基于数字孪生的地理可视化教学实现探索

李立人

（浙江省温州中学, 浙江 温州 325014）

基于数字孪生技术构建虚拟学习空间及数字孪生体，能将地理知识、原理和地理思维可视化，帮助学生获取真实的学习体验，解决实际地理考察中的难题。相较于野外实践和社会调查，通过数字孪生技术建立地理事物的孪生体，可以使师生在课堂进行数字孪生体的实时驱动，直接观察、演示和预测地理事物的发生、发展过程，对地理事物的发展方向作出判断，对地理问题的解决做出决策。这能够实现与理论学习的衔接，比野外实践、社会调查等活动更具时效性。

一、数字孪生技术下的地理教学方向

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，是在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是物理实体的3D模型，该3D模型的动画是由实体的实时数据驱动的，具有“虚实共生，精准映射”“闭环优化，智能决策”“实时交互，动态调整”的特点。应用数字孪生技术进行地理教学，可通过将地理事象三维可视化等方式，呈现地理现象、表征地理概念和验证地理规律，以此达成地理教学目标。应用数字孪生技术的地理教学，主要通过全数字建模、渲染（将模型生成图像）、仿真等关键性技术构建数字孪生体，运用其空间构造、物联感知、空间计算、逼真渲染、仿真推演五大核心能力，解决地理学科中有关时空构建、地理要素联系、地理过程演替、地理问题预测及决策等问题。数字孪生的应用场景包括航空航天、城市管理等，地球系统数字孪生能实现从大气圈到岩石圈、从海洋到内陆的全空间要素孪生及过程演化等场景模拟。

数字孪生技术可以通过收集学生的个性化数据（学习兴趣、学习习惯等），制定个性化教育计划，满足不同学生的需求。系统可以根据学生在虚拟环境中的学习表现和反馈，自动调整教学内容和难度，使教学更加符合学生的需要。数字孪生技术可以构建虚拟学习空间，使学生在虚拟环境中进行学习和交流。这种虚拟学习空间可以为学生提供更加丰富的学习体验。学生可以在虚拟环境中观察和操作三维模型，更好地理解复杂的概念和知识。数字孪生技术可以帮助学校和教育管理部门进行数据分析和决策支持，以制定更加科学、有效的教育政策和管理措施。

二、数字孪生技术下的地理教学探索

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，借助大数据、人工智能、“互联网+”等信息技术的学习，是面向未来的学习方式之一。数字孪生技术的发展为地理可视化教学实现提供了可能。与传统教学不同，基于数字孪生技术的教学活动需要依托相应的技术部分，将基于真实的学习映射空间转化为虚拟数字模型，形成数字孪生体。在课堂教学中，教师通过数字孪生体呈现相关地理现象或地理过程，引导学生观察现象，激发学生的学习兴趣；设置相关的情境问题，引导学生开展课堂探究。学生利用数字孪生体的实时监测、预测、优化、分析等功能，开展场景的模拟、预测、评估等问题探究，以汇报的方式分享学习成果，最终落实相关地理学习内容。教师适时创设时空拓展方向或迁移应用方向的案例，引导学生开展深度探究，进一步巩固、验证地理知识；最后通过教师评价、学生评价等评价方式开展学习评价，构建如下教学模式（见图1）。

图1 基于数字孪生体的教学模式

数字孪生技术在城市规划领域的应用广泛，可实现对城市交通、环境、建筑等进行模拟和预测，帮助城市规划者制定更加科学、合理的规划方案，还可以帮助城市管理者进行城市管理和应急管理。构建城镇孪生体，可以对城镇发展过程中出现的问题做出决策。从当前的应用场景看，城市作为数字孪生最重要的落地场景，景气度高，应用较为成熟。从地理专业视角看，城市出现在特定的地理环境中，又时刻影响着环境，城市的发展与影响及产生的环境问题一直是人类面临的主要问题之一。为此，笔者以湘教版必修《地理2》第二章第三节“城镇化进程及其影响”为例，开展同课异构研究（见表1）。

表1 “城镇化进程及其影响”的同课异构

三、数字孪生技术下的地理教学优势

通过同课异构的课例比较及相关问卷调研，基于数字孪生技术的教学方式具有以下优势。

1.提高学生的学习兴趣

在对地理学习水平和人数相近的两个班级开展同课异构教学后，笔者开展问卷调研。在“城镇化进程及其影响”一节教学中，实验班采用基于数字孪生技术的教学模式，对照班采用传统教学模式。其问卷内容及数据结果如下所示（见表2）。

表2 问卷内容及数据

在学习兴趣模块，相比传统教学模式，基于数字孪生技术的教学模式更易激发学生的兴趣，其比例远高于对照班。在课堂互动模块，课堂师生互动氛围差异不大，基于数字孪生技术的教学模式在课堂活动的沉浸感、探究性上优势明显，更能推动学生融入课堂探究。传统教学模式下仅43.83%的学生认为能通过课堂提供的内容验证想法，远低于基于数字孪生技术的教学模式的93.16%，这说明基于数字孪生技术的教学模式更能为学生提供自主空间和开展自我探究的途径。在学习效果模块，实验组和对照组在“我可以很清晰地将这节课的思路陈述出来”“我可以很清晰地讲出这节课知识点之间的关系”“我可以很明确这节课的重难点”问题中差异不大，在“这节课的内容可以帮助我正确推演我所在城市甚至是任何一个城市的时空发展特征”“这节课的内容可以帮助我正确推演城城镇化对地理环境的影响及作用过程”问题上有显著的差异，这表明基于数字孪生技术的教学模式更能落实学生综合思维等素养的培育。

2.提升学生的综合思维能力

在结束本节课的教学后，笔者对两个班级同时进行了关于城镇化知识点的测试，共计5个题组，10个题目，每小题10分，满分100分，各题组的考查内容和水平要求下所示（见表3），两个班级的得分率如下所示（见图2）。实验班平均分为83.1分，对照班为68.6分，实验班明显高于对照班。在考察基础识记内容的1至2题，得分差异不大，但对综合能力要求较高的3至10题，实验班优势明显。

与传统教学模式不同，在基于数字孪生技术的课堂中，学生可通过具身操作三维可视化的仿真模型，开展监测、预测、分析等实践，对城镇化的时空变化有更清晰的认知。通过仿真模拟，能够更好地验证城镇化对地理环境的正面、负面影响，提升学生的学科思维能力。

3.实现教学的虚实互动

数字孪生城市在顶层设计上结合虚拟和现实，在数字化、信息化的基础上将物理实体与对应孪生体重叠，实现虚实互动。基于数字孪生技术的教学利用数字孪生技术的动态化、可视化、可操作的特点，构建城市数字孪生体，比较不同区域城镇化的过程和特点，研究城镇化过程产生的问题及发展方向，有利于实现地理可视化教学和互动教学。

4.提供具身学习体验

基于数字孪生技术进行教学利用数字孪生的高保真、精确映射、实时交互、虚实共生、三维可视化等特点，为学生提供了真实的具身学习体验。在实现地理教学的可视化、实时动态操控等方面，具有不可比拟的优势。

5.创设三维学习环境

在学习场所方面，基于数字孪生技术的教学构建了一个等价于物理实体的虚拟空间，即生成一个虚拟真实映射空间。该空间通过实时数据、历史数据和衍生数据的互联与同步，对学生的学习、实践产生重要影响。在学习内容方面，它将以高保真、透视化和精确映射的形式再现物理世界中的人和事物。在师生互动方面，它将打开物理世界和虚拟世界之间的通道，为学生创造一个不受时间和空间阻碍的三维虚拟学习环境。在学习评价方面，它将形成一种综合分析、预测和多维反馈相结合的全面、多维的新评价方法。

四、总结反思

数字孪生技术作为一种新技术，近年来在产品生命周期管理中得到了广泛的应用，但在教育领域的应用还存在许多亟待克服的困难。其一是数据隐私和信息安全问题。其二，数字孪生模型的构建需要大量的数据和计算资源以及复杂的技术支持，这对教师水平提出了更高的要求。此外，在教育教学中，应用数字技术还存在以下问题。

1.学生认知负荷超载

数字孪生体中丰富的信息元素可能会使学生无法在第一时间准确判断和获取最重要的知识，并容易出现一些错误。这容易导致学生专注于教学内容之外的其他元素、技术与学习内容之间的契合度较低和学生认知负荷超载。

2.教师的数据素养有待提高

在当前的教学过程中，许多教师和管理人员非常缺乏收集和使用教育大数据的意识和能力。在教育教学中使用数字孪生技术，如果数据采集不全面、数据标准不规范、数据更新不及时，可能会导致数字孪生体与学生的真实状态不一致，使教师和管理者误读数据，这将对教学和管理产生巨大的负面影响。教师和管理者必须具备一定的数据素养，科学地提高教育和管理能力。

3.资源体系建设尚不完备

数字孪生技术涉及5G、物联网、云计算、仿真等技术。现阶段，技术成熟度不高，平台模式标准化滞后。数字孪生技术在教育中的应用基于对大量学生数据信息的收集和分析，势必带来隐私泄露和数据滥用的风险。在网络环境中，实现数字孪生的一个重要条件就是海量数据的实时稳定传输。在校园环境下，建设学习型组织的数字孪生体具有网络连接设备多、网络服务时间集中的特点，给校园网络环境造成了很大的负担。目前的数字化环境不能支撑数字孪生技术的全面应用。

构建数字孪生体有望打破教育领域虚拟与现实的界限，实现物理空间、社会空间和信息空间的相互融合，实现物理信息系统向虚拟空间数字模型的反馈，这有利于中国教育现代化的发展。