数字孪生技术在“计算机导论”课程教学中的应用

■黄刘松，张飞，吕家伟

（马鞍山师范高等专科学校软件与互联网学院，安徽 马鞍山 243041）

教育信息化2.0 指出，新时代的教育发展必将出现四大趋势：一是教育范式需要从经验走向科学；二是教育目标需要从知识走向能力；三是教育机制需要从管理走向治理；四是教育过程需要从阶段走向终生[1-2]。这些趋势预示着人才培养不单单是简单的知识输出，而是培养创造性与问题解决、批判性思维、学会学习与终身学习的认知通用素养[3]。对于高职院校而言，在互联网技术发展的今天，如何利用信息技术，创造生动形象的学习氛围，促使学生迸发对知识的探究热情，提升学生创新能力与思维能力提出了要求。“数字孪生”技术的发展，通过数字化的手段在虚拟世界中构建一个完全相同的数字实体，以虚实共生的方式促进对真实实体的了解、分析和优化。这种技术的发展为现代高职院校教育教学的展开提供了一个新的思路。

一、数字孪生技术的发展现状

“数字孪生”最早是由Michael Grieves 教授提出来的，主要运用在工业制造领域的一个概念[1]。“数字孪生”是以模型信息流驱动全产业价值链协同的产品生命期管理工具，其核心在于数据收集、聚合、分析及提供决策性洞见等功能[4]。作为“工业4.0”时代关键技术之一，“数字孪生”已经在电力、汽车、医疗等民用领域有了发展[5]。随着教育信息化时代的到来，数字孪生技术与教育教学中具体学科相结合，被广泛运用，如针对北斗导航教学设备价值高，实践教学场景再现难度大等问题，引入数字孪生的虚实共生理念搭建虚拟训练教学平台[6]；针对风机运行环境复杂、缺乏现场实验数据等问题，提出数字孪生驱动的高炉风机导叶开度智能控制实验平台[7]等。因此建立虚实共生的教学场景，通过将教学相关数据完整、实时、系统地记录下来，然后抽丝剥茧，找到线索，寻求教和学之间的因果关系，成为建立以学生为教学主体，提升教学的乐趣以及学生的获得感的一种较为合适的方法[8]。

二、“计算机导论”课程教学现状及困境

“计算机导论”课程作为高等职业教育专科计算机类专业必修的专业基础课程，主要包含信息技术基础知识，计算机相关专业入门知识。其中，信息技术涵盖信息的获取、表示、传输、存储、加工、应用等各种技术，对培养学生信息处理技能，提高信息化时代发展的认知，增强自身在信息滋长时代的适应性以及创造性，对个人今后的学习、工作以及个人发展，对全面建设社会主义现代化国家具有重大意义。课程的学习能够起到增强信息意识、提升计算思维、促进数字化创新与发展能力、树立正确的信息社会价值观和责任感、树立学习本专业的责任感和自豪感的作用。但是基于高职院校大环境下，课程的展开面临以下问题。

第一，学生的基础相对薄弱，学习的专注度较低。“计算机导论”课程的知识点多，覆盖面广，过长的教学过程，学生的专注度难以保持集中，不可避免造成学习效果不佳，对自身学习能力的不自信，从而打击他们学习的热情。

第二，“计算机导论”课程是计算机专业的学生众多课程的先导课程，课程知识点从计算机基础知识到WPS、Office 软件教学，再到信息安全以及计算机新技术、信息素养的培养。老师对这些计算机领域知识点的专精程度不同，课堂呈现的效果难以符合预期，学生对课程知识点的认知可能缺乏系统性、科学性的引导。

第三，教师与学生主体存在对立性。这种对立性表现在教师受限于教学目标、教学任务等因素的影响，过多的强调知识的讲授，在学生的角度，课程的学习变成了强压的任务，心理压力的增加促使学生对知识的价值缺乏情感上的认同。

第四，教学难以跟上学生个性发展的要求。目前主流的课程评估方法还是以课程考试、考后分析、总结评价为主，这样的评价过程周期性很长，无法实时跟进学生的学习状态，无法突出学生主体的学习地位，难以满足学生个性化发展的要求，这些现实情况导致整个教学评价体系偏离学生，促进教学的目的大大减弱。

三、数字孪生技术在“计算机导论”课程中的研究方向

基于数字孪生课堂的“计算机导论”课程中的研究包含两个部分内容。一是教学过程中数据的收集，构建学生学习画像、教师教学画像；二是数据精准分析与运用，也就是将构建的学生学习画像、教师教学画像模型进行再挖掘，与现实实体之间建立数字映射系统，这种映射系统能明确的反应学生和老师在学习教学中的特征，直观反应整个教学过程以及相关环境，形成现实教学世界到虚拟教学世界的对应关系，并反馈到教学过程、教学改进、教学优化的活动中，见图1。

图1 数字孪生课堂架构图

（一）教师、学生画像构建

1.教学内容的设计

备学生、备教材、备教法是对教学任务精准把控的三个要素。基于数字孪生课堂的“计算机导论”课程教学的设计也是符合这三个要素，这其中的难点是将教学内容与学生主体相结合，并且要考虑数字孪生体建设的要求，这就需要在教学内容设计之初将信息采集与教学计划、教学安排相结合，也要充分考虑学生的接受能力和认可度，提升学习的主动参与度。

“计算机导论”课程包含信息技术基础知识，同时介绍计算机相关专业入门知识点。随着“三通两平台”教学发展趋势下，“计算机导论”课程被分为传统课堂教学和网络化在线教育，教学过程要求将二者进行有机结合，通过设计线上线下的相互协同教学活动，衍生出符合本校学生特点的教学方式，以满足学生个性化教学设计的需求。

线上教学主要通过学习通平台，发布课程视频、分享教学资料、作业等形式，为每位学生提供完整的课程学习路线。学生按照平台提供的路线进行学习，并通过作业、测试进行自我检测。线上教学分为课前学习自测以及课后巩固练习两部分，课前，通过将本次课的教学内容发布到平台上，学生利用课前时间先自学课程内容，并完成课前练习，课前课程安排难度定为简单、入门。除知识点讲解外，要穿插故事性的叙述、引入，如信息安全，可讲解信息安全事件并分析事件中的问题、原因。

线下教学主要指课堂教学和实践教学。教学的内容更侧重教学重难点的讲授，具有引导性问题的讨论以及课堂测验和答疑等教学活动。线下教学的侧重点依赖于线上教学活动的反馈，同时线下教学的过程也能及时通过信息化的手段转换成数字孪生系统的数据。教师通过线上教学和线下课堂情况，综合了解学生的学习情况，对教学过程进行渐进式的微调，以适应学生在教学活动中的变化，可以有效的解决学生的共性问题同时也可以有针对性发现学生的个性问题。

2.知识点的碎片化

碎片化知识点的目的一是避免长时间的授课造成学生学习的疲劳、分神；二是便于数据采集时的主题化、目标化。将课程知识点进行分割、碎片化，可以方便学生利用自己的碎片化时间进行学习，也能让学生在学习过程中更有效的集中注意力。学生的学习主导权加大，可以结合自身的各科学习情况以及身心状况，有计划、有步骤的去学习，提升学生学习的自信心，激发学生学习的兴趣。学生通过主导学习、引导学生最终养成自主学习习惯，更好的锻炼自身的学习、动手、实践、创新能力。知识点碎片化过程中要避免长时间学习所产生的疲惫感而导致的兴趣下降，还要注重碎片化知识点在课前、课中、课后上的分布，难度上的层次性、知识点的连续性以及知识点的信息化和标签化。数字孪生平台的建设需要教师在教学过程中可以很好的利用平台发布学习资源，做好教学引导和监督作用。具体而言，教师可以根据教学经验以及学生层次，在课前完成知识点以及教学资源的碎片化，如微课视频、短视频动画、教学手册、教学课件的上传，教学实践活动，教学练习、教学测试的设计工作。课前、课中、课后教师要通过平台的统计、计算、分析等功能进行适当引导，监督和考核学生的学习情况，并能够依据学习情况调整学习进度，优化教学、学习状态。

3.信息采集，构建画像

信息采集的目标主要是构建教师、学生整个教学过程的画像，从学生、教师、媒介、信息四个方向制定教学全过程。作为教学过程中的引导者，教师需要对学生有全方位的了解，所以制定的学习内容、上课形式、学生的学习效果、发生的问题都是信息收集的目标。例如，学生实体的基础信息(如年龄、性别、兴趣爱好)、“计算机导论”教学课堂的采集信息(如摄像头采集的学生课堂状态信息、学生缺勤信息、课堂作业情况、上机实验情况、学习通平台采集的学生学习过程状态信息) 和学生相关课程成绩(如前序课程的相关成绩)。教师把控教学过程，还需要将教学过程中的信息联系起来，明确教学全过程中各要素之间的信息交互。基于数字孪生的教学模型更强调网络平台的应用，将教室内的信息和网络平台的信息，通过互联网平台紧密结合，构建学生知识点学习状态、老师教学状态画像。

（二）构建数字孪生体

数字孪生技术是一种以数据可视化的方式管理复杂信息的工具，以模型语言表征并最大化利用孪生对象的信息价值,从而为个体、组织甚至系统提供实时、高效、智能的服务方案[9]。在数字孪生学习系统中，学习者能够根据系统的历史数据和系统推荐信息持续进行问题解决方案的改进和新假设的提出，在此过程中学习者的创造能力将会得到不断提升[10]。

如图2 所示，数字孪生平台通过物理世界和构建的虚拟世界收集信息，这些信息经管理中心的决策支持，又可以模拟出虚拟实体以及作用于物理世界的真实实体上。从而形成物理世界真实实体和虚拟世界孪生体之间的映射关系。数字孪生管理中正是通过这种监控真实实体行为、模拟虚拟孪生体，进而数据采集和分析，进行驱动和决策两个世界实体的行为。本文对“计算机导论”课程建立数字孪生体，在于对采集的学生、教师数据的数据精准分析与运用，这体现在课前、课中、课后三个过程学习与评价中。

图2 数字孪生各要素关系图

1.课前学习与评价

课程开始之前，教师可以根据教学经验以及学生层次，完成知识点以及教学资源的碎片化，比如，微课视频、短视频动画、教学手册、教学课件的上传，教学实践活动，教学练习、教学测试的设计工作。通过学习者自主学习和协作交流，完成初步的知识学习过程。数字孪生平台对教学安排合理性以及教学效果进行分析，涉及教学的内容设计和安排、知识点的分割、知识体系的梳理、学习效果分析以及对学生学习时间安排、效果呈现方面深层次分析学生的行为、认知、情感的波动情况分析，简单的说，学生和老师通过平台可以掌握学情状况、重点难点和不足。

2.课中学习与评价

课中学习主要依据课前学习过程中学生遇到的问题，有共性问题也有个性问题，需要重点解惑或者调整教学内容，有些问题具备引导性或者牵引性，可以进行探究、引导和启发，教师通过教学平台发布随堂练习、小组讨论、话题讨论等，鼓励学生利用数字孪生学习平台进行自我检验。从而，从知识认同感、学习交互性和问题反思性进一步考察学习过程优化方案，实现因课前、课中、教学环境的差异导致某些问题在理解上的偏差，消除因环境、性格等方面的沟通问题。

3.课后学习与评价

课后学习是对教学效果的检测以及教学问题的处理、教学过程的补充优化和调整，学生利用数字孪生学习平台进行自我测试、实践操作和假设验证等并完成课程评价活动。学生通过数字孪生平台给出的评价、学习结果的测评和学习伙伴的互评，了解自身不足，达到情感上的认可，实现自我反思性学习。这类信息也反馈给教师，发现学生的学习问题以及自身的教学问题。

总体来说，数字孪生体如同虚拟世界中的自己，学生和教师作为教学活动的主客体，其行为影响到虚拟世界的孪生体。个体一般总是对自我行为具有认同感，数字孪生体的出现，就是让学生借助虚拟模型对自己的课程学习行为产生认同感，同时根据数字孪生系统的反馈信息，再次促进学生对自身学习行为进行改进，从而提升对课程的学习效果。

四、结语

以建设课程教学中的数字孪生体，教师教学与学生学习结合起来，实现教师对学生课前、课中、课后学习效果的准确掌握，数字孪生让学生对自身的学习过程产生认同感，信息的融合和反馈，有利于发现个体在学习过程中个性化特点，消除被动式学习的抵触情绪。数字孪生技术对自身学习目标、学习过程、学习结果的互动反馈，充分调动学生学习主动性，能够形成课程的交互式学习体验，更容易获得知识应用的满足感，提升学习的自信心。