基于数字孪生技术的项目化课程教学模式研究

○李元源 王影星 王丽丽

一、前言

随着信息技术的发展，数字化教学技术不断涌现，譬如仿真技术、增强现实和虚拟现实等。《中国教育现代化2035》提出“建设智能化校园，统筹建设一体化智能教学、管理与服务平台”，明确了教学信息化改革为我国教育改革的重要方向。

目前，我国信息化教学已取得了长足的发展，但是仍存在诸多痛点和难点亟待解决。比如：在线教学学生自主学习能力良莠不齐，教学效果难以控制；信息技术发展太快，使教师的信息化素养滞后于技术发展，特别是习惯传统教学手段的老教师；信息化教学资源、教学设计缺乏针对性，难以和学生个体实际学情精准匹配。

与此同时，随着5G、大数据、云计算和人工智能等技术的突破发展，使“数字孪生（Digital Twin）”成为工业4.0时代的关键核心技术。数字孪生技术的数据采集、建模分析和提供决策建议等功能，对于探究个性化教学、服务教学管理和创建智慧学习空间提供了可能。

二、数字孪生技术内涵

2010年，NASA首次将数字孪生技术应用于月球车与战斗机设计中，同时提出数字孪生为一个集成多物理、多概率、多尺度的系统或仿真过程，利用最优物理模型、数据信息来真实反映物理实体在全生命周期内的状态［1］。其中，数字孪生体是指特定的数据闭环中创建与物理实体相对应的动态高仿真数字模型。随着数字孪生技术在航空工业中的不断应用，诸多工业巨头纷纷加入数字孪生技术研究的队伍中。目前，数字孪生技术已经成为工业4.0中的关键核心技术。

数字孪生具有高保真性、高实时交互、高虚拟仿真、虚实共生和深度洞见等特征。高保真性是指数字孪生体对物理实体的精确、实时的数字化塑造。虚实共生是指数字孪生体与物理实体能够完成数据的双向自流动，实现了虚拟与现实的完美融合。深度洞见是指数字孪生的虚拟实体根据已有的知识和经验收集、分析采集的数据，不断地进行自我学习迭代，为决策者提供不同情境的深度洞见。

数字孪生对象不仅可以是人物、物体和事件，也可以是复杂的城市和世界。目前，数字孪生的发展方向主要有两个：一是构建面向个体的虚拟化身，满足个人的个性化发展，二是构建镜像城市，实现智慧城市管理［2］。

三、数字孪生技术的教育应用

（一）数字孪生教育研究案例

数字孪生技术的发展既为教育方式提供了新的改革方向，也为构建智慧学习空间和智慧校园提供了技术支持。当前，国内外对数字孪生教育应用研究主要分为理论研究和实践应用，具体如表1所示。

表1 数字孪生教育应用研究

（二）数字孪生教育应用框架

数字孪生综合运用通信技术、大数据分析、机器学习算法等技术，通过传感器、移动学习平台等收集学习者、物理实体的相关有效数据，然后通过仿真模拟构建学习者的数字孪生体，对物理的实训设备进行仿真建模，形成虚实结合的学习空间。最后，通过多维互动完成教育教学的动态写实（模拟、镜像、拟实）、集成、决策（协调）、监督和辅助决策［4］。具体框架图1所示。

图1 数字孪生教育应用框架

（三）数字孪生教育应用领域

1.构建数字孪生工厂，助力职业教育。通过构建高保真的数字孪生工厂，能够使学习者在深度虚实融合的数字工厂中完成技能的演练与知识的内化，保证了在距离、成本条件限制下学习者操作实践的多样性和复杂性，同时也确保了学习者的人身安全，提高了容错性。

2.构建学习者画像，深度洞见学习趋势。基于物理层的动态数据构建学习者画像，结合已有知识库和实时动态学习数据，分析预测学习者的学习趋势并反馈个性化改进策略。同时也可以在虚拟教学环境中构建教学人员的数字孪生体，验证教学活动的适用性。

3.高仿真历史文化场景，助力人文教育。数字孪生不仅可以作为可视化工具再现历史文化情况，而且能够结合动态数据，帮助历史文化遗产的修复和还原工作。

4.构建智慧课堂和数字校园，提升学习和管理效率。基于数字孪生构建智慧课堂能够实现跨区域远程操作、虚实共生数据驱动、沉浸式交流互动等学习活动，同时以校园内的教学仪器、学生宿舍、实训设备等为对象创建数字孪生体，采集监控探头、校园网、水电能耗能数据构建虚拟数字校园，降低校园的管理成本，提高资源配置效率。

四、基于数字孪生技术的项目化课程教学模式设计

项目化教学是“以项目为载体、以典型职业工作任务为核心、学生为主体、教师辅助引导”［6］的教学模式，注重理论与实践相结合，发挥学生主观能动性，学生通过个人任务实践和团队合作内化理论知识，提升学生的解决问题能力和创新能力。

项目化教学一般由内容、行动、情境和结果四个要素构成。传统教学条件下，内容和情境创设，由于时空、资源条件等方面的限制，无法打造逼真和多样的工作场景，构建基于工作任务的优质教学资源。同时，在行动方面，学习者解决问题的工具有限，缺乏人、物间的沟通交流。而数字孪生技术高保真性、高实时交互等特征恰好可以解决这些问题。在数字孪生技术构建的学习环境中，高速信息传输技术保证了模型参数的实时性，VR和AR技术增强了可交互性和趣味性；学习者可以利用数字孪生体调节参数、远程控制物理孪生体，反复验证、不断优化项目方案，最终获得解决问题的最优解。

（一）数字孪生技术驱动下项目化教学模式框架构建

数字孪生技术驱动下项目化教学模式主要分为项目准备、项目实施和项目总结。首先，教师根据学习任务和目标，结合学生特征进行项目情景设计、项目细分任务和主要实践活动。同时，根据采集的学生数据生成对应的数字孪生模型，通过智慧学伴等将任务推送给学生。项目创设完成后，围绕知识构建为中心，学生进行项目方案设计、具身体验、协作探究、方案验证。在此过程中，数字孪生体实时监测学生的学习状态，通过特定算法模拟仿真学生的学习情况，迭代优化学生的学习方案并指导学生进行项目实施。最后，项目完成后，学生对项目进行展示，教师和企业对学生的方案进行评价，数字孪生体根据评价结果完善教学过程，并给出调整意见。具体模式设计如图2所示。

图2 基于数字孪生技术的项目化教学模式框架

（二）数字孪生技术驱动下项目化教学应用案例

本文以“液压与气动系统控制”课程中“数控车床液压控制系统的安装与调试”项目为例，开展基于数字孪生技术的项目化教学设计与开发。

1.数字孪生实验实训系统开发。利用数字孪生技术构建虚实结合的实训平台，解决了传统教学过程中实训设备种类有限、仿真软件细节缺失等问题［7］。在虚拟的实训平台中，包括多种典型液压产品，每种产品全生命周期工作状况都可用数字孪生技术以较低成本直观表达。数字孪生体和物理实体的不断迭代耦合，可以使学生在虚拟环境中操纵真实的专业设备。本文基于数字孪生技术在原有功能单一的实训平台上结合真实液压相关设备构建实验实训系统，首先基于原有实训平台和液压设备产品构建相应数字孪生体，实现数字空间与物理空间双向实时的镜像映射及信息交互，然后数据中心收集虚拟和真实实训环境中相关数据传送给智能服务器，服务器通过迭代优化、智能决策等技术给出实训指导、实训评价等实训教学服务。系统主要结构如图3所示。

图3 数字孪生实验实训系统

2.课前初步探索。利用在线学习特征采集技术采集学生基本信息数据、前序课程知识点、机械绘制图等专业课成绩，其中主要采集平台有“学习通”“中国大学生慕课”等，然后利用数据分析和挖掘技术预先整理出创建数字孪生体所需的数据。教师根据学习目标创设项目情境：数控车床液压控制系统的安装与调试，分解任务分别为“方向控制系统的组装与调试”和“压力控制系统的组装与调试”，进而设计相应的任务活动，包括驱动型问题提出、知识框架搭建、实验平台操作实践、理论测验等。最后，根据以往学生该项目的成绩数据和教师的经验打分，通过计算机构建评测模型，利用“神经网络”“专家系统”等算法，将不同学情的学生进行分组，模拟预测学生学习效果，通过预测来判断教学设计是否合理，最终将细分的任务自动推送给合适的学生。主要流程如图4所示。

图4 课前准备流程图

3.课中深度事件。本次项目的任务一“方向控制回路的组装与调试”是基于课程知识点“方向控制回路的工作原理”，结合数控车床典型工作案例设计而来。学生根据系统推送组成3人的学习小组，小组成员对项目任务要求进行探讨分析，提出初步的技术思路，进而设计出相应的解决方案。根据方案，小组成员分工完成任务，例如液压元件选择、原理图设计和绘制等，通过小组协作完成“方向控制回路的组装与调试”。数字孪生学习环境为学习者提供了重复检验和智能优化的功能，使他们能够快速、低成本地进行任务解决方案的设计、验证、改进和再次验证。学生通过不断改进和优化生成最终方案，将在运用于液压与气动实验平台中实验验证，并观察回路的运行效果。主要流程如图5所示。

图5 课中实施流程图

4.课后改进拓展。学生完善任务方案后，需要将方案、作品或者其他成果上传至线上学习平台展示，邀请同学、教师或第三方对其进行评价并提出建议。在数字孪生智慧学习空间中，参与评价人员对各设计作品的创作时间、创新程度、可操作性难度等评价指标分配权重，并结合远程操控验证方案可行性，检验学生的学习效果。同时，通过虚拟数字孪生实训系统生成“加工中心液压系统的安装与调试”项目，学生在仿真软件上对系统进行安装巩固和拓展课程知识点。

目前，国内外对数字孪生技术在教育领域的应用与研究方兴未艾。随着大数据、AI等新技术的不断突破发展，数字孪生将会彻底改变我们的教学方式和学习思维，为职业教育提供新的运作空间或环境。本文初步研究了基于数字孪生技术的项目课程的教学模式，并列举设计了相应的教学流程，以期挖掘数字孪生体在职业教育领域的发展潜能。未来，数字孪生技术将为我们构建一个虚实映射的智能学习环境，学习者将伴随着自己的数字孪生体在虚拟的世界中不断学习、优化和进步，最终使学习者得到个性化的发展。