数字孪生技术在教育中的应用研究

武丹

【摘 要】随着工业化4.0智能制造的到来，更多的新兴技术正在不断兴起，数字孪生技术作为一项重要的核心信息技术，在教育领域崭露头角。本文从数字孪生的特点出发，探讨其应用于教育带来的优势。同时也介绍了数字孪生技术应用于教育所需要的数据采集、网络传输、模型构建与仿真模拟等技术。但由于数字孪生技术在教育中的应用理论和实践都处于起步阶段，因此也将面临许多困境。本文期望通过探索数字孪生技术在教育中的应用，能够为未来的研究提供有价值的借鉴。

【关键词】数字孪生;虚实共生;实时交互;全息技术

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）07-082-04

近年来，随着教育大数据、人工智能、虚拟现实等前沿教育技术和理念的兴起，新兴信息技术将对教育的发展产生更加广泛和深远的影响。数字孪生作为近年来备受学界关注的新兴概念，被应用于中国工业生产制造、智慧旅游城市、智慧医疗等领域，或许会给教育带来实质性的变革。以“智能制造”为主要特征的工业4.0即将完成量变，数字孪生技术也得到了迅猛的发展。2020年，国家互联网信息办公室发布了《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》[1]，该方案呼吁创新，通过数字化转型的关键核心技术进行突破，其中重要的一项就是要开展数字孪生创新计划，数字孪生是热度最高的数字化信息技术之一，存在巨大的发展空间。习近平总书记在中共十九届中央政治局第十二次集体学习[2]时提出，要大胆运用新技术、新机制、新模式，加快融合发展步伐。随着我国数字孪生技术与大数据、人工智能、虚拟现实、云计算、物联网等前沿信息技术与理念的不断融合与发展，将推动教育向更加人性化、全面化和智慧化的方向发展，数字技术作为信息化的重要一极，正在不断地加速融合生活、改变世界。数字孪生的应用研究已经不再聚焦于工业领域，正逐渐向教育领域扩散，上海市教育委员会发布了《上海教育数字化改造实施方案（2021-2023年）》[3]，明确指出探索数字孪生学校建设，培养100所教育信息应用基准学校。数字孪生技术在教育领域具有广阔的应用前景与发展空间，但也面临着许多困境。

数字孪生的概念及特点

1.数字孪生的概念

与许多其他新技术一样，数字孪生还没有形成一个公认的学术定义。数字孪生的概念始于航空航天和军工领域，经历了技术探索、概念提出、应用萌芽和产业渗透四个发展阶段。而这一正式概念是在2003年密歇根大学的产品生命周期管理课程中由迈克尔·格里弗斯博士提出的。在数字孪生技术应用白皮书[4]中指出，数字孪生是一种基于数据与模型的集成与融合，通过在数字空间实时构建物理对象的精确数字映射，在数据集成、分析与预测的基础上，对物理实体的整个生命周期过程进行模拟、验证、预测和控制，最终形成智能决策优化闭环的数字化概念和技术手段。其中信息维度的虚拟体与物理维度的实体形成了同生共存与虚实融合的状态。綜上，本文认为数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义对物理空间进行描述、诊断、预测和决策，实现物理空间与虚拟空间的交互映射。

在我国，对于数字孪生技术概念的引入是由北京航空航天大学的陶飞教授[5]在《计算机集成制造系统》中提出的。目前，数字孪生在我国的研究和应用已经涉及机械、制造、建筑、自动化、计算机等多个学科，而作为一种社会普遍的理论和技术管理体系，它并不局限于某一学科或专业。随着数字孪生技术概念和形式的不断拓展，它为教育教学方法的改革提供了新的发展方向，甚至可能使教育发生实质性的变化。

2.数字孪生的特点

（1）虚实共生，精准映射

数字孪生要求在数字空间中构建物理世界中实体的数字表示。真实世界中的实体对象和数字空间中的孪生对象可以实现双向测绘和互联。数字孪生体基于实时传感等数据采集，可以全面、准确、动态地反映物理实体的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。数字孪生技术与日益成熟的数字线程技术相结合，使物理实体和虚拟数字孪生能够完成数据的双向自流，实现虚拟与现实在其整个生命周期中的最终融合，物理实体与虚拟的数字孪生体相伴一生从而达到虚实共生[6]。通过感知、建模等技术，实时将物理实体映射到其数字孪生体上，实现对物理实体的准确描述，实现虚实融合的效果，并通过数字孪生体的反馈，充分感知物理实体的运行情况，预测其发展规律，根据分析结果对物理实体的行为进行协调和控制，从而达到以虚控实的目的。

（2）闭环优化，智能决策

建立数字孪生的最终目标是描述物理实体的内部机制，分析规律和识别趋势，并形成优化指令或物理世界的策略，实现物理实体的闭环决策和优化功能。我们可以使用数字孪生技术将物理实体的数据信息传输到虚拟数字孪生体中，虚拟数字孪生体可以通过持续的模拟训练和与物理实体的交互来提供最佳决策。未来，数字孪生技术可以与人工智能、大数据、物联网、虚拟现实等技术相结合，实现物理空间和虚拟空间的虚实交互、辅助决策和持续优化。

（3）实时交互，动态调整

数字孪生中物理实体的所有状态能够实时地更新到虚拟的数字孪生体中，虚拟的数字孪生体本身具备了会思考的能力，从而对物理实体进行一个预判。物理实体在虚拟层由数字孪生控制，在底层通过实时多维数据的收集和解释进行实时交互。通过实时交互来处理不断更新的数据，帮助使用者在无需调整物理实体的情况下快速了解物理实体在生命周期内任何时刻所作的任何更改，对其进行分析、预测，从而实现数字式双动态调节[7]。未来，数字孪生技术可以结合可穿戴设备、增强现实眼镜、虚拟现实等交互技术，为人们提供更加沉浸式的互动体验。

数字孪生应用于教育的优势

1.通过数字孪生镜像对学习者进行分析与评估

学习者可以使用数字孪生来建立自己的数字图像，准确地映射在数字孪生世界，模拟学习者的真实行为，并通过虚拟现实、人工智能等在终端上呈现数字孪生图像。一方面， 可以帮助学习者摆脱主观判断的局限性，检查他们的学习情况，实时地更清楚地了解自己的学习，还可以预测未来学习的趋势，并提出反馈意见，以便学习者在学习活动中对未来自己的学习行为进行纠正，提高学习效率。另一方面，也有利于家长和教师通过数字孪生对学习者进行监控，使家长和教师对学生的认知水平、学习风格和学习态度有更全面的了解，使教师能及时了解学生的情况，从而提供准确的学习资源和应对策略，提高教师的教学质量。

2.为学习者提供多维的具身学习体验

具身认知理论[8]强调身体参与并影响认知的形成与发展，人们是通过身体这一媒介来认识世界的，认知是具身的，而身体发展又是嵌入社会环境的，身体在与环境的互动过程中，通过物理经验获得学习。而数字孪生技术可以通过收集个人综合数据，以数字化的方式创建个人数字模型的图像。它通过虚拟现实技术将完整、动态的学习者模型展现在学习者面前，从而可以实现自己身体与认知的另一种交流。借助数字孪生技术，学习者可以更好地了解自己，更清楚地了解自己的学习目的，从而激发学习动机，提高学习效率。总之，数字孪生高保真、实时交互和虚实共生等特点，为学习者提供了真实的具身学习体验。

3.与全息技术相融合打造全息孪生课堂

数字孪生与全息技术进行融合的未来课堂将以学生为研究中心。作为一个虚拟与现实共生的新型和谐课堂，它将进一步关注学生的全面发展，对学生掌握知识和技能、人机交互、发现和解决问题、更好地合作以及更深入地看待世界产生深远影响[9]。在学习场所方面，将构造一个等价于物理实体空间的虚拟空间，即生成一个虚拟真实映射空间。通过实时数据、历史数据和衍生数据的互联与同步，对学生的学习、实践产生重要影响。在学习内容方面，它将以高保真、透视化和精确映射的形式再现物理世界中的人和事物。在师生互动方面，它将打开物理世界和虚拟世界之间的通道，为学生创造一个不受时间和空间阻碍的三维学习环境。在学习评价方面，它将形成一种综合分析、预测和多维反馈相结合的全面、多维的新评价方法，能够最大限度地提高学习效果。

4.协同构建丰富的数字孪生智慧校园

智慧校园[10]为数字孪生体提供了物理载体，数字孪生体可以作为智慧校园的一项重要服务体系，通过数字孪生技术，可以真实还原校园内所有发展空间组织结构。校园内的监控设备配合安防监控系统，实现对校园各管理领域的关键指标进行监测，协助管理员掌握校园运行情况;对值班人员的在岗执勤情况可以进行可视化管理，为人员指挥调度提供数据信息支撑;校园导航可以根据目的地设计最佳路线;对教室内的人员设备等要素信息进行实时监测;校园设备的集成智能化管理，实时控制设备运行状态，如暖通设备的开启关闭、门禁管理等。数字孪生智慧校园赋能新一代智慧场景应用，真正实现了智慧服务生活。

数字孪生应用于教育所需要的技术

1.数据采集

数字孪生技术的关键是数据。主要利用物联网传感技术、智能识别技术、音视频记录技术和平台获取技术，感知学习者在整个学习周期中的学习活动。单个传感器不可避免地存在不确定性或偶然性，缺乏全面性。因此，采用多传感器集成与融合技术，通过部署不同类型的多个传感器来采集目标数据，并通过融合算法综合目标的传感器数据，以获得对目标的一致解释和描述。其数据采集方式主要包括：通过智能课堂监控系统采集课堂行为数据和课堂情绪数据;利用校园一卡通系统获取学生校园生活数据、行动轨迹和图书馆借阅记录数据;通过学校信息管理系统收集学生的基本信息、考试成绩和获奖记录;利用互联网教学平台获取学习者学习过程数据、教学评价数据、学习社区交流互动数据;借助学习者手机、平板电脑、智能手表等个人智能设备，收集学习者生理健康数据、学习资源浏览数据、校外生活数据等信息。

2.网络传输

网络是数字孪生技术的基础设施，是实现物理对象与数字双系统之间实时交互的前提。随着物联网信息技术的兴起和通信方式的不断更新，网络承载的业务数据类型、网络文化服务的对象以及接入网络的设备类型呈现多样化发展，这就要求网络系统具有高度的灵活性。5G技术满足了数字孪生对数据实时传输的高带宽、大容量和低延迟的要求。随着新基础设施进一步发展，5G网络将成为数字孪生的重要技术支持。只有不断更新网络技术，优化网络资源配置，才能实现低成本、低能耗和安全的数据网络传输。

3.模型构建

数字孪生模型是指在物理学习世界中对对象进行数字化建模的过程。通过建模，物理对象被表现为计算机和网络能够识别的数字模型。数字孪生模型的构建是多维度、多层次的。对学习者的各种数据模型化，将学习者的能力结构和知识网络智能显示，从而使教师更好地了解学习者认知能力的水平和特点，通过与数字孪生体进行智能对比，为个性化教育提供了数据支持。基于分类、聚类、关联、预测、回归等算法，对学习者的知识模型和行为模型进行机器学习，实现对学习者未知规律的预测。

4.仿真模拟

数字孪生技术是一种在线仿真技术。基于5G网络的传输速率和计算机的实时绘制能力得到了极大的提高，使得数字孪生技术能够提供高仿真度的虚拟对象。数字孪生技术不是简单的虚拟仿真。我们可以将数字孪生视为虚拟仿真技术的升级，虚拟仿真技术强调“高度仿真”，而数字孪生可以达到“虚实结合”“以虚控实”[11]。数字孪生技术在通用孪生技术的基础上，借助情境感知功能，为不同的用户需求提供相应的高保真特殊模型。

数字孪生应用于教育所面临的挑战

数字孪生技术作为一种新技术，近年来在产品生命周期管理中得到了广泛的应用，但在教育领域的应用还存在许多亟待克服的困难。

1.学生认知负荷超载

认知负荷会影响人们通过工作记忆完成任务所需的时间长度和最终质量。适当的内容呈現可以减少认知负荷，帮助学生专注于学习内容，但数字孪生体中丰富的信息元素可能会使学习者无法在第一时间准确判断和获取最重要的知识。认知负荷超载会使学习者无法注意到有效的信息，因此无法提取相应的知识，并容易出现一些错误。然而过度地使用技术很容易导致学习者专注于教学内容之外的其他元素，导致技术与学习内容之间的契合度较低和学习者认知负荷超载。

2.教师的数据素养有待提高

在当前的教学过程中，许多教师和管理人员非常缺乏收集和使用教育大数据的意识和能力[12]。在教育教学中使用数字孪生技术，如果数据采集不全面，数据标准不规范，数据更新不及时，可能会导致数字孪生体与学习者的真实状态不一致，使教师和管理者误读数据，这将对教学和管理产生巨大的负面影响。我们需要注意的是，学习者的内部信息实际上很难收集，数字孪生体无法确保输出结果完全正确。因此，教师或管理者不能过分依赖数字孪生体，在没有数据素养的情况下收集和记录信息，只会导致最终数据的不准确，这无助于教育教学，反而适得其反。因此，教师和管理者必须具备一定的数据素养，通过数据的引导，科学地提高教育和管理能力。

3.资源体系建设尚不完备

数字孪生技术涉及5G、物联网、云计算、仿真等技术。现阶段，技术成熟度不高，平台模式标准化滞后。数字孪生技术在教育中的应用基于对大量学生数据信息的收集和分析，势必带来隐私泄露和数据滥用的风险。在网络环境中，实现数字孪生的一个重要条件就是海量数据的实时稳定传输，在校园环境下，建设学习型组织的数字孪生具有网络连接设备多、网络服务时间集中的特点，给校园网络环境造成了很大的负担。数字孪生技术的实现依赖海量数据的整合与集成，物理空间产品形态的多样性，以及学习者体验的不确定性，这些都阻碍了数据的收集与分析。

总结与展望

数字孪生作为工业化4.0智能制造时代的重要技术，已成为信息与制造领域交叉研究的新热点。数字孪生的构建有望打破教育领域虚拟与现实的界限，实现物理空间、社会空间和信息空间的相互融合，实现物理信息系统向虚拟空间数字模型的反馈，这有利于中国教育现代化的发展。

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