数字孪生教育应用：历史发端、现实存在与未来挑战

摘要：数字化时代，数字孪生技术的兴起为教育领域带来了前所未有的机遇和挑战，如何推动数字孪生在教育行业的应用落地成为亟待解决的问题。基于此，对数字孪生教育应用的“前世”“今生”与“未来”进行深入剖析，揭示其历史发端、现实存在、未来挑战以及应对策略。研究发现：数字孪生教育应用脱胎于航空工业的技术突破、相伴于人工智能的概念雏形、应用于教育领域的浅尝辄止；当前数字孪生教育应用的技术优势熠熠生辉、基础设施羽翼渐丰、应用领域日新月异；但在技术瓶颈、伦理规范、设备成本、应用范式等方面尚面临一定挑战；未来，有必要从政府、社会、个人三层面来有效发挥数字孪生技术的教育价值，进一步深化和扩大其教育应用范围。

关键词：数字孪生；教育数字化；虚拟仿真；人工智能

中图分类号： TP399；G434" " " " " " " " " 文献标志码： A文章编号： １６７３－２３４０（２０24）０4－００01－16

Overview of digital twin education applications： historical origins，

current existence， and future challenges

QIAN Xiaolong， LI Fengyun， SHI Wenya， HUANG Beibei*

（Institute of Future Education， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In the digital age， the rise of digital twin has brought unprecedented opportunities and challenges to the educational field. Therefore， how to promote the application of digital twin in the education sector has become an urgent problem to be solved. Based on the reality， this research conducts an in-depth analysis of the \"past life\"， \"present life\" and \"future\" of the application of digital twin in educational field， so as to reveal its historical origin， realistic existence， future challenges as well as coping strategies. The research finds that： The application of digital twins in education was first enlightened by the technological breakthrough of the aviation industry， further developed in the conceptual prototype of artificial intelligence， and eventually applied to educational field. Digital twin has significant technical advantages in the application of educational field now. Meanwhile， its correlative infrastructures are gradually developing， and its application fields are also changing rapidly. However， there are still some inevitable challenges like technical bottlenecks， ethical norms， tremendous equipment costs， application paradigms， etc. Therefore， in the future， it is necessary to effectively play the educational value of digital twin from the aspects of government， society， and individuals in order to further deepen and expand its scope and value of educational application.

Key words： digital twins; digital education; virtual simulation; artificial intelligence

数字孪生，作为物理世界与数字世界深度融合的创新产物，旨在通过集成多维数据源（包括物理模型、传感器数据、运行历史等），实现对物理实体全生命周期过程的精准映射与仿真[1]，成为连接现实与虚拟世界的桥梁[2]。简而言之，数字孪生就是创造出一个虚拟的“数字孪生体”，其能够模拟、预测和优化物理实体的运行状态和行为[3]。这一前沿技术理念，凭借其强大的模拟、预测及优化能力，已在全球范围内引起了广泛关注，并展现出广泛的应用前景。美国、德国等发达国家已率先将数字孪生纳入国家发展战略，通过政策扶持、资金投入等方式推动其在工业制造、智慧城市等领域的广泛应用。同时，新加坡、法国、加拿大等国家也在智慧城市项目中积极探索数字孪生的应用潜力。在我国，随着“数字中国”战略的深入实施，数字孪生技术同样受到了高度重视，如“数字孪生+”战略[4]的实施、《数字孪生体技术白皮书（2019）》[5]的发布与《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[6]的印发等，都体现了我国对于推进数字孪生技术发展的持续思考和实践探索。

然而，尽管数字孪生技术在全球范围内取得了显著进展，但在教育领域的应用仍处于起步阶段。首先，教育领域对数字孪生技术的认知尚不深入，缺乏系统的理论支撑和实践案例[7]；其次，近年来，平行教育改革逐渐在全球蔓延，如何根据教育的特殊性和复杂性，设计适应教育场景的数字孪生模型，以实现教学资源的优化配置、教学模式的创新以及学习效果的显著提升，是当前教育领域亟待解决的问题[8]；最后，随着数字孪生技术在各领域的深入渗透，其在教育应用中的伦理、隐私及数据安全等问题也日益凸显，成为人工智能时代不容忽视的挑战[9]。为进一步推动数字孪生在教育行业的应用落地，本文通过全面综述数字孪生技术在教育数字化转型中的应用，对其“前世”“今生”与“未来”进行深入剖析，揭示其发展历程、现状特征以及面临的挑战，并探索其未来的发展趋势与可能路径，以期为相关研究和政策制定提供理论依据和实践参考，为教育行业的数字化转型贡献智慧与力量。

1" "数字孪生教育应用的历史发端

日光之下，并无新事。理解复杂新事物的办法之一，就是从最初的原始事物出发，层层深入、逐渐推进，直至引出新事物。对于数字孪生教育应用的认识亦是如此，需以数字孪生为认识基点，逐步梳理发展脉络，如图1所示。

1.1" "脱胎于航空工业的技术突破

数字孪生技术的问世体现“实践先行，概念后成，实践发展”的循环链路。换言之，航空工程领域的“数字样机”先行实践活动是数字孪生技术孕育的前奏，而数字孪生技术概念从萌芽到逐步成熟，又反过来成为航空工业实践发展的理论支撑。数字孪生教育应用正是脱胎于航空工业数字孪生技术的不断突破与演进。

数字孪生可以追溯到20世纪六七十年代的阿波罗计划，在此计划中，为了满足实际飞行需求，构建了一个与实际飞行器完全一致的“孪生”飞行器。这个“孪生”飞行器，也被称作“孪生体”，是一个数字样机，主要用于真实反映实际太空飞行器的运行状态。它不仅可以辅助飞行准备阶段的日常训练，还允许通过仿真等方式，用于任务执行期间来相当精确地实时反映和预判正在运行的实际飞行器的状况，从而辅助飞行状态、决策开展优化。值得注意的是，当时的孪生体主要用于仿真，其存在形式是实际的物理模型。

2003年，美国Grieves教授提出了一个重要概念，即“与物理产品等价的虚拟数字化表达”[10]，他将数字孪生应用至数字领域，认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间中建立代表物理设备的虚拟实体和子系统[11]。然而，因受制于当时的数字化手段，数字孪生的概念主要处于初步的产品设计阶段，物理实体利用数字模型来抽象映射，并未真正延伸至生产制造和服务阶段。尽管如此，数字孪生技术还是在此后锋芒毕露，被逐渐应用于航空航天领域。在 2003—2010年期间，Grieves教授抽象化概念，先后将其称为“镜像空间模型”和“信息镜像模型”[12]。在这一阶段，数字孪生逐步用于航天飞行器的性能、寿命预测和状态维护。

2009年，美国空军研究实验室先是将其引入飞行器工程，后又为解决战斗机机体的维护问题，提出了“机体数字孪生体”的概念[13]。2010年，美国航空航天局在太空技术路线图中引入数字孪生体的概念，加速了数字线程的设计[14]。2011 年，Grieves在其著作《几乎完美：通过生命周期管理推动创新和精益产品》中，多次使用由他的合作者Vickers提出的“数字孪生”一词，这一术语一直延用至今[15]。在概念逐步明确化过程中，数字孪生得以进一步发展。自此以后，数字孪生技术在航空工业领域的实践应用更具广度和深度。

1.2" "相伴于人工智能的概念雏形

站在专业技术的视角，数字孪生的核心在于虚拟空间内对现实物理世界进行高精度的仿真模拟，这一过程深度依赖于先进的算法模型与人工智能技术的强有力支持[16]。数字孪生与人工智能的发展程度有相当高的关联度。具体而言，以机器学习为核心的人工智能技术，为数字孪生提供了强大的数据驱动能力，这一技术框架使得数字孪生能够无缝整合数据、算法与决策分析，构建起物理对象的精准虚拟镜像，以提前预警潜在风险，进而实现对物理对象的高效、科学且及时的监控与管理[17]。从时间视角展开分析，数字孪生相伴于人工智能的概念雏形过程。

人工智能是一门新兴的技术科学，它集研究与开发于一体，依托计算机信息技术，利用机器学习、深度学习等算法，赋予计算机感知、认知、学习和推理等能力。概括来讲，人工智能作为一种现代社会的驱动力和思维方式方法，是类人行为、类人思考，也是理性的思考、理性的行动。事实上，人工智能并非一个新近诞生的科学概念。在远古时代，东西方文明中都曾出现过人造人的神话传说。在20世纪30—50年代，因计算机科学、神经生物学和数学等学科的发展，人工智能首次进入科学家们的视野，与其相关的任务也随之开展。神经生理学家McCulloch和数学家Pitts的研究指出，经过互联的神经网络执行计算，能够提升智能计算精度[18]；心理学家Hebb提出赫布定律，提供了一种理解大脑学习机制的新视角，揭示了学习过程中大脑神经元变化的奥秘，是推动机器学习算法设计与应用发展的重要一步[19]。

20世纪五六十年代，人工智能概念由萌芽逐渐过渡到雏形。1950年，Turing提出了一种测试机器智能的新方法，他试图通过人工智能哲学方面首个严肃性提案——“图灵测试”，来明确“智能”的定义，自此，人类对人工智能的探索正式拉开了帷幕[20]。1956年，美国计算机科学家Minsky、McCarthy和信息论的奠基者Shannon等人组织召开达特茅斯会议，正式提出人工智能的学术概念，并将其作为一门具有独立研究方向的学科，实现人工智能真正意义上的降世[21]。自会议之后，人类开始了机器模拟人类学习的探索过程，使得人工智能迎来了发展的春天。但当时，人工智能是以逻辑理论为底层原理的，机器只有依靠人的输入指令才能执行特定任务，并不具备真正的思考能力。也正是在这一阶段，随着国际上航空、航天、军事等特定领域的发展，数字孪生的技术要求进一步提高，需要更高性能的算法用于分析与处理，来支撑数字场域与物理场域的实时交互与融合。如此，促成了人工智能技术的诸多发展突破。可以说，数字孪生与人工智能概念的雏形阶段相伴相随。

1.3" "应用于教育领域的浅尝辄止

人类社会现今正处在一个虚实相互融合的混合空间，数字孪生技术为虚拟空间与物理空间的融合带来一种新的可能，即以虚映实、以虚控实、虚实交互，进而达到虚实共生。基于此视角，数字孪生在教育场域内的应用兼具理论的前瞻性与潜在的实践意义。

数字孪生教育是依托数字孪生技术兴起的一种新型教育理念和教育形态。它通过集成智能设备与机器学习等尖端技术，实现对教育者与学习者海量数据的精准采集与分析，构建精细化的教育场景模型，实现了教育过程的可视化、可预测与可优化[22]。如今，数字孪生教育技术日臻成熟，其在教育领域的应用需求也呈现不断增长的态势，主要聚焦于微观、中观和宏观3个层面，为教育创新提供了新的思路和方向。然而，尽管取得了一些进展，数字孪生教育应用仍处在初级阶段，浅尝辄止，尚未达到博而精的境界。

在微观层面，以数字孪生技术为契机，知识与经验的传递方式正经历着深刻的变革，它们不再局限于传统的结构化框架内，而是以非结构化、跨媒介的具象化信息形式呈现。一方面，教师角色的转变尤为显著，教师不再仅仅关注知识的传递是否到位，学生是否接收、理解并消化，而是更加注重激发学生的内在潜能，引导他们在泛智慧空间中进行个性化的知识探索和技术实践[23]。另一方面，学习者实现了学习过程的精准监测与自我评估，通过创建与自己高度对应的数字孪生体，学习者能够实时了解自己在学习活动中的状态、进程和认知能力的发展情况，有助于进行自我反思与诊断，及时发现学习中的不足与偏差，并据此调整学习策略[24]。并且，通过包括学习者、学习者孪生体、智慧机器等在内的学习共同体的组合运用，群智协作被赋予可能性，学习者学习的自主性、个性化进一步增强。

在中观层面，通过数字孪生画像的构建，打破硬环境与软环境之间的数据孤岛，盘活资源的流动性、共享性，推动知识流通与传递，建设数字孪生智慧校园。具体而言，以学习者为中心，以教育教学实体空间中的一切资源型物件为激活对象，为其创设基于自适应的个性化学习空间。与此同时，构建包括学习者、教师等核心教育主体的数字孪生对象，精准捕捉并整合校园内外的各类高质量数据，如学生的学习行为、教师的教学活动、校园设施的使用情况等，来对校园软、硬环境的数据进行深度建模[25]。此外，数字孪生技术还具备强大的连接能力，能够跨越不同领域与部门，将校园打造成为一个开放的知识管理平台，知识不再是孤立的、静态的，而是流动的、共享的[26]。

在宏观层面，顺应信息化发展大趋势，可以将教育系统纳入更广为建设的孪生系统，使其成为城市或社会孪生系统的重要网络和数据节点。数字孪生技术能够无遗漏地采集人、机器、物质和环境等各个方面的状态数据，并对其进行实时处理，从而在数字世界中创造出真实世界的精致复刻[27]。它构建了一个与真实世界紧密联动的虚拟空间，实现了现实与虚拟的和谐交融，既能构建更和谐公平的教育环境，亦有助于扩充教学空间。然而，从现实角度来看，数字孪生作为一种新事物，仍存在诸多的应用困境和技术难题，融入宏观系统仍处于理论探究阶段。

2" "数字孪生教育应用的现实存在

数字孪生技术为教育带来了全新的视角和可能性，同时，其实践的生成性和人为性也需要得到充分认识。教育实践的智慧在于将理论理性与实践理性相结合，从“何以如此”和“如何行动”的角度出发，构建智能化时代的教育新模式。当前，数字孪生在教育领域的应用逐渐崭露头角，需要从多层次、多角度探究其“何以为”与“如何至”的现实存在状况。

2.1" "技术特性

数字孪生的技术优势熠熠生辉，为教育应用提供有力的支撑力量。数字孪生既是一个新的、整合性的技术体系，也是一个复杂的系统，深植于大数据、物联网、人工智能及云计算等前沿信息技术的沃土之中[28]。新一代智能技术的蓬勃发展，既催动数字孪生在传统仿真技术基础上孕育而生，同时又加速其自身与数字孪生的融合进程，推动数字孪生的成熟与发展，促使数字孪生的技术特征日渐显著，从而为教育应用提供强有力的技术支持，如图2所示。

“数智”融合的驱动作用，提升数字孪生教育应用的精准化、人性化与智能化水平。虽然大数据与人工智能的关注点不相同，但两者关系密切，相互影响，融合共进。大数据是人工智能进行“思考”“预测”与“决策”的基础，支撑智能的建立与升级。人工智能技术作为数据操作的集合体，彰显大数据的价值内涵。对于数字孪生来说，大数据与人工智能的融合也逐渐凸显。大数据技术具备强大的整合能力，它能够无缝连接原本孤立的数字系统，激活沉寂的数据资源，将碎片化的信息镜像整合成完整视图[29]。对于教育来说，学习者是教学活动的中心，也是影响教育效果的重要因素。基于数字孪生技术的教育应用，在大数据和人工智能的共同驱动下，既注重大数据和人工智能的本体功能，又充分发挥两者的耦合优势，为学习者提供更加智能多元、精准高效、优质个性且人性化的学习设计与支持服务。进一步来讲，还能提供更为智慧化、智能化的生态环境与技术支撑，驱动教育实践与变革。

云计算的强大功能，促进数字孪生教育应用功效的最大化。数据在数字孪生教育构建中占据重要位置，数据效力的发挥显得尤为重要。云计算作为一种分布式计算技术，具有很强的扩展性和需要性。一方面，可以廉价、快速、高效地实现数字孪生教育数据的存储、计算和处理，推动优质数据结构的形成与利用；另一方面，可以将数字孪生教育资源协调在一起，允许按需使用，使资源获取摆脱时间和空间的限制。目前，已有多所高等院校和职业院校以云计算和边缘计算等为依托，通过数字孪生来构建教学新场景，如构建多学科融合的数字孪生教学实验室[30]、联合企业构筑数字孪生融创空间[31]、借助数字孪生技术搭建技能实训基地[32]等。

区块链技术的赋能作用，明晰数字孪生教育去中心化的应用思路。数字孪生技术的“终极目标”是构建镜像世界，有效协同物理空间的实体与虚拟空间的数字模型。这意味着数字孪生不仅仅限于完整地记录物理实体过往的信息，更要能切实地反映物理实体的实时状态，对未来的状况与变化进行模拟、预测，辅助问题解决方案的制订与优化，从而形成虚拟世界的健康生态。迄今为止，数字孪生体系的构建多依赖于中心化方法，而区块链则从根本上提供了一种分布式的解决方案，作为一个去中心化的共享账本和数据库，它展现了截然不同的架构理念[33]，具有分散化、无法篡改、全程监控、智能追踪、协作维护、透明公开等特点[34]。这些特点不仅保证了区块链的“诚实”与“透明”，还因其分布式性质和协商一致机制[35]，使得区块链能够不依赖受信任的第三方而直接建立信任。融合区块链与数字孪生技术，能够发挥结合作用，保证数据不被篡改，实现物理空间的实体与虚拟空间的数字模型的一一对应，并实现数字孪生体间的交互[36]。进而帮助解决数字孪生在教育应用中的信息不对称问题，实现多个教育主体之间的交互协作、信任建立与一致行动。未来世界，数字孪生教育在“数字孪生+区块链”的构建系统下，能够建立全面覆盖物理世界的镜像世界，实现“共智增智”。

此外，物联网技术、5G、虚拟现实技术（VR/AR/MR/XR技术）的运用也为技术特征增添了浓墨重彩的一笔。在这些新一代新技术的集成之下，教育主体的一言一行、一举一动都会反映在数字孪生平台中，“全息”的数字技术模拟、仿真物理场域，并实时动态反映和优化，促成与数字场域的互联共智，从而勾勒一个虚实映射的新领域，产生学习感官的全新体验，促进数字孪生教育的诠释。

2.2" "设施建设

数字孪生的基础设施羽翼渐丰，为教育应用提供坚实的物质基础。教育基础设施涵盖教育环境、教育设备和教育资源三方面内容，是教育事业得以发展的基础物质资源和重要关键条件。其中，教育环境为教育发展提供氛围支撑，教育设备为教育发展提供物质支撑，而教育资源为教育活动的开展提供知识内容支撑。面向教育服务的数字孪生，致力于为教育服务提供有力支持。数字孪生教育，是集成了多项数字技术的新型技术体系和应用集合，它实现了多源数据的融合以及各类平台基础设施功能的打通，为教育者和学习者提供了更智能高效的教育环境。

数字孪生基础设施的建设，特别是数字化基础设施的打造，推动了教育设备的发展及其功能发挥、智慧化学习环境的创设，以及个性化学习资源的推送。数字孪生教育得以实现的关键在于全域感知设施、智能计算设施和网络连接设施的协同作用。这些设施共同构建了一个智能化的教育环境，为学习者提供了全方位的学习支持。通过全域感知设施，我们可以实时收集学习者的各种数据，从而更好地理解他们的需求和特点。智能计算设施则为处理和分析这些数据提供了强大的计算能力，使我们能更准确地诊断问题并预测未来的发展趋势。而网络连接设施则保证了数字孪生教育应用的稳定运行，为学习者提供了一个流畅的学习体验。三类设施的融合使用能够对连接的虚实域实施感知、诊断、预测与优化，有效激发了学习者的内在动力，提升了学习效率与质量，同时加速了教育资源的共享流通，推动了学习行为模式的科学优化[34]。

加之，全球范围内已经掀起的“新基建”东风，这也让本就在教育领域中扮演重要角色的基础设施，驶入了加速发展的“快车道”。随着新一轮科技革命和产业革命的浪潮席卷而来，数字化、网络化、智能化已然是未来大势所趋。在这一背景之下，“新基建”应运而生，即新型基础设施建设，它以信息网络为基础、数字技术为核心、新兴领域为主体、虚拟产品为主形态、平台为主载体，是为满足数字经济社会等发展需要的基础设施体系[37]，它致力于数字化转型、助力产业结构升级以及促进跨界融合创新等服务[38]。当然，在人工智能、5G网络、大数据、物联网、工业互联网等“新基建”的同步发展下，我们有理由相信，数字孪生也是一股推动基础设施建设的重要力量，也将与这些“新基建”一道，齐头并进，共同为社会高质量发展助力，释放大规模“数字红利”。另外，“新基建”如火如荼，不断向教育领域延伸，为教育行业的网络化、数字化、智能化发展按下快进键，拉动“教育新基建”。不仅注重当前基础设施体系结构的优化升级，更着眼于未来的发展，为数字孪生教育应用的实现提供稳定扎实的后盾支撑和更为广阔的发展空间，推进教育事业强筋壮骨[39]。

2.3" "实际应用

数字孪生的应用领域日新月异，为教育应用提供显著的示范效应。作为数字时代最重要的技术之一，数字孪生技术愈发炙手可热，使用频率愈高，应用范围也愈广，“顶流”一词形容也不为过。从最初的军事领域，如航空航天，到如今已逐步扩展到各类民用行业，特别是在制造业中展现出巨大潜力[40]。从概念上来讲，数字化是从模拟到数字的过渡，是使用数字化信息来简化特定操作的过程，而数字化转型则是通过利用现代通信手段和信息技术，改变价值创造的方式[41]。数字孪生在智慧制造、智慧城市到智慧医疗等诸多领域的探索与应用，无不体现数字化转型的痕迹，也逐渐彰显其“智慧新代表”的身份。然而，数字孪生的应用远不止于此，其在教育领域同样具有探索价值，尽管目前尚处于初步阶段。

智能制造领域。纵观历史，工业革命促使生产组织形式发生变化，不断简化与改进生产流程[42]。诚然，科学技术的发展已促成工业时代最新的革命——第四次工业革命（工业4.0）。工业4.0以智能制造为主导，力图通过融合物理世界和数字世界来实现制造业的数字化[43]。随着新一代新技术以前所未有的深度、广度乃至粒度态势对传统制造业的逐步渗透，许多国家应势而动、顺势而为，纷纷提出相关的先进制造战略，力图抢抓先机，占领高地，成为发展引领者。例如德国的“工业4.0”、美国的“先进制造”、日本的“社会5.0”、中国的“中国制造2025”、法国的“未来工业”、意大利的“智能工厂”，以及欧洲越来越普遍化的“未来工厂”[44]。不难发现，尽管这些战略制订的环境有所不同，但其目标却如出一辙。具体而言，就是发展具有更高智能性、可持续性和个性化的智能制造，而实现制造业的物理世界和虚拟世界之间的交互、集成和融合是该目标得以达成的重要先决条件[45]。数字孪生是工业4.0的使能工具之一[46]，能有效融合虚拟世界、真实网络与物理世界，实现产品制造和工艺周期的全方位模拟、仿真、预测，促成生产过程效率和生产线运行效能的全面提高[47]。鉴于此，可以预见，数字孪生将为工业注入“智慧”的动力，其在智能制造方面拥有广阔的应用前景。

智慧城市领域。城市是一个典型的复杂系统，具有基础设施密集、人口稠密、多子系统耦合的特点。因此，当前城市在规划、建设、管理等方面面临许多问题。在这一背景之下，利用新的机制、新的手段来建设数字化、智慧化管理体系是题中应有之义。基于数字孪生技术开展的城市治理，以城市资源配置效率和运行状态的全面提升为最终目标。具体过程就是将现实问题以数字化的方式呈现在虚拟孪生体中，继而通过反复的模拟、监控、诊断、预测和调试，寻找用以解决城市违规建设问题的治理方案。可想而知，借助数字孪生技术，智慧城市可以实现精细而高效的管理，通过精准映射现实情况、虚实交互信息流动、软件定义管理系统和智能干预应对挑战，能够在规划、运营与管理等方面表现出卓越的效能，构建更美好的生活环境。

智慧医疗领域。数字孪生技术展现出了巨大的应用潜力和价值：一方面，数字孪生技术深刻改变了诊断与监测的方式，加速了医疗智能化的发展步伐；另一方面，数字孪生技术在医疗设备的设计、维护与优化方面同样发挥着关键作用，它能够促进医疗设备的互联互通，构建一个高度集成的医疗数据生态系统，实现院内设备全数据的无缝采集、智能处理、安全储存及高效应用转化[48]。除此之外，研发人员提出大胆设想：构想了一个基于数字孪生技术的虚拟人体模型，这一模型能够精准地映射人体的各项生理指标，包括脉搏、血压、体温等浅层数据，以及更为复杂的内部生理数据，实现“人体数字孪生”[49]。这将使医学治疗的方式发生根本性的范式转变，即从“一刀切”的治疗转变为基于患者内在生物学信息、临床症状以及体征而量身定制的“精准”治疗，推动“精确医疗”（又称“个性化医疗”）[50]。现如今，数字孪生技术虽然在医疗领域处在起步阶段，距离真正广泛应用还有诸多难题需要突破，但值得一提的是，其已经应用于新冠肺炎疫情的预防与控制工作。

智能教育领域。数字孪生通过构建虚拟与现实相融合的学习环境，为教育带来了前所未有的变革，虽然数字孪生在教育领域的直接应用尚处于初步阶段，但已有一些探索性的尝试。一方面，个性化学习体验的打造是数字孪生技术应用于智能教育的重要表现。特别是在艺术教育中，数字孪生技术呈现蓬勃的发展价值，借助此技术，期待为学习者提供沉浸式学习环境，能够让学习者结合自身艺术技能利用虚拟仿真来进行不同的艺术体验[51]。另一方面，数字孪生技术对教育资源的优化配置和高效利用发挥着重要作用。通过构建教育资源的数字孪生模型，学校和教育机构能够实时监控和管理各类教育资源的使用情况。当前，研究者开始了广泛尝试，如利用数字孪生技术进行虚拟实验室的构建，模拟真实实验过程，让学生可以在虚拟环境中进行科学实验，既保证了安全又提高了学习效率[52]。目前的一些教育应用虽然还不够成熟，但已经展现出数字孪生技术在教育领域的巨大潜力和广阔前景。

面向各类场景的应用是数字孪生的最终价值体现。从长远来看，数字孪生的应用一方面将向广度发展，即数字孪生将应用到更多的行业，服务于更多的场景，发挥出更大的作用；另一方面将向深度发展，即贯穿具体产业的整条产业链，全面覆盖上下游各类主体，追求产业的数字化转型。显然，数字孪生应用领域在广度、深度两个维度的不断拓展，势必也会为数字孪生教育应用提供一种显著的示范效应，促使其不断培育出新思路、新路径、新应用，迸发出更多发展潜力。

3" "数字孪生教育应用的未来挑战

诚如Meier所言：每当一项新技术被引入教育实践中，往往会被寄予巨大的期望，数字孪生技术亦是如此。它在教育领域的应用虽有时代赋予的机遇，但又难免面临挑战和困难。

3.1" "技术瓶颈有待突破

技术突破与安全挑战并存。数字孪生作为新兴技术，使得数字孪生教育逐渐由抽象概念走向落地阶段，不断培育出教育新方法、新应用、新生态。然而，就目前来看，数字孪生教育应用的发展，在技术方面尚不够成熟，还有一些技术难题亟待突破解决，技术安全问题也日渐凸显。

从作为技术支撑的数字孪生本身角度来看，主要需要突破以下技术限制：一是“高保真度/逼真度的仿真”技术难关。高保真度的仿真建模是构建数字孪生体系的重要关键，被认为是数字孪生的基础性技术，也是实现高置信度仿真预测的前提，否则，仿真预测的置信度将如无源之水、无本之木[53]。数字孪生是物理实体在数字世界的超写实动态模型之一，高精度产品虚拟模型的构建是其首要技术难题。多维度虚拟模型精确构建与融合、虚拟模型自主更新、虚拟模型准确性评估是保证产品虚拟模型精度的技术切入点。二是数据的收集、准确性、可信性等技术难题。在数据收集方面，数字孪生技术应用依赖于全方位、全过程数据的准确性，数据收集涉及一些技术难题的解决，如传感器、精确控制与执行技术等。在数据准确性方面，数字孪生作为虚实交互的复杂系统，要求系统数据实现多元融合，保持语义一致，以通过高精度模型架构来提升目标系统性能[54]。在数据可信性方面，数字孪生体在实际构建过程中依赖大量的数据计算，可以说数据的集成是数字孪生的核心，要实现对数字孪生系统的完全信任，就必须保证数据的可信[55]。三是实时监测与健康预测技术仍有待完善。一方面，为了确保数字孪生的实时性和预测准确性，需要进一步研究和开发相关技术，如高精度传感器技术、多模态融合技术、机器学习和人工智能算法等；另一方面，需加强数字孪生技术与其他先进技术的结合，如开展跨学科合作，利用云计算与边缘计算等技术，不断实现更高效、智能的监测和预测，为数字孪生技术的应用提供有力支持。

从数字孪生技术的教育应用角度来看，数字孪生作为为教育赋能的新兴技术之一，在教育中的应用存在硬件、软件、网络3个方面的技术难点。在硬件方面，数据采集设备与技术亟需提升。由于数字孪生体对学习周期的全覆盖需求，要求全时、全域、全要素的感知与监测，并处理历史数据。然而，当前技术条件制约了对学习者完整学习活动的全面感知，导致教育大数据不足以支持数字孪生体的智能分析[56]。在软件方面，开发与应用方面的技术能力有待增强。有效运行数字孪生体需要对海量的教育大数据进行动态实时分析与处理，这离不开更高性能算法的支撑。同时，还需要根据实际应用场景，通过AutoCAD、SolidWorks、ANSYS、Simulink等软件，结合大数据、区块链、AI等技术，更精确地建立物理空间的仿真模型，最终呈现可视化效果。不难看出，实现这些需要相关人员具备优越的软件开发与应用能力[57]。在网络方面，使用需求的增加促使网络环境的进一步优化。实时稳定地传输大量数据对实现数字孪生教育至关重要。在学校中，构建各教育主体的数字孪生模型，需要依托广泛的网络设备，以满足集中时段内的网络服务需求，然而，这种需求无疑加重了校园网络环境的运行负荷[58]。因此，对建设大带宽、高速率、低延迟、广连接、高稳定的校园网络环境提出高要求。

3.2" "伦理规范亟待完善

规范建设与风险防范并重。数字孪生技术为教育带来了革命性的变革，显著提升了教育效率和质量。然而，数字孪生在教育领域的应用也会伴随产生相关伦理挑战。首先，隐私保护与数据安全问题。随着各类数据的集成与分析，人类对智能技术的依赖日益加深，而数字孪生技术依赖于大量个人数据的收集与分析，这极大地增加了个人隐私泄露的风险[59]。其次，算法偏见与公平性问题。算法决策可能因训练数据的不均衡或偏见而导致结果的不公，在数字孪生教育中，这可能导致某些学生群体被边缘化或误判[60]。再次，身份认同与自主性问题。数字孪生体在辅助教学中的角色定位模糊，可能引发对学生身份认同和自主性的挑战，学生可能过度依赖虚拟环境，影响其在现实世界的社交能力和自我发展[9]。最后，责任归属与问责机制问题。在数字孪生教育环境中，当出现问题或事故时，责任归属往往变得复杂，需建立明确的问责机制，确保技术开发者、教育者、学生及其家长等各方都能明确自己的责任范围[61]。

基于此，突出伦理规范性和技术健壮性，建立教育领域的可信赖数字孪生具有现实意义。首先，制定全面的伦理准则，加强伦理教育与培训，建立多方参与的监管机制。要秉承人与技术相统一的观念，加强数据加密与访问控制，明确数据管理制度，提升用户隐私意识，明确数据收集、存储、使用的界限，确保学生、教师及家长的隐私权益不受侵犯，树立数字孪生教育应用的正确价值导向。其次，建立算法审查机制，构建多元化数据集，引入公平性评估指标。数字孪生教育中，需定期对算法进行持续的审查与优化，收集多样化的训练数据，确保其决策过程透明、公正，对算法决策结果进行公平性评估，及时发现并纠正不公平现象。再次，明确数字孪生体角色定位，培养学生自主学习能力，增强其身份认同教育。在教育应用中，必须明确数字孪生体的辅助性质，鼓励学生保持独立思考和自主学习的能力，帮助学生建立正确的自我认知和价值观，防止虚拟环境对身份认同的负面影响[62]。最后，建立明确的问责机制，设立应急响应机制，推动技术创新与伦理融合。一方面，要制定详细的问责制度，明确技术开发者、教育者、学生及其家长等各方在数字孪生教育中的责任范围，构建由政府、学校、企业、家长及学生等多方参与的监管机制；另一方面，在技术研发和应用过程中，充分考虑伦理因素，确保技术发展的方向与社会价值观相契合。

总之，对于数字孪生教育的发展，不能盲目乐观，也不能因噎废食，而是要在认识其可以增加教育福利的同时，从宏观上引导数字孪生技术朝着科学的道路前进，即对其教育应用进行伦理反思与风险防范，通过预知性技术伦理方法[63]，分析伦理风险与问题的生成原因及化解对策，进而形成伦理规范的基本共识，向学生、教师、家长、企业以及相关行政机构开展伦理审查，对教学环境、教学过程、教学评价等开展全过程监测，推动可信评估、操作指南、行业标准、政策法规等落地实践逐步深入，构建起科学有效的治理框架体系。

3.3" "设备成本急需控制

成本管控与收益扩张并行。设备的使用一方面离不开技术的支持，另一方面又支撑起技术的实现。在数字孪生技术中，数据、模型、软件构成了三大技术要素。其中，数据是基础，模型是核心，软件是载体。数字孪生教育应用围绕三大技术要素，推动数字技术的整合协作与创新应用，特别是数字孪生、物联网、云计算、区块链、机器学习等关键技术。不言而喻，实现技术特征显著的数字孪生教育应用，必然需要底层设备的支撑。

然而，设备成本水涨船高，势必成为数字孪生教育应用的一大发展阻碍。同贯穿产品全过程的数字孪生一样，数字孪生教育作为多项新兴技术与教育集成与融合的产物，其目标并不仅限于打造更好的教育产品，更多的是帮助教育行业更好地使用产品，提升教育的服务化、智慧化水平[64]。数字孪生教育应用离不开全生命周期的每一环节，而任一环节、环节之间以及整体环节的真正实现，都不断地对硬件设备、软件设备提出更高的要求。日益复杂化、高精密化的设备，会导致其在购置、开发、运用、维护与管理等多方面费用的增加，从而加剧数字孪生教育研究和应用成本的大幅攀升。与此同时，由于设备成本与收益的差距在短时间内难以弥合，也会加重数字孪生教育应用所负载的压力[65]。并且，数字孪生教育因显著的教育服务属性，更多地关注应用实施过程，对成本和收益两者的平衡关系尚未特别敏感，这导致了其应用的特殊性、规模的过小化和效益的过低性，影响数字孪生技术在教育方面的应用发展与突破。

正是因为设备技术状况、开发、经营、维修和管理成本都会显著影响数字孪生教育的应用效益[66]，所以，从现实角度思考，数字孪生在教育领域要想取得技术应用和大规模发展，成本控制占有极其重要的地位。一方面，应提高对成本控制的正确认识，形成行之有效的综合管理实施体系。在“精益管理”思想的指导下，将成本控制贯穿应用的全过程，紧密结合设备技术管理和经济管理，保持设备良好技术状态的同时，节约设备在全生命周期中的使用费用，以求设备的寿命周期成本最低、设备的综合效能最高。另一方面，积极探索多元化收益模式和收益量化策略，科学建立和持续创新效益机制，有效解决成本和收益之间的矛盾，以摆脱成本对于当下或未来数字孪生教育应用及推广可能造成的制约。

3.4" "应用范式尚未成熟

范式标准与框架构建并进。从根本上来说，范式实际上是一种基础性的理论架构，它提供了一个框架，使得各种思想和观念得以系统化、规范化，成为人们共同遵守的准则。但如今，关于数字孪生教育的理论研究与应用实践，其范式尚未成熟，其范式标准与框架构建仍需要进一步发展与完善。

首先，从用户需求层面出发，当前数字孪生教育领域面临着缺乏统一的基础共性参考标准的挑战。这一状况导致了人们对数字孪生教育的理解差别化、认识欠缺化以及需求表达失能，这给数字孪生教育的研究和应用带来了诸多困难，如创设、融合、交流和合作等方面的挑战。因此，建立数字孪生教育基础共性标准的需求显得尤为迫切，通过统一的标准，可以促进数字孪生教育领域的交流与合作，深化该领域的理解与认识，进而推动该领域的发展与创新。这样的标准将有助于消除理解差异、提升认识水平，并明确需求表达，为数字孪生教育的研究和应用提供更加明确和有效的指导。

其次，从关键技术与实施过程出发，数字孪生教育面临一系列挑战。目前，该领域缺乏相关模型、数据和系统的连接建立与关闭、服务类型等参考标准，导致其应用存在模型、数据、系统彼此之间集成困难、兼容性差、一致性低、互操作弱等问题。为了确保数字孪生关键技术在研究过程与应用实施中的有效性，打破封闭孤岛的技术限制，制定核心技术标准显得尤为重要和迫切，这些标准应涵盖物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接与集成以及服务标准等多个方面[67]。

最后，从应用层面出发，数字孪生在教育领域的应用面临着技术要求、实施要求、应用准则、适用工具和平台、风险预测、安全管理等参考标准的缺失问题。这一状况导致不同的使用主体对数字孪生教育的应用存在困惑，从而在一定程度上阻碍了数字孪生教育应用的进一步发展和落地。为此，亟需在考虑上述标准的基础上，建立规范的应用标准。如此，有助于消除使用主体对数字孪生教育的应用困惑，推动数字孪生教育应用的普及和发展，为数字孪生教育应用范式的研究与制定工作添砖加瓦。

4" "研究结论与启示

数字孪生教育作为一套综合性技术系统，在数字化转型进程中承担着关键角色，其建设和应用是渐进式、迭代式和不断演进的过程，而非一蹴而就的短期行为。未来应继续关注其发展趋势与问题，深化理论与实践探索，为数字孪生教育应用的成熟与普及提供有力支持。

4.1" "研究结论

数字孪生教育应用具有广阔的发展前景和重要的应用价值，但同时也需要克服诸多挑战与困难。通过全面综述数字孪生技术在基础教育数字化转型中的应用，可以揭示其发展历程、现状特征、面临挑战及应对策略。

首先，数字孪生教育应用脱胎于航空工业的技术突破、相伴于人工智能的概念雏形、应用于教育领域的浅尝辄止。通过深入探讨数字孪生技术在教育领域的应用与变革潜力，明确了其从航空工业向教育领域跨越的历程，系统梳理了数字孪生教育应用的发展脉络，并揭示了其如何推动教育模式的创新与发展。可以说，数字孪生技术以其强大的技术优势，正逐步重塑教育教学方式，为学校教育、自主学习和实践探索提供了前所未有的机会。

其次，当前数字孪生教育应用的技术优势熠熠生辉、基础设施羽翼渐丰、应用领域日新月异。数字孪生技术使翻转课堂各环节的学习场景、学习活动和教学事件无缝衔接，形成了深度融合的学习模式。通过创建多种数字孪生教育学习场景和构建多类教与学支持系统，如智慧型学习场所、模拟场馆环境、沉浸式建筑模型、认知数字孪生体及数字孪生辅助教学系统等，为学习者提供了更加丰富、直观和高效的学习体验。有关教育环境、教育设备和教育资源等数字孪生教育应用的基础建设愈加丰富，其应用领域也逐步向广而深的方向前进。

最后，数字孪生技术在教育领域的发展仍面临诸多挑战，包括技术瓶颈、伦理规范、设备成本、应用范式等问题。同时，就数字孪生的发展状况来说，国内外存在一定的现实差距。在国外，数字孪生正处于茁壮成长阶段，美国、德国等发达国家在数字孪生的理论层面和应用层面均处于世界领先地位。相比之下，我国引入数字孪生的时间相对较短，目前正处于初期的探索与实践阶段。此外，在具体的教育应用中，还面临其他方面的问题，如对数字孪生教育的学习变革、实现机制等的认识仍需深入研究与挖掘，对数字孪生教育的理论溯源、话语体系、技术标准仍需继续探索与完善等，而这需要更多的理论研究、技术开发和实践应用来更好地应对挑战。

4.2" "研究启示

面对广泛应用仍任重道远的形势，需要多主体、多角度、多层面共同发展，不断完善对数字孪生教育及其应用实践的认知和发展，从而充分发挥数字孪生技术的教育应用。

首先，政府层面加强顶层设计。在数字孪生教育的发展过程中，各级政府不仅是制定与完善顶层设计的主体，更是推动数字孪生教育应用普及的重要力量[68]。对于实现机制，政府应积极发挥引领作用，加强与学校、企业等各方的合作，构建多方沟通与合作的平台和机制，确保数字孪生教育能够真正满足教育发展的需求。对于财政投入，政府的引导和支持对数字孪生教育的推广与应用具有决定性意义，应加大财政投入，完善制度设计，构建多渠道多举措的经费保障机制，并为数字孪生教育应用于实践中的关键技术与项目提供全面支持，从而为数字孪生教育的良性发展提供有力保障[69]。对于制度设计，政府不仅是制定和实施政策的主体，更是推动数字孪生教育健康有序发展的关键力量。应明确各参与主体的权利和责任关系，确保各方在数字孪生教育应用过程中能够有序协作。此外，还应建立多方协同发展的合作机制，为数字孪生教育提供科学的发展方向和明确的目标。

其次，社会层面实现互联互通。在数字孪生教育的推广与应用过程中，产学联盟的互联互通扮演着不可或缺的重要角色。产学联盟与数字孪生教育之间存在着紧密的利益关系，通过建立高效的合作机制、交流平台和协作流程，可以促进数字孪生技术对教育作用的充分发挥[70]。对于供需方面，作为数字孪生教育实施主体的学校和教育机构，对当前教育状况、需求及其制约因素有着深入的了解，能够提出切实可行的需求建议[71]。为确保数字孪生教育的稳定运行和持续发展，教育组织和相关企业应共同制定一套系统、完善的规章制度和科学规范的管理流程，这有助于确保数据应用的准确性和安全性，维护学习者的合法权益[72]。此外，营造良好的教育大数据应用氛围也至关重要。通过开展数字孪生教育科学知识的普及活动和应用培训项目，可以增强师生的数据意识，培养他们运用数字孪生教育的能力和技能。这些措施将有助于推动数字孪生教育在教育领域的更广泛应用和深度融合。

最后，个人层面提高数据素养。在大数据支撑下的数字孪生教育环境中，学生和教师的反应与行为数据对教育过程的优化至关重要[73]。个体需要具备高效的数据处理与分析能力，以及严格的数据安全与合规意识，不断增强自身认知内驱力，深化对数字孪生教育的认知[74]。同时，在使用数字孪生教育服务过程中，个体应严格遵守管理流程与规范，确保数据的安全性和合规性。通过这些措施的实施，个体能够更好地利用数字孪生教育促进自身发展，并确保数据的安全和合规使用，推动数字孪生教育在教育领域的更广泛应用和深度融合，为现代化教育强国的建设提供有力支持。当前，数字孪生教育虽尚未实现普及化、全面化，但我们只要积极培育数字孪生技术发展的良好环境，采取循序渐进、迭代演进的方式来提升民众对于数字孪生技术的认知，促进数字孪生教育理论基础与实践方案的不断完善，必将有助于推进我国教育信息化和现代化的发展进程。

5" "结束语

数字孪生技术与教育的融合是教育数字化和现代化发展的重要趋势，通过探讨数字孪生教育应用的历史发端、现实存在以及未来面临的挑战，深入分析其发展历程、技术优势、应用现状以及存在的问题，以期为数字孪生技术在教育领域的进一步推广与应用提供理论支持与实践指导。研究结果表明，数字孪生教育应用起源于工业技术革新，逐步融入教育领域并展现出强大的变革潜力，为教育教学方式的创新提供了新途径。然而，其发展仍面临技术瓶颈、伦理规范、设备成本等多重挑战，且国内外在发展水平上存在显著差异。展望未来，随着技术的不断进步和应用场景的持续拓展，数字孪生教育应用有望在教育领域发挥更加重要的作用，数字孪生技术与教育的融合将推动教育领域的深刻变革，为数字化教育注入新的活力。为此，政府、学校、企业及个体等多方主体需要合心合力，积极营造数字孪生技术发展的良好环境，推动其向更高水平发展，为教育现代化贡献力量。

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（责任编辑：张燕）