智能实训教学何以可能：基于数字孪生技术的分析

范小雨　郑旭东　郑浩

摘 要：我国职业教育实训教学大致经历了依赖物理空间的实训教学1.0、依托信息空间的实训教学2.0、虚实简单交互的实训教学3.0三个发展阶段，并正在向第四个阶段即智能技术支持的实训教学4.0迈进。基于数字孪生技术的实训教学具有创造虚实无缝连接的映射空间、实时监控实训教学进展、实现虚实动态交互与人机实时交互及迭代优化实训教学等价值。基于数字孪生技术的智能实训教学体系包括三个阶段：教学准备阶段，精准构建学生画像，规划与模拟教学过程;教学实施阶段，搭建协同工作环境，精准推送实训课程资源;教学评价阶段，采用数据驱动的伴随式评价，提供可靠有效的反馈。

关键词：职业教育;智能实训教学;数字孪生技术;虚实融合;伴随式评价

基金项目：2020年度江苏省社科基金青年项目“区块链技术推进区域教育治理的创新机制与实践路径研究”（项目编号：20JYC002）;2020年江苏师范大学研究生科研与实践创新计划项目“混合学习中共享调节行为模式研究”（项目编号：2020XKT908）

作者简介：范小雨，女，江苏师范大学智慧教育学院2019级硕士研究生，主要研究方向为智慧教育、学习科学;郑旭东（通讯作者），男，江苏师范大学智慧教育学院讲师，博士，主要研究方向为智慧教育、教育数据治理;郑浩，男，江苏师范大学智慧教育学院2019级硕士研究生，主要研究方向为智慧教育、远程教育。

中图分类号：G710              文献标识码：A              文章编号：1674-7747（2020）12-0026-06

《中国教育现代化2035》提出，要培养创新人才尤其是拔尖创新人才，加强应用型、复合型、技术技能型人才培养力度[1]。职业院校作为技术技能人才的摇篮和供给主体，其重要地位越来越突出。实训教学是职业院校理论课堂的延伸，是职业教育人才掌握技术技能的关键环节。然而，当前职业教育实训教学却存在实训基地建设质量不高、师资力量不强、实训教学模式陈旧、实训教学考核方式单一等问题。先进的智能技术能为开展实训教学提供重要支撑，利用数字孪生技术改革实训教学，迭代优化实训教学过程和评价模式，不失为培养高素质技术技能型人才的重要途径。

一、实训教学发展历程

我国职业教育实训教学大致经历了依赖物理空间的实训教学1.0、依托信息空间的实训教学2.0、虚实简单交互的实训教学3.0三个发展阶段，并正在向第四个阶段即智能技术支持的实训教学4.0迈进，如图1所示。

（一）依赖物理空间的实训教学1.0阶段

在实训教学1.0阶段，职业院校使用传统物理空间开展实训教学，主要存在两方面的局限。其一，实训基地无论是在场地建设还是设备添置等方面都需要花费大量的资金，这会增加职业院校的经济负担[2]。由于高端设备价格昂贵，职业院校通常购买的都是通用型的中小型实训设备，且设备更新换代不及时[3]。这就造成学生实训操作的设备与其毕业后在工作岗位中使用的设备存在很大偏差，最终导致学生在学校掌握的技术技能不能满足实际工作需要。其二，由于实训设备数量有限，传统实训教学形式多为发生在实训车间的现场集中式授课，即教师讲解、演示，学生操作、练习。在这个过程中，虽然教师的示范教学很直观，但是实验次数甚少，学生难以在短时间内记住整个实验流程，并且只有少数学生有机会操作实训设备，大部分学生在实训课期间实则处于“游离”状态。如果学生分组轮流操作实训设备，教师还需要按照分组依次指导，这不仅增加了教师重复教学的负担，也不利于提高教学效率。

（二）依托信息空间的实训教学2.0阶段

随着多媒体计算机技术的发展，基于多媒体技术、网络技术、存储技术的现代信息技术开始应用到传统实训教学中，实训教学信息空间出现，实训教学进入2.0发展阶段。在实训教学2.0中，教师运用音视频信号采集技术对实训教学进行录播，把实训课件、视频集中存储、共享，学生可在课后共享实训教学典型案例等学习资源，一方面能促进实训教学优质资源的常态化积累，另一方面学生可通过反复观看录播视频，练习实训操作步骤。之后出现了多功能视频交互平台，它把虚拟演播和视频会议的非线性编辑功能结合起来，不仅能够实现课程录播，而且支持传输实训教学远程视频以及师生双向互动。远程视频传输既可以将企业专家的实操行为实时传输给学生，又可以让专家远程指导学生练习，实现专家与学生的互动交流和对学生实操作品的在线点评。然而，信息空间的出现只是促进信息物理空间中的学生交流方式和知识共享方式的融合，学生活动仍然完全在线下物理空间完成，尚未有在线上实时操作设备和制造产品的条件与机会，存在现实条件限制的实操练习难以开展等问题[4]。

（三）虚实简单交互的实训教学3.0阶段

将多媒体计算机、虚拟仿真等技术应用于实训教学，可为学生创建真实生动的情境和条件，营造积极自由的实训环境及培养创造能力的学习活动氛围[5]，由此也推動实训教学进入了虚实简单交互的实训教学3.0阶段。虚拟仿真实训教学系统除了能够降低实训基地建设成本、降低实训过程中的危险系数之外，还能够通过外部输入设备、头盔式显示器等实现学生与虚拟环境之间的交互。然而，这种交互仍然停留在简单交互的阶段，缺乏深度交互;并且，这种交互需要借助头盔、手柄等工具操作虚拟世界的设备，不仅繁琐复杂，而且妨碍教师观察学生的学习投入情况。这些都导致虚实环境之间缺乏连续、实时的深度交互，可能会增加学生的实训操作活动难度，不利于提升他们的技术技能水平。

（四）智能技术支持的实训教学4.0阶段

在新一代智能制造技术驱动下，很多职业院校期望实现实训教学的物理空间与信息空间之间的双向真实映射与实时交互。在这样的实训教学过程中，信息空间能够不断收集物理空间的实时数据，在对物理空间高度保真的前提下，对其操作过程进行持续调控与迭代优化[6]，实现物理空间、信息空间和空间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合，实训教学由此进入4.0阶段，即智能实训教学阶段。实训教学4.0综合运用物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等先进智能技术，不仅能够实现观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界的目标[7]，而且实训教学4.0与其配套的课程体系是分层或定制化的，学习资源也能够根据个体需求精准推送，适应学生个性化特征，满足学生不同的实训需求。

二、数字孪生技术的教育应用价值

数字孪生可将物理实体的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界，形成高保真的动态多维、多尺度、多物理量模型，实现虚实之间双向映射、实时连接、动态交互[8]。数字孪生具有虚实共生、高实时交互、高虚拟仿真、深度洞见的特征[9]，是实现未来智能实训教学的关键技术，其应用价值主要体现在以下四个方面。

（一）创造虚实无缝连接的映射空间，赋能学生技术技能的实训与发展

将数字孪生技术融入实训教学空间建设，能够将实训物理空间和信息空间深度融合，形成一个无缝的映射空间。该空间不仅为实训教学搭建了一个操作示范、师生互动、小组协作的平台，而且能再造实训教学过程。该空间的具体价值体现在以下三个方面：其一，基于数字孪生技术的实训教学空间能够突破传统物理实训教学空间的设备局限性，让处于游离状态的学生回归课堂，营造“人人可实践”的学习氛围;其二，虚拟模型可以模拟各种条件，并把状态信息及时反馈给物理实体，使学生及时发现并改进容易忽视和出错的环节，更全面深刻地理解实训操作过程，最终产出预期作品;其三，学生实训操作练习能够先虚后实、虚实融合地进行，相较于完全依赖信息空间的实训操作练习，学生能获得更多的动手操作机会，赋能其技术技能的培养。

（二）实时监控实训教学进展，实现设备和产品的全生命周期管理

基于数字孪生技术的实训教学空间可对物理空间环境进行高保真复现，能对实训教学的设备运行状态与物理实体产品参数进行实时监控。数字孪生体记录物理实体性能状态的准确性和实时性的能力远远大于传统的摄像头，可以无差别地获取物理实体迭代变化的所有参数，然后通过对这些参数的智能化处理和分析，同步得出物理实体的运行状态，并通过虚拟模型将物理实体的内部细节结构展示出来。数字孪生技术融入实训教学设备和产品全生命周期管理，实现了设备故障预警、寿命预测等功能，进而保障教学设备的健康运行，对及时改善实训操作步骤和物理实体产品具有极大的提示作用。

（三）虚实动态交互与人机实时交互，缩小虚拟世界与现实世界之间的差距

基于数字孪生技术的实训教学不仅强调虚拟模型与物理实体之间的动态交互，而且重视人机交互的体验。一方面，物理实体设备通过传感器与数字孪生体动态交互，数字孪生体实时反映物理实体制造产品的情况，并将结果反馈给物理实体，为物理产品的优化操作提供参考信息和决策支持;另一方面，数字孪生技术融入实训教学能够营造良好的人机交互全息环境，使参与其中的学生获得身临其境般的沉浸式体验。值得注意的是，基于数字孪生技术的实训教学不仅仅局限于视觉和听觉的感知，还扩展到了全感官融合，丰富了学生的学习体验。数字孪生实训教学空间的虚实动态交互和人机实时交互真正实现了数据连接、虚实共生和联通互动。

（四）迭代优化实训教学和实操步骤，提高学生的问题解决与深度学习能力

融入数字孪生技术的实训教学在迭代优化教学及提高学生问题解决与深度学习能力方面的作用主要体现在以下三点。其一，在数字孪生体迭代进化的过程中，实训教学中实操步骤的所有历史记录都可被随时提取，重现物理实体在其制造过程中的任一时刻的状态。当某项制作指标不在规定范围内时，数字孪生体将进行提示和预警，学生在得到预警信号后，可检查自己的实训操作步骤，准确发现问题环节并及时改正。其二，通过虚实映射，数字孪生体基于大数据能智能化评估实际教学效果，给予教师决策建议。教师可通过数字孪生体的反馈信息改进教学策略，有效完善整个教学流程，优化教学效果。由此可见，该实训教学过程是一个“实施—监控—预警—优化”不断迭代循环的动态过程。其三，基于数字孪生技术的实训教学还支持学生开展岗前预演和锻炼，便于学生对问题进行深层挖掘，探究问题关键所在，培养其洞察、怡情和自我认识的深度学习能力。

三、数字孪生技术支持的智能实训教学体系的构建

本文构建了数字孪生技术支持的智能实训教学体系，包括教学准备、教学实施、教学评价三个阶段。

（一）教学准备阶段：精准构建学生画像，规划与模拟教学过程

1.精准构建学生画像。教学准备阶段主要是开展教学设计工作，需要分析学生特征，确定符合学生认知水平的学习目标。数字孪生技术能对学生的基础信息（如年龄、性别、家庭住址）、学习成绩（如与实训课程相关的理论基础课程成绩）、学习行为、学习投入及学习风格等数据进行建模与智能分析，进而构建全面精确地反映学生知识基础与个性特征的学生画像。精准的学生画像不仅可以帮助教师深入挖掘隐藏于错综复杂数据之下的学生的学习特征和规律，实现对学生学习行为的全面监测与智能干预，而且可以帮助教师根据不同学生的特征确定相应的教学起点，进行因材施教，真正形成针对学生个性特征和个体差异的个性化教学模式。

2.规划与模拟教学过程。教师在教学设计中难免会出现某些环节设计的不合理、不准确等问题，若将其直接运用于实训教学可能会对学生理解技术原理和熟练操作设备造成不良影响，阻碍实训教学过程的顺利开展，而高仿真的数字孪生体可以规划与模拟各类教学活动的实施过程。当实训课程教学设计完成后，教师孪生体与学生孪生体之间能够进行数据交换，数字孪生系统可以帮助教师实现两方面的目标。一方面，教师孪生体能重点关注以往教学的重点难点在此次教学过程中的实施情况，提前预判教学环节的不足之处，发现教学活动中的漏洞;另一方面，教师孪生体能清楚了解学生孪生体的反馈信息，可以通过分析数字孪生体的反馈信息选择最优化的教学策略、教学方法和教学媒体，提高整个教学活动设计的适用性、可行性和成功率。

（二）教学实施阶段：搭建协同工作环境，精准推送实训课程资源

1.搭建协同工作环境。教学实施阶段是对准备阶段各项设计活动的检验，其最重要的是激发学生的学习热情，充分彰显学生的主体地位。在实训教学过程中，小组协作学习能够将不同的知识加以交流、综合和分析，充分彰显每个学生的主体地位，对专业理论知识宽泛、技术要求高、注重实践应用的实训课程具有重要促进作用。基于数字孪生技术的实训教学可以帮助学生开展虚拟协作。相对于传统虚拟仿真模型而言，数字孪生体不仅可以快速获取传感器数据、模拟特殊条件、精准预测学习结果，而且能动态地实时记录操作流程，学生根据实训需要便能随时切换到任意操作状态。数字孪生体还可以幫助小组成员达成以下两方面的目标。其一，小组成员能够围绕同一个数字孪生模型进行操作演练，随着操作流程的进行，数字孪生体的最新状态以可视化的方式呈现，便于小组成员随时判断操作流程的合理性。其二，小组成员一旦发现实训产品朝着不可预估的方向发展，可以回溯操作流程中的不足之处，迅速改进操作步骤，促进实训任务保质保量地完成。

2.精準推送实训课程资源。基于数字孪生技术的智能实训教学彻底改变了传统模式下教学过程的“统一化”状态，其以“智能”为驱动，通过建设智能的教育信息化体系，实现每个学生的个性化发展[10]。基于数字孪生技术的实训教学体系精准推送课程资源包括两个方面。其一，首先，数字孪生体通过对教学过程要素（教师、学生、教学媒体、教学内容等）的数据建模，可从多个维度了解学生的实训操作过程;其次，依托学生画像对学生个性偏好进行分析，可预测其偏爱的学习方法和适合的学习资源等;最后，针对企业的岗位能力需求，帮助推送个性化的实训课程资源，定制个性化学习路线。其二，关于实训过程中存在的疑惑与问题，学生还可与专家孪生体直接进行讨论交流，专家孪生体针对学生出现的问题，结合实践教学与工作经验给出个性化解答。

（三）教学评价阶段：采用数据驱动的伴随式评价，提供可靠有效的反馈

在以往的实训教学中，对学生实训效果的评价多为在教学过程结束时对他们的资格认定或检测，但这类评价方式往往只有目标评价而无过程评价，多指向选拔的目标而忽视学生的未来发展。《教育部关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》指出，要“健全多元化考核评价体系，完善学生学习过程监测、评价与反馈机制。强化实习、实训、毕业设计（论文）等实践性教学环节的全过程管理与考核评价”[11]。数字孪生技术支持的实训教学评价具有以下三方面优势。其一，实训的智能评价体系符合教育信息化的发展趋势，融合了大数据、人工智能等先进技术，实现了评价数据的伴随式采集和智能化分析，为教师改进教学过程和学生提高实训效果提供了更加可信的反馈。其二，数字孪生体基于实训教学过程中来源广、种类多、结构复杂的海量数据，不仅可以精准记录实训教学全过程，而且能够智能分析重点操作是否符合规定，形成“教学—评价—反馈—再教学”大数据评价体系，改善传统实训教学体系。其三，数据驱动的伴随式评价可以增加实训课程的重难点考核权重，扩大评价维度，丰富评价指标，加强评价深度，促使教师从过去以直观感受为主的教学评价转变为以“数据+算法”为核心的智能评价。

近年来，融合了物联网、大数据、云计算、区块链、混合现实等技术的数字孪生技术备受社会各领域关注，正在以前所未有的速度和力量颠覆性变革着生产制造，也促进职业教育实训教学向智能化方向转型升级。融入数字孪生技术的智能实训教学即将成为现实，其将重塑实训教学新生态体系，促进职业教育在智能时代的发展。基于数字孪生技术的智能实训教学，不仅能彰显智能时代的职业教育办学特色，推进智能产业所需高技术技能人才的培养，而且能融入到数字孪生的学校、城市等建设中，更好地服务于智能教育与社会环境的构建。

参考文献：

[1]新华社.中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].（2019-02-23）[2020-07-17].http：//www. gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

[2]张双志.技能大赛提升高职生实践创新能力了吗？——基于实训教学中介效应的考察[J].职业技术教育，2019，40（34）：19-25.

[3]梁斯仁，吴在丞.“智能化车间”在高职数控实训教学中的应用研究[J].才智，2020（14）：196.

[4]万力勇.融入数字孪生的高校创客空间：意蕴、框架与功能——从物理空间、混合空间到映射空间之演进[J]. 远程教育杂志，2020，38（3）：15-24.

[5]张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010（4）：109-112.

[6]陶飞，张萌，程江峰，等.数字孪生车间——一种未来车间运行新模式[J].计算机集成制造系统，2017，23（1）：1-9.

[7]陶飞，马昕，胡天亮，等.数字孪生标准体系[J].计算机集成制造系统，2019，25（10）：2405-2418.

[8] TAO F，QI Q . Make More Digital Twins[J]. Nature，2019，573（7775）：490-491.

[9]褚乐阳，陈卫东，谭悦，等.虚实共生：数字孪生（DT）技术及其教育应用前瞻——兼论泛在智慧学习空间的重构[J].远程教育杂志，2019，37（5）：3-12.

[10]郑旭东.智慧教育2.0：教育信息化2.0视域下的教育新生态——《教育信息化2.0行动计划》解读之二[J]. 远程教育杂志，2018，36（4）：11-19.

[11]教育部.教育部关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见[Z].教职成2019〔2019〕13号，2019-06-05.

[责任编辑   贺文瑾]

How is Intelligent Practical Training Teaching Possible： The Study

Based on Digital Twin Technology

FAN Xiaoyu， ZHENG Xudong， ZHENG Hao

Abstract： The practical teaching of vocational education in China has experienced three development stages： training teaching 1.0 relying on physical space， practical teaching 2.0 relying on information space， and practical training teaching 3.0 with simple interaction between virtual and actual conditions. It is moving forward to the fourth stage， training teaching 4.0 supported by intelligent technology. The training teaching based on digital twin technology has the value of creating mapping space of seamless connection between virtual and reality， real-time monitoring of training teaching progress， realizing dynamic interaction between virtual and reality and real-time interaction between human and computer， and iterative optimization of practical teaching. The intelligent practical training teaching system based on digital twin technology includes three stages： In the preparation stage， student portraits are accurately constructed， and teaching process is planed and simulated; In the implementation stage， the collaborative work environment is built and accurately provide the training curriculum resources; In the evaluation stage， the data-driven accompanying evaluation is used to provide reliable and effective feedback.

Key words： vocational education; intelligent practical training teaching; digital twin technology; virtual-real fusion; accompanying assessment