数字孪生虚拟现实技术在高职数字化教学改革中的应用研究

摘要：数字孪生虚拟现实技术在高职数字化教学改革中的应用研究旨在探索如何有效利用这一技术来提升教学效果和学生实践能力。在明晰数字孪生虚拟现实技术的基本原理上，分析数字孪生虚拟现实技术在高职教育中的优势和挑战，以及其在高职教育中的应用模式，针对存在的挑战，提出改革措施。通过建立虚拟模型和模拟环境，学校可以创造出更真实且安全的学习场景，使学生可以进行工程实训、模拟仿真等实践操作，并在虚拟环境中获得及时反馈和指导。此外，数字孪生虚拟现实技术也支持课程融合与创新、跨学科合作与资源共享及个性化学习和数据分析的实践。通过开展应用研究，教育机构可以不断探索提高高职教学质量的更好方法，充分挖掘数字孪生虚拟现实技术在高职教育中的潜力，提升学生成绩和就业竞争力。

关键词：数字孪生虚拟现实数字化教学实训

中图分类号：G641文献标识码：A

ResearchontheApplicationofDigitalTwinVirtualRealityTechnologyinHigherVocationalDigitalTeachingReform

YAOLiquan1，2LIUYonggang1，2*SHILei1，2

1.LiaoningOpenUniversity，ShenyangCity，LiaoningProvince，110034China;2.LiaoningEquipmentManufactureCollegeofVocationalandTechnical，ShenyangCity，LiaoningProvince，110161China

Abstract：TheresearchontheapplicationofDigitalTwinVirtualReality（VR）technologyinthedigitalteachingreformofhighervocationalcollegesaimstoexplorehowtoeffectivelyusethistechnologytoimprovetheteachingeffectandstudents'practicalabilities.OnthebasisofclarifyingthebasicprincipleofDigitalTwinVRtechnology，theadvantagesandchallengesofDigitalTwinVRtechnologyinhighervocationaleducationanditsapplicationmodeinhighervocationaleducationareanalyzed，andthereformmeasuresareputforwardaccordingtotheexistingchallenges.Throughtheestablishmentofvirtualmodelsandsimulationenvironments，schoolscancreatemorerealisticandsafelearningscenarios，sothatstudentscancarryoutpracticaloperationssuchasengineeringtrainingandsimulation，andgettimelyfeedbackandguidanceinthevirtualenvironment.Inaddition，DigitalTwinVRtechnologyalsosupportscurriculumintegrationandinnovation，interdisciplinarycollaborationandresourcesharing，andthepracticeofpersonalizedlearninganddataanalysis.Bycarryingoutappliedresearch，educationalinstitutionscanconstantlyexplorebetterwaystoimprovethequalityofhighervocationalteaching，fullytapthepotentialofDigitalTwinVRtechnologyinhighervocationaleducation，andimprovestudents'performanceandemploymentcompetitiveness.

KeyWords：DigitalTwin;VirtualReality;Digitalteaching;Practicaltraining

在高职数字化教学改革中，数字孪生虚拟现实技术被广泛应用。数字孪生是指通过对真实世界对象、过程或系统进行模拟和仿真，以创建其虚拟副本。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能、传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像，提供了更加沉浸式的学习体验[1]。在高职数字化教学改革中，数字孪生虚拟现实技术可以用于模拟实际工作场景，使学生能够实践操作和解决问题，培养其实际技能[2]。此外，学生通过数字孪生技术可以实时获取反馈和指导、个性化学习、提高学习效果和成果。因此，研究数字孪生虚拟现实技术在高职数字化教学改革中的应用旨在探索如何更好地利用这一技术促进学生的学习和发展。

1数字孪生与虚拟现实技术的概述

1.1数字孪生技术的定义和特性

1.1.1数字孪生技术的定义

数字孪生技术是新一代信息技术集成突破的代表，其核心理念是构建出与物理世界实体对象高度一致的虚实结合体。这个虚拟模型可以实时接收来自实体对象的各类数据，从而对实体对象进行状态监测、故障预测、优化控制等。数字孪生技术的关键在于实现虚拟模型与实体对象之间的实时交互和高度一致性，数字孪生概念基本模型如图1所示。

1.1.2数字孪生技术的特性

数字孪生技术的特性包括实时性、互操作性、可扩展性和可预测性，具体如下。

（1）实时性。数字孪生技术能够实时接收来自实体对象的数据，并更新虚拟模型的状态，实现虚拟模型与实体对象的实时同步。

（2）互操作性。数字孪生技术构建的虚拟模型可以与各种不同的软件和平台进行数据交换和互操作，实现跨领域的协同设计和优化。

（3）可扩展性。数字孪生技术可以根据实际需求对虚拟模型进行扩展和改进，包括增加新的功能模块、调整参数等，以满足不断变化的设计和优化。

（4）可预测性。数字孪生技术通过对虚拟模型进行仿真和分析，可以对实体对象的性能、行为和潜在问题进行预测和评估，为决策制定提供有力支持。

1.2虚拟现实技术的定义和应用

虚拟现实技术是使用电脑模拟生成一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉等感官的模拟，使用户如同身处于一个真实的环境，完全沉浸式地置于计算生成环境，并使其以自然的方式与环境进行交互。

虚拟现实技术涉及计算机图形学、人机交互、电气自动化、智能传感等多门学科的专业知识，其广泛应用于航空航天、游戏、教YwOTWHHauILUxGAcmXA0zA==育、医疗、军事等领域。在教育领域中，虚拟现实技术可以用于模拟实验、可视化教学、技能训练等方面。通过虚拟现实技术，学生可以在安全的环境下进行实践操作，提高技能水平和实践能力。同时，虚拟现实技术还可以通过仿真实验、模拟训练等方式帮助学生更好地理解复杂的概念和原理。

1.3数字孪生虚拟现实技术的结合

数字孪生与虚拟现实技术的结合表明在虚拟现实中高度逼真地再现数字孪生体，同时允许用户直观和沉浸式地与其进行交互，这种结合为高职教育带来了革命性的改变，使学生能够在没有时间地点限制的情况下对复杂的设备或系统进行学习和操作实训。在结合过程中，一方面对教学内容相关的物理实体进行数字化建模，创建数字孪生平台，通过温度、压力、位移等多个维度传感器实现数据收集，并实时监测并反馈实体状态，通过数据分析和处理，将所有的信息实时更新到数字孪生体。另一方面，在虚拟现实环境中，用户佩戴VR头盔等设备进行感知并互动，并将用户操作实时反馈至数字孪生平台，形成双向互动学习体验。

2高职教育中数字孪生虚拟技术的优势

数字孪生虚拟现实技术在高职教育中的应用具有多重优势，并面临一些挑战。通过数字孪生虚拟现实技术模拟高职教育中的虚拟实践环境，通过进行实践操作和解决问题，有效培养了学生的实际技能[3]。此外，数字孪生虚拟现实技术的应用还可以提供自适应的学习进度跟踪，根据学习者的学习行为分析，提供个性化创新设计服务，从而增强学习效果和兴趣[4]。此外，虚拟环境还可以打破地域限制，促进跨学科合作和远程教育，为学生提供更广阔的合作和交流平台。

3高职教育中数字孪生虚拟技术的应用模式

数字孪生虚拟现实技术在高职教育中可以采用多种应用模式，以提升学生的学习效果和实践能力。

3.1虚拟研究实验室模式

数字孪生虚拟现实技术可以为高职科研提供一个虚拟实验室的模拟环境，学生可以在虚拟实验室中进行不同学科领域的研究实验，如物理实验、化学实验、生物实验等。通过模拟的实验操作，学生可以更便捷地进行数据采集、分析和结果验证，提高实验设计和科学研究的能力。虚拟实验室还可以提供更丰富的实验条件和设备资源，使学生拥有更多的学习机会。

3.2工程实训模式

在工程类专业中，通过数字孪生虚拟现实技术，可以建立各种工程场景的虚拟模型，模拟真实的工作环境。学生可以在虚拟环境中进行实际的工程操作和任务，如设计构建建筑物、操纵机械装置等[5-6]。学生通过与虚拟环境的互动，可以获得更真实的实践体验，提高自己的技能水平，并避免由于错误操作而导致的风险和成本。

3.3虚拟职业培训模式

数字孪生虚拟现实技术在职业教育中也具有广泛应用。例如：在汽车维修专业中，可以建立虚拟的汽车维修场景，模拟车辆故障排查与修复过程，供学生进行实践训练；此外，在厨艺、美容、电子商务等职业领域，模拟出现实的应用场景，进行职业技能培训和实践操作，增加实战经验。

在这些应用模式下，数字孪生虚拟现实技术为高职教育提供了更真实和实践性更强的学习体验。通过与虚拟环境的交互，学生可以深入实践和探索，从而增强学生的动手实践能力、解决问题的能力和创新思维能力。同时，虚拟环境的应用也弥补了传统教学中资源受限的问题，为学生提供了更广泛的学习机会和实践场景。

4高职数字化教学改革策略

4.1教师培训与支持

教师培训与支持是基于数字孪生虚拟现实技术的高职数字化教学改革中至关重要的一环。在教师培训方面，学校可以组织专门的培训课程以帮助教师掌握虚拟现实技术的使用方法、教学设计、评估方式等。此外，邀请专家指导和分享经验也是一种有效的培训方式。同时，为了解决教师在应用过程中遇到的技术困难，学校需要提供相关资源、设备和技术支持，并建立一个互助平台，教师之间可以相互交流、分享经验和解决问题。通过全面的教师培训与支持，教师们将能更好地掌握数字孪生虚拟现实技术、更有信心与能力将其应用于教学中，从而提升高职教育的质量和效果。

4.2课程融合与创新

在基于数字孪生虚拟现实技术的高职数字化教学改革中，课程融合与创新是非常重要的一环。通过将虚拟现实技术与传统课堂教学相结合，使用3D模型和模拟场景进行实践模拟、案例探究等，提高学生的参与度和专注度，培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。在数字孪生虚拟环境中，不同学科的内容可以更好地融合在一起。例如：机械、电子和计算机等学科的内容可以通过一个统一的虚拟平台进行教学，帮助学生更好地理解和应用这些知识。数字孪生虚拟现实技术为教师提供了更多的教学工具和手段，教师可以利用这些技术进行创新的教学设计，如开展项目式学习、协作学习和翻转课堂等。通过与行业合作，基于数字孪生虚拟现实技术的高职数字化教学改革可以更加贴近实际需求。通过不断探索和应用新的教学方法和资源，课程融合与创新能够为高职教育带来更好的教学效果和学生发展。

4.3跨学科合作与资源共享

跨学科合作与资源共享在基于数字孪生虚拟现实技术的高职数字化教学改革中扮演着重要的角色。通过跨学科合作，不同学科和专业的教师可以分享彼此的经验、知识和资源，共同参与教学设计和开发跨学科的课程内容，这使得学校能够提供更全面和综合的教育，将不同学科的知识和技能有机地结合在一起。同时，资源共享也是一种有效利用资源的方式，通过建立资源库和平台，学校可以将教学材料、实验设备、虚拟模型等共享给所有教师和学生，提供更广泛的学习机会和实践场景。通过跨学科合作和资源共享，高职教育能够促进学科之间的交流与合作，培养学生的综合素质和跨学科思维能力。

4.4虚拟实验室与实践模拟

通过建立虚拟实验室和模拟实践场景，学校可以为学生提供更真实、安全且可控的实践环境。学生可以在虚拟实验室中进行各种实验操作、工程设计、模拟等，通过与虚拟环境的互动来培养实际操作能力和解决问题的能力。虚拟实验室还可以提供及时的反馈和指导，帮助学生纠正错误并加强实践技能。这种模式不仅可以弥补传统实验条件不足的问题，还能够扩展学生的学习机会和实践场景。通过虚拟实验室与实践模拟的应用，高职教育能够更加贴近实际工作环境，强化学生的实操水平。

4.5数据分析与个性化学习

通过数字孪生虚拟现实技术收集学生在虚拟环境中的操作数据，并进行数据分析和评估，这样可以为每个学生提供个性化的学习支持，根据其学习风格、水平和需求提供定制化的学习路径、资源推荐和反馈。个性化学习模式能够更好地满足学生的学习需求[7]，提高学习效果和参与度。同时，通过数据分析，学校也可以及时发现学生的学习困难和问题，并针对性地提供教学和辅导措施，帮助学生克服困难，提升学习效果。通过数据分析与个性化学习的应用，高职教育能够更加有效地指导学生的学习、提高他们的学术成绩和综合能力、培养他们的自主学习和持续进步的能力。

5结语

数字孪生虚拟现实技术在高职教育中具有巨大潜力，它能够为学生提供更真实且安全的实践体验，增强他们的实际操作能力和解决问题的能力。通过课程融合与创新、跨学科合作与资源共享、个性化学习和数据分析等策略应用，数字孪生虚拟现实技术能够提升学生的参与度和专注度，培养其综合素质和跨学科思维能力。这就为高职数字化教学改革提供了有力支撑。

参考文献

[1]武玲玲，叶晨.基于虚拟现实技术的数字化体育舞蹈教学平台设计与实现[J].台州学院学报，2023，45（3）：51-56，64.

[2]王芳，陈书理.虚拟现实技术在高职院校实训教学中的应用研究[J].信息系统工程，2023（6）：169-172.

[3]曾丽颖，韦小芬.基于数字孪生技术的机电类专业课程改革研究[J].科教导刊，2023（21）：41-43.

[4]赵慧臣，彭梦甜.高校教师实施混合式教学问题与对策的质性研究[J].数字教育，2022，8（1）：32-39.

[5]张炜，马进中，汪炳森.虚实融合的数控机床虚拟仿真实践教学平台建设与实现[J].机电工程技术，2023，52（9）：114-117.

[6]顾黎，周明华.国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台对现代远程教育实验教学的启示[J].成人教育，2022，42（5）：47-52.

[7]陈世红，虎晓娥.基于调查问卷的SPOC模式课程质量评价研究[J].计算机教育，2023（9）：154-158.