数字孪生技术在教育中的应用——以数字孪生双师课堂为例

杨昕越 顾宇冲

1. 上海方略门口教育科技有限公司 2. 上海市建平实验张江中学

一、 教育元宇宙与数字孪生技术

（一） 教育元宇宙的展望

近年来，元宇宙概念的热潮预示着互联网即将进入强调体验的阶段，通过一系列技术构建逼真的虚拟世界，或将虚实融合，以达到增强体验的效果。而当元宇宙与教育相结合，所形成的“教育元宇宙”将对传统教育产生巨大影响。教育元宇宙能解决教育资源不均的问题，对于元宇宙这个虚拟空间而言，其中的教育资源是无限且共享的，需要解决的问题仅是现实中支持师生进入元宇宙的软硬件。教育元宇宙也能解决教育场景受时空限制的问题。学生在教育元宇宙中完全不受虚拟时空的限制，可以回溯到过去的任意时间点，或移动到任意空间点，进行沉浸式、体验式的学习。

（二） 数字孪生技术

虽然现有技术离实现真正意义上的元宇宙还有一定的距离，但数字孪生技术已在多个领域凸显其重要意义。但我们需要看到，元宇宙与数字孪生技术存在一定的区别与联系：（1）元宇宙参照现实世界的物理元素，以真实或假想的逻辑对现实世界进行复制和修改，数字孪生技术是对唯一现实世界物理元素的复制；（2）元宇宙直接面向人，强调视觉沉浸性、展示丰富的想象力和沉浸感，数字孪生技术首先面向物体，强调物理真实性；（3）元宇宙是一个建立在现实世界基础上的持久稳定的实时虚拟空间，数字孪生技术则是在元宇宙构建过程中实现现实仿真功能的技术范式和混合虚拟空间的现实框架基础。

通过上述对比不难看到，相较于强调人与人关系的元宇宙，强调物理真实性的数字孪生技术则更容易实现。目前，数字孪生技术已经在产品制造、医学分析、工程建设等领域有了一定程度的应用。数字孪生技术在教育领域也有其用武之地。

二、 传统课堂的痛点

（一） 教学资源平面化

传统教材不得已只能将现实的三维世界以二维图片的形式呈现。教师通常用实物教具或视频去帮助学生理解一些抽象的知识点。除了少数空间推理能力较强的学生，大部分学生都很难通过二维图片深刻理解有关内容。

（二） 数据收集人工化

在传统课堂中，学生上课的专注度、参与度，对于教师提问的回答情况等信息，都由教师凭借自己的教学经验和感官感受进行判断，这种判断对于课堂整体情况是足够的，但是难以精确到每一名学生［1］。

（三） 学生沉浸式体验感缺失

中小学生可以很轻松地从网络上找到大量的上课视频，有官方的空中课堂，也有教师自己分享的优秀课堂实录等。这些视频资源毫无疑问能帮助学生在无法请教教师的情况下，进行自主学习。在教学资源相对匮乏，师资力量较为薄弱的地区，这些视频资源也可以作为线下课堂的补充。实际上，由于观看这些视频资源的学生来自全球各地不同学校和不同年级，这些视频资源中的授课教师并没有，也无法按照听课学生的实际学情进行有针对性的备课授课。在这种情况下，观看这些视频资源的学生的实际学情与视频资源中讲授教师预设的学生学情往往有很大差异，学生通过观看此类视频很难高效率地学习想要学习的内容。此外，观看视频资源的学生实际上并非这些虚拟课堂的参与者，而是旁听者，即使视频资源中的授课教师是顶级名师，学生也很难真正融入这些虚拟课堂，实际的学习效果可能不如在真实课堂中由了解该学生学情的普通教师进行的授课。

三、 数字孪生教师

将数字孪生技术应用于教育领域，可以选择从教师入手，利用数字孪生技术打造真实教师的数字孪生教师。

数字孪生教师拥有类似真实教师的外观、相近的声音。在目前的技术条件下，数字孪生教师可以集百家之长于一身，成为一名“超级教师”。数字孪生教师掌握的技能有：名师专家的教学技巧，操控教师物联网设备的技能，获取学生反馈的技能，进行大数据运算的技能等［2］（表1）。

表1 数字孪生教师的特点和详细功能

数字孪生教师可以通过信息技术减少教师机械化、重复性的工作，也可以辅助教师进行数字化教学。

四、 数字孪生双师课堂

数字孪生教师仅仅是一个技术产物，要真正对教育产生影响，就必须融入教学之中。将数字孪生教师与双师课堂相结合，就形成了解决传统课堂部分痛点的新型课堂模式，即数字孪生双师课堂。这是一种借助智能终端、智能系统和数字资源，实现真人教师与数字孪生教师共同上课的教学模式［3］，它拥有以下优势。

（一） 三维数字教学资源

通过数字孪生技术可以更便捷地调取三维数字资源，将三维的真实世界带入课堂，学生能通过沉浸式、交互式的课堂体验，学习抽象难懂，宏观至宇宙结构，微观至原子结构的知识。

（二） 智能课堂数据收集分析

数字孪生教师可以通过教室内的前置、后置摄像头，获取学生上课的专注度、参与度及活动过程等数据，并根据这些信息，实时调整上课策略。若学生对某一知识的掌握程度与预设不符，数字孪生教师可以根据获取的数据及时对后续授课内容作出相应调整。

（三） 名师数字孪生教师

数字孪生双师课堂利用数字孪生技术，将名师的教学设计、教学思路等，融入该名师的数字孪生教师，以智能终端为载体，在课堂中展现该名师的数字孪生教师形象［4］，并由线下教师与数字孪生教师共同上课，形成新型的双师课堂（图1）。在这种课堂形式下，学生既能听到优秀名师的授课内容，也能由数字孪生教师和线下教师根据学生的学情，对授课内容作出调整或补充。在真实课堂场景中，学生是课堂的参与者而非旁听者，从而能真正融入课堂。

从图1中可以看到，数字孪生教师在教室的左前方，依托智能终端呈现。线下教师则在教室的右前方，与数字孪生教师共同授课。学生则根据双师的引导，使用教室内的智能设备进行学习、听课或小组探究活动。

图1 新型双师课堂实景

五、 数字孪生双师课堂带来的教育变革

教育的数字化过程注重育人方式的变革。当前新一轮课程改革的核心是落实立德树人的根本任务，培养德智体美劳全面发展的社会主义接班人和建设者，聚焦学生核心素养的发展。

首先，数字孪生双师课堂重构了学习空间，借助智能终端、智能系统、数字资源，以数据贯通构建了虚实融合的素养学习空间。

其次，它重塑了学习关系。在数字孪生双师课堂模式下，教师不再只是学生知识的传授者，教师将提供数字化学习环境和学习资源，成为学生学习活动的支持者与服务者。真人名师在数字孪生教师的辅助下走到学生身边，在教学中师生相互交流启发、沟通完善，不断生成新知，并伴随师生之间的情感交融和对获取知识的体验，实现教学相长、共同发展［5］。

最后，它实现了学习评价的变革。当前课堂教学中，教学评价的核心和焦点是教师的教。新课程改革倡导开展“以学生为中心”的课堂教学范式创新，学习评价应紧紧围绕学生核心素养的培育而开展，不仅要关注教师教的评价，更重要的是从学生个性化全面发展的角度关注学生学的评价［6］。数字孪生双师课堂可以实现对学生学习过程的数据收集与分析，将教与学的过程和结果可视化，做到素养本位的评价和多元评价［7］。

六、 数字孪生双师课堂的价值

义务教育课程方案与课程标准强调素养导向、学科育人，教师应重组课程内容，创建学业质量标准，探索与素养目标和内容结构相匹配的、学科典型的学习方式，推进以学科实践为标志的育人方式变革［8］。数字孪生双师课堂依托虚实融合的数字空间，利用数字孪生技术及数字资源，帮助教师创设教学情境，开展学生自主或合作探究活动，解决真实情境中的真实问题，培育学生的素养与能力。

数字孪生教师可以收集动态教学数据并进行数据挖掘和分析，对教师教学的全过程及效果进行数据化呈现，使得教学过程从过去依赖教师的教学经验转向依赖教学中的客观数据。教师依靠数据精准地掌握学情，开展基于课堂数据分析的精准化教学和个性化学习，促进教与学的人机协同与减负增效。

数字孪生双师课堂可以促进教师与学生数字素养与技能的提升，提高教师运用数字技术改进教育教学的意识和能力，从而实现数字时代教师发展的专业化和教学的数字化变革。

七、 总结与思考

新课改促进教育转型，数字化教育引领教育发展。虽然距离实现教育元宇宙还有很长的一段路，但已经可以通过相对容易的数字孪生技术实现教育元宇宙的部分功能。数字孪生技术的发展无疑为诸多领域带来了新的变革。特别是在教育数字化转型的大背景下，课堂教学成了数字化转型的核心。数字孪生双师课堂作为课堂教学的新模式，助力教师以学生为中心开展课堂教学方式创新，实现教学流程重构，提高课堂教学效率。该模式的应用可以减轻师生负担，培养学生的数字化意识，提高他们的数字化思维和数字化应用能力，也可以促进学生的深度学习，从而培养具有创新精神和实践能力的面向未来的优秀人才。