數(shù)字孿生技術(shù)的核心在于轉(zhuǎn)化真實世界中的物體，用數(shù)字信息形式呈現(xiàn)出來，并對其進行有效管控和優(yōu)化。其原理涵蓋了三個步驟：首先，采集數(shù)據(jù)，這需要利用不同類型的傳感器，將真實世界中的環(huán)境參數(shù)、運動軌跡等各項數(shù)據(jù)采集到一起。其次，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多種數(shù)字信息形式，可以是視頻，也可以是三維模型等。最后，進行數(shù)據(jù)處理，主要是處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息，采用建模、仿真等方式[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)具有交互實時、虛實共生、洞察深度、高度保真等基本特征。具體表現(xiàn)為以下三個方面：一是互操作性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理對象、數(shù)字空間的雙向映射，具有多樣的數(shù)字模型映射物理實體能力。二是可擴展性，具備集成、替換數(shù)字模型的能力，而且擴展了多層級的模型內(nèi)容。三是實時性，可以通過表征隨時間軸變化的物理實體來映射實體的實際狀態(tài)。

數(shù)字孿生技術(shù)目前在智慧城市、智能制造、智能健康、智慧教育等領(lǐng)域已有很多應(yīng)用場景的研究與探索。數(shù)字孿生技術(shù)為數(shù)字時代教育教學(xué)新模式的探索提供了新方向，尤其在教與學(xué)虛實新空間、實踐新環(huán)境、交互新方式等方面提供了新的探索方向。美國加州大學(xué)、芬蘭坦佩雷大學(xué)、瑞士應(yīng)用科學(xué)大學(xué)分別從數(shù)字孿生實驗室、智慧學(xué)習(xí)工廠、微型學(xué)習(xí)工廠等角度開展探索應(yīng)用[3]。國內(nèi)褚樂陽、萬力勇等也初步探索數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，構(gòu)建了數(shù)字孿生技術(shù)融入的高校創(chuàng)客空間框架[4-5]，探討數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的利弊，認為數(shù)字孿生技術(shù)能有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)動力，增強學(xué)習(xí)責(zé)任感，改善學(xué)習(xí)效果。

數(shù)字孿生技術(shù)在實驗室建設(shè)中同樣具有重要的優(yōu)勢：其一，操作較為簡單，容易創(chuàng)新，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、仿真工具等將物理設(shè)備屬性映射于虛擬空間中，幫助人們認識物理實體，這有利于學(xué)生開展虛擬仿真實驗，加深學(xué)生對理論知識的理解，于真實環(huán)境中進行實驗體驗。其二，能夠全面測量物理實體，采集大量數(shù)據(jù)，快速了解物理實體的屬性、參數(shù)和運行狀態(tài)，這在實驗室建設(shè)中也十分有用。

2. 高校實驗室當(dāng)前建設(shè)中的不足

近年來，隨著我國高等教育投入力度的加大，高校實驗設(shè)施歷經(jīng)更迭，信息化程度逐步提高，但仍存在一系列問題。作者查閱相關(guān)文獻資料，并對南京市部分高校在校師生進行問卷調(diào)查，對高校實驗室負責(zé)人、管理人員、學(xué)生進行訪談，分析得出高校實驗室當(dāng)前建設(shè)中存在的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

一是高校對實驗室的建設(shè)工作不夠重視。部分高校對于實驗室的認知較為片面，認為實驗室只是教學(xué)的附屬品，缺乏創(chuàng)造性理念，還有部分高校僅將實驗室當(dāng)作科研工作內(nèi)容，忽視了實驗室的作用，不利于培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力，也在一定程度上影響了學(xué)生的實踐教學(xué)效果。

二是部分高校實驗室建設(shè)較為簡單，仍然采用傳統(tǒng)模式。各類物理環(huán)境指標缺乏統(tǒng)一監(jiān)控和預(yù)警，學(xué)生自主實踐學(xué)習(xí)環(huán)境不理想，教學(xué)內(nèi)容單一、人機交互手段匱乏，實驗條件因設(shè)備占地、成本及操作安全等因素?zé)o法滿足實驗需求，無法給予學(xué)生實訓(xùn)場景，不利于提升學(xué)生的動手實踐能力[6]。

三是高校實驗室的整體效益有待進一步提升。高校在申請實驗室建設(shè)的時候，一般是以學(xué)校教學(xué)群體需求為主，面向社會公共開放程度不夠，在資源配置方面缺乏自動化、智能化管理，實驗設(shè)備維護量大且存在利用率不高甚至浪費現(xiàn)象，實驗室建設(shè)規(guī)劃不夠優(yōu)化，效益受到影響。

3. 數(shù)字孿生技術(shù)在高校實驗室建設(shè)中的踐行方案

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室建設(shè)，主要涵蓋五層框架結(jié)構(gòu)。

一是物理層，針對的是實驗室中的物理世界，包含人、物、資源和環(huán)境，以及通過數(shù)字孿生技術(shù)映射出的虛擬世界，也就是人、物、資源、環(huán)境的平行孿生模型，兩者之間通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)實時管控與優(yōu)化。

二是網(wǎng)絡(luò)層，指運用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)搭建的人工智能物聯(lián)網(wǎng)。

三是平臺層，指利用數(shù)字孿生等技術(shù)構(gòu)建的實驗室虛擬管理平臺。

四是應(yīng)用層，指基于數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)的實驗室在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，可擴展引申出的若干應(yīng)用管理功能。應(yīng)用層包含虛擬仿真教學(xué)平臺、遠程直播、錄播平臺、機器人助教、學(xué)習(xí)考核與評價系統(tǒng)、學(xué)生能力培養(yǎng)智慧引導(dǎo)系統(tǒng)和綜合能力數(shù)字畫像系統(tǒng)（通過機器視覺分析技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)來分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，采集實驗過程、實驗報告等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為學(xué)生的能力培養(yǎng)提供智慧引導(dǎo)），以及環(huán)境、資產(chǎn)等監(jiān)控管理平臺，還可包含場館、大型儀器設(shè)備公開服務(wù)、開放預(yù)約管理平臺等。

五是頂端用戶層，可面向多維度的用戶使用，包含教師、學(xué)生、管理員、遠程用戶、社會人員、領(lǐng)導(dǎo)及決策者。

此外，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室，產(chǎn)生了更為豐富、多維度的數(shù)據(jù)，包含人員數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，人員數(shù)據(jù)再也不是基本信息、學(xué)習(xí)成績、考勤等平面數(shù)據(jù)，而更多展現(xiàn)出學(xué)生學(xué)習(xí)行為、語言交互等立體數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)構(gòu)建出教學(xué)大數(shù)據(jù)平臺及互動式教學(xué)知識庫，能夠為高校教與學(xué)提供高層次的領(lǐng)導(dǎo)及決策依據(jù)。

4. 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室新模式

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室建設(shè)是一種全新模式，具有以下特點。

一是數(shù)字化程度較高?；跀?shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室充分應(yīng)用了信息技術(shù)，投入了大量的通信設(shè)備，能夠快速獲取精準信息，并進行有效的信息傳輸，為實驗室教學(xué)實踐新環(huán)境提供建設(shè)方向。

二是具有較強的數(shù)據(jù)共享性。數(shù)字孿生技術(shù)在實驗室中的應(yīng)用，涵蓋了多個方面，涉及的信息數(shù)據(jù)較多，如科研成果信息、學(xué)生檔案信息等，這些數(shù)據(jù)信息可有效共享，有利于整合各項數(shù)據(jù)，為教與學(xué)新模式探究提供領(lǐng)導(dǎo)及決策依據(jù)。

三是支持多元化的應(yīng)用場景。高校實驗室新模式中運用了先進的云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等，支持多樣化的應(yīng)用場景，可進行智慧教學(xué)、組織開展智慧科研活動等。相對于傳統(tǒng)的高校實驗室來說，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的高校實驗室提供了“新管理、新資源、新應(yīng)用、新功能”的教與學(xué)實踐新模式，改變了傳統(tǒng)的管理方式，轉(zhuǎn)變了實驗室教學(xué)設(shè)備、課程資源的呈現(xiàn)方式，提供更多更新的應(yīng)用建設(shè)可能性，為在校師生甚至社會人員提供更多功能服務(wù)。

4.1 構(gòu)建一個教學(xué)云中心

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建高校實驗室，須結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才需求，全面培養(yǎng)學(xué)生各項能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)?？蓤猿帧耙粋€教學(xué)云中心”的理念，制定有效的數(shù)智人才應(yīng)用能力培養(yǎng)方案，將教學(xué)、實踐和科研相結(jié)合，增加教學(xué)互動性，為高?？蒲谢顒犹峁┛煽恐С?。同時在服務(wù)學(xué)生本專業(yè)教學(xué)之外，利用該教學(xué)中心引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，強化學(xué)生復(fù)合能力[7]。

4.2 搭建兩個資源中心

基于教學(xué)云中心搭建兩個資源中心：一是課程資源中心，二是數(shù)據(jù)資源中心。課程資源中心應(yīng)包含專業(yè)課程的實踐教學(xué)內(nèi)容，包括實驗課程、實訓(xùn)項目案例等；數(shù)據(jù)資源中心須突破高校各學(xué)科內(nèi)部數(shù)據(jù)信息之間的壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，構(gòu)建高校數(shù)據(jù)要素庫，促進實驗室教學(xué)改革水平的提升，實現(xiàn)學(xué)科間交叉融合，為科研、教學(xué)活動的開展奠定扎實基礎(chǔ)，進一步提升高校教師的科研能力，培養(yǎng)其良好的創(chuàng)新意識[8]。

4.3 設(shè)計多種開發(fā)方式

高校學(xué)生群體有一定差異性，可針對不同學(xué)生設(shè)計不同培養(yǎng)目標及培養(yǎng)方式，突出教學(xué)過程中的針對性，應(yīng)對不同人才培養(yǎng)需求，營造良好實驗室實訓(xùn)環(huán)境，提供基礎(chǔ)的工具平臺。例如，針對計算機實踐課程，針對教學(xué)目標及學(xué)生編碼能力不同設(shè)計三種教學(xué)開發(fā)方式：低代碼開發(fā)、編程開發(fā)、混合交互開發(fā)，從而設(shè)計不同的實訓(xùn)任務(wù)目標，引導(dǎo)學(xué)生開展實踐活動，增強學(xué)生核心競爭力[9]。

4.4 開展六大應(yīng)用場景

基于數(shù)字孿生技術(shù)打造數(shù)智實驗室需圍繞六大應(yīng)用場景展開，分別是數(shù)學(xué)課程實踐、科研創(chuàng)新應(yīng)用、產(chǎn)教數(shù)據(jù)融合、集中項目實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐和區(qū)域人才培育。從學(xué)生方面來說，數(shù)智實驗室可為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，提升學(xué)生的技術(shù)能力，讓學(xué)生進行理論學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生的實踐能力；從教師方面來說，可為教師提供科研平臺；從區(qū)域人才培育方面來說，數(shù)智實驗室能夠融合產(chǎn)教數(shù)據(jù)，對接不同區(qū)域和行業(yè)的數(shù)據(jù)資源，專向性培育人才。

4.5 提供七大服務(wù)體系

基于數(shù)字孿生技術(shù)打造的數(shù)智實驗室提供了新的服務(wù)。

一是學(xué)科建設(shè)體系。數(shù)智實驗室可有助于學(xué)校和教師進行特色學(xué)科建設(shè)和規(guī)劃，其所采集的實驗室數(shù)據(jù)和學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等，能為學(xué)科建設(shè)提供可靠的參考依據(jù)。

二是實習(xí)就業(yè)體系。數(shù)智實驗室的建設(shè)能夠?qū)有袠I(yè)崗位資源，為學(xué)生提供實習(xí)平臺，整合行業(yè)崗位資訊，引導(dǎo)學(xué)生就業(yè)。

三是師資培養(yǎng)體系。數(shù)智實驗室的用戶也針對教師、領(lǐng)導(dǎo)、決策者，有利于進行師資團隊建設(shè)。

四是競賽支持體系。數(shù)智實驗室可以和行業(yè)大賽合作聯(lián)辦，負責(zé)輔導(dǎo)學(xué)習(xí)者參與競賽，提升其競爭能力。

五是培訓(xùn)認證體系。數(shù)智實驗室的建設(shè)有利于實現(xiàn)崗證賽課融通服務(wù)。

六是產(chǎn)業(yè)對接體系。數(shù)智實驗室能夠精準對接產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

七是科研合作體系。數(shù)智實驗室可進行項目聯(lián)合申報、與企業(yè)進行課題合作等。

5. 高校實驗室建設(shè)應(yīng)用案例

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在高校實驗室建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)校和企業(yè)合作創(chuàng)建了數(shù)字孿生實驗室，如清華大學(xué)數(shù)字孿生實驗室，其主要致力于研究智能制造，開發(fā)智慧城市技術(shù)，該實驗室靈活運用了仿真技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測城市交通，并予以進一步優(yōu)化。

另外，2024年1月24日，三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院聯(lián)合51WORLD共建的“數(shù)字孿生水利平臺聯(lián)合實驗室”正式揭牌成立[10]，為數(shù)字孿生水利建設(shè)提供有力的人才支撐。該實驗室圍繞技術(shù)研發(fā)孵化、專業(yè)水利人才培養(yǎng)、產(chǎn)學(xué)研用深度合作等方面展開。通過整合學(xué)院在水利行業(yè)長期領(lǐng)先的科學(xué)研究與創(chuàng)新人才培養(yǎng)成果，與51WORLD在數(shù)字孿生領(lǐng)域的行業(yè)沉淀以及領(lǐng)先的工程化技術(shù)能力，實驗室將最大化發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研結(jié)合優(yōu)勢。

這兩個數(shù)字孿生實驗室建設(shè)案例，充分展現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，及其較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

結(jié)語

總而言之，高校應(yīng)當(dāng)重視實驗室建設(shè)工作，需轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的建設(shè)模式，淘汰落后的實驗室教學(xué)理念，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的作用。可在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，探索全新的實驗室建設(shè)模式，打造數(shù)智實驗室，以提高實驗室建設(shè)水平，有效發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生從技術(shù)應(yīng)用能力轉(zhuǎn)向信息素養(yǎng)能力，為推進信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合、培養(yǎng)高水平和高素質(zhì)創(chuàng)新型人才提供創(chuàng)新實踐途徑。

參考文獻：

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作者簡介：胡淼，碩士研究生，實驗師，研究方向：智慧校園應(yīng)用、數(shù)字信息化教學(xué)服務(wù)；謝華，碩士研究生，助理研究員，研究方向：體育學(xué)教育管理；李俊，碩士研究生，實驗師，研究方向：體育教學(xué)、運動員管理、網(wǎng)絡(luò)安全與信息化建設(shè)；陳強，碩士研究生，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、智慧校園、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算。

基金項目：江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2023年度智慧校園專項立項課題——數(shù)字孿生和全息技術(shù)背景下高校實驗室“數(shù)智新模式”探驪（編號：2023-R-107318）。