数字孪生技术的教学特性与应用场景分析

王婷婷 胡卫星

摘要：数字孿生技术是数字化技术发展的最新阶段之一，通过它的深度应用，能够实现教育与技术的有机融合，助力教育实现新一轮的最优化和转型化。基于此，作者围绕数字孪生技术的主题，分析其在教育应用中的教学特性，并指出数字孪生技术在当前教育应用的基本场景，以探寻其在教学过程中应用的潜在价值。

关键词：数字孪生技术；教学特性；教育应用场景

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）16-0086-04

现代社会是一个以信息化、网络化、智能化和数字化等特征为中心的综合性“信息技术应用圈”，如VR、AI、5G和物联网等一系列信息科技，在人们的日常生活中得到广泛应用。其中，数字孪生技术快速发展并受到人们的广泛关注，正日趋成为工业4.0时代的核心引领技术之一。数字孪生技术起源于航天军工和生产，现正广泛应用于智能管理、智慧教育和辅助决策等领域，在自然灾难防范、人群智能疏导、农业决策支持等方面发挥着科学预测、远程监控和模拟仿真等功能。数字孪生技术以其虚实系统相互映射创新的技术特性，通过对各种数据的采集和分析，可实现对实体的模拟、控制与改进等。因此，在当前新一轮的智能信息革命中，数字孪生技术将会发挥关键性作用。在教育信息化2.0的推进过程中，数字孪生技术对教育改革也会起到推波助澜的作用，其可以实现新教学分析、评估、设计与迁移，突破传统时间、空间、资源和人力等限制，形成新的教学场景。总之，数字孪生技术对当前智能技术赋能教育的发展有着重要的推动作用，它的不断优化与完善，能够为当前教育数字化转型提供一定的参考和借鉴。

数字孪生技术的认识与理解

1.数字孪生技术的认识

数字孪生（Digital Twin）最初由美国密歇根大学的Grieves教授提出，它是指以数字化方式创建物理实体虚拟模型，通过空间变换映射、虚实反馈交互、数据融合分析、检测判断评价和决策迭代优化等手段，来全面精准高效智能地展示物理实体在信息环境全生命周期的过程行为。[1]数字孪生实际上是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程，它是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的彼此依赖的装备系统的数字映射系统。[2]它的本质是为现实的物理模型仿真一个与其多角度相吻合的虚拟模型，这也很好地阐释了其又叫“数字双胞胎”这个名称的由来。数字孪生会在学习者个体和虚拟孪生体之间建立桥梁，以此实现两者之间的交互与联系，模型会依据学习者的传输数据进行全面衡量与总结，从而做到对学习者精准的学情分析、资源定制、成果预测[3]，这也注定了它在教育领域有着广阔的应用前景。

2.数字孪生技术的特征

数字孪生技术是实体空间在虚拟空间数字化、网络化和智能化的映射，在物理与数字两个空间同时记录个体全生命周期的运行轨迹[4]，其具有如下三大特点：①复制。就像给文件创建一个副本，复制即对原样的仿造过程。无论是现实社会的物体或设备等，还是人类个体的日常生活，数字孪生技术都可以通过对物理模型局部数据的采集与整合，来复制出一个相似的虚拟数字化模型，一虚一实两个系统互相映射，虚实交互，从而对物理模型进行及时的操作。②实时。通过传感器对多元数据进行获取和分析，孪生体可直观形象地反映物理模型的具体情况，包括其外观、特征、位置、角度和功能等，可以实时进行讨论和交流，也能即时对物理模型做出预测、调整、完善、更新以及优化与升级。③以虚代实和以实控虚。现实中的物理模型往往存在结构复杂、可预测度低和不确定性高等缺点，因而常常会使人们对出现的问题手足无措，虚拟孪生体可以实现以虚代实和以实控虚，通过虚拟的模型参数调整来控制物理实体的实时状态和动态更新。

数字孪生技术的教学特性分析

1.数字可视化呈现技术

数字孪生的可视化呈现技术在地理、生物、物理等需要多种教学资源来辅助学习的课程教学中大有用武之地。数字孪生会替代传统的图片、视频、实物模型等教学呈现形式，直接将地球、恐龙、飞机等进行三维可视化孪生体展示，通过与其自由互动，让学生发生并进行深度学习。越来越多的应用实践表明，这种生动逼真的可视化学习资源呈现技术能大大激发学生的学习动力，提高学生对学习的热爱。

2.教育智慧运营与管理技术

数字孪生技术能够融合物联网技术的数据收集、大数据的分析处理和人工智能的模型剖析等优势，完成对当前系统情况的评定、产生问题的分析及其对未来发展趋势的预测[5]，模拟并分析各种事件大概发生的可能性，从而给予相应的解决措施与决策支持。首先，数字孪生技术可将整个校园细节可视化，如占地位置、师资力量、建设规划等，利用人工智能和大数据分析，提前预算规划各种资源的消费；其次，数字孪生技术可对校园实时监测，能通过智能门禁或紧急报警等措施，消除一些未知的安全隐患和管理短板；最后，数字孪生技术可实时进行监督教育教学过程管理，为学生提供虚实融合的全新教学环境，丰富的教学资源能让学生们发生沉浸式学习。整体上，数字孪生技术能做到校园的智慧运营与管理，真正实现智慧校园的深度广泛应用。

3.教学精准分析与活动创新技术

在传统教学中，教育者常受技术环境和设备条件等因素的限制而无法做到对教学过程数据的全面把握与探索，尤其是对不同学科的教学活动环节很难做到精准分析。凭借物联网技术和大数据技术，数字孪生技术能够依靠大样本数据库和深度学习机制推断出一些可及时精确测量的指标值。同时，更为重要的是，数字孪生技术可将物理学设备的各类特性映射到网站空间中，产生可操作、可复制、可测量和可移除的虚拟映射模型，能够让许多原先因物理标准限定和必须依赖物理实体的操作得以实现，如仿真模拟、批量拷贝、虚拟安装等。[6]它不仅能为学习者提供独特的仪器设备，创造独特的教学环境，更能让学生们身临其境，精准分析出自身的学习状态，不断激发学生的学习动机以帮助其取得良好的学习效果。另外，数字孪生技术还可以培养学习者的创新思维和高阶认知能力，使其能够学会利用多元化探究方式去破解更多的未知问题。

4.教学建模与仿真技术

所谓数字孪生虚拟仿真教学是指以计算机的方式将教学中不易呈现的教学内容、实操实验等，通过三维立体构建模型的方式更直观地展示出来。[7]学生通过虚拟仿真教学技术不仅可以更好地理解教学内容，而且能够实时进行动态模拟训练，从而获得更好的模拟效果和感官体验。更为重要的是，虚拟仿真教学可以解决日常在知识学习与操作训练中遇到的“高难度、高成本”与“难理解、难再现”这样的两高两难问题，让学生在学习过程中实现“可节约、可掌握、可反馈”的学习效果。目前，虚拟仿真教学在教育领域发挥着引领性与颠覆性的作用，直观的情感体验让学生摆脱环境的限制，从而揭开了以往消失的、未来复杂的万物奥秘。基于此，无论是社会中以某项技能学习为主的非正式学习，还是在初、中等教育，职业教育等正式学习中，建模与仿真教学系统的建设已经成为教育领域努力奋斗的方向。

数字孪生技术的教学应用场景

1.学生数字画像

画像是根据一个参照物进行细节的描摹，学生数字画像就是一个学生性格、爱好、学习情况等综合信息的集合。在教育领域，数字孪生技术会采集學生数据，用数字化方式创建学生个人学习状况的画像，不仅可以模拟和反馈学生的各种学习行为，诊断学生的学情，而且还可通过VR技术描述学生的全学习过程，预测学生未来学习趋势。基于数字孪生技术的学生数字画像构建，一方面可以为学生创建一个自我参照物，帮助学生清晰地定位自己，能使学生更加立体、客观和形象地了解自身学习情况和状态，进而帮助学生构建起科学客观的自我评价；另一方面也可以为教师提供各种教学数据，使教师的教学工作更具针对性、过程性和即时性。

2.虚拟实景教学

数字孪生技术通过现实与虚拟场景双向映射，可成功构建出虚拟实景教学系统，不仅可以实现对复杂景物的虚拟再现，而且可以强化人们对虚拟设备的自由操作。在虚拟实景教学系统中，学生可以随意放大、缩小或旋转数字化物体，甚至可看到物体的内部，教学内容因此变得更加生动丰富且便于理解。如果教学设备或教学资源均构建与之对应的孪生体，且孪生体能够实时接受物理实体反馈的数据，学生就可以在物理实体上进行实践操作，再次将交互数据传回数字孪生体，这样即可形成一个数据循环，孪生体就会根据反馈的有效信息对实体进行优化与完善。这样既可以很好地解决传统教学装备实操成本高和网络教学体验差等问题，又可以大幅度地节省教学成本和显著地改善教学效果。

3.沉浸技能训练

数字孪生技术提供的技能训练平台，可以有效地将人与设备、虚拟场景与现实环境进行动态融合，让训练者的注意力更加集中。在虚拟与现实相融合的训练环境中，参训者的触觉、嗅觉、视觉和听觉等会全面沉浸，尤其是对体育、医学、表演、信息技术等以提高技能为主的教学或训练，不仅可使学生拥有身临其境的技能训练体验，而且还能使其与虚拟设备进行积极互动，摆脱传统生硬的“言传身教”，让学生在沉浸中享受技能训练的乐趣。沉浸技能训练会根据训练对象的不同，准备不同的虚拟技能训练设备，学生可通过虚拟装备和设备数据的即时反馈了解训练效果和效率。

4.辅助教育决策

数字孪生技术对智慧校园辅助教育实际上发挥的是数字化校园整体性的功能，具体包括两大方面：一是从数据驱动上进行辅助决策。数字孪生技术可收集大量的学生数据并进行全面多维的处理[8]，构建虚拟化的孪生体，帮助制订个性化的学习方案。二是从教学技术上进行辅助决策。借助于数字孪生技术，教师可全面收集各种课堂动态教学数据，并基于这些数据获得更加完备和系统的新教学资源。

5.装配式工程实训教学

基于数字孪生技术模型，结合物联网平台、三维可视模型、流式数据追踪和区块链技术等，可建立起装配式工程实训演练系统，不仅能够配置相应的工程岗位工种，涵盖装配式施工的全流程，而且还能模拟出真实的工程项目施工环境，形成教学、实训、考核、比赛和评价一体化的实战操作环境。三维仿真的模拟教学场景突破了传统教学二维空间的限制，使原本抽象的知识直观化，能帮助学生产生更深更系统的理解。尤其是装配式工程实训教学会将零散知识和技能应用串联起来，形成一条工程问题解决实践主线，帮助学生发生有效深度学习。此外，通过将数字孪生与物联网、智能计算等前沿技术结合，将教学与岗位所涉及的所有现实与虚拟的环境因子互相链接和互相映射会创造出新的教育生态。

6.数字孪生实验室

将数字孪生技术应用于实验室的建设与运营，可从成本上显著节省对实验室维修所需要的花费。从功能上来讲，数字孪生实验室是针对某个学科或课程主题而设立的，因此数字孪生实验室所涉及的教学内容是清晰且具体的。在数字孪生实验室中，数字孪生体可作为教学辅助工具被教师与学生进行反复观察与应用，学生在实验室中对其进行测量、移动、改装等大量实验与探究，实验数据可通过精准分析技术得到，由此学生可进行分析和判断，并对实验进行客观的评价。

总之，在教育信息化2.0时代，数字孪生技术以其鲜明的特点，依靠物联网、人工智能和虚拟现实等技术的支持，可实现对物理个体的预测、数据追踪、更新与实时交互等功能。目前，数字孪生技术还处于初期发展阶段，好多应用场景还只是停留在构想与计划阶段，因此，如何更好地致力于教育未来智慧发展，发挥虚实融合教学优势是数字孪生技术当前迫切需要解决的问题。

参考文献：

[1]张枝实.数字孪生技术的教育应用研究[J].成人教育，2021（05）：27-32.

[2]李玉玺，李正宇，刘馨心，等.基于数字孪生的导弹脱靶影响因素研究[J].弹箭与制导学报，2021，41（06）：99-105.

[3]张喜艳，庄会紫.数字孪生技术下智慧教育的可能与实现[J].中国教育技术装备，2020（22）：1-3+9.

[4]耿建光，姚磊，闫红军.数字孪生概念、模型及其应用浅析[J].网信军民融合，2019（02）：60-63.

[5]李博，王宁，叶庆恩.基于数字孪生技术的设备全生命周期管理[J].化工管理，2022（18）：110-113.

[6]张思慧，朱明栓，梁昭阳.数字校园三维模型建设应用场景[J].城市开发，2021（19）：40-41.

[7]崔勇，胡庆雷，富立，等.基于数字孪生的单片机虚拟仿真实验教学探索[J].电气电子教学学报，2020，42（04）：119-122.

[8]郑思思，陈卫东，徐铷忆，等.数智融合：数据驱动下教与学的演进与未来趋向——兼论图形化数据智能赋能教育的新形态[J].远程教育杂志，2020，38（04）：27-37.

作者简介：王婷婷（1998.12—），在读硕士研究生，主要研究方向为信息化教育和数字化教学资源研发；胡卫星（1978.10—），教授，博士，主要研究方向为学习科学与技术、数字化教学资源研发和信息化教育。