數字孿生技術下智慧教育的可能與實現

張喜艷 莊會紫

摘? 要 目前，數字孿生技術已經運用在機械制造等各個領域，隨著時代技術的不斷發展，未來數字孿生技術將使用在更多領域。論述數據孿生技術在教育領域應用的可能性，在理論方面尋找數字孿生技術在教育領域應用的支撐，并從技術方面探討應用于教育所需要的技術支持與實現，預測其對教育會產生重大影響，推動智慧教育的實現。

關鍵詞 數字孿生技術;智慧教育;具身認知;數字模型

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）22-0001-04

Possibility and Realization of Intelligent Education under Digital

Twin Technology//ZHANG Xiyan， ZHUANG Huizi

Abstract At present， digital twin technology has been used in various

fields such as mechanical manufacturing. With the continuous deve-lopment of technology of the times， digital twin technology will be used in more fields in the future. This paper discusses the possibility of the application of data twin technology in the field of education，

seeks for the theoretical support of the application of digital twin tech-

nology in the field of education， and discusses the technical support and realization of the application in the field of education from the

technical aspect， predicts that it will have a significant impact on edu-

cation and promote the realization of intelligent education.

Key words digital twin technology; intelligent education; embodied cognition; digital model

1 前言

近年來，各教育層次的學校中出現大量依托教育計算機智能系統支持、以教育信息化思想制作的軟硬件系統，輔助學校更好地進行教育教學管理活動，實踐過程中擁有不少優秀成果。我國智慧教育雖在基礎設施與平臺建設等方面取得一定成績，但與真正實現智慧教育目標仍有相當距離[1]。智慧教育作為一個研究熱點，首先對智慧教育的定義缺乏共識，而目前的使用情況遠遠稱不上智慧教育，缺乏智慧性與人本性。數字孿生技術是最近出現的技術熱點。本文從構建學習者模型角度入手，分析數字孿生技術應用于教育領域的可能性，展望新技術應用可以助力未來真正智慧教育的實現。

2 如何理解數字孿生技術

數字孿生技術發展? 數字孿生（Digital Twin）的初步構想最早可追溯至1969年美國NASA的阿波羅登月計劃 [2]。

關于數字孿生概念，最早是由美國密歇根大學的Michael Grieve教授在2003年提出的[3]。2014年引入“Digital Twin”這一正式理論于技術體系并迅速被美國國防部、NASA及西門子、PTC、達索等公司接受和推廣。數字孿生技術以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，模擬物理實體的現實行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，實現物理實體空間與數字虛擬空間的交互共融和智能化操作，是智能制造落地實施的關鍵技術之一[4]。

在Gartner公司發布的2018年人工智能技術成熟度曲線中，數字孿生技術位于期望高峰上。數字孿生正成為全球信息技術新焦點，世界公認的人工智能風向標。目前是一個技術爆發的時代，技術產品呈現井噴式增長。隨著技術的不斷進步，弱人工智能向強人工智能發展，數字孿生技術將會助力教育發展實現智慧教育。

數字孿生概念? 國外相關學者對數字孿生有著不同的定義，具有代表性的有：密歇根大學提出數字孿生是基于傳感器所建立的某一物理實體的數字化模型，可模擬顯示世界中的具體事務[5]。國內的專家學者也對數字孿生有各自研究，其中蔡遠利在《數字孿生技術的概念、方法及應用》一文中提到：數字孿生是一個物聯網概念，指在信息空間內對一個結構流程或者系統進行完全的虛擬映射，使得使用者可以在信息空間內對物理實體進行預運行，通過運行反饋回來的數據對物理實體的各方面進行評估，對產品或系統的設計進行優化。在物理實體運行過程中，數字孿生也可以通過傳感器等數據源在虛擬空間里實時映射，通過異常數據實現故障精確快速的診斷和預測[6]。

當前數字孿生技術被廣泛運用于工業機械制造、航空機器制造、智慧城市建設、車聯網、物流交通、5G基站建設、智能電網等領域。使用數字孿生技術，較之于之前的傳統數字化技術以及建模仿真技術，具有后者無法比擬的優勢。它通過虛擬映射可以對物理實體運行做出預測，提高實際工作效率以及更好地達成預期目標。其數據的運行、數據的接受、數據的處理處于動態運行的狀態，能夠及時發現問題，找出解決方式。

目前的數字孿生技術被更多地應用于機械制造方面，但相信未來會應用于人類自身，這將對教育產生重大的影響與改變。蘭國帥等[7]認為：“數字孿生為學習者勾畫出一個虛實映射的新領域，帶來學習感官的全新體驗，開拓實體操控新空間?！瘪覙逢柕萚8]認為，數字孿生具有虛實共生、高虛擬仿真、高實時交互和深度洞見等技術特性，其應用走向也從工業領域延伸和拓展到教育等領域。

本文對應用于教育的數字孿生技術的定義為：數字孿生技術可以通過對個體全面數據的采集，以數字化方式創建個人數字模型形象，模擬學習者現實行為，并且通過虛擬現實技術展現在學習者面前，對學習者的全學習過程進行描述，對學習情況進行診斷，對學情趨勢進行預測，并提出個性化的學習策略建議。在虛擬空間中加入學習者數字實體作為媒介，使現實空間與虛擬空間達到交匯共融的和諧狀態。

3 數字孿生技術應用于智慧教育的可能

數字孿生技術應用于教育的現實需要? 信息技術的快速發展在各個領域產生革命性的影響，而相關的技術也在教育領域投入使用，然而與其他領域的成就相比，并未發生革命性的改變。網絡技術可以為教師提供便利，減少部分機械化的工作，但教育教學過程中缺少不了教師參與指導。大數據可以根據總體數據分析走向趨勢，但放到現實的學生個體身上則往往失去強大的分析預測能力。教學平臺結合以往錯題推送學習資源，但往往并不能準確適合學生。教育若想實現智慧化，需要從粗放的整體學習者大數據的采集分析轉變為單獨個體的學習全數據收集挖掘。通過數字孿生技術，在個人實體與數字模型之間建立動態聯系，模型依據學習者傳輸來的學習數據進行動態變化，做到精準的學情分析、資源推送、成績預測等。

數字孿生技術應用于教育中的理論支撐

1）依托心理學。具身認知理論強調，人們是通過身體這一媒介來認識世界的，身體媒介為人們認知學習提供了一種新的方式。學習者只有當認知、身體與環境進行有效互動時，才能進行學習[9]。而數字孿生技術可以通過數字技術將身體實體轉化為模型投射出去，在技術的幫助下實現身體與認知的另一種溝通，幫助擴展學習者的認知系統，實現一種全新角度的認知學習?；诰呱碚J知理論，借助數字孿生技術，可以使人們更好地認識和了解自己，使學習者更加明確學習目的，產生學習動機，激發學習熱情。

2）依托社會學。庫利在《人類本性與社會秩序》中指出，“鏡中我”的本質是個人通過他人眼中的自我進行自我定位，是獨立于自我感覺的他人的評價。在多數情況下，個人與他人的聯系依賴于一種想象其“自我”的確定的想象形式[10]。而將數字孿生技術用于教育時，根據學習者全學習數據所構建的學習者模型就好比“鏡中我”?！扮R中我”指的是人們彼此都是一面鏡子，互相映照著對方。數字孿生技術則可以為學習個體提供一個數字化的“鏡中我”，更加立體、客觀、形象地反映自己學習的情況與狀態。自我認知更具有主觀性，而數字孿生技術通過展現出來的數字化實體，可以幫助學習者實現客觀的自我評價。

3）依托教育學。元認知的發展水平直接制約著個體智力的發展，對學生的學習有著重要影響。因此，教學中對學生進行元認知開發，提高學生的元認知發展水平，對于教會學生學會學習、促進學生智力發展無疑具有重要作用[11]。

而在現實教學中，比較難對學生進行元認知開發、提高元認知發展水平。而通過數字孿生技術讓學生了解自己認知的特點與問題，有針對性地對學生提出建議，對提高學生的元認知發展水平會有很大幫助。

數字孿生技術應用于教育中的優勢

1）教師的智能助手：提高學校教育質量。智慧教育應用的重要前提是以技術為依托，這樣構建的學習環境不僅適合教師在不同的環境下更為高效合理地完成教學任務，也是充分考慮了學生能夠得到優質的學習體驗，同時滿足其個性化需求。數字孿生技術應用于教育，教師通過學生的數字孿生體更詳細了解學生，可以更全面地了解學生的認知水平、學習風格、學習態度等，所有的輔導以學生課上課下相結合數據分析結果為依據，也可以更好地完善輔導的及時性與可靠性，提供精準的學情與應對策略，減輕教學壓力，提高學校教育質量。

2）專屬的學情分析師：推進學生的自我教育。學生得以從第三方視角窺探學習過程各個方面的特征，對自己的學習狀態進行回顧，結合學習者系統數據整合分析，指出目前學習過程中掌握薄弱的知識點、學習方法上的錯誤、學習習慣所出現的不足、學習態度是否端正，模擬以目前學習狀態，成績走向如何。通過專屬的學情分析，結合特定學習內容、特定教學實施者、具體學習環境與具體學習過程等的數據分析，提供真正有指導價值的學情分析，并借助數字孿生模型視覺展示，促使學生自我意識的覺醒。

3）真正的智慧學伴：推動學生的個性化教育。數字孿生技術基于學生學習的全部數據分析，校內與校外分析數據融合拓寬個性化教育服務的廣度，在學習過程中為學生提供個性化和多元化的學習路徑，為教育的個性化學習服務提供決策依據，提升學生學習成效與學習體驗?；跀底謱\生技術構建的學習者模型，通過數據挖掘的算法，發現學生更多的知識方面的漏洞。學生在學習體驗中可以更好地制定適合自己的學習規劃，體現了個性化學習體驗下的激勵作用。

4 數字孿生技術下智慧教育的實現

數字孿生技術應用于教育中所需的支持

1）數據采集設備。數字孿生技術的實現關鍵在于數據，這就需要便攜式隨身數據采集設備，可以實現全天候多角度的數據采集。目前在學習者學習數據采集上，采集步驟煩瑣，儀器對佩戴者影響較大，不僅無法推廣使用，而且會影響學習者表現出正常的學習行為。因此必須采用更便捷隨身的數據采集設備，可以實現全天候多角度的數據采集，為數字孿生提供大量高質的數據。

2）數據處理技術的升級。數據處理方面，全天候多角度的數據采集量是巨大的，面對巨大的數據信息需要強大的計算機技術支持，以足夠的算力保證大量數據可以同時處理，并且要有數據存儲方式和數據傳輸速度的升級，才能實時在終端構建完整的數字模型。因此，實現數字孿生技術在教育方面的應用亟待進一步提高算力，升級數據儲存方式，為大量數據處理提供基本的技術支持。

3）虛擬現實技術的完善。AR、VR、MR、XR技術完善，可以為學習者勾畫一個獨屬于其自身的虛實映射。虛擬映射能夠給學習者帶來感官的全新體驗，更能了解自身學習的狀態、存在的問題，在大數據分析技術的幫助下更好地進行自我剖析，更好地接受所提供的學習建議與學習策略。

4）高速網絡與人工智能的助力。高速網絡已經在現實生活中各個方面起到重要作用，平臺需要高速網絡下的實時數據鏈接與分享。在這一過程中人工智能的作用則更為關鍵，依靠強智能提供的強大算力、邊緣計算廣泛的覆蓋率，都為數字孿生技術在教育上的使用提供更高效的技術環境。通過高效網絡+人工智能的快速部署，能夠實現數據平臺對學習者狀態變化的快速響應。

5）數字孿生技術的發展。雖然數字孿生技術在機械制造和物流運輸方面已經出現很好的應用，但是將數字孿生技術應用于教育還有很大的現實問題，不僅僅是技術難題，還有如何構建學習者模型才能完善體現完整現實的學習者，定義全人的指標的問題，這就涉及教育學、心理學、社會學、人類學等方面。而技術的真正實施落地也涉及個人隱私、社會道德、信息安全等問題。

數字孿生技術實現路徑? 數字孿生技術可以通過對個人全數據的搜集，結合學習者模型構建的教育學原理，形成完整動態的學習者模型，將人完整地映射出去，并且通過VR、AR、MR、XR等技術，給學習者一個直觀完整形象的展示。這一過程需要學習本體數據模型的建立，通過完善可動態變化的數字孿生體，能夠實現對現實學習者數據的完整展示。由于個人實體與數字模型之間建立動態聯系，模型依據學習者傳輸來的學習數據進行動態變化。而從數字實體著手，在虛擬環境下通過自我學習預測學習效果，給出學習者最佳的學習安排，并可以展現出預測結果，激發學習動機、規范學習行為。在這一過程中，學習者學習數據是基礎，能夠反映學習者完整學習狀況的模型是核心，而強大便捷并且可以將學習者虛擬呈現出來的終端是載體。數字孿生技術在教育方面的應用擁有巨大的前景，那么如何去實現呢？數字孿生技術實現路徑如圖1所示。

1）數據是基礎。數字孿生技術的實現首先要構建基于實際事物的數字模型。數字孿生技術要通過對個人全數據的搜集，結合教育學原理，形成完整的學習者模型，即構建學習者的數字孿生體。這一過程要以數據為基礎，基于學習者全數據的收集與學習者模型構建的原理，以數字化方式創建學習者數字模型。

2）模型是核心。這一數字模型動態地跟蹤實際事物，隨著實際事物變化作出改變。學習者的數字孿生體模型不是固定不變的，否則會失去其意義。通過完善可動態變化的數字孿生體，能夠實現對現實學習者數據變化的完整展示。個人實體與數字孿生體模型之間建立動態聯系，數字孿生體模型依據學習者傳輸來的學習數據進行動態變化，實現動態調整。

3）終端是載體。數字孿生技術的應用可以更好地了解實際事物的發展，為其改進提供幫助。完整動態的學習者模型將人完整地映射出去，給學習者、教學者、研究者一個直觀完整形象的展示，通過信息技術、人工智能技術、虛擬現實技術將孿生體鏡像在終端進行呈現。而從數字實體著手，在虛擬環境下通過自我學習預測學習效果，給出學習者最佳的學習安排，并可以展現出預測結果，激發學習動機、規范學習行為，起到描述學習者學習情況、診斷學習問題、預測學習結果、提出針對性策略的作用。

5 數字孿生技術打造交互新模式

當今社會已經邁進智能化時代，新興技術與教育領域的深度融合已經成為未來教育發展與變革的必然趨勢。數字孿生技術應用于教育，將會給未來教育帶來巨大改變，而將數字孿生技術應用在人身上，將會給學習交互方式以及智慧教育帶來重大改變。

在課堂交互方面，數據孿生技術的運用可以使教學評價方式出現歷史性改變，及時反饋與適度監督將在學習者學習過程中有更好的體現。教師對學生的深入了解，能夠推進教師針對性地對學生提出切實可行的建議;在課堂教學時對學情的全面了解，可以作為教師與學生良好交互的基礎。在線教學時，學生形象實時的虛擬投影能夠增強在線教學的交互性，徹底打破時空局限，提高在線教學質量。通過大量學生學習數據的分析，可以在現實環境中為學生挑選適合的學習伙伴，推薦適合的交互學習對象。

在在線學習環境中使用數字孿生技術，可以在空間中向教師實時展示學習者的虛擬形象，輕易便能獲取學習者學習狀態。技術終端通過虛擬現實技術展現真實的教學場景，從而為學習者交互提供更為真實的學習場域。虛擬學習環境中學習者間的交互不再拘泥于文字、圖片、視頻，通過虛擬現實技術用接近真實的學習者形象進行交談互動，突破二維空間限制，獲得更真實的交互體驗，為學習者間的交互提供良好環境。

數據孿生技術搭配智能學伴系統使學習者真正實現智慧學習，輔助教育教學，為其提供教育教學方法上的準確建議，基于個體提供高效的學習方案與交互伙伴的推薦，為學習者打開全新視野，創新線上線下學習交互新形式，實現具有強大功能的智慧教育?！?/p>

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