摘? 要：本文以信息化教學(xué)發(fā)展為主線，介紹了信息化教學(xué)的發(fā)展，基于數(shù)字孿生技術(shù)給出新型混合教學(xué)模型的定義和架構(gòu)，利用數(shù)字線索開展復(fù)雜教學(xué)過程的建模仿真、動(dòng)態(tài)預(yù)測和評估，以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生和學(xué)生實(shí)體之間的模擬與分析的閉環(huán)業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;教育信息化;混合教學(xué)模式

Abstract： Based on the digital twin technology， the paper proposes a new framework of blended learning. It uses digital clues to carry out the processes of modeling， simulation， dynamic prediction and evaluation of complex teaching procedures. The proposed framework takes a course of Computer Composition Principle as an example to implement a closed-loop business of simulation and analysis between the digital twin and student entity.

Keywords： digital twin; education informationization; blended learning mode

1? ?引言（Introduction）

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們傳播和接受知識的渠道更加智能化和多元化。在這樣一個(gè)大背景下，出現(xiàn)了各種新型的教育模式[1，2]，大學(xué)課堂不再以統(tǒng)一模式的教學(xué)為主，如何運(yùn)用新型信息技術(shù)，創(chuàng)新教學(xué)全過程成已經(jīng)成為近階段教學(xué)研究的重要內(nèi)容。

目前，常用的混合教學(xué)模式的核心思想都在于強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識的探索、發(fā)現(xiàn)、交互學(xué)習(xí)上[3]，存在著過程理想化、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)缺乏針對性、課下資源設(shè)計(jì)和學(xué)生個(gè)體之間缺乏準(zhǔn)確匹配關(guān)系等弊端。

數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、服務(wù)化等先進(jìn)理念的重要使能技術(shù)，當(dāng)前備受學(xué)術(shù)界關(guān)注[4]，本文針對數(shù)字孿生在課程教學(xué)模式改革中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)進(jìn)行探討，借鑒數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用[5]，探討其在整個(gè)教學(xué)體系中應(yīng)用的可行性，完成了基于數(shù)字孿生的新型混合式教學(xué)模型的定義和架構(gòu)。

2? 數(shù)字孿生在教學(xué)改革中的應(yīng)用（The application of digital twin in teaching reform）

數(shù)字孿生作為一種在信息世界中刻畫物理世界、仿真物理世界的重要技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了有效途徑，目前西門子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用電氣公司等全球知名企業(yè)都開展了其在相關(guān)領(lǐng)域的落地應(yīng)用實(shí)踐，可以看出數(shù)字孿生技術(shù)在理論層面和應(yīng)用層面均取得了快速發(fā)展。

基于數(shù)字孿生的教學(xué)改革過程是面向教育教學(xué)領(lǐng)域的信息集成，其模型的建立：

（1）需要明確教學(xué)全過程：總的來說，教學(xué)全過程包括四要素，分別是學(xué)生、教師、媒介、信息。作為教學(xué)過程中的主體，教師需要對學(xué)生有全方位的了解，制定的學(xué)習(xí)內(nèi)容要適合不同學(xué)生個(gè)體，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和預(yù)期會發(fā)生的問題也要有相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制，這樣的教學(xué)過程才能有效保證教學(xué)質(zhì)量。

（2）需要明確教學(xué)全過程中各要素之間的信息交互：基于數(shù)字孿生的教學(xué)模型更強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)平臺的應(yīng)用，將教室內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺和教室外的互聯(lián)網(wǎng)平臺緊密結(jié)合，挖掘有效地學(xué)生上課狀態(tài)實(shí)時(shí)信息，結(jié)合學(xué)生各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生的形式發(fā)送給任課教師，為教師授課過程提供指導(dǎo)和依據(jù)。

作為一種新型的信息化技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)模式中的使用，可以為傳統(tǒng)的教學(xué)提供以下有力支持：

（1）數(shù)字孿生體模擬用于幫助教師了解學(xué)生的具體情況：基于學(xué)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生個(gè)體，可以在數(shù)字世界中盡可能地模擬學(xué)生的學(xué)習(xí)過程， 預(yù)測學(xué)生的狀態(tài)行為、完成學(xué)習(xí)任務(wù)的成功概率等，為后續(xù)的教師授課過程提供了可靠的依據(jù)。

（2）學(xué)習(xí)過程預(yù)測用于預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)過程：通過數(shù)字孿生的仿真模擬結(jié)合學(xué)生各階段學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 可以對學(xué)習(xí)情況開展預(yù)測，并在可能發(fā)生問題前給出預(yù)警信息以及具體的指導(dǎo)意見。

（3）智能控制用于優(yōu)化學(xué)習(xí)過程，保證學(xué)習(xí)內(nèi)容適合學(xué)生：學(xué)生各階段的學(xué)習(xí)信息可以作為下一學(xué)習(xí)過程的課下學(xué)習(xí)內(nèi)容的推薦入口，向?qū)W生推薦更適合學(xué)生學(xué)習(xí)過程的課下學(xué)習(xí)資料，從而形成良好的教學(xué)全周期的閉環(huán)迭代，使得以課上教師教學(xué)為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式得以向課上、課下的混合教學(xué)模式轉(zhuǎn)換。

3? 數(shù)字孿生混合式教學(xué)改革體系構(gòu)建（Construction of the blended learning reform system based on digital twins）

基于數(shù)字孿生的混合式教學(xué)模式，可以構(gòu)建出具有“全面感知、師生互動(dòng)、智能預(yù)測”等特征的智能教育教學(xué)運(yùn)行體系，其架構(gòu)如圖1所示。

基于數(shù)字孿生的混合式教學(xué)模式在教學(xué)方式中應(yīng)用時(shí)主要包括如下幾個(gè)部分：

（1）數(shù)字孿生體：利用網(wǎng)絡(luò)抽取學(xué)生的有效特征（如上課過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和其他關(guān)聯(lián)課程的有效數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)化成虛擬的數(shù)字孿生信息模型，數(shù)字孿生體和學(xué)生實(shí)體之間的差別除了虛和實(shí)之外，數(shù)字孿生體還具備實(shí)體不具備的人工智能模型和專家系統(tǒng)等，這部分是數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)字模型：當(dāng)學(xué)生數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)采集完成后，需要通過建模工作（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模）形成對應(yīng)學(xué)生的數(shù)字模型。利用學(xué)生各項(xiàng)已知數(shù)據(jù)對數(shù)字模型進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后可以利用數(shù)字模型展開對學(xué)生學(xué)習(xí)行為的概率預(yù)測， 給出學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)效果，這樣利用學(xué)生前序?qū)崪y數(shù)據(jù)，就可以和當(dāng)前教學(xué)過程發(fā)生虛實(shí)雙向關(guān)聯(lián)映射， 教師可基于預(yù)測結(jié)果進(jìn)行教學(xué)調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)交互：將學(xué)生數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)課程數(shù)據(jù)作為輸入項(xiàng)，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果作為輸出項(xiàng)，對數(shù)字模型進(jìn)行反復(fù)迭代，由此促使模型不斷優(yōu)化。

（4）教師—學(xué)生：教師利用數(shù)字模型預(yù)測結(jié)果對不同學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)過程中可能會出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效干預(yù)控制，形成學(xué)習(xí)資源的智能化推送;不同學(xué)生個(gè)體接收不同的學(xué)習(xí)方案，按不同學(xué)習(xí)路徑完成學(xué)習(xí)過程。

3.1? ?基于數(shù)字孿生體的學(xué)生建模仿真

混合式教學(xué)模式中的數(shù)字孿生體以各種學(xué)生實(shí)體的基礎(chǔ)信息（如年齡、性別、興趣愛好）、教學(xué)課堂的實(shí)時(shí)采集信息（如攝像頭采集的學(xué)生課堂狀態(tài)信息、RFID采集的學(xué)生缺勤信息、GPS采集的學(xué)生定位信息，各種傳感器采集的學(xué)生學(xué)習(xí)過程狀態(tài)信息）和學(xué)生相關(guān)課程成績（如前序課程的相關(guān)成績）為基礎(chǔ)，結(jié)合授課教師的基礎(chǔ)信息生成對應(yīng)的數(shù)字孿生體模型，應(yīng)用符合教學(xué)規(guī)律的專家知識庫和經(jīng)驗(yàn)庫對其進(jìn)行分析，并將結(jié)果反饋給教師，具體如圖2所示。

3.2? ?基于數(shù)字模型的學(xué)情預(yù)測

傳統(tǒng)的課堂授課管理過程由任課教師進(jìn)行管理，在教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生可能會發(fā)生各種問題，這些問題如何預(yù)防，學(xué)生學(xué)習(xí)情況如何分析都需要教師來人工決策。在基于數(shù)字孿生的混合式教學(xué)模式中，利用數(shù)字孿生仿真能力，模擬學(xué)生從課下自學(xué)、課上學(xué)習(xí)，到課后復(fù)習(xí)的全過程，形成優(yōu)化的仿真結(jié)果，指導(dǎo)教師從多個(gè)維度、多個(gè)視角了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中喜歡的學(xué)習(xí)方式、可能會出現(xiàn)的問題、適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，從而優(yōu)化其不同學(xué)習(xí)路線，達(dá)到學(xué)習(xí)過程無縫化和智能化。其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

3.3? ?基于數(shù)字孿生的教學(xué)智能控制

教學(xué)控制是指教師為保證教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)的全過程中對學(xué)生進(jìn)行的積極主動(dòng)的設(shè)計(jì)、檢查、評價(jià)、反饋和調(diào)節(jié)的過程，是整個(gè)教學(xué)過程中最重要的一環(huán)，控制策略是否正確，直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)的效果?；跀?shù)字孿生可對教學(xué)全過程進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化。如表1所示。

基于數(shù)字孿生的智能教學(xué)管理徹底改變了傳統(tǒng)模式下教學(xué)過程的“黑箱”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)教學(xué)全過程的可視化，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于學(xué)生多維特征及其融合的教學(xué)預(yù)警、教學(xué)策略精準(zhǔn)驗(yàn)證等提供了依據(jù)。

4? 基于數(shù)字孿生的混合教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)（Key points in the implementation of blended learning mode based on digital twins）

基于數(shù)字孿生的混合教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)過程主要包括智能教室的實(shí)現(xiàn)、數(shù)字孿生的建模實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)等。

（1）智能教室實(shí)現(xiàn)：智慧教室是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生中學(xué)生信息采集的物理基礎(chǔ)，需實(shí)現(xiàn)集智慧教學(xué)、人員考勤、人臉識別、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智能教室系統(tǒng)。

（2）數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)：數(shù)字孿生過程是動(dòng)態(tài)的，在學(xué)生數(shù)字對象與物理對象之間必須能夠?qū)崿F(xiàn)上下行數(shù)據(jù)交互，這樣才能讓這個(gè)數(shù)字孿生運(yùn)行具有持續(xù)改善的應(yīng)用價(jià)值。上行與下行數(shù)據(jù)的交互需要考慮周期性、數(shù)據(jù)接口與信息建模，以便提高效率。

（3）數(shù)據(jù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)：數(shù)字孿生過程中會產(chǎn)生大量的學(xué)生數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、計(jì)算、分析和展示的體系，是一種多冗余、低成本的應(yīng)用方案。

5 基于數(shù)字孿生的混合教學(xué)模式計(jì)算機(jī)組成原理課程應(yīng)用案例（The application case of the course of computer composition principle based on the blended learning mode of digital twin）

計(jì)算機(jī)組成原理課程作為計(jì)算機(jī)學(xué)科一門基礎(chǔ)課程，主要教學(xué)目標(biāo)是講述計(jì)算機(jī)單機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成原理與運(yùn)行機(jī)制，使學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。由于課程本身較為抽象、對學(xué)生前期知識儲備和課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)要求較多。一般混合教學(xué)模式的在線教學(xué)和離線教學(xué)處于一種完全脫離的狀態(tài)，課堂教學(xué)內(nèi)容組織時(shí)不考慮也無法考慮學(xué)生課下的學(xué)習(xí)狀態(tài);課下網(wǎng)上教學(xué)雖然作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充，但是沒有對不同學(xué)生主體進(jìn)行分類、分層次操作，使得大量的資料在課下同時(shí)涌向?qū)W生，不但不能對課堂教學(xué)形成有力補(bǔ)充，還因?yàn)檫^多，過細(xì)，難以甄別，使得學(xué)生更為困惑。數(shù)字孿生技術(shù)的加入，使得在線教學(xué)和離線教學(xué)可以形成有機(jī)的融合，利用數(shù)字孿生技術(shù)在建模仿真、學(xué)習(xí)精確推送、教學(xué)智能控制等方面的優(yōu)勢，有效地將學(xué)生在課上學(xué)習(xí)狀態(tài)、課下學(xué)習(xí)過程、考試效果等相關(guān)數(shù)據(jù)組合形成學(xué)生的數(shù)字孿生體，通過不同算法進(jìn)行分析，組織，對學(xué)生數(shù)字孿生體進(jìn)行分類，完成有目的信息推送。教學(xué)過程中信息不斷迭代，有效控制整個(gè)教學(xué)流程，提高現(xiàn)有教學(xué)效果。

具體實(shí)施過程分為：準(zhǔn)備階段，教學(xué)實(shí)施階段、學(xué)習(xí)效果分析階段，具體過程見圖4。

（1）教學(xué)準(zhǔn)備階段：利用數(shù)字孿生技術(shù)采集學(xué)生相關(guān)數(shù)據(jù)（如前序課程電路基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)的成績數(shù)據(jù)、學(xué)生的基本信息數(shù)據(jù)），生成對應(yīng)學(xué)生的數(shù)字孿生對象;同時(shí)將本門課程的知識點(diǎn)進(jìn)行篩選，分成基礎(chǔ)層（包括計(jì)算機(jī)各組成部分的工作原理、設(shè)計(jì)方法，以及構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的基本原理知識）、提高層（保羅有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際問題）以備下一階段使用。

（2）教學(xué)實(shí)施階段：采用各種成熟的智能技術(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等），對學(xué)生對應(yīng)的數(shù)字孿生體進(jìn)行分析，將課程的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行分層次在線推送，保證不同程度的同學(xué)得到不同的學(xué)習(xí)資料，以便進(jìn)行有效的課下學(xué)習(xí)。

（3）學(xué)習(xí)效果分析階段：在學(xué)期初、學(xué)期中、學(xué)期后期分階段對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行分析，并對實(shí)際教學(xué)效果進(jìn)行評估，由任課教師及時(shí)改進(jìn)控制課堂教學(xué)策略，保障教學(xué)的進(jìn)行和效果。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

數(shù)字孿生是智能信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 是實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)的有效途徑。本文以信息化教學(xué)發(fā)展為主線，介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的新型混合教學(xué)模型的定義和架構(gòu)，并以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生和學(xué)生實(shí)體之間的模擬與分析的閉環(huán)業(yè)務(wù)架構(gòu)。目前數(shù)字孿生的研究還處于初級階段，如何通過基于數(shù)字孿生技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，提高面向教學(xué)全生命周期過程的感知反饋、精確控制和精準(zhǔn)執(zhí)行的能力， 還需進(jìn)一步研究。

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作者簡介：

陳秀寓（1977-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：多種教學(xué)模式及其應(yīng)用，信息研究.