朱 珂 張 瑩 李瑞麗

（1.河南師范大學(xué) 教育學(xué)部，河南新鄉(xiāng) 453007；2.河南師范大學(xué) 河南省教育大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用工程技術(shù)中心，河南新鄉(xiāng) 453007）

一、引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的快速發(fā)展與應(yīng)用，極大地改變了人們與世界相處的方式。隨著5G 技術(shù)的不斷成熟與應(yīng)用，5G+AI+大數(shù)據(jù)的數(shù)智融合態(tài)勢(shì)正在加快，使得數(shù)字孿生技術(shù)（DT，Digital Twin）、全息投影技術(shù)、XR 等的應(yīng)用，正在變成現(xiàn)實(shí)并不斷涌現(xiàn)。其在塑造人的感知方式變革的同時(shí)，也在重塑教與學(xué)空間和環(huán)境，并加速推進(jìn)智能化教育的到來(lái)[1]。換言之，深度融合了物聯(lián)網(wǎng)、XR、5G 及智能計(jì)算的數(shù)字孿生和全息技術(shù)，正賦能于教育，助推教育生態(tài)、教育環(huán)境的重構(gòu)，引發(fā)學(xué)習(xí)空間、學(xué)習(xí)場(chǎng)域與學(xué)習(xí)方式的顛覆性變革。

搭載VR、AR、MR 等技術(shù)的全息技術(shù)，提供著更具多元化、擬真態(tài)、交互性的教學(xué)場(chǎng)景和多元體驗(yàn)。3D 全息投影增強(qiáng)了課堂教學(xué)中的虛幻效果和立體視覺(jué)感受，給學(xué)習(xí)者以身臨其境的體驗(yàn)[2]。正如全球首個(gè)6G 報(bào)告中所提出的，通過(guò)XR 設(shè)備產(chǎn)生感知幻覺(jué)[3]，利用實(shí)時(shí)捕捉或圖形化身，實(shí)現(xiàn)著不同區(qū)域的人位于同一位置的體驗(yàn)；基于全息通信的XR 充分調(diào)動(dòng)人體各類感官和情感，不斷擴(kuò)展并提升了人們的交互體驗(yàn)。當(dāng)前，基于全息投影的直播課堂已經(jīng)不斷涌現(xiàn)[4，5]，由于其具有的“面對(duì)面”全新交互、即時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，重新定義了“在場(chǎng)”，為教學(xué)活動(dòng)的跨時(shí)空開(kāi)展提供了可能。在未來(lái)，具有高保真仿真、可視化、動(dòng)態(tài)交互和伴隨生命全周期等特點(diǎn)的數(shù)字孿生技術(shù)[6]，將其賦能于學(xué)習(xí)空間時(shí)，將塑造全新形態(tài)的學(xué)習(xí)環(huán)境，帶來(lái)更為舒適的教與學(xué)體驗(yàn)。

特別是數(shù)字孿生技術(shù)，其在物理空間的基礎(chǔ)上完成學(xué)習(xí)空間在虛擬世界的全映射，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫融合，它與全息技術(shù)共同打造出全新的學(xué)習(xí)空間形態(tài)——可視化三維學(xué)習(xí)空間，以虛映實(shí)、以虛控實(shí)、虛以實(shí)用，不斷優(yōu)化教與學(xué)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)者的具身化體驗(yàn)，滿足學(xué)習(xí)者多元化學(xué)習(xí)場(chǎng)景的需求，使其在教育中的應(yīng)用有了更多可能，并創(chuàng)造出難以親歷的場(chǎng)景教學(xué)。全息課堂作為虛擬學(xué)習(xí)空間進(jìn)化發(fā)展的突破口，逐漸成為業(yè)界研究熱點(diǎn)，它對(duì)于新技術(shù)賦能下的教與學(xué)情境變革與重構(gòu)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、數(shù)字孿生與全息技術(shù)重構(gòu)新型學(xué)習(xí)空間

學(xué)習(xí)空間（Learning Spaces）也稱學(xué)習(xí)環(huán)境（Learning Environment），它是一個(gè)復(fù)雜、多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，也是學(xué)校開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[7]。麻省理工學(xué)院的Phillip D.Long 把學(xué)習(xí)空間界定為“要么是一間教室，要么是一個(gè)物理場(chǎng)所，它致力于為教學(xué)者和學(xué)習(xí)者提供面對(duì)面交流的空間[8]”。在信息技術(shù)的不斷推動(dòng)下，“學(xué)習(xí)空間重構(gòu)”一直是教育改革探索中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。重構(gòu)學(xué)習(xí)空間的研究目的，在于在數(shù)字化新技術(shù)的支撐下，對(duì)物理教學(xué)空間進(jìn)行多樣化的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，讓環(huán)境為學(xué)習(xí)者的發(fā)展與成長(zhǎng)注入新動(dòng)力[9]。

隨著技術(shù)發(fā)展賦能、教學(xué)活動(dòng)需求和學(xué)習(xí)空間自身的不斷拓展，學(xué)習(xí)空間的變革與發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

（1）以傳統(tǒng)學(xué)校為依托的物理學(xué)習(xí)空間。依托于學(xué)校、呈現(xiàn)于課堂的傳統(tǒng)物理學(xué)習(xí)空間，一般采用傳統(tǒng)的總結(jié)性和形成性評(píng)價(jià)方式[10]，以正式學(xué)習(xí)、教師教授為主，學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)途徑較為單一。這是自工業(yè)革命以來(lái)，幾百年標(biāo)配的學(xué)習(xí)空間范式。

（2）技術(shù)賦能的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間。它以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果為目的[11]，既可以獨(dú)立于傳統(tǒng)課堂、實(shí)現(xiàn)完全在線學(xué)習(xí)，也可以嵌入傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)空間。該學(xué)習(xí)空間包括教師、學(xué)生、服務(wù)終端和三個(gè)子空間部分——資源云服務(wù)、個(gè)人空間和教學(xué)空間[12]，具有開(kāi)放性、可控性和靈活性等特點(diǎn)。這是自計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)誕生以后常見(jiàn)的學(xué)習(xí)空間樣態(tài)。

（3）虛實(shí)融合的混合學(xué)習(xí)空間，這是當(dāng)下應(yīng)用較多的學(xué)習(xí)空間。該空間有三種存在形式：第一種是“物理+資源+社區(qū)”三位一體的學(xué)習(xí)空間，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)、教師指導(dǎo)和系統(tǒng)分析的功能。第二種是依托于VR、AR 等技術(shù)打造的多樣化虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在智能化設(shè)備支持下實(shí)現(xiàn)半沉浸式學(xué)習(xí)[13]。第三種是基于5G 和全息投影技術(shù)的直播課堂，實(shí)現(xiàn)身處異地的“面對(duì)面”教學(xué)。

上述三個(gè)發(fā)展階段或三種存在形式，呈現(xiàn)了技術(shù)賦能下學(xué)習(xí)空間層次的遞增，不斷增強(qiáng)著教與學(xué)相輔相成的功能。而融合了5G、XR、物聯(lián)網(wǎng)、智能計(jì)算等技術(shù)于一體的數(shù)字孿生技術(shù)，正在構(gòu)建一種全新態(tài)的學(xué)習(xí)空間——可視化三維學(xué)習(xí)空間，推動(dòng)著學(xué)習(xí)空間朝著自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化、智能化的方向發(fā)展。

（一）數(shù)字孿生正重構(gòu)新場(chǎng)域

1.數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生自提出至今，不同研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其有著不同的理解和應(yīng)用。NASA 提出的太空技術(shù)路線圖（OCT）[14]、AFOSR 提出的機(jī)體數(shù)字孿生體[15]、陶飛團(tuán)隊(duì)提出的五維模型[16]以及褚樂(lè)陽(yáng)團(tuán)隊(duì)提出的虛實(shí)共生[17]，都從理論和實(shí)踐層面對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了積極的探索。綜合以上現(xiàn)有研究成果，我們將數(shù)字孿生定義為：利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在虛擬世界模擬創(chuàng)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界存在映射關(guān)系，且二者可以進(jìn)行深度耦合的高仿真數(shù)字模型，即孿生體。在相關(guān)新技術(shù)的支持下，該孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)行維護(hù)和管理優(yōu)化；同時(shí)，各孿生體間可進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)以改進(jìn)決策，使之具有可視化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互、智能化管理的特點(diǎn)。

2.數(shù)字孿生與全息映射空間

在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)（5G）、人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）、智能計(jì)算（人工智能、大數(shù)據(jù)、云/邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈）、XR 技術(shù)等的共同助推下，數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界全映射的同時(shí)，還可以構(gòu)建起現(xiàn)實(shí)并不存在的場(chǎng)景以滿足多樣化的教學(xué)需求。全息技術(shù)則定義了映射空間系統(tǒng)中存儲(chǔ)和顯示方式，為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)更加立體直觀的課堂體驗(yàn)和沉浸態(tài)學(xué)習(xí)方式。

（1）全息拓寬并賦能，實(shí)現(xiàn)具象表達(dá)。在映射空間中，不僅僅是活動(dòng)需求中場(chǎng)景的全息，而且是全息可視化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)施虛擬場(chǎng)景的部署與下放、維護(hù)全息課堂的設(shè)備（軟硬件），完成映射課堂的指令，及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃和指導(dǎo)這樣一個(gè)全過(guò)程。全息課堂將成為基于數(shù)字孿生和全息技術(shù)創(chuàng)建的、可視化三維學(xué)習(xí)空間的一種具象化表現(xiàn)，以推動(dòng)智能時(shí)代整個(gè)學(xué)習(xí)空間的優(yōu)化與改進(jìn)。

（2）“5G+AIoT”打通空間，深化融合。5G 不僅是移動(dòng)技術(shù)的升級(jí)換代，而且也是AIoT 時(shí)代的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)，它通過(guò)構(gòu)建全鏈接的生態(tài)系統(tǒng)，切實(shí)賦能到學(xué)習(xí)空間中[18]。AIoT 作為5G 應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域，將促進(jìn)物理空間和孿生空間的深度融合，創(chuàng)新物理世界與虛擬世界的交互方式，并升級(jí)空間系統(tǒng)?！?G+AIoT”通過(guò)頂層設(shè)計(jì)，向下打通映射空間，向上對(duì)接整個(gè)三維學(xué)習(xí)空間系統(tǒng)，促進(jìn)并形成基于信息化、智能化和虛擬化的管理和全程動(dòng)態(tài)服務(wù)，為三維學(xué)習(xí)空間系統(tǒng)建立了基礎(chǔ)性通信功能。泛在智能感知系統(tǒng)則進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的收集與反饋，使AI 深度賦能，配合算法部署到邊緣，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)管等，從而對(duì)信息和數(shù)據(jù)即時(shí)進(jìn)行獲取、傳輸和處理[19]。

（3）“5G+XR+全息”，賦能沉浸式新生態(tài)。融合了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）等多種形式于一體的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）技術(shù)，打破了虛實(shí)世界的界限；同時(shí)，賦予全息映射空間以更高層次的功能：第一，全面提升數(shù)據(jù)的可視化程度?？蓪⒄n堂各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體呈現(xiàn)，并把數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為可視甚至可觸、可感、具有真實(shí)感的信息或者物體，完成虛擬場(chǎng)景與全息課堂的映射，進(jìn)而創(chuàng)設(shè)出一個(gè)虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互的新場(chǎng)景。在5G 技術(shù)乃至未來(lái)6G 技術(shù)的支持下，這種新場(chǎng)景將呈現(xiàn)前所未有的新體驗(yàn)。第二，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的沉浸感。“XR+全息互動(dòng)技術(shù)”還原真實(shí)的課堂互動(dòng)，改善了在線學(xué)習(xí)的枯燥乏味、內(nèi)容傳輸不完整等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)師生在線實(shí)時(shí)互動(dòng)。它在原有物理場(chǎng)景的基礎(chǔ)上疊加創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)備和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全息虛擬全交互的沉浸式體驗(yàn)。第三，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸入輸出，在AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)全息場(chǎng)景的自主孿生，不斷完善XR 生態(tài)。

（二）映射空間的全新體驗(yàn)

映射空間孿生于物理空間卻高于物理空間，映射空間中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，反映了物理空間要素的性能、狀態(tài)和迭代優(yōu)化。作為一個(gè)全虛擬的空間，在全息技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)一切數(shù)據(jù)的可視化和設(shè)備的三維顯現(xiàn)。全息化作為映射空間的主要表達(dá)形式，在多種技術(shù)的支撐下，將實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互下的一切皆全息、一切皆可視的全新體驗(yàn)；同時(shí)，在AI 和算法的支持下，對(duì)映射空間內(nèi)容進(jìn)行智能分析和決策。

1.雙向動(dòng)態(tài)交互

映射空間在AIoT 的支持下，隨著現(xiàn)實(shí)世界的發(fā)展而不斷變化，實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)證、關(guān)聯(lián)和映射，以更好地模擬物理世界、刻畫(huà)物理世界。比特流作為虛實(shí)世界交流的媒介，在虛實(shí)之間不斷進(jìn)行高速度、高保真的實(shí)時(shí)傳輸以進(jìn)行交互，從而輸出最優(yōu)策略、提高效率和維護(hù)管理。5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為實(shí)時(shí)傳輸提供動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)映射空間中虛擬場(chǎng)景和教學(xué)主體的雙向高互動(dòng)，呈現(xiàn)三維立體、全息交互的“觸手可及”。

2.全息化逼真呈現(xiàn)

全息化的特征主要表現(xiàn)在于將抽象內(nèi)容具象化、具象內(nèi)容可視化。第一，硬件設(shè)備和報(bào)告數(shù)據(jù)即時(shí)全息呈現(xiàn)。學(xué)習(xí)空間中的硬件設(shè)備性能和狀態(tài)，通過(guò)全息技術(shù)投射到某一介質(zhì)中，可對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看；同時(shí)，對(duì)整個(gè)孿生系統(tǒng)的故障和性能參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行三維展示。第二，全息投影將復(fù)雜難懂的邏輯空間內(nèi)容以三維形式呈現(xiàn)，重塑更有趣味性和互動(dòng)性的感知體驗(yàn)，深化人的具身認(rèn)知。比如，通過(guò)三維的全息投影，認(rèn)識(shí)人體構(gòu)成、實(shí)施心臟手術(shù)實(shí)驗(yàn)等。第三，“5G 傳輸+全息成像技術(shù)”可實(shí)現(xiàn)異地面對(duì)面的互動(dòng)交流，將虛擬教學(xué)場(chǎng)景和人員等通過(guò)全息投影技術(shù)投射在特定的場(chǎng)景中，可極大滿足遠(yuǎn)程教育中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的“在場(chǎng)”教學(xué)活動(dòng)。

3.可視化與易沉浸

基于XR 和全息技術(shù)的自主探究環(huán)境、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)空間，驅(qū)動(dòng)著學(xué)生通過(guò)積極參與課堂展示、模擬實(shí)踐、交流討論等環(huán)節(jié)，自主協(xié)同構(gòu)建內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)情景模擬，打破了情感認(rèn)知障礙；并通過(guò)情感投入促進(jìn)意義聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)共情。游戲化和敘事化的沉浸式虛擬場(chǎng)景，涉及了動(dòng)作、人際、敘事因素和感官刺激，通過(guò)富有趣味的各種交互，推動(dòng)著學(xué)生實(shí)現(xiàn)心理、感官、動(dòng)作等各方面全方位沉浸式學(xué)習(xí)。逼真的三維場(chǎng)景將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容具象化，在抽象思維方法的指導(dǎo)下，透過(guò)現(xiàn)象溯本質(zhì)，進(jìn)而還原并加深認(rèn)知[20]，幫助學(xué)生掌握重點(diǎn)、提升協(xié)作，有效防止認(rèn)知過(guò)載；同時(shí)，學(xué)習(xí)者直接與可視化內(nèi)容構(gòu)建聯(lián)系，提高了注意力和學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的交互。

4.智能分析和數(shù)據(jù)決策

第一，全息課堂的教學(xué)活動(dòng)和師生的各項(xiàng)行為，均可被記錄、分析、評(píng)價(jià)、總結(jié)和反饋，機(jī)器學(xué)習(xí)賦能自主孿生并對(duì)新的孿生體進(jìn)行統(tǒng)一性驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)采集信息的分析，總結(jié)出影響學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的各種因素，提供改善措施或進(jìn)行智能決策，以提高教學(xué)質(zhì)量和效率。第二，分析學(xué)習(xí)空間中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于產(chǎn)生的各種數(shù)字化信息通過(guò)大數(shù)據(jù)和智能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)系統(tǒng)性能或行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便有效地進(jìn)行故障檢測(cè)和運(yùn)行維護(hù)，及時(shí)解決問(wèn)題，提高使用效率和各項(xiàng)軟硬件系統(tǒng)的使用壽命及周期。

（三）從映射空間到全息課堂

全息課堂是可視化三維學(xué)習(xí)空間概念的細(xì)化和具象表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了映射空間的全息化、全息空間的數(shù)據(jù)化，數(shù)據(jù)空間的智能化。即，它是由數(shù)字孿生和全息技術(shù)搭建的，包含整個(gè)物理和映射空間以及各種要素的新型教與學(xué)形態(tài)，并充分繼承了映射空間可視化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)交互、智能管理的特點(diǎn)。全息課堂并不是映射空間的過(guò)渡，而是其繼承和發(fā)展。因此，具象化三維可視學(xué)習(xí)空間的全息課堂，將創(chuàng)新課堂交互的新模式、增強(qiáng)交互的無(wú)限可能。

1.未來(lái)互動(dòng)課堂從平面呈現(xiàn)走向立體化

通過(guò)將立體化教學(xué)情境上傳到云端進(jìn)行建模、仿真、渲染，由映射空間感知并在邊緣進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，最終可在課堂中呈現(xiàn)出立體的內(nèi)容：知識(shí)就仿佛從書(shū)中“跳”出來(lái)一樣，教育內(nèi)容被最大程度、全方位地顯現(xiàn)，更加生動(dòng)直觀。在教育內(nèi)容的立體化上，“觸角科技公司”結(jié)合新一代虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)，開(kāi)發(fā)了實(shí)訓(xùn)仿真的教學(xué)平臺(tái)[21]，將教材的圖文內(nèi)容轉(zhuǎn)換為三維圖像，打造出“立體化互聯(lián)網(wǎng)+教材”的模式，并與復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、高等教育等多家出版社，聯(lián)合開(kāi)發(fā)數(shù)字教材和融合多種學(xué)科專業(yè)的終端APP?？梢灶A(yù)見(jiàn)，數(shù)字孿生將基于此類應(yīng)用，借助先進(jìn)的技術(shù)支撐，與全息投影技術(shù)共同打造高度沉浸式、交互式的教與學(xué)模式。

2.5G+全息增強(qiáng)交互并帶來(lái)無(wú)限可能

全息技術(shù)打破人為認(rèn)知中虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的界限，更加輕松直觀地呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，突破了時(shí)空限制，可實(shí)現(xiàn)瞬間“在場(chǎng)”與遠(yuǎn)程360 度“面對(duì)面”的交流。在虛擬現(xiàn)實(shí)和建模仿真技術(shù)的支持下，還可以構(gòu)建表達(dá)新場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生在栩栩如生的環(huán)境作用下形成具身認(rèn)知[22]。2019年，中國(guó)數(shù)字圖書(shū)館和影創(chuàng)科技公司共同合作，建設(shè)了以上海為中心的“XR 全球數(shù)字內(nèi)容中心”[23]，該中心基于5G、MR 等技術(shù)，通過(guò)3D 模型、虛擬人像等互動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的完美融合，在對(duì)現(xiàn)有內(nèi)容進(jìn)行全息數(shù)字化呈現(xiàn)的同時(shí)，給用戶帶來(lái)更加立體、直觀的全息新體驗(yàn)，可為遠(yuǎn)程教學(xué)空間提供無(wú)限交流的可能性。

三、數(shù)字孿生賦能下的全息課堂之構(gòu)建

（一）全息課堂概述

英國(guó)科學(xué)家Dennis Gabor 發(fā)明了全息投影技術(shù)，并在其1948年所發(fā)表的文章中，正式提出了全息技術(shù)的概念[24]。簡(jiǎn)言之，全息投影技術(shù)利用干涉和衍射原理，記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像[25]。綜合全息投影技術(shù)的概念及其當(dāng)前在課堂中的應(yīng)用來(lái)看，全息技術(shù)可賦能課堂場(chǎng)景存儲(chǔ)和全息投影功能，并在數(shù)字孿生的支持下，實(shí)現(xiàn)課堂中設(shè)備全息、環(huán)境全息和教學(xué)活動(dòng)全息等多種功能。

我們認(rèn)為，全息課堂不僅僅局限于一間教室或者一方教育場(chǎng)所，而是一種全數(shù)據(jù)、超智能化的“學(xué)習(xí)空間”，在人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）支持下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。全息課堂重新定義了數(shù)據(jù)、環(huán)境、人員等對(duì)象的顯現(xiàn)方式，在給學(xué)習(xí)者帶來(lái)全新沉浸式體驗(yàn)的同時(shí)，賦能學(xué)習(xí)空間的存儲(chǔ)與管理等功能，實(shí)現(xiàn)泛在全息可視及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)“在場(chǎng)”感與多元交互。

（二）全息課堂特征和應(yīng)用形態(tài)

1.全息課堂的主要特征

（1）全虛擬。全息技術(shù)增加了視覺(jué)的真實(shí)感，以極其逼真的效果呈現(xiàn)出虛擬事物，如同是裸眼3D效果，讓人身臨其境。學(xué)習(xí)者只需要借助簡(jiǎn)單的終端設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、交流和實(shí)驗(yàn)。如今，全息投影技術(shù)不需要任何穿戴設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互。如，美國(guó)伊利諾伊州“大屠殺博物館”創(chuàng)造的全息影院體驗(yàn)[26]，通過(guò)全息系統(tǒng)保存大屠殺幸存者的故事，利用AI 等技術(shù)通過(guò)全息投影重現(xiàn)逝者，并為游客敘述“二戰(zhàn)”期間的故事。在精心設(shè)計(jì)的環(huán)境布置、聲音處理、舞臺(tái)效果等烘托下，給人以雙重增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)感和逼真的視覺(jué)效果。

（2）全交互。通過(guò)全息捕獲與投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物的全息變焦捕捉與色彩重現(xiàn)[27]，帶來(lái)更強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)感。特別是在遠(yuǎn)程直播教學(xué)中，師生、生生直接可以在5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)“面對(duì)面”地答疑、探討等互動(dòng)；教師可以根據(jù)終端隨意的對(duì)同學(xué)進(jìn)行提問(wèn)，不僅可以通過(guò)語(yǔ)言、音調(diào)，還可以通過(guò)神態(tài)和微表情等進(jìn)行交流，真正實(shí)現(xiàn)極具現(xiàn)場(chǎng)感的遠(yuǎn)程“在場(chǎng)”互動(dòng)。全息課堂提供給學(xué)習(xí)者全虛擬的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，只需要具體化的手勢(shì)就可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)即時(shí)交互[28]；學(xué)習(xí)者可以像使用智能手機(jī)一樣對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行各項(xiàng)操作。比如，多地可同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，異地學(xué)生通過(guò)全息技術(shù)進(jìn)行協(xié)同學(xué)習(xí)、同伴互助操作等。

（3）全動(dòng)態(tài)。第一，內(nèi)容動(dòng)態(tài)更新。在人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下，學(xué)習(xí)內(nèi)容可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的迭代優(yōu)化，在滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)活動(dòng)需要的同時(shí)，緊跟時(shí)代的步伐。第二，即時(shí)動(dòng)態(tài)傳輸。傳感系統(tǒng)布滿整個(gè)全息課堂，活動(dòng)開(kāi)展和環(huán)境設(shè)備等信息被隨時(shí)記錄，即時(shí)傳輸?shù)竭吘壎艘詳?shù)據(jù)的方式存儲(chǔ)，并在算力賦能下，對(duì)課堂進(jìn)行反饋，對(duì)云端進(jìn)行更新優(yōu)化；任何變化都被實(shí)時(shí)上傳到云端，云端根據(jù)收到的信息對(duì)課堂備份、反饋和優(yōu)化，以驗(yàn)證全息課堂的統(tǒng)一性。第三，空間開(kāi)放流動(dòng)。全息課堂是一個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)隨時(shí)進(jìn)行的開(kāi)放性空間，在虛擬的“真實(shí)”世界中可對(duì)任何的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行操作；全息課堂還可根據(jù)需要即時(shí)變換場(chǎng)景，不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)變換，以滿足各學(xué)段、各類人群的需求。

2.應(yīng)用形態(tài)表征

根據(jù)上述分析，基于多種技術(shù)支持的全息課堂，將帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)功能，其主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，變革教學(xué)；高保真仿真，深化具身認(rèn)知；自主孿生，強(qiáng)化教學(xué)；機(jī)器學(xué)習(xí)，拓寬評(píng)價(jià)（具體如表1所示）。

表1 全息課堂應(yīng)用功能的表征

（三）全息課堂的技術(shù)構(gòu)成框架

隨著技術(shù)發(fā)展和教與學(xué)需求的攀升，基于泛在智能、高互動(dòng)性的全息可視化學(xué)習(xí)空間，將成為未來(lái)學(xué)習(xí)空間變革的主流趨勢(shì)。而全息課堂所涵蓋的技術(shù)構(gòu)成，也是眾多技術(shù)的綜合體，需要AI、智能計(jì)算、XR、5G 通信網(wǎng)絡(luò)等的支持，如圖1。

圖1 全息課堂的技術(shù)構(gòu)成框架

1.全息課堂的構(gòu)建路徑

全息可視化的學(xué)習(xí)空間可提供多情境、多學(xué)科混合的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，組建全新的教學(xué)形態(tài)，并可根據(jù)學(xué)習(xí)或教學(xué)活動(dòng)的需要，在最短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)相應(yīng)的場(chǎng)景。所構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景從多維感官，給予學(xué)生充分的刺激，以彌補(bǔ)教育長(zhǎng)期無(wú)法滿足具身化體驗(yàn)的需求。全息課堂中的學(xué)習(xí)活動(dòng)，也成為一種動(dòng)態(tài)化的學(xué)習(xí)信息流?；诖耍覀兛赏ㄟ^(guò)以下逐次遞進(jìn)的路徑，來(lái)構(gòu)建全息課堂系統(tǒng)。

（1）路徑一：創(chuàng)建平行體系，深化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。數(shù)字孿生的一個(gè)特點(diǎn)就是創(chuàng)建出現(xiàn)實(shí)世界的全映射，構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)世界體系相伴的平行體系?，F(xiàn)實(shí)體系與孿生體系就像DNA 的雙鏈一樣相生相伴，并呈現(xiàn)螺旋上升的結(jié)構(gòu)，在算法與數(shù)據(jù)分析的助推下，使空間得到不斷優(yōu)化。在這個(gè)過(guò)程中，教師的職能就是為學(xué)習(xí)營(yíng)造高效、輕松、愉快的環(huán)境，重點(diǎn)關(guān)注復(fù)雜的學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)過(guò)程和復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)生數(shù)據(jù)分析；教師更多的是作為學(xué)習(xí)活動(dòng)發(fā)生的設(shè)計(jì)者，在技術(shù)、工具和內(nèi)容的支持下深化教與學(xué)設(shè)計(jì)，在孿生平行體系共同作用下，促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)會(huì)深度學(xué)習(xí)和切實(shí)解決問(wèn)題[29]。

（2）路徑二：虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度融合，創(chuàng)造無(wú)限交互。教學(xué)資源、通信技術(shù)和移動(dòng)終端的結(jié)合，在一定程度上使多場(chǎng)景的泛在學(xué)習(xí)成為可能。但由于網(wǎng)絡(luò)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界目前還存在一定界限，不管是從心理距離還是實(shí)際距離，都阻礙著學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)深度沉浸以進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。即，不完全融合的虛實(shí)世界，讓學(xué)習(xí)者頻繁的進(jìn)入、切換學(xué)習(xí)場(chǎng)景或敘事情境，可能帶來(lái)冗余的認(rèn)知負(fù)荷。而利用現(xiàn)有新技術(shù)可完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度融合，尤其是在AIoT 支持下的數(shù)字孿生，充分利用傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸、驗(yàn)證，彌合虛實(shí)交互的界限，使虛擬產(chǎn)生于現(xiàn)實(shí)并融于現(xiàn)實(shí)，創(chuàng)造無(wú)限交互，提供高沉浸感的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，真正實(shí)現(xiàn)教育的連續(xù)性和學(xué)習(xí)的具身性。

（3）路徑三：擴(kuò)展多維刺激，增強(qiáng)環(huán)境的包容性。近期，Cell 雜志發(fā)表了一篇“對(duì)視覺(jué)表層的動(dòng)態(tài)刺激，可在有視力障礙人群中產(chǎn)生形式視覺(jué)”的研究文章[30]，即通過(guò)視覺(jué)皮質(zhì)假體（VCP）繞過(guò)眼睛，可直接在腦海中呈現(xiàn)指定圖像，形成對(duì)外部環(huán)境的感知。盡管目前這項(xiàng)研究?jī)H通過(guò)刺激一小部分神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的字母?jìng)鬟f，但它拓寬了虛擬場(chǎng)景的用戶范圍，給虛擬環(huán)境增加了多維感官刺激的可能。未來(lái)的教育是趨向?qū)W生合作和自主學(xué)習(xí)的教育[31]，全息可視化的學(xué)習(xí)空間所提供的多功能場(chǎng)景，為自助式的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)了良好條件，可以幫助有溝通障礙或者有自閉癥的人組織語(yǔ)言、緩解拒絕與人溝通的情緒，在良性干預(yù)的情況下，更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和治療，進(jìn)而訓(xùn)練其社交技能[32]?？梢?jiàn)，通過(guò)即時(shí)實(shí)現(xiàn)多感官刺激，為全息態(tài)學(xué)習(xí)空間的使用提供了更多的可能性，進(jìn)而增強(qiáng)其包容性。

此時(shí)，已是次日凌晨0時(shí)30分，當(dāng)緊張的情緒剛剛舒緩下來(lái)，陳正副院長(zhǎng)又接到了6號(hào)手術(shù)室內(nèi)的電話，“孕40周試管嬰兒，母親為40歲高齡產(chǎn)婦，出現(xiàn)胎盤(pán)早剝，急診手術(shù)需要護(hù)臺(tái)……”他二話沒(méi)說(shuō)，又來(lái)到了6號(hào)手術(shù)室內(nèi)參與到搶救護(hù)臺(tái)工作中……

2.技術(shù)賦能的功能實(shí)現(xiàn)

按照技術(shù)的功能、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，主要有四個(gè)部分：虛擬場(chǎng)景的呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程直播或錄播教學(xué)、對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查看和存儲(chǔ)。從全息課堂的功能來(lái)看，則表現(xiàn)為：場(chǎng)景全息、活動(dòng)全息、系統(tǒng)全息和數(shù)據(jù)全息四個(gè)方面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教與學(xué)活動(dòng)多場(chǎng)景變幻的需求，達(dá)成個(gè)性化適切服務(wù)目標(biāo)，如表2所示。

表2 全息課堂功能實(shí)現(xiàn)以及關(guān)鍵技術(shù)

3.全息課堂的系統(tǒng)架構(gòu)

全息課堂采用云服務(wù)中心和邊緣部署，利用大寬帶、高速低延的5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提供無(wú)線、易管、共享的可移動(dòng)的虛擬教育服務(wù)。主要采用虛擬的“云—邊—端”三位一體模式，即云服務(wù)中心、邊緣計(jì)算和終端訪問(wèn)服務(wù)，如圖2所示。具體來(lái)說(shuō)，它通過(guò)將課程內(nèi)容上傳到邊緣進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、渲染、編碼、計(jì)算、優(yōu)化，重新編碼并統(tǒng)一上傳到云服務(wù)中心，保存在資源層和應(yīng)用層。用戶通過(guò)終端等設(shè)備對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，調(diào)取應(yīng)用層的場(chǎng)景進(jìn)行學(xué)習(xí)。AI 算法通過(guò)智能識(shí)別和學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)所表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)邊緣分析、預(yù)測(cè)和驗(yàn)證學(xué)習(xí)者體驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)深度沉浸學(xué)習(xí)的同時(shí)，對(duì)全息課堂進(jìn)行有序的管理、分析和決策。

圖2 全息課堂的系統(tǒng)架構(gòu)

（四）全息課堂的應(yīng)用案例

當(dāng)前，雖然全息技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究非常廣泛，但從業(yè)界的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，全息技術(shù)在課堂中的應(yīng)用還處于初步探索階段，實(shí)踐場(chǎng)景也以非正式學(xué)習(xí)和定制學(xué)習(xí)的形式呈現(xiàn)。為此，我們選取Fernando Salvetti 和Barbara Bertagni 所開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室（e-REAL）作為案例，進(jìn)行簡(jiǎn)要的應(yīng)用分析。

e-REAL 是一款基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的強(qiáng)大工具、基于視覺(jué)敘事技術(shù)開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)短案例并予以呈現(xiàn)，它將物理世界的各要素集成在一個(gè)多維感官的場(chǎng)景中。該實(shí)驗(yàn)室提供了多種學(xué)科的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，讓學(xué)習(xí)者完全沉浸在這樣一個(gè)以三維或全息形式呈現(xiàn)的擬真場(chǎng)景中，并可以通過(guò)自然的手勢(shì)與內(nèi)容互動(dòng)，不受穿戴設(shè)備的限制，適用于探究學(xué)習(xí)、能力培訓(xùn)、創(chuàng)客活動(dòng)、互動(dòng)教育娛樂(lè)和沉浸式體驗(yàn)[33]。可以說(shuō)，它重新定義了STEM 教育和技能培訓(xùn)。

圖3 e-REAL 互動(dòng)全息圖（上）和仿真虛擬場(chǎng)景（下）

傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展和多元化學(xué)習(xí)的需求，已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)在課堂對(duì)于可視化、定制化、游戲化等的新要求。而不斷改進(jìn)并技術(shù)優(yōu)化中的e-REAL，提供了強(qiáng)大的全息投影、高互動(dòng)功能等，允許遠(yuǎn)程在線交互和知識(shí)共享（如圖3所示[34]）。它基于交互式協(xié)作設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生利用日常技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。學(xué)生在這樣的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，可以多維度、多方式進(jìn)行體驗(yàn)、互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沉浸式的學(xué)習(xí)；極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，強(qiáng)化了知識(shí)建構(gòu)，提高認(rèn)知技能。e-REAL 的優(yōu)勢(shì)在于：第一是通過(guò)虛擬交互，清晰可視的完成實(shí)驗(yàn)和任務(wù)；第二是教師可進(jìn)行差異化教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生解決具體問(wèn)題，即，對(duì)學(xué)生的每一個(gè)互動(dòng)或步驟進(jìn)行有效反饋。e-REAL 的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)提供了管理測(cè)試過(guò)程的方法，為每一個(gè)學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的測(cè)試方案，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率；對(duì)于效率低的學(xué)生，則提供個(gè)性化指導(dǎo)。

近年來(lái)，e-REAL 使用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建出一個(gè)虛擬態(tài)教室，映射學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活情況；同時(shí)，可與導(dǎo)師、同學(xué)、專家等進(jìn)行交流互動(dòng)。在e-REAL 創(chuàng)設(shè)的環(huán)境中，要求學(xué)習(xí)者結(jié)合現(xiàn)實(shí)的事實(shí)或技術(shù)，不斷練習(xí)處理各種情況和問(wèn)題；要求學(xué)習(xí)者要像該領(lǐng)域中的專家一樣，練習(xí)思考和行為[35]。

四、全息課堂的應(yīng)用場(chǎng)域分析

全息課堂顛覆了以往人們對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境、課堂教學(xué)的認(rèn)知。作為可視化三維學(xué)習(xí)空間的主要表現(xiàn)形式，全息課堂橫向上逐步擴(kuò)大孿生內(nèi)容的維度，推動(dòng)學(xué)習(xí)空間的變革；縱向上增強(qiáng)了教育情景的豐富性、趣味性和智能化。

（一）技術(shù)賦能環(huán)境拓展

1.不斷升華學(xué)習(xí)空間

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布，對(duì)于技術(shù)與教育活動(dòng)全流程的融合提出了更高要求[36]。人們對(duì)教育的研究，也從1.0 時(shí)代基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、設(shè)施的建立和使用，轉(zhuǎn)向2.0時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng)+教育”“人工智能+教育”等領(lǐng)域的融合創(chuàng)新[37]。未來(lái)課堂不局限于某一間教室或者一間實(shí)驗(yàn)室，它是一種虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)空間，搭載全息和數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)造起全新的教與學(xué)生態(tài)環(huán)境。使學(xué)習(xí)者沉浸其中，實(shí)時(shí)交互，以多種方式進(jìn)行知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)，提升認(rèn)知與學(xué)習(xí)效果。這樣的學(xué)習(xí)空間在數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的不斷加持上，可實(shí)現(xiàn)完美融合的孿生系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)，可進(jìn)行超自動(dòng)化的智能管理。相比傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，孿生學(xué)習(xí)空間系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，將達(dá)到質(zhì)的飛越，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)空間領(lǐng)域的不斷升華。

2.模糊家校界限

在傳統(tǒng)理念上，“學(xué)?！焙汀凹摇庇兄黠@的界限?！皩W(xué)?！奔磳W(xué)習(xí)的場(chǎng)所，包含學(xué)習(xí)發(fā)生的各要素：教師、學(xué)習(xí)伙伴、圖書(shū)館、軟硬件配套設(shè)施等，給學(xué)習(xí)者提供良好的學(xué)習(xí)條件和學(xué)習(xí)資源；而“家”在人們認(rèn)知中是一個(gè)輕松愉悅的環(huán)境。究其原因大致有：首先，第一印象所形成固定思維。大多數(shù)人一開(kāi)始接觸的學(xué)校，單單從環(huán)境氛圍和建設(shè)構(gòu)造上便與家有著明顯的區(qū)別，隨著學(xué)段遞增，學(xué)習(xí)者身處的學(xué)校雖在變化，但學(xué)校的構(gòu)造仿佛有固定的模式一般，日積月累形成對(duì)學(xué)校認(rèn)知的固定思維；其次，脫離學(xué)校等于脫離學(xué)習(xí)發(fā)生的大部分支持要素。從疫情期間網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，即使學(xué)習(xí)者可以在家實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)課直播、錄播學(xué)習(xí)，但仍存在學(xué)習(xí)內(nèi)在動(dòng)機(jī)激發(fā)不足、學(xué)習(xí)效果不佳等問(wèn)題。

孿生課堂或?qū)W校的出現(xiàn)，將打破認(rèn)知和條件限制，拓寬資源獲取、學(xué)習(xí)的方式，突破現(xiàn)實(shí)環(huán)境的局限，模糊家校觀念。第一，實(shí)體學(xué)校環(huán)境實(shí)現(xiàn)了顛覆性變化，學(xué)校的各項(xiàng)設(shè)計(jì)更加符合環(huán)境心理學(xué)、生理學(xué)和人體工程學(xué)等需要進(jìn)行架構(gòu)，營(yíng)造出色彩豐富、活潑、沒(méi)有特別界限的虛實(shí)相伴環(huán)境，學(xué)生既可以學(xué)習(xí)，也可以休閑娛樂(lè)。第二，高速低延的5G 技術(shù)，使得融合了全息技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)成為可能，即使身處異地，也可以隨時(shí)“到場(chǎng)”提取學(xué)習(xí)要素（資源、環(huán)境、指導(dǎo)等），開(kāi)展教與學(xué)活動(dòng)。當(dāng)面對(duì)突發(fā)情況或因某些不可抗拒因素不能正常返校時(shí)，教職人員也能按照教學(xué)計(jì)劃開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。此外，還可幫助教師開(kāi)展即使是在學(xué)校也不能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，比如，爆炸實(shí)驗(yàn)、拱橋抗壓實(shí)驗(yàn)等。第三，數(shù)字孿生課堂或?qū)W校在新技術(shù)的支持下，可以滿足教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的智能化管理需求，實(shí)現(xiàn)輕量化、自動(dòng)化，極大減輕家校融合的數(shù)據(jù)聯(lián)通和管理負(fù)荷。

（二）環(huán)境賦能教育變革

1.打造全新的創(chuàng)客教育

創(chuàng)客教育活動(dòng)中協(xié)作設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的創(chuàng)客教育需要參與者在同一時(shí)空討論交流、集思廣益，以便在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率最大化。傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中理想的協(xié)同設(shè)計(jì)是基于每位創(chuàng)客的想法，通過(guò)討論、整合、疊加做出具體的可行性指導(dǎo)意見(jiàn)和相關(guān)依據(jù)等，讓創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但由于創(chuàng)客們知識(shí)起點(diǎn)、觀念、知識(shí)積累等的不同，在進(jìn)行資源整合和使用時(shí)，易產(chǎn)生贅余的爭(zhēng)論。異地歷史數(shù)據(jù)的收集分析、資源的存取、即時(shí)的交流等，也存在一定的困難。而在數(shù)字孿生和全息技術(shù)支持下，創(chuàng)客教育可突破現(xiàn)實(shí)條件的限制，彌補(bǔ)遠(yuǎn)程溝通和歷史數(shù)據(jù)中存在的存儲(chǔ)、分析和保護(hù)等方面的鴻溝，使得協(xié)同設(shè)計(jì)更具有專業(yè)性和可靠性。

首先，數(shù)字孿生技術(shù)支持下的創(chuàng)客教育，將打造新型的創(chuàng)客空間——孿生創(chuàng)客空間，它具有足夠的條件支持和技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課程的深度融合。數(shù)字孿生技術(shù)將物理和在線的創(chuàng)客空間進(jìn)行無(wú)縫融合，全息技術(shù)將3D 影像共同投射到同一位置的特定場(chǎng)景中，幫助創(chuàng)客成員完成協(xié)作設(shè)計(jì)，即它打破了傳統(tǒng)的物理性局限，突破了實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)3A模式（Anywhere，Anytime，Anything）。即，它可以在任何時(shí)間、任何地方開(kāi)展任何創(chuàng)客教育活動(dòng)。同時(shí)，基于數(shù)字孿生的創(chuàng)客教育，可極大發(fā)掘?qū)W習(xí)者的創(chuàng)造力，達(dá)到更高層次的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教育效果[38]。

其次，孿生系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交互的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)一直處于實(shí)時(shí)變化的狀態(tài)，可以對(duì)活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析、總結(jié)、評(píng)價(jià)，進(jìn)而更好地反饋以優(yōu)化整個(gè)創(chuàng)客教育和創(chuàng)客學(xué)習(xí)過(guò)程。數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)學(xué)生課內(nèi)外所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為每一個(gè)學(xué)生提供一個(gè)具象化的評(píng)價(jià)表，并智能化生成反饋建議。并可針對(duì)不同的學(xué)生提供不同的方案，不僅簡(jiǎn)化了教學(xué)過(guò)程，還能提供個(gè)性化教育。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的低適應(yīng)性學(xué)生，孿生體可陪伴學(xué)習(xí)者整個(gè)周期。將來(lái)，學(xué)生自身的孿生體可與其他存在聯(lián)系，亦可獨(dú)立其之外，并伴隨學(xué)習(xí)者一生。在實(shí)現(xiàn)泛在學(xué)習(xí)的同時(shí)，為學(xué)習(xí)者形成相關(guān)學(xué)習(xí)或職業(yè)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)人力資源的合理分配。

2.助推特定內(nèi)容的教育

（1）應(yīng)用特定情境的反饋促進(jìn)人的思維發(fā)展。隨著學(xué)習(xí)方式和社會(huì)需求多樣化的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)習(xí)活動(dòng)采用游戲化的設(shè)計(jì)方式，在實(shí)現(xiàn)學(xué)生“做中學(xué)”的同時(shí)，更多的是對(duì)學(xué)生行為進(jìn)行觀察，來(lái)判定其心理素質(zhì)、性格特征和學(xué)習(xí)風(fēng)格等。在孿生技術(shù)支持下，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與運(yùn)算將更具有說(shuō)服力。比如，利用游戲來(lái)測(cè)試用戶行為和推進(jìn)體驗(yàn)（如圖4）：當(dāng)游戲者進(jìn)入場(chǎng)景，在秘鑰開(kāi)啟場(chǎng)景的那一刻，觸發(fā)“非玩家角色”（Non-Player Character，NPC）。游戲者的思想通過(guò)腦機(jī)接口，開(kāi)始對(duì)環(huán)境進(jìn)行操控，腦機(jī)接口自動(dòng)將感應(yīng)到的腦波傳導(dǎo)到游戲中，轉(zhuǎn)換為游戲語(yǔ)言并觸發(fā)劇情發(fā)展。隨著游戲者選擇、生理數(shù)據(jù)變化和意念轉(zhuǎn)變，將引發(fā)無(wú)數(shù)種劇情。服務(wù)器則將整個(gè)的游戲數(shù)據(jù)和用戶的腦波等各項(xiàng)生理變化，及時(shí)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和總結(jié)并反饋給服務(wù)和交互平臺(tái)。在整個(gè)游戲的過(guò)程中，后臺(tái)管理人員可以將整個(gè)游戲的三維場(chǎng)景進(jìn)行全息投影，分別以第一視角和第三視角，觀察學(xué)生即游戲者個(gè)人形象的孿生體及其在游戲中的表現(xiàn)。當(dāng)游戲結(jié)束后，會(huì)生成數(shù)據(jù)報(bào)告，被允許的后臺(tái)管理人員可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)和歷史信息等。設(shè)置這樣的游戲化特定學(xué)習(xí)場(chǎng)景，可以有效地預(yù)測(cè)行為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而了解學(xué)習(xí)者的應(yīng)變力、反應(yīng)力、意志力和社會(huì)生存力等，也有助于人的思維能力等發(fā)展。

圖4 基于數(shù)字孿生的情景測(cè)試

（2）在生物臨床實(shí)驗(yàn)測(cè)試中具有獨(dú)特的價(jià)值。生物臨床試驗(yàn)研究，不能逾越倫理。尤其對(duì)于一些遺傳病和感染病等可通過(guò)母胎傳播的疾病，通過(guò)改變胚胎的DNA 序列是否可以進(jìn)行治療的研究，是不能接受的。比如，改變HIV 患者結(jié)合產(chǎn)生的新生兒胚胎的DNA 序列，使其具有自主免疫艾滋病能力的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，目前的生物臨床試驗(yàn)，必然會(huì)犧牲一些生物，比如，高校的生物和醫(yī)療實(shí)驗(yàn)等，一定程度上損害了生物的健康乃至生命。但是，如果在虛擬的場(chǎng)景中進(jìn)行這項(xiàng)工作，通過(guò)全息技術(shù)，使用全息手術(shù)設(shè)備，對(duì)數(shù)字化的生物孿生體進(jìn)行操作，分析并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可大大優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，還可以通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)行協(xié)同合作或指導(dǎo)學(xué)生等，如圖5所示[39]。

五、總結(jié)與展望

圖5 融合全息、數(shù)字孿生的多維醫(yī)療實(shí)驗(yàn)

數(shù)字孿生技術(shù)作為智能時(shí)代的新技術(shù)代表產(chǎn)物，在XR、5G、AIoT 等技術(shù)的加持下，正在重塑人類的感知與體驗(yàn)方式。全息技術(shù)也在改變?nèi)藗兣c世界相處的形態(tài)，推動(dòng)著沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)方式的發(fā)展。我們通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)和全息技術(shù)的概念、特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行梳理與分析，嘗試將數(shù)字孿生與全息技術(shù)融入到課堂中，初步勾勒出了全息課堂的系統(tǒng)框架，通過(guò)“創(chuàng)建平行體系”“虛實(shí)融合”“擴(kuò)展刺激”，逐次遞進(jìn)，呈現(xiàn)出一種無(wú)邊界、全虛擬、高互動(dòng)的高質(zhì)量教學(xué)新形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景全息、活動(dòng)全息、系統(tǒng)全息和數(shù)據(jù)全息等功能。

我們認(rèn)為，全息課堂中多場(chǎng)景、多學(xué)科、多資源與多互動(dòng)的特點(diǎn)，將滿足當(dāng)前多元化學(xué)習(xí)的需求，推動(dòng)著未來(lái)課堂朝著創(chuàng)新動(dòng)力機(jī)制、遷移時(shí)空維度、拓寬評(píng)價(jià)流程、集成多元技術(shù)的方向發(fā)展[40]，并給未來(lái)課堂帶來(lái)無(wú)限可能：

（1）超平行交互體系賦能創(chuàng)新動(dòng)力，全息課堂中所有的學(xué)生、教師、教學(xué)設(shè)施及其他參與教學(xué)的對(duì)象，都將成為創(chuàng)新課堂教育、變革課堂教學(xué)的動(dòng)力。

（2）技術(shù)促進(jìn)課堂的變遷。全息課堂的構(gòu)建為未來(lái)教育改革注入新動(dòng)力，將助推實(shí)現(xiàn)孿生空間、孿生學(xué)校甚至孿生城市，塑造一種泛在無(wú)線智能、隨時(shí)協(xié)作、自動(dòng)化管理的“云端一體”學(xué)習(xí)環(huán)境。

（3）數(shù)據(jù)溯源，科學(xué)評(píng)價(jià)。全息課堂中所創(chuàng)建的復(fù)雜虛擬環(huán)境，可多維刺激、拓寬評(píng)價(jià)維度。比如，通過(guò)腦機(jī)接口，觀察復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，通過(guò)終端反饋使教師調(diào)整計(jì)劃，開(kāi)展個(gè)性化指導(dǎo)。

值得指出的是，目前我們對(duì)于全息課堂的探究，僅是基于數(shù)字孿生技術(shù)+全息可視化學(xué)習(xí)空間的初步研究。但從技術(shù)發(fā)展（尤其是AI 2.0）、應(yīng)用場(chǎng)景、學(xué)習(xí)變遷、學(xué)習(xí)者需求等方面來(lái)審視，全息課堂無(wú)疑是未來(lái)教與學(xué)模式、空間構(gòu)建的重要研究領(lǐng)域。特別是隨著高速、低延的通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展與普及，尤其是未來(lái)5G 走向6G 的大趨勢(shì)下，基于XR+AI+大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的疊加與賦能，未來(lái)需要結(jié)合多種技術(shù)特性和教與學(xué)新需求，對(duì)全息課堂的運(yùn)行機(jī)制、框架、功能及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)等，進(jìn)行更為深入的構(gòu)建與解析。從而為智能時(shí)代的教與學(xué)變革，為未來(lái)全新學(xué)習(xí)場(chǎng)域中的學(xué)習(xí)方式、過(guò)程及評(píng)價(jià)等的重構(gòu)，提供具有可操作性的研究成果。