数字孪生技术下智慧教育的可能与实现

张喜艳 庄会紫

摘  要 目前，数字孪生技术已经运用在机械制造等各个领域，随着时代技术的不断发展，未来数字孪生技术将使用在更多领域。论述数据孪生技术在教育领域应用的可能性，在理论方面寻找数字孪生技术在教育领域应用的支撑，并从技术方面探讨应用于教育所需要的技术支持与实现，预测其对教育会产生重大影响，推动智慧教育的实现。

关键词 数字孪生技术;智慧教育;具身认知;数字模型

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：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

近年来，各教育层次的学校中出现大量依托教育计算机智能系统支持、以教育信息化思想制作的软硬件系统，辅助学校更好地进行教育教学管理活动，实践过程中拥有不少优秀成果。我国智慧教育虽在基础设施与平台建设等方面取得一定成绩，但与真正实现智慧教育目标仍有相当距离[1]。智慧教育作为一个研究热点，首先对智慧教育的定义缺乏共识，而目前的使用情况远远称不上智慧教育，缺乏智慧性与人本性。数字孪生技术是最近出现的技术热点。本文从构建学习者模型角度入手，分析数字孪生技术应用于教育领域的可能性，展望新技术应用可以助力未来真正智慧教育的实现。

2 如何理解数字孪生技术

数字孪生技术发展  数字孪生（Digital Twin）的初步构想最早可追溯至1969年美国NASA的阿波罗登月计划 [2]。

关于数字孪生概念，最早是由美国密歇根大学的Michael Grieve教授在2003年提出的[3]。2014年引入“Digital Twin”这一正式理论于技術体系并迅速被美国国防部、NASA及西门子、PTC、达索等公司接受和推广。数字孪生技术以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，模拟物理实体的现实行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现物理实体空间与数字虚拟空间的交互共融和智能化操作，是智能制造落地实施的关键技术之一[4]。

在Gartner公司发布的2018年人工智能技术成熟度曲线中，数字孪生技术位于期望高峰上。数字孪生正成为全球信息技术新焦点，世界公认的人工智能风向标。目前是一个技术爆发的时代，技术产品呈现井喷式增长。随着技术的不断进步，弱人工智能向强人工智能发展，数字孪生技术将会助力教育发展实现智慧教育。

数字孪生概念  国外相关学者对数字孪生有着不同的定义，具有代表性的有：密歇根大学提出数字孪生是基于传感器所建立的某一物理实体的数字化模型，可模拟显示世界中的具体事务[5]。国内的专家学者也对数字孪生有各自研究，其中蔡远利在《数字孪生技术的概念、方法及应用》一文中提到：数字孪生是一个物联网概念，指在信息空间内对一个结构流程或者系统进行完全的虚拟映射，使得使用者可以在信息空间内对物理实体进行预运行，通过运行反馈回来的数据对物理实体的各方面进行评估，对产品或系统的设计进行优化。在物理实体运行过程中，数字孪生也可以通过传感器等数据源在虚拟空间里实时映射，通过异常数据实现故障精确快速的诊断和预测[6]。

当前数字孪生技术被广泛运用于工业机械制造、航空机器制造、智慧城市建设、车联网、物流交通、5G基站建设、智能电网等领域。使用数字孪生技术，较之于之前的传统数字化技术以及建模仿真技术，具有后者无法比拟的优势。它通过虚拟映射可以对物理实体运行做出预测，提高实际工作效率以及更好地达成预期目标。其数据的运行、数据的接受、数据的处理处于动态运行的状态，能够及时发现问题，找出解决方式。

目前的数字孪生技术被更多地应用于机械制造方面，但相信未来会应用于人类自身，这将对教育产生重大的影响与改变。兰国帅等[7]认为：“数字孪生为学习者勾画出一个虚实映射的新领域，带来学习感官的全新體验，开拓实体操控新空间。”褚乐阳等[8]认为，数字孪生具有虚实共生、高虚拟仿真、高实时交互和深度洞见等技术特性，其应用走向也从工业领域延伸和拓展到教育等领域。

本文对应用于教育的数字孪生技术的定义为：数字孪生技术可以通过对个体全面数据的采集，以数字化方式创建个人数字模型形象，模拟学习者现实行为，并且通过虚拟现实技术展现在学习者面前，对学习者的全学习过程进行描述，对学习情况进行诊断，对学情趋势进行预测，并提出个性化的学习策略建议。在虚拟空间中加入学习者数字实体作为媒介，使现实空间与虚拟空间达到交汇共融的和谐状态。

3 数字孪生技术应用于智慧教育的可能

数字孪生技术应用于教育的现实需要  信息技术的快速发展在各个领域产生革命性的影响，而相关的技术也在教育领域投入使用，然而与其他领域的成就相比，并未发生革命性的改变。网络技术可以为教师提供便利，减少部分机械化的工作，但教育教学过程中缺少不了教师参与指导。大数据可以根据总体数据分析走向趋势，但放到现实的学生个体身上则往往失去强大的分析预测能力。教学平台结合以往错题推送学习资源，但往往并不能准确适合学生。教育若想实现智慧化，需要从粗放的整体学习者大数据的采集分析转变为单独个体的学习全数据收集挖掘。通过数字孪生技术，在个人实体与数字模型之间建立动态联系，模型依据学习者传输来的学习数据进行动态变化，做到精准的学情分析、资源推送、成绩预测等。

数字孪生技术应用于教育中的理论支撑

1）依托心理学。具身认知理论强调，人们是通过身体这一媒介来认识世界的，身体媒介为人们认知学习提供了一种新的方式。学习者只有当认知、身体与环境进行有效互动时，才能进行学习[9]。而数字孪生技术可以通过数字技术将身体实体转化为模型投射出去，在技术的帮助下实现身体与认知的另一种沟通，帮助扩展学习者的认知系统，实现一种全新角度的认知学习。基于具身认知理论，借助数字孪生技术，可以使人们更好地认识和了解自己，使学习者更加明确学习目的，产生学习动机，激发学习热情。

2）依托社会学。库利在《人类本性与社会秩序》中指出，“镜中我”的本质是个人通过他人眼中的自我进行自我定位，是独立于自我感觉的他人的评价。在多数情况下，个人与他人的联系依赖于一种想象其“自我”的确定的想象形式[10]。而将数字孪生技术用于教育时，根据学习者全学习数据所构建的学习者模型就好比“镜中我”。“镜中我”指的是人们彼此都是一面镜子，互相映照着对方。数字孪生技术则可以为学习个体提供一个数字化的“镜中我”，更加立体、客观、形象地反映自己学习的情况与状态。自我认知更具有主观性，而数字孪生技术通过展现出来的数字化实体，可以帮助学习者实现客观的自我评价。

3）依托教育学。元认知的发展水平直接制约着个体智力的发展，对学生的学习有着重要影响。因此，教学中对学生进行元认知开发，提高学生的元认知发展水平，对于教会学生学会学习、促进学生智力发展无疑具有重要作用[11]。

而在现实教学中，比较难对学生进行元认知开发、提高元认知发展水平。而通过数字孪生技术让学生了解自己认知的特点与问题，有针对性地对学生提出建议，对提高学生的元认知发展水平会有很大帮助。

数字孪生技术应用于教育中的优势

1）教师的智能助手：提高学校教育质量。智慧教育应用的重要前提是以技术为依托，这样构建的学习环境不仅适合教师在不同的环境下更为高效合理地完成教学任务，也是充分考虑了学生能够得到优质的学习体验，同时满足其个性化需求。数字孪生技术应用于教育，教师通过学生的数字孪生体更详细了解学生，可以更全面地了解学生的认知水平、学习风格、学习态度等，所有的辅导以学生课上课下相结合数据分析结果为依据，也可以更好地完善辅导的及时性与可靠性，提供精准的学情与应对策略，减轻教学压力，提高学校教育质量。

2）专属的学情分析师：推进学生的自我教育。学生得以从第三方视角窥探学习过程各个方面的特征，对自己的学习状态进行回顾，结合学习者系统数据整合分析，指出目前学习过程中掌握薄弱的知识点、学习方法上的错误、学习习惯所出现的不足、学习态度是否端正，模拟以目前学习状态，成绩走向如何。通过专属的学情分析，结合特定学习内容、特定教学实施者、具体学习环境与具体学习过程等的数据分析，提供真正有指导价值的学情分析，并借助数字孪生模型视觉展示，促使学生自我意识的觉醒。

3）真正的智慧学伴：推动学生的个性化教育。数字孪生技术基于学生学习的全部数据分析，校内与校外分析数据融合拓宽个性化教育服务的广度，在学习过程中为学生提供个性化和多元化的学习路径，为教育的个性化学习服务提供决策依据，提升学生学习成效与学习体验。基于数字孪生技术构建的学习者模型，通过数据挖掘的算法，发现学生更多的知识方面的漏洞。学生在学习体验中可以更好地制定适合自己的学习规划，体现了个性化学习体验下的激励作用。

4 数字孪生技术下智慧教育的实现

数字孪生技术应用于教育中所需的支持

1）数据采集设备。数字孪生技术的实现关键在于数据，这就需要便携式随身数据采集设备，可以实现全天候多角度的数据采集。目前在学习者学习数据采集上，采集步骤烦琐，仪器对佩戴者影响较大，不仅无法推广使用，而且会影响学习者表现出正常的学习行为。因此必须采用更便捷随身的数据采集设备，可以实现全天候多角度的数据采集，为数字孪生提供大量高质的数据。

2）数据处理技术的升级。数据处理方面，全天候多角度的数据采集量是巨大的，面对巨大的数据信息需要强大的计算机技术支持，以足够的算力保证大量数据可以同时处理，并且要有数据存储方式和数据传输速度的升级，才能实时在终端构建完整的数字模型。因此，实现数字孪生技术在教育方面的应用亟待进一步提高算力，升级数据储存方式，为大量数据处理提供基本的技术支持。

3）虚拟现实技术的完善。AR、VR、MR、XR技术完善，可以为学习者勾画一个独属于其自身的虚实映射。虚拟映射能够给学习者带来感官的全新体验，更能了解自身学习的状态、存在的问题，在大数据分析技术的帮助下更好地进行自我剖析，更好地接受所提供的學习建议与学习策略。

4）高速网络与人工智能的助力。高速网络已经在现实生活中各个方面起到重要作用，平台需要高速网络下的实时数据链接与分享。在这一过程中人工智能的作用则更为关键，依靠强智能提供的强大算力、边缘计算广泛的覆盖率，都为数字孪生技术在教育上的使用提供更高效的技术环境。通过高效网络+人工智能的快速部署，能够实现数据平台对学习者状态变化的快速响应。

5）数字孪生技术的发展。虽然数字孪生技术在机械制造和物流运输方面已经出现很好的应用，但是将数字孪生技术应用于教育还有很大的现实问题，不仅仅是技术难题，还有如何构建学习者模型才能完善体现完整现实的学习者，定义全人的指标的问题，这就涉及教育学、心理学、社会学、人类学等方面。而技术的真正实施落地也涉及个人隐私、社会道德、信息安全等问题。

数字孪生技术实现路径  数字孪生技术可以通过对个人全数据的搜集，结合学习者模型构建的教育学原理，形成完整动态的学习者模型，将人完整地映射出去，并且通过VR、AR、MR、XR等技术，给学习者一个直观完整形象的展示。这一过程需要学习本体数据模型的建立，通过完善可动态变化的数字孪生体，能够实现对现实学习者数据的完整展示。由于个人实体与数字模型之间建立动态联系，模型依据学习者传输来的学习数据进行动态变化。而从数字实体着手，在虚拟环境下通过自我学习预测学习效果，给出学习者最佳的学习安排，并可以展现出预测结果，激发学习动机、规范学习行为。在这一过程中，学习者学习数据是基础，能够反映学习者完整学习状况的模型是核心，而强大便捷并且可以将学习者虚拟呈现出来的终端是载体。数字孪生技术在教育方面的应用拥有巨大的前景，那么如何去实现呢？数字孪生技术实现路径如图1所示。

1）数据是基础。数字孪生技术的实现首先要构建基于实际事物的数字模型。数字孪生技术要通过对个人全数据的搜集，结合教育学原理，形成完整的学习者模型，即构建学习者的数字孪生体。这一过程要以数据为基础，基于学习者全数据的收集与学习者模型构建的原理，以数字化方式创建学习者数字模型。

2）模型是核心。这一数字模型动态地跟踪实际事物，随着实际事物变化作出改变。学习者的数字孪生体模型不是固定不变的，否则会失去其意义。通过完善可动态变化的数字孪生体，能够实现对现实学习者数据变化的完整展示。个人实体与数字孪生体模型之间建立动态联系，数字孪生体模型依据学习者传输来的学习数据进行动态变化，实现动态调整。

3）终端是载体。数字孪生技术的应用可以更好地了解实际事物的发展，为其改进提供帮助。完整动态的学习者模型将人完整地映射出去，给学习者、教学者、研究者一个直观完整形象的展示，通过信息技术、人工智能技术、虚拟现实技术将孪生体镜像在终端进行呈现。而从数字实体着手，在虚拟环境下通过自我学习预测学习效果，给出学习者最佳的学习安排，并可以展现出预测结果，激发学习动机、规范学习行为，起到描述学习者学习情况、诊断学习问题、预测学习结果、提出针对性策略的作用。

5 数字孪生技术打造交互新模式

当今社会已经迈进智能化时代，新兴技术与教育领域的深度融合已经成为未来教育发展与变革的必然趋势。数字孪生技术应用于教育，将会给未来教育带来巨大改变，而将数字孪生技术应用在人身上，将会给学习交互方式以及智慧教育带来重大改变。

在课堂交互方面，数据孪生技术的运用可以使教学评价方式出现历史性改变，及时反馈与适度监督将在学习者学习过程中有更好的体现。教师对学生的深入了解，能够推进教师针对性地对学生提出切实可行的建议;在课堂教学时对学情的全面了解，可以作为教师与学生良好交互的基础。在线教学时，学生形象实时的虚拟投影能够增强在线教学的交互性，彻底打破时空局限，提高在线教学质量。通过大量学生学习数据的分析，可以在现实环境中为学生挑选适合的学习伙伴，推荐适合的交互学习对象。

在在线学习环境中使用数字孪生技术，可以在空间中向教师实时展示学习者的虚拟形象，轻易便能获取学习者学习状态。技术终端通过虚拟现实技术展现真实的教学场景，从而为学习者交互提供更为真实的学习场域。虚拟学习环境中学习者间的交互不再拘泥于文字、图片、视频，通过虚拟现实技术用接近真实的学习者形象进行交谈互动，突破二维空间限制，获得更真实的交互体验，为学习者间的交互提供良好环境。

数据孪生技术搭配智能学伴系统使学习者真正实现智慧学习，辅助教育教学，为其提供教育教学方法上的准确建议，基于个体提供高效的学习方案与交互伙伴的推荐，为学习者打开全新视野，创新线上线下学习交互新形式，实现具有强大功能的智慧教育。■

参考文献

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