基于数字孪生技术的互联网+“5S”教学模式创新研究

王妍捷，冯怡嫣，房琳

江苏师范大学科文学院，江苏，徐州，221116

0 引言

随着时代的发展和互联网技术的进步，教育领域在信息化手段的影响下教育内容和教育效果都有了明显的提升。高校日常教学应该充分利用信息技术，创造生动形象的课堂氛围，促使学生更好地感受课堂的魅力，迸发对知识的探究热情，提升学生的创新能力与思维能力，进而帮助其理解知识难点。为了进一步迎合时代的发展需要，满足现代学生的发展需求，推进信息化教学改革势在必行[1]。

1 研究背景

“互联网+”背景下的信息化教育改革，旨在将课程知识通过信息传递的方式传授给学生，让学生的学习不再受时间、空间的限制，使学生充分利用大数据资源，掌握更加全面的知识。步入2021年，互联网+大数据的应用使信息化教学被广泛地在全国范围内使用起来，在这种大背景下，研究信息化教学改革中的创新势在必行。

数字孪生（Digital Twin）是虚拟现实技术不断发展的产物，最早出现在美国航空航天局NASA空间飞行器孪生体技术图，随后Grieves教授将其定义为产品的数字虚拟化，用来准确描述产品数据信息和信息集成的仿真技术。郑思思等认为“数字孪生技术是指在特定的数据闭环中，在指向性的多维异构数据驱动下，创建物理实体（系统）相对应的动态高仿真数字模型， 以提供不同情境下面向特定对象的主动或响应式服务”[2]。而新冠疫情的爆发及常态化促使教育方式的变革，线上线下混合式教学逐渐成为教学常态化。因此，技术赋能的前提下，数字孪生技术也逐渐应用于教育行业，并给教育的发展带来了无限可能。2019年，褚乐阳等学者提出数字孪生可以作为故障预测及健康管理工具，提升教学设施的管理效率[3]；2021年，张枝实认为通过仿真技术探讨和预测未来，能为新时代教育的创新和发展提供新理念和新方案，并从微观、中观和宏观层面总结数字孪生技术在教育领域影响和应用[4]。本文基于数字孪生技术结合互联网+教育信息化改革的研究提出了“5S”信息化教学法。

2 高校信息化教学现状分析

目前，在大数据环境下高校信息化教学模式所面临的问题主要存在以下问题。

2.1 信息化教学与传统教育模式之间的矛盾

截至2021年，国内高校使用多媒体授课已经成为最普遍的教学方式，然而，在高校中传统教学模式已经根深蒂固，使得高校信息化教学模式改革困难重重。绝大部分高校教师都面临着如何从“多媒体化”到“信息化”教学的转变。2020年，信息化教学在高校中得到了极大的推广和广泛的应用，但信息化教学资源的投入对学生学习效果的提升并不明显，学生对于传统线下课题的依赖感较重，教师对于信息化教学的内容、质量和水平，均有待于进一步的提高。

2.2 网络教学迅速发展与制度规范相对匮乏之间的矛盾

网络教学已逐渐被人们所认可，特别是在2020年发展十分迅速，进入快速发展时期。这就要求高校与时俱进，革新教学理念，建立完善的制度体系，促进网络教学的发展。同时，在整个大的时代背景下，信息化绝不仅仅只是在教育领域影响着人们，手机信息化课堂教学模式也可以被用于多媒体设备的教室和一般教室，智能手机与信息化教学之间存在着密不可分的联系，如何规范手机在信息化教学中的作用成为亟待解决的问题之一。

3 高校信息化教学改革的创新及对策研究

3.1 改变教学观念，推动信息化教学普及化

在大数据及信息化的大背景下，传统教学模式与信息化教学之间的矛盾被放大。当一些不可抗力导致传统课堂不复存在，无论是录播课程还是直播课程，教学资源与教学形式的信息化成了必须要进行的教学手段，在这个过程中比较凸显的矛盾主要有：首先，教师对于信息化教学技术的掌握程度不一，导致同一所学校不同课程之间的信息化教学水平参差不齐；其次，学生对于突如其来的教学信息化应接不暇，没有调整好以信息化教学作为主要授课形式的心理准备；第三，信息化教学平台服务器容量不足以支持几百万大学生同时在线学习，相关的技术问题亟待解决。因此，改变原有的教学观念不仅仅是教育工作者所要面对的问题，同时也是受教育者需要改变的观念，两者同时进行，方可推动信息化教学的普及化[5]。

3.2 线上线下教学计分制度亟待统一

2020年上半年，各大信息化教学平台纷纷加入网络课程的大军，无论是对老师还是对学生，都是一场突如其来的挑战。其中，以“中国慕课”和“超星学习通”为代表的视频化教学平台和以“钉钉”及“腾讯会议”为代表的直播教学模式均在此次信息化教学中展示出巨大的生命力。但是与之对应的教学管理办法却没有能够及时跟进，例如，如何平衡线上与线下教学的时间比例，如何对学生的线上及线下学习成绩进行有机的综合评价。目前关于这部分的制度规范尚没有统一规范，如何正确平衡与评价学生线上与线下的学习成绩与质量，就显得尤为重要。只有建立完善的线上线下教育混合计分制度，才能为信息化教学真正铺平道路，让老师放心教，学生用心学。

4 信息化教学模式“5S”模型的创新研究

信息化教学改革的探索基于数字孪生技术的应用越来越广泛，同时数字孪生技术结合通信技术，运用物联网络大数据融合搭建信息共享平台；在信息化教学的过程中从真实的情景进入虚拟仿真情景，形成数字孪生体。在于田锋、段海波、杨振亚等所著的《数字孪生体技术白皮书（2019）》提出了数字孪生体成熟度模型“数化—互动—先知—先觉—共智”，数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，也要接受物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体；这个进化演变的过程称为成熟度进化，即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程。通过搭数字线程使用物联网实时互传信息和数据，运用模拟仿真科学计算预测信息获得先知，同时运用机器大数据分析技术推测未来信息，通过共享实现共智[6]。基于数字孪生的混合教学模式如图1所示。

图1 基于数字孪生的混合教学模式

信息化教学的本质是教学，教学的主体是学生。如何能让学生在信息化教学的过程中通过数字孪生技术达到“数化—互动—先知—先觉—共智”的效果。模型仿真技术基于学生个体的数据化模型能否根据学生个体的当前状态，通过大数据科学计算、分析和预测出每位学生个体的未来状态？如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就应该全周期和全领域的动态仿真，而每一个学生个体又有着不同的学习习惯，同时在教学过程中，不仅仅由学生单独完成，而是有教师教授环节和学生学习环节。在教授环节中，信息的互动在数字孪生技术的平台能否真实地让学生体验到仿真的环境？通过2020年上半年至今的信息化教学实践，笔者提炼出创新信息化教学模型，即“5S”信息化教学模型，这个模型将信息化教学分为五个环节，分别是：“数据共享（Shared Resources）→自主学习（Self-study）→课堂集中（Centralized Seminar）→资源交互（Swap Resources）→数据互评（Statistics Cross Evaluation）”，数字孪生作为实现数字化、智能化、服务化等先进理念，目前很多的信息化教学模型都基于数字孪生的技术研究信息化的教学模式改革，数字孪生的教学模型更强调网络平台的应用，将教室内的物联网平台和教室外的互联网平台紧密结合，有效地挖掘学生上课状态实时信息，结合学生各项历史数据，通过数字孪生的形式发送给任课教师，为教师授课过程提供指导和依据[7]。数字孪生体成熟度模型、特征和关键技术如表1所示。

表1 数字孪生体成熟度模型、特征和关键技术

数据共享（Shared Resources）：在数字孪生的应用中，互联网+环境下的大数据能够抓取到教师及学生多方面的数据资源，并储存分析实现数据的可视化功能，同时将这些数据精准地共享给多方用户，师生以及交互平台依据数据分析改变自身的教学和学习方式。

自主学习（Self-study）：自主学习并不仅仅是学生的学习过程，同时教师也在改变自己的角色，教师不再是教学的主体而是教学的设计者，教师根据数据共享的信息设计好教学情境，学生在平台上可以随时获取教学资源，在教学过程中形成资源闭合。

课堂集中（Centralized Seminar）：互联网+信息化教学模式的改革中，课堂不仅仅是指线下的课堂，依据信息技术、大数据以及数字孪生等技术，实现线上课堂教学，线上课堂可以实现教学模式的时空闭合。

资源交互（Swap Resources）：在线上课堂中实现学生个人学习数据的存储、分析、和数据可视化；同时也可以实现师生数据，学生与学生之间数据的交互，能让学生更清楚地了解自己的学习成绩，同时也能让教师更便捷更准确地掌握每个学生的学习过程及学习效果。

数据互评（Statistics Cross Evaluation）：互联网+、大数据、数字孪生等信息技术的应用使得目前的信息化教学已经成为智能教学信息系统。每次线上的教学过程都会留有师生互评的数据，同时在这些信息化技术的使用中，数据互评可以让教师可以更好地对每一个教学阶段的学习效果进行分析：在学期初、学期中、学期后期分阶段对学习效果进行分析，并对实际教学效果进行评估，由任课教师及时改进控制课堂教学策略，保障教学的进行和效果[8]。

5 结语

“5S”信息化教学创新模型的提出不仅仅有利于线上或线下的课堂学习，其主旨是调动学生的主动性，可以利用互联网平台的新技术搜集资源，提升学生自主学习的能力，在课堂上利用各种形式的信息化教学辅助工具提高学生的学习兴趣，课后再进行资源交互和评价巩固所学知识。综上，实现教育强国必须顺应时代发展，将新一代信息技术与教育教学深度融合，既要关注内容建设，更要关注促进学生学习认知投入的学习活动设计。