融入数字孪生的图书馆智慧学习空间构建研究

张晓蕾

摘 要：图书馆智慧学习空间是图书馆在智能时代下快速发展的产物。文章基于数字孪生概念分析了现阶段图书馆智慧学习空间所具有的高保真性、实时交互性、虚实共生性和真实性等特点，并构建了融入数字孪生技术的图书馆智慧学习空间模型，最后提出了数字孪生赋能的图书馆智慧学习空间构建路径。

关键词：图书馆；数字孪生；智慧学习空间

中图分类号：G250   文献标识码：A   文章编号：1003-1588（2023）05-0125-04

随着机器学习等高新技术的快速发展，人工智能和可视化技术也逐步走进了广大民众的视野中，使虚拟与现实世界实现了相互融合，这也成为当今的热点话题之一，同时“数字孪生”概念应运而生。数字孪生是一种超现实的概念，能够将现实产品构建为虚拟化的孪生体进行相关分析，强调的是虚实结合的新理念，自问世以来便受到广泛关注。在我国，虽然数字孪生的研究与应用起步较晚，但近年来国家政策持续对其进行扶持，使数字孪生与大数据等技术并驾齐驱，并提出了“数字孪生创新计划”［1］。数字孪生并不受实体数量的限制且能实现时空跨越，可被应用于各行各业，并能利用数据充分支持目标系统的相關服务，即物联网的进一步发展，为图书馆的智慧发展赋予了新的可能，尤其能够在图书馆智慧学习空间构建方面起到至关重要的作用。鉴于此，文章对融入数字孪生的图书馆智慧学习空间的特征进行分析，并在此基础上设计了架构模型，同时对其构建路径进行研究，以期促进图书馆的可持续发展。

1 相关概念

1.1 数字孪生

数字孪生（Digital Twin）指在数字化方式下建立的有关物理对象的动态化仿真模型，

对感知到的物理对象的数据进行采集，并且在虚拟空间中模拟物理对象在生命周期的状态等［2］。数字孪生能够对所提供的实际情况进行全面分析，对结果进行实时反馈，并提供相应的帮助。数字孪生源自1969年NASA执行阿波罗计划时所制造的两个相同的飞行器，将其实际执行任务与留下进行仿真的飞行器称为孪生体。2003年，Grieves教授进一步提出了数字孪生的设想，于2011年正式提出了数字孪生的概念，至2012年NASA将其引入航空航天领域，并在2014年被德国西门子和达索公司等企业及美国的国防部所接受，至此得到了国内外的广泛关注及重视。2016年，数字孪生首次被Gartner公司列入了十大战略技术趋势，次年，在世界智能制造大会上，数字孪生被确定为十大科学技术进展之一。当前，数字孪生已经在工业生产等领域形成了成熟的体系［3］。

1.2 智慧学习空间

空间指物质能够以立体化形式呈现的一种客观状态，具体表现为物质具有的广延性，即主体在执行特定的活动中能够依赖的条件。学习空间指在学习环境支持下的客观存在体，具体是指能够为学习者提供相应的知识获取与合作交流等服务，且具有开放性的主要学习场所［4］。智慧学习空间指从科技信息技术进行架构的角度着手，能够参与相关虚拟学习环境方面的设计及规划，并且具备相关智能技术支持的学习环境。同时，智慧学习空间能够对各方参与者的真实需求进行感知，用以为学习者提供相应的量身定制的信息资源。

2 数字孪生下图书馆智慧学习空间的特征

2.1 高保真性

数字孪生体在图书馆的智能学习空间中提供了跨越时间和空间的高保真学习体验，赋予了读者全新的阅读体验，即在虚拟空间达到现实世界一般的高度，感受身临其境的学习环境及环境相关附属物。学习者能够通过数字孪生进行物理实体的观察并与之积极互动，这样学到的经验和技能就可以直接应用于现实世界。此外，学习者还可以实时访问不同时区的场景和学习区，能够根据自身需要开展学习活动。

2.2 实时交互性

数字孪生能够为图书馆智慧学习空间提供分布式和跨区域的协作学习。数字孪生图书馆的学习空间对云计算技术和物联网等核心技术进行充分应用，使跨区域的协作学习成为可能并不断发展完善，学习者不仅可以完成相关的学习任务及自我要求，还可以合作探讨、协同处理面对的问题。可以说，分布式协作学习既为学习者提供了更便捷的信息交流渠道，还能在模拟场景和其他学习活动中实现协作体验。

2.3 虚实共生性

数字孪生可以提供数据驱动的学习，在图书馆的智能学习空间中实现虚拟与现实的共生。学习不仅是通过学习者与所处环境氛围之间的良性互动产生的，也是在学习者自身认知结构的不断形成过程产生的。充分利用图书馆智慧学习空间的数据管理功能，可以将难以被人们理解的现象或者抽象化机制进行形象化处理并加以展现，从而增强学习者的认知结构，促进其发展［5］。数据驱动下的学习不仅具有及时性、真实性和可预测性特征，而且还对深入探索学习者的问题提供了实时支持。因此，学习者能够根据问题探索过程中收集到的数据改进他们的解决方案，改善他们的学习和认知结构。

2.4 真实性

数字孪生能够为图书馆智慧学习空间提供真实的学习体验。智慧教室的本质是为一系列学习者提供真实、以设计为主导的学习体验，以设计和测试促进有效学习和更高层次思维的过程。将数字孪生体整合到图书馆的智慧学习空间中，不仅可以在虚拟孪生体和物理孪生体的生命周期中实现数据的双向流动，还能实现物理孪生体和数字孪生体学习内容之间的实时关联。

3 基于数字孪生的图书馆智慧学习空间架构模型

基于整体性、探索性、智能性以及融合性等构建原则，本研究提出融入数字孪生的图书馆智慧学习空间的架构模型，见下页图1。该模型设计了三个逻辑层，即物理空间层、云端服务层和数字空间层，描述了一个智慧图书馆学习空间的系统框架。

3.1 物理空间层

物理空间层作为图书馆智能学习空间嵌入在数据孪生体的核心层，是其数字空间层（数字孪生的镜像）的重要数据来源［6］。物理空间层主要由各种馆内设施和空间建构所组成，其中馆内设施既包括智能的可穿戴设备、自助借还设备、智能识别系统、导航系统以及监控设备等，还包括基础的图书资料、移动书架、座椅板凳、饮水机以及空调等；空间建设包括特色的创客空间和多媒体空间等，以及基础的水泥瓷砖、屋顶隔墙、地基钢筋和水电工程等。物理空间层利用物联网等技术提取本层物体的状态和行为信息，并利用超高速通信技术传输到云端服务层上层的智能大脑，智能大脑可以将这些数据和行为指令发送到相关的物理实体，以提示相应的变化。

3.2 云端服务层

云端服务层的核心是智慧大脑，处理从物理和数字空间层收集的数据，并及时准确地发送指令。同时，智慧大脑根据自然语言处理和图像处理等技术和功能以及学习者当前的行为状态，准确地传递控制指令，并定期分析和处理信息及数据。此外，智慧大脑还能提供智慧学伴及智能导师等超前服务，为在图书馆自主学习的人群提供对应的支持服务。

3.3 数字空间层

数字空间层作为物理空间层的镜像，包含物理空间层中所有物理实体的相关数字孪生。数字孪生体与物理实体实时接触，能够利用数据通信技术同步更新其状态和行为，其中物理实体和数字孪生体被映射并进行动态互动［7］。数字空间层使数字孪生通过物联网等技术得以实现，系统上一级收集的多种信息数据被传输到下一级的智慧大脑进行相关处理。数字空间层的信息实时交互和迭代优化功能模拟了更多的探索性学习活动，为学习者提供了有力的数据和技术支撑。

4 融合数字孪生的图书馆智慧学习空间构建路径

4.1 整合资源，架构智慧学习平台

基于数字孪生的图书馆智慧学习空间可以进一步实施资源整合，为智慧学习平台的构建提供资源基础。首先，云服务平台能够为图书馆提供包括服务和管理在内的“云”服务，从而有效保障图书馆智慧学习平台的运行；其次，资源平台是集资源管理与资源存储等为一体的有效平台，包括教材、多媒体教辅素材以及实验视频等多种资源，能够为图书馆智慧学习平台提供有效的数据支撑；再次，“智慧服务”是图书馆智慧学习平台基于数据孪生的产物，集合了云服务平台、资源平台、移动智能终端（3D打印机、教学机器人、电脑）等智能化的学习环境，能够在图书馆内进行模拟仿真的现场自我教学等。

4.2 加强建设，推送学习资源

学习资源是学习空间中最主要的服务内容，图书馆智慧学习空间在加强其建设时［8］可以对学习者的学习数据进行深入的数据挖掘并对产生的数据进行智能化分析［9］，用以对学习者的个人情况、个人偏好以及个性化特征展开充分的了解和研究，以此为基础，智慧空间能够推送学习者个性化学习资源，并激发学习者对相关领域的学习热情。AI等高新智能技术的发展也为图书馆智慧学习空间提供了强有力的技术支撑［10］，如：具备全方位覆盖技术的传感器能够精准提供馆内环境数据；物联网技术具有传输速率高等优势，可以降低虚拟空间数据的延迟性，为学习者带来更加仿真的体验；人工智能为图书馆进行风险预测和决策辅助；自动优化空间建设有利于资源的更新和热点知识挖掘。目前，一些学者已开展了多项针对学习资源与学习空间的数据分析和研究［11］，如：美国的My Library、Library@LANL以及我国的浙江大学图书馆等已经实现了能够依据学习者的兴趣领域进行相关建模和推荐工作。

4.3 人机交互，打造学习空间

情境认知理论是智慧学习空间中的基础理论之一，该理论强调了在技术层面上的相关设备支持，能够为学习者打造有利于其感知并能够融入的学习环境。在数字孪生的融入下，图书馆可以充分利用虚拟技术（VR）在人机交互下进行智慧学习空间的构建，打造沉浸式的图书馆智慧学习空间，提高学习者的学习体验学习效率。例如，英国的纽卡斯尔中学早期建立了VR教育工程，能够充分运用VR技术在图书馆或教室内进行相关学习行为与教育活动；Chih Hsiao等开发了能够在课程教学或图书馆服务中使用的VR技术应用。此外，我国诸多高校也都对VR技术在图书馆服务中的应用展开了相关研究，如：南开大学利用VR技术实现了图书馆等场所的成像仿真功能，大连海事大学利用Unity3D等虚拟现实引擎开发了相关仿真项目等［12］。因此，图书馆可以在人机交互以及情境感知环境下进行体验式学习空间的打造，用以培养用户的学习意识。

4.4 广泛采集，注重隐私保护

图书馆在构建基于数据孪生的智慧学习空间过程中，不可避免地需要全面采集用户数据，因而容易产生用户隐私信息泄露等问题。因此，图书馆应加强安全保护程序的设定，并在用户数据采集和存储过程中实施全方位的隐私信息保护措施。例如，图书馆可以在采集用户数据前主动向用户说明数据采集的内容及用途，并一定要得到用户的同意方可采集；在数据传输过程中，可以利用数据的加密算法保障数据传输的安全性和保真性，并尽可能通过图书馆的内部网络传输相关数据；在存储数据时也应尽可能采用分布式的存储方式，并设置网络防火墙、安全访问权限等，防止图书馆用户隐私信息的泄露。

参考文献：

［1］ 李璐，尹玉吉，李永明.基于数字孪生的图书馆智慧管控系统模型构建研究［J］.图书馆学研究，2021（4）：29-37.

［2］ 许鑫，兰昕蕾，邓璐芗.数字孪生视阈下智慧图书馆业务融合研究［J］.大学图书馆学报，2022（2）：59-66.

［3］ 秦晓珠，张兴旺.数字孪生技术在物质文化遗产数字化建设中的应用［J］.情报资料工作，2018（2）：103-111.

［4］ 王频.智慧网络学习空间的内涵维度与目标向度［J］.物流工程与管理，2022（4）：175-177.

［5］ 翟秀凤.云数智赋能高校图书馆数字学术空间服务生态探析［J］.图书馆研究与工作，2022（7）：59-64.

［6］ 李海峰，王炜.数字孪生智慧学习空间：内涵、模型及策略［J］.现代远程教育研究，2021（3）：73-80.

［7］ 褚樂阳，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（5）：3-12.

［8］ 张田力.图书馆学习空间的设计［D］.上海：华东师范大学，2011.

［9］ 张倍思，陈烨，齐艺，等.多源过程性数据驱动的学习者综合评价模型研究［J］.情报科学，2022（5）：104-110.

［10］ 赵丽萍.“互联网+”背景下城市开放空间应用研究［D］.青岛：青岛理工大学，2016.

［11］ 何琦，艾蔚，潘宁利.数字转型背景下的创新扩散：理论演化、研究热点、创新方法研究——基于知识图谱视角［J］.科学学与科学技术管理，2022（6）：17-50.

［12］ 胡国良，黄美初.“5G+AI”视域下智慧学习空间的构建研究：基于开放大学的实践探索［J］.远程教育杂志，2020（3）：95-104.

（编校：周雪芹）