数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的探索与实践

原惠群

(湖北经济学院 企业文化中心,湖北 武汉 430205)

随着经济发展质量变革、效率变革、动力变革的持续推进,我国大力主张实施创新驱动发展战略,加速建设科技创新和实体经济协同发展的多元化产业体系。职业院校作为培育创新人才的中坚力量,理应在创新驱动发展中发挥重要作用[1]。当前,职业院校宏观层面的制度供给与创新要素投入均得到一定改善,如何引入外部社会资源,推进产学研深度融合和专业教学变革成为一个重要的时代课题[2]。在数字经济时代背景下,传统校企融合模式已难以匹配就业市场要求,更无法满足个体全面发展需求。基于此,本文尝试引入近年来与教育融合较为广泛的数字孪生技术,通过分析校企深度融合专业教学改革的现实导向、挖掘数字孪生的内涵特征,探寻数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的价值维度,并提出相应实践探索。

1 校企深度融合专业教学改革的现实导向

职业教育是与我国经济社会密切相关的一种教育类型,兼具经济和教育属性,但同时也存在一定的适应性问题[3]。不断适应企业与产业发展,为经济社会建设提供服务是职业教育可持续发展的基本要求。作为构成社会主义现代化必不可少的一环,教育现代化对职业教育提出新要求,即进一步深化校企合作,大力创新专业教学体系。在此背景下,校企深度融合专业教学改革有其衍生的时代使命和趋势。

1.1 适应产业更迭发展的基本旨归

校企深度融合专业教学改革和产业二者存在相互影响、相互促进的关系[4]。一方面,校企深度融合专业教学改革可以为产业发展提供必要的人才支撑和先进的技术服务。校企深度融合专业教学改革的重要目的之一是满足学生从事某项工作所需的道德、技能与知识的现实要求,使其可以快速地适应产业发展和经济社会变化。伴随“新轴心时代”的来临,新技术的创新与更迭成为推进产业创新的重要动力。校企深度融合专业教学改革旨在以技术技能为内核开展一系列实践活动,这在推动技术革新、引领教育发展的同时,也能为产业发展提供更优质的技术服务。另一方面,产业发展对深化校企深度融合专业教学改革具有决定性影响。一是产业发展对人才市场职业布局和行业兴衰均会产生连环带动效应。具体而言,某一产业的兴起,可以带动相关行业发展,从而对从业人员结构和规模产生影响[5]。产业升级能够使人才从某一产业进入另一产业。二是产业发展类型、结构与规模决定着职业教育专业设置走向。受产业发展影响,职业教育要及时调配有关资源,以适应产业实际发展需求。职业院校设置专业的类型、规模等都与校企深度融合专业教学改革息息相关。个体的多样化发展和产业的发展需求是职业教育适应性最本质的内核。进一步剖析,关于个体多样化发展的适应性是职业教育教育性的回归,关于产业发展需求的适应性则是职业教育经济性的有力彰显。不同发展阶段下,职业教育的适应性内涵也呈现出不同的特点。但在所有发展阶段中,职业教育适应性内涵的最终落脚点都是人才和产业。

1.2 匹配学生全面发展的根本含义

作为一种特殊的教育类型,职业教育的主要任务是在传递与发展文化过程中,开发学生的智力、提高学生的综合素质,进而促进其全面发展。校企深度融合专业教学改革具有满足社会和个人发展的双重教育价值。建设初期,职业教育主要以就业为导向,多侧重于满足产业发展需求[6]。随着产业逐渐从低端向高端转变,职业教育逐渐开始关注人的全面发展。但职业教育在这方面的侧重点与普通教育存在较大差别。普通教育更多是依托通识教育达成促进人全面发展的目的,而职业教育则凭借提升学生的职业素养,使其在职业生涯中获得可持续发展。此时,校企深度融合专业教学改革在这一过程中就显得尤为重要。目前,国内社会分工不断细化,纵向层面设置的岗位阶层也逐渐形成。在不同岗位分层与社会分工的影响下,就业市场对不同层级人才需求日益增加。校企深度融合专业教学改革能够极大地满足学生的成长诉求,提升职业教育适应性,从根本上匹配学生全面发展需求。加之,我国已迈入知识经济及信息社会加速发展的新时代,对各行各业的人才要求越来越高,使得职业更迭和淘汰显著加快。校企深度融合专业教学改革可以匹配这种发展趋势下对人才的要求,将人才供给划分为“变量供给”和“增量供给”两大类,为学生适应就业市场奠定坚实的基础。

1.3 落实“以就业为导向”办学方针的有效路径

“以就业为导向”的办学方针对职业院校更新育人体系提出更高要求。基于此,职业教育必须将学生就业置于重要地位,推进专业学科本位加速向就业和职业本位转变,促使就业与教育实现无缝对接。而校企深度融合进行专业教学改革正是贯彻落实上述要求的有效途径。其一,校企深度融合伴随的专业教学改革可以帮助学生提前感受真实的工作场景,使其顺利就业。通过校企深度融合,学生在校期间便可参与顶岗学习,积累实践经验。其二,校企深度融合专业教学改革可以大幅提升学生的职业素养,使其可以快速地实现从学生到社会工作者的角色转变。顶岗实习期间,学生不仅能将理论知识与实践能力快速融合,还能较早地接受企业文化熏陶,提高对职业和岗位的热情。其三,校企深度融合下开展的专业教学改革还有利于学生及时掌握就业数据,帮助学生实现就业与企业用人的顺利对接[7]。

2 数字孪生技术的内涵特征

数字孪生最初起源于建模仿真技术、兴盛于传感技术,此后伴随新一代信息技术群体的突破与融合发展不断壮大[8]。数字孪生技术是一种将物理实体与其数字化模型相结合的技术。它通过创建一个物理实体的虚拟复制品,以实时模拟、预测和优化实体的行为和性能[9-11]。数字孪生技术的内涵主要呈现三种特征。

2.1 精准映射下的虚实共生

数字孪生通过确立物理与数字之间实时反馈、精准映射的机制,能够实现两个空间互联互通。一方面,将真实世界中的物理实体事物实时映射进数字孪生体,精准描述与刻画物理实体,实现虚实融合共生;另一方面,及时获得数字孪生体反馈,全域感知现实世界中物理实体的动态运行趋势,对其发展规律加以预测,并依据分析结果协调和管控物理实体的具体行为状况,实现以虚控实的目的。这种虚实间的互联互通和双向映射,赋予了数字孪生在精准映射下的虚实共生特征。此外,数字孪生能持续收集学习主体的实时学习数据,展现学习者实际认知能力的动态演化过程。学习主体可以按照数字孪生仿真模拟出的优化建议,驱动自身不断提升对专业知识的认知水平。例如,利用数字孪生技术可推动职业院校创客空间实现从混合到映射空间的转变,促使物理与信息世界融合、交互,由此空间内所有学习主体都可收集、分析、预测自身学习力的演化进程。

2.2 数据驱动下的资源优化

数字孪生是将数据作为核心驱动力,集全业务、全流程、全要素于一体的新兴技术,不仅涵盖产品设计、研发等全生命周期各环节的数据,还包括多源异构、信息物理虚实等多元数据的融合[12]。数字孪生应用于教育领域过程中,不仅需要先进技术的支撑,还需要参与个体真实的认知数据作为重要驱动力。多维且详尽的教育大数据,构成了数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的基础,促使数字孪生具有明显资源优化特征。通过收集、整理、分析校企融合中各主体的各项实时数据和历史数据,推动动态化、高仿真虚拟模型不断修正,数字孪生技术能够在多样化情景下最大限度地提供满足特定对象需求的响应服务。这一过程中,数据孪生也呈现出基于数据驱动的资源优化特质。例如,校企借助数字孪生技术,可量化学生在虚拟融合教学实践中对不同信息呈现方式的反应,收集大量认知数据,分析学生的实时认知反应模式,以此作为资源配置的决策参考。

2.3 智能交互下的沉浸体验

凭借多种终端或传感设备,数字孪生可以实现和真实物理世界的跨界交互,将数字与物理两个空间对接,准确、实时获取个体数据,并进行计算和分析[13]。通过“人机”交流,在底层实时收集与分析多维数据,以数据可视化和模型仿真等方式进行友好交互,为个体带来沉浸式体验。这也是数字孪生区别于其他数字化技术的关键特征。在校企深度融合专业教学改革中,数字孪生可理解为对学生多维数据进行收集、传输、分析、存储,然后在数字虚拟空间中构建智能模型,并利用三维动画、图像、报表让学生实现“人机交互”。另外,数字孪生应用过程中,融合教学可以打造出虚实结合的新型课堂,破除传统教学模式固有的时空边界,建立更加友好互动的师生交流模式。如此,学生的综合认知能力发展情况才能被直观地展现出来,进而为其适应性学习提供重要支撑。今后,伴随学习范式不断发生变革,数字孪生还可能会逐步延伸至全息投影技术、脑机接口等领域,为学生创设更加真实的沉浸式互动学习空间。

3 数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的价值维度

3.1 有利于精确化分析学习过程

校企深度融合专业教学改革过程中,职业院校、教师、企业对学生学习过程掌握的精确度,决定了后续改革深化的走势和调整方向。在现有的区块链、人工智能、大数据等技术运用基础上,将数字孪生引入校企深度融合专业教学改革,可实现多主体智能互动。依据卡尔·波普尔的“三个世界”理论,我们可以将物体、技术、人与数据远程对接,数字孪生技术可以描绘出学习者真实的学习过程画像,实现对学习者学习情况的精准反馈。一方面,利用数字孪生技术对学生学习过程数据进行采集并刻画画像,有助于倒逼学生及时调整学习心态,快速融入课堂教学;另一方面,全方位收集、归纳与分析学生多元化学习数据,有助于校企灵活使用数字化技术,为学生提供情感计算、机器学习等学习内容。

3.2 有利于精准化推送学习内容

在万物互联互通的背景下,校企深度融合专业教学改革已成为一种必然趋势,将数字孪生技术引入校企深度融合专业教学更是深化改革的必由之路[14]。这种数字化驱动下的融合学习变革,旨在依据学生在融合学习过程中的真实需求、个性特点、学习态度,为其提供自适应、深层次、个性化等多种学习模式。通过数字孪生技术,学生在融合学习过程中可以获得更加精准化的学习内容推荐与全方位的学习反馈,并以此为依据及时调整学习方式,提高对复杂问题的处理能力。具体来看,将数字孪生技术应用于校企深度融合专业教学改革过程中,有助于打造“无边界课程”。“无边界课程”可理解为打破内容、时间、空间等限制,而创设出的多元化、系统化课程[15]。在数字孪生技术打造的“无边界课程”辅助下,校企深度融合专业教学改革中各参与主体都可获利。例如,利用多种数字算法,企业可在掌握学校现有课程、学科教材、知识图谱、智能题库等资源的情况下,依托掌上平台为学生提供多维度、全周期、个性化的学习体验。

3.3 有利于科学化评价学习效果

校企深度融合下的专业教学变革,试图打破传统学习方式、空间限制,为学生长远发展制定更加科学的学习评价方案,切实转变新时代学生的学习内容、方式和理念。数字孪生技术赋能下,教师的智能素养和数据素养将获得极大提升,通过灵活使用数字评价工具,为融合教学课程制定更加科学化的学习评价方案。借助数字孪生衍生的智能算法、自然语言处理、计算机视觉等技术,校企可对学生开展智能测评,促使评价数据更加计量化和可视化。此外,教师在开展融合专业教学评价的过程中,应充分考虑学生的安全感和自信心,利用数字孪生技术的反馈系统维护学生作为独立个体的隐私。

3.4 有利于无边界化构筑学习生态

随着教育现代化建设加速推进,打造终身化、智能化、网络化的教育体系,构建“时时可学、处处能学、人人皆学”的学习型社会逐渐成为一股热潮。校企深度融合专业教学改革正好可以为这种智慧学习空间变革提供多种可能性。数字孪生技术加持下,校企深度融合专业教学能够打造出一种多维无边界、立体交互的学习生态,促使学生不受传统时间、地点等外部因素限制,极大地提高其学习的积极性和热情。首先,数字孪生技术主张应用MR、AR、VR等技术,提升融合教学课堂环境,加速全息资源生成,为学生体验深层次学习情境提供无限可能;其次,优化的数字孪生学习系统,能够为校企深度融合专业教学的泛在学习提供更多可能,将学习场域延伸至家庭、食堂、操场等多样化活动区域;最后,数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革后,融合教学不再局限于虚实空间中的动态交互,而是可以拓展到虚拟空间中的多个数字学习群,这在一定程度上加深了学生对融合专业教学知识的理解,助力校企融合专业教学改革。

4 数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的实践探索

教育大数据驱动的数字孪生技术在收集教学数据、提升认知能力等方面具有独特的优势,可在校企深度融合专业教学改革领域中发挥巨大作用。然而,数字孪生技术的赋能与应用并非一蹴而就,需要多层面、多维度、多主体共同参与建设,逐渐完善对数字孪生技术的认知,并形成完备的理论体系。

4.1 发挥政府主导力量,全面强化顶层设计

作为从宏观层面优化顶层设计、实施统筹规划的主导力量,政府部门在数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革进程中扮演着重要的角色,引领着数字孪生的助力方向。在机制层面,政府部门应逐步完善数字孪生技术协同应用模式,建立政府、院校及企业三方互动交流平台与沟通机制,促使数字孪生技术能够切实满足校企深度融合专业教学改革的需求。在财政层面,政府部门应大力扶持数字孪生技术发展,利用财政资助方式,为数字孪生助力校企深度融合专业教学改革中的重要项目与关键技术提供资金补贴。如此,不仅有利于企业在承担社会责任基础上保持良性发展,还能为学校顺利招募合作企业提供坚实后盾。在制度层面,应进一步加速完善相关规章制度中针对数字孪生技术应用的规划,明晰各主体在数字孪生技术应用过程中的责任与权益,协调校企双方利益。

4.2 搭建交流互动平台,多维实现数据共享

与校企融合存在共同利益和合作关系的产学联盟,是驱动数字孪生在校企深度融合专业教学改革中发挥效能的有力主体,可在很大程度上促使双方建立良好的交流平台和协作机制。在满足需求层面,教育组织可在明确自身现实条件制约、教学需求与教育现状的基础上,对数字孪生技术提供的教育服务提出合理的需求。此时,校企合作双方也应认真思考教育组织提出的需求,在成本可控的前提下适当引入数字孪生技术,促使专业教学改革顺利推进。在保障运行层面,教育机构和院校等组织在推广、运行、建设数字孪生技术服务体系时,应建立规范化规章制度和管理流程,确保数据安全、科学、准确,保障学生合法权益。在创新创造层面,职业院校应积极举办数字孪生技术相关知识培训,提高师生运用数字孪生技术的能力。此外,企业在大力推进数字孪生技术应用的过程中,应持续加大产品研发投入,致力于满足教学实践的现实需求。

4.3 提高个体数据素养,切实保障安全运行

教师、家长、学生等在校企深度融合中的受益个体与数字孪生之间存在互惠互利的关系。教育大数据是助力数字孪生赋能校企深度融合专业教学改革的后台保障,要求数字孪生依据各主体真实反馈,对数据信息进行收集、整理与分析。所有的有效数据均建立在每一个独立的个体之上,个体可依托数字孪生技术提供的反馈信息驱动自身发展。因此,在应用数字孪生技术时,所有个体必须具备良好的数据安全观念和数据处理能力。一方面,个体应通过官方平台、教育组织、企业等正规渠道,学习涵盖多学科的校企融合专业教学知识;另一方面,个体在获取数字孪生技术服务时,应严格遵守规章制度,避免数据滥用、误用和泄露。

4.4 打造自动巡航体系,确保改革平稳推进

在学校与企业间建立大数据自动巡航体系,将数字孪生助力校企深度融合专业教学改革的效能发挥到最大。具体而言,可在企业的智慧车间设置工业物联网和智能传感器,自动探查企业内部生产运营状况;在职业院校融合教学各环节、各阶段设置数据探头,以便了解教学数据的变动情况。此外,教师可利用自动巡航体系中的语音感知、表情识别、肢体语言识别等功能,收集学生的日常行为数据,并将这些数据融入教学过程,实时记录学生真实的学习情况,为其备课与教学提供参考和决策。