数字孪生技术在教育场景中的应用研究

摘要：数字孪生技术的兴起和发展，使得将数字孪生技术运用到教育场景，成为探索新时代教育新形式、新理念的重要切入点。本文具体探讨数字孪生技术在课堂教学、职业教育、特殊教育的教育场景实际应用，阐述数字孪生技术在提高教育质量、促进教育均衡、实现教学创新等应用优势，以及数字孪生技术在教育场景存在的技术发展水平不高等应用局限和挑战，分析并探讨数字孪生技术在教育场景应用发展的关键技术、教育主体能力、政策扶持等发展思路，希望能为数字孪生技术在未来教育场景实践和发展的建设提供一定的理论参考和借鉴意义。

关键词：数字孪生技术；教育场景；应用

引言

数字经济和信息技术的深度融合作为现今社会的重要趋势，教育正面临着一场深刻的变革。作为新一代信息技术的代表之一，数字孪生利用虚拟模型将物理实体进行充分类比，为彼此之间形成数据交互、实时同步，其作为教育创新发展的一个有力工具，近几年将教育进行数字化转型作为全球教育发展的主要潮流，利用数字孪生促进和突破传统教育局限，将有效提高教育质量及教育效率，是教育研究者以及实践者讨论的热点。

一、数字孪生技术在教育场景中的具体应用​

1.1课堂教学场景应用​

数字孪生技术应用于课堂教学教学环境，在教学形式及内容表达上都有巨大创新，尤其在虚拟实验教学方面效果明显。物理、化学等学科有许多实验十分复杂、危险、昂贵，很难在学校课堂环境上顺利实施，而数字孪生技术可以在一定程度上将这些复杂的物理现象、化学反应以近乎真实的三维方式呈现，用以还原一个虚拟的实验室环境，学生可以在虚拟仿真物理实验环境中学习复杂或高风险实验。而不会受到物理化学实验室环境及条件的限制，出现烧伤、中毒等现实危险，并且可以反复练习，强化知识认识。数字孪生可以用于现场学习互动，如学生在终端设备上的提问、改变虚拟实验平台条件等，教师可以根据学生问题作出改变教学策略和教学方案以帮助学生加深理解。

1.2职业教育场景应用​

职业实训方面，与实践有关的专业在职业院校教学中占比较高，如机械加工、汽车维护、航空工程、飞行工程等专业。数字孪生可以通过创建虚拟情境，让职业院校相关专业学生在一个真实感很强的实训环境中进行模拟实训。比如机械专业学生可以通过数字孪生模拟软件，在虚拟仿真环境下模拟操作数控机床，了解和熟悉各种机械加工，可以模拟调节和优化设备运行参数，逐步熟悉生产加工的实际操作流程，强化仿真操作训练，避免因为操作不当和操作失误产生事故以及设备故障。职业规划方面，数字孪生技术可以帮助学生模拟自己职业生涯道路的设计。每位学生都有自己不同的特长、爱好与发展规划，学生可以在数字孪生平台上以自己为模板，用数字孪生技术设计自己的职业路径和职业生涯发展目标。学生可以设定自己在现实世界中可能遇到的行业现状与发展变化、行业趋势和发展前景，给学生自己规划职业生涯，提示学生未来可能面临的机遇，便于学生提前了解和处理与规划。

1.3特殊教育场景应用​

对特殊教育来说，特殊的学生群体决定了特殊的学习环境。而在这些学生个体个性化方面，数字孪生技术能够帮助他们在日常教学活动、学习环境中获得一些个性化的支撑。在个性化学习方面，针对自闭、智力障碍等特殊学生群体，通过数字孪生技术可以针对其自身的行为特征、学习进度及认知能力的特点进行差异化的学习与适应，从而实现根据特殊学生的学习状态定制其学习课程内容，并能将学习知识变为吸引特殊学生注意力的趣味性互动学习内容或动画等方式呈现，从而使学生变得更加集中；在康复训练辅助方面，比如帮助自闭等特殊儿童进行一些身体、语言、思维等方面的康复训练。

二、数字孪生技术在教育场景中的应用优势

2.1 提升教学质量与效果

数字孪生技术以接近真实世界的方式达到更加真实可见的仿真应用效果，使教学更加直观并具有实操性。传统教学方式中的一些抽象概念、复杂原理等难以用单薄的文字和图片给予具体明了的解说，通过数字孪生实现虚拟仿真的微观世界、宏观场景以及看不见、摸不着的动态过程可视化。数字孪生技术可以实现对学生学习数据的实时采集和数据分析，为教学提供准确依据。在数字孪生技术平台中，通过学生在虚拟仿真实践中的一些操作信息、学习、解题情况等数据分析，可及时掌握每个学生对知识点的掌握和学习情况、学习习惯及不足之处等。在数学教学实践场景中，记录每个学生在每道题中花费的时间、犯的错误等，分析学生的函数、几何等知识掌握情况，为学生提供个性化教学内容和方法，提供对学生功能点的知识补偿，推送适合学生个性化的学习资源与实践习题，实现精准化教学，有效提高教学水平和教学效果。

2.2 促进教育资源均衡与共享

数字孪生平台打破了时空限制，优质教育资源不在受到物理空间的限制而共享资源，对资源相对不足的边远地区，通过接入数字孪生教育平台，可以在共有的平台上同步上享受发达地区的优质教育课程。数字孪生平台支持对教育优质资源共享的有效整合。学校、教育机构可将自身分散的教育资源，如课件、视频、虚拟仿真实验室等资源整合到数字孪生教育平台上进行分类、共享，由教师根据教学需要按需进行资源调取，避免重复建设和资源浪费。在某地区教育联盟内，搭建数字孪生教育平台，各校将学校自己优质课程资源上传平台，学校教师根据自己的教学计划下载使用，实现了区域内教育资源的互通有无，实现了教育资源的平衡，提高了教育资源使用的效率。

2.3 推动教育创新与个性化发展

数字孪生技术对教学模式及方式的创新提供了技术保障。基于数字孪生的虚拟学习环境支持项目学习、探究学习等新型教学模式的应用，在项目学习过程中，学生在虚拟环境中模仿真实项目任务的完成过程，建筑学专业学生可基于数字孪生技术搭建虚拟建筑空间，完成从规划设计、建设实施到实地施工全过程仿真体验，在实践中提高解决问题和团队合作的能力；在探究学习过程中，学生可以自主提出和探索问题，通过参数的调整和变化，体会实验结果的变化，从而理解知识点。

三、数字孪生技术在教育场景中应用面临的挑战

3.1 技术层面的挑战

数字孪生技术在教育环境应用过程中尚未达到成熟、稳定的效果，创建较为真实的数字孪生模型需更高水准的建模技术与算法作为保障，而目前开发使用的建模工具与建模技术，在面对较复杂的教育环境时，无法满足现实教育环境的真实性，缺乏满足建模的真实性和还原性。利用建模模拟生物细胞结构、机械零部件内部结构等复杂场景下存在模型细节体现不清楚，而这一点则是导致学生对知识理解出现偏差的重要原因之一。数据隐私与安全，数字孪生在使用过程中存在的隐私与安全问题。在教育领域的数字孪生中，数字孪生系统汇总了用户的个人信息与学习内容，涉及名字、年龄、成绩、行为模式等多个隐私数据，如果数据信息被泄漏，不仅会造成学生隐私信息泄露，而且也会被用于对学生造成恶意。现阶段，数据加密、访问控制等方法均存在一定的防护漏洞，很难确保数据的信息安全。

3.2 教育机构与教师层面的挑战

教师与教育机构对数字孪生技术的认同度与理解度偏低。数字孪生技术较为新颖，教师对于数字孪生技术的技术原理、技术功能与作用价值存在认知偏差，误以为该技术难学、不能应用于实际的教学环节。数字孪生技术的教学需要教师具备一定的信息化技术能力，包括数字孪生平台的学习与应用、数字孪生虚拟教学资源的创设与组合、数字孪生数据的分析与利用等。但现阶段教师多不具备相关技术培训及实务经验，难以灵活地通过数字孪生技术实施教学工作。在制作数字孪生教学PPT过程中，教师因为不熟悉建模软件及动画软件等工具，不能将教学内容高质量地呈现为虚拟教学内容；在采用数字孪生系统对学生学习数据进行分析时，因为缺乏数据处理能力，难以从数据中挖掘有效信息实现对教学的决策影响，数字孪生技术的教学应用价值没有得到充分发挥。

3.3 教育管理与政策层面的挑战

现阶段缺乏切实可行的数字孪生技术在教育中的管理机制和规范，数字孪生教育产品缺少质量、准入等评价机制，这导致目前数字孪生教育市场上产品的质量参差不齐，高校和教师无法准确地选择和运用数字孪生教育产品。不同数字孪生教育系统之间会出现数据无法互用、接口不统一等问题，这影响了数字孪生教育的资源共享、数据互用和数字化，制约了数字孪生技术在教育中的发展。缺少数字孪生技术在教育中运用的政策及发展指导。现阶段针对数字孪生技术在教育中运用的相关政策和文件较少，地方政府和国家没有给出较为详细和切实的数字孪生在教育发展的政策规划与支持力度，数字孪生在教育领域的资金财政不足问题严重地阻碍了数字孪生的推广应用。

四、数字孪生技术在教育场景中应用的发展策略

4.1 技术创新与优化策略

加强数字孪生技术研发力度，提升技术的成熟度、稳定性。高校、科研院所及企业加强联合，针对相关关键技术进行攻关，改进建模算法、提升模型精度和渲染质量；研发服务器架构及网络传输，提升系统并发处理能力、响应性。完善数字孪生系统的数据安全保护体系、隐私保护机制。完善严格的数字安全管理规章，针对数据采集、存储、调用、共享、交换、传输、销毁等的规范和技术流程做出规定。采用高效数据加密算法，加密敏感信息数据，防止数据泄露。

4.2 教育机构与教师能力提升策略

增加对数字孪生技术的普及与学习，加强教育机构和教师对数字孪生技术的认识和接纳程度。利用讲座、研讨会、线上课程培训等多种方式对教育机构的教师进行数字孪生技术基础知识的普及与实践案例的宣讲，并通过数字孪生技术对学校的教师进行数字孪生技术宣传，帮助其认识到数字孪生技术并非虚无缥缈的未来科技，也并不是天方夜谭，增强对数字孪生技术的认识。做好教师的数字素养教育培训工作，提升教师数字孪生技术应用能力。在教师培训工作中要分层次分领域开展教育培训工作，建立针对不同专业和信息技术水平教师分层分类开展数字孪生技术的教师教育培训工作。在培训内容上，应当开展数字孪生平台的使用和操作，以及虚拟教学资源的构建与采集、数据统计与利用等应用培训。开展数字孪生建模软件的操作使用与数字孪生软件建模等方面的培训工作，让教师学会进行模型制作、动画处理等。开展数据分析培训工作，让教师学会利用数字孪生系统中的数据为教学分析提供支持。

4.3 教育管理与政策保障策略

制定数字孪生教育技术的应用管理制度和标准。教育行政部门牵头组织行业主管部门和专家学者共同制定数字孪生教育产品鉴别质量和准入制度，完善数字孪生教育产品相关标准，严格规范数字孪生教育产品市场。加强政策的支持和引导力度，为数字孪生技术教育技术应用提供政策支撑和管理机制保障。政府层面要制定数字孪生技术在教育场景应用政策文件，制定数字孪生技术应用发展规划和目标，数字孪生教育技术作为教育信息化建设的组成部分要纳入到政策文件中，加大资金扶持力度。设立资金专项扶持项目，给数字孪生教育项目和企业提供政策补助资金，鼓励学校和教育系统完成数字孪生体系建设、采购硬件设备和数字孪生技术研究。制定数字孪生教学教师的数字孪生教育激励和评价方案，将教师开展数字孪生教育工作绩效纳入到教师奖励和评聘职称晋升，奖励数字孪生教学成果表现突出的教师，发挥数字孪生教师激励、监督引导和科学研究的功能。

结语

教育领域由于数字孪生的诞生而在提升教学效果、实现资源共享、加快教学创新方面拥有大量优势，但是由于数字孪生在教育方面的应用还有着各种各样的阻碍，希望各方力量通过技术创新、师生和机构主体能力提高、政策促进等方面的共同作用去解决这些阻碍，当数字孪生技术在未来应用进一步成熟，对教育持续深化后，数字孪生技术可能成为教育数字化、智能化转型的重要驱动力，推动教育事业迈向新时代。

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