基于数字孪生的北斗导航实践教学探索

［摘 要］文章针对北斗导航实践教学现状，在教学改革中融入数字孪生理念，探索了数字孪生在北斗导航实践教学中的应用：基于数字孪生应用需求，优化实践教学资源；基于数字孪生高保真特征，搭建高仿真训练平台；基于数字孪生虚实共生特征，重构教学流程；基于数字孪生实时交互特征，助力教学分析。

［关键词］数字孪生；实践教学；虚实结合；北斗導航

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）15-0071-04

教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中提出，要推进现代信息技术与教育教学深度融合，重塑教育教学形态。针对高等教育实践教学的特点与需求，开展实践教学创新，特别是工科实践教学改革创新，一直是深化教学改革的着力点。

作为工业 4.0 时代的核心技术之一，数字孪生通过数字化方式建立物理实体的虚拟数字模型，真实再现物理实体的全生命周期运行状态并兼具扩展功能。基于学习工厂、教育大数据、人工智能等前沿教育技术与理念，数字孪生的应用走向也从工业领域拓展到教育领域，以教学信息化构筑智慧教育新生态，为教育教学模式改革提供了新方案。本文聚焦数字孪生在北斗导航实践教学中的应用，探索数字孪生赋能沉浸式训练的形式，以支持实践教学“练中学”“学中练”，为数字孪生深度融入实践教学提供一定的参考。

一、基于数字孪生开展北斗导航实践教学的必要性

（一）数字孪生的主要特征及其在教学中的应用

结合数字孪生领域的文献关键词进行分析，目前数字孪生的研究热点主要分布在航空航天、智能制造和教学应用等领域。数字孪生在教学中的应用具有高保真、虚实共生、实时交互和深度洞见等特征[1]。

1.基于高保真特征，以“孪生车间”赋能教学应用。国内外相关大学分别尝试了“数字孪生实验室”（DTL）支持学习者的真实体验学习、“智能化车间”在高职数控实训教学中的应用、基于数字孪生的未来车间运行教学新模式、基于数字孪生的单片机虚拟仿真实验教学等[2-4]。

2.基于虚实共生特征，以新学习空间推动教学方式变革。通过提供变革性的学习环境，推动翻转课堂课前、课中、课后的学习场景、学习活动和教学事件走向深度融合，并促使线上和线下的混合式学习活动、学习空间、学习交互进一步全面整合[5-6]。

3.基于实时交互特征，以可视化工具助力教学数据分析。在教学改革实践中通过综合运用大数据可视化技术、用户画像技术、行为大数据分析技术、机器学习算法等，开展教学流程设计与教育大数据技术分析[7]。

4.基于深度洞见特征，以数据分析平台优化教学。通过构建认知数字孪生体、数字孪生讲台、数字孪生辅助教学系统与智慧校园等，采用智能仿真算法模型对学习者的实时数据进行分析，动态调整学习任务，优化教与学流程[8-9]。

（二）北斗导航实践教学现状

为强化北斗导航体系化应用，北斗导航应用教学体系中多门课程的实践教学内容都涉及北斗导航设备的使用，通过实践教学让学生理解北斗导航设备与指挥控制融合机理，掌握北斗位置服务应用的体系架构，最终实现个人到系统、操作到演练、单一科目到合成应用（如表1所示）。但实践教学实施中普遍存在以下突出问题：

1.教学设备数量少。因北斗导航设备列装数量有限，且设备更新换代不及时，实践教学中损耗较多，常造成训练设备匮乏难题。

2.实践教学场景有限。因不具备搭建所有训练环境的条件，教学中主要以陆地实践为主，缺少北斗导航体系化应用训练环节，易导致“重单科目需求，轻联合应用”。

3.实时教学指导不佳。传统实践教学形式多为现场集中式授课，即教师讲解、演示，学生操作、练习，学生自主训练的过程数据无法实时记录，教师难以对学生实装训练过程给予实时指导与评价，不利于教学纠错与反馈。

（三）基于数字孪生开展北斗导航实践教学的优势

实践教学是理论教学必要的延伸、拓展和补充，在本科教育中发挥着重要作用。知识来源于实践，能力来源于实践，素质更需要在实践中养成。如何适应信息时代的变革需求，如何为学生开展探究性实验、自主实验和创新实践提供先进手段、开放平台和优质资源，如何在提高人才培养质量的同时为实践教学改革增添活力和动力……要应对这些问题和挑战，必须以现代信息技术为依托，积极探索个性化、智能化、泛在化的实践教学新模式，持续推动实践教学改革与创新。

从北斗导航实践教学的改革趋势来说，重点是加快实现信息技术与实践教学的深度融合，通过打造智慧学习环境，探索实施智能化的精准教育。随着新一轮科技革命突飞猛进，数字孪生在教育领域的不断应用和发展必将变革未来教学模式，即在教与学理论指导下，利用学习环境、学习资源和学习工具，巩固教与学活动中各个要素之间的稳定关系，设计教与学活动开展的进程，最终形成稳定的教学活动程序或者构型[10]。

因此，结合数字孪生在教学中的应用特征，基于数字孪生开展多模态实践教学改革，对完善北斗导航实践教学的实装设备训练和案例场景应用都有重大的现实意义；基于数字孪生突出“练为中心”的北斗导航实践教学设计，引导学生从理论中来、到实践中去，对强化学生实践创新能力也有极大的作用。

二、数字孪生在北斗导航实践教学中的应用

（一）基于数字孪生应用需求，优化实践教学资源

课程组通过分析不同教学对象对实践教学内容的要求，对教学资源之间的内在关系进行了梳理，设计并构建了包含主讲教材、实习教材、综合文献以及微视频库、实践操作系列视频、演习视频、综合演练视频等的数字化教学资源。

在原有实践教学基础上，课程组优化重组了现有教学资源，通过编辑修改并拓展实践教学内容，在原有北斗导航教学视频基础上，添加新内容，录制引导视频并构建知识图谱；将典型北斗导航设备的操作说明重新编辑整理，转化成虚拟仿真教学模块，方便学生在实验室进行自主学习与训练，以解决实装设备数量少等问题。

将实践教学资源集中存储、共享，让学生在课后利用教学典型案例等教学资源开展学习实践，一方面能促进实践教学优质资源的常态化积累，另一方面能让学生通过反复观看录播视频，深入理解实践操作步骤。

（二）基于数字孪生高保真特征，搭建高仿真训练平台

课程组从“虚景实训”角度入手，基于实践教学内容构建真实或接近真实的数字化训练平台，具体平台架构如图1所示；引导学生借助常规设备与数字化环境中的对象进行交互，研究并设计实践任务闯关训练，涵盖“新手学习”“独立训练”和“综合考核”等多层次教学方式；针对北斗导航设备实践教学，搭建两种虚拟教学模式——指导模式与考核模式，前者是让学生在虚拟场景中按步骤完成实践流程，后者是将学生置于一个“真实项目”特定阶段场景中，指派任务，引导学生发现并解决问题。通过提供贴近实战应用的“数字孪生课堂”，基于高仿真设备与联合应用虚拟场景，进一步强化学生的北斗导航体系化应用保障能力[11]。

[高仿真训练平台 ][新手学习 ][过程考核 ][综合演练 ][主题训练 ][任务筹划 ][训练视频 ][教学视频 ][理论考核 ][角色选搭 ][新形态教材 ][综合考核 ][独立训练 ][ ][ ][ ][ ]

图 1 高仿真训练平台架构

（三）基于数字孪生虚实共生特征，重构教学流程

结合高仿真训练平台，课程组设计了“虚实结合”实践教学流程：学生基于高仿真训练平台进行多维认知训练与考核，开展北斗导航实装设备综合演练，利用指挥型用户机、手持型用户机和北斗态势系统，自主实现演练力量部署、位置态势监控和导航定位服务。

主要实践流程为“学生观看视频（原理示教）—提交学习报告—实施虚拟训练（采集实验数据）—训练纠错（针对性示教）—实装综合训练（同伴协同训练）—任务点评”，实践教学后进行总结报告，采取“主题发言”和“论辩争辩”等形式，开展问题研讨，拓展与巩固课程内容。

针对“虚实结合”实践教学流程，课程组运用问卷调查方式开展学情调研，问卷使用李克特五级量表进行评价，问卷内容主要涉及学生对虚实结合实践教学的体验反馈。学生普遍认为，高仿真训练平台能帮助他们提前熟悉实装训练内容和应用场景；个人实验数据记录和综合反馈能帮助他们充分理解训练细节；在综合演练环节，高仿真训练平台与实装设备的融合，能够有针对性地为学生提供学习支持，增强实践训练的沉浸感。

（四）基于数字孪生实时交互特征，助力教学分析

基于数字孪生的实践训练平台，在学生训练交互过程中产生的实时数据，主要包含训练行为数据、训练内容数据以及训练管理数据。课程组在北斗导航实践教学中设计了相关应用场景，充分利用实时交互特征进行教学数据分析，如表2所示。

实践教学中，课程组通过应用数字孪生数据，改变了以往定性的教学评估方式，转向以数据驱动为主的定量评估。通过在实践教学中采用时间曲线图绘制、人员信息统计分析、移动轨迹回放等可视化方法，可以回溯教學重难点，帮助教师从多视角分析实践教学环节。

三、基于数字孪生开展北斗导航实践教学的效果

基于数字孪生开展北斗导航实践教学的基本思路为以新工科人才培养要求为指导，利用数字孪生的高保真特征，构建北斗导航实践教学虚拟平台；利用数字孪生的虚实共生和实时交互特征，强化北斗导航设备与虚拟平台的融合，推进北斗导航实践教学改革。数字孪生在北斗导航实践教学中的应用，从应对缺少实践设备问题的“以虚代实”，到拓展教学空间的“以虚补实”，再到综合演练环节的“以虚验实”，重点是让学生更好地掌握实装设备操作技能，及时处理各种实际问题，培养实践动手能力和创新思维。

同时，课程组以现有教学目标为基础，拓展了数字孪生的一体化教学应用，体现“练为中心”理念：在低年级实践教学中，构建虚实结合的专业导论认知实践流程，帮助学生理解与应用课程知识点；在高年级实践教学中，开展研究性综合实验，引导学生参与教学模块开发，提升专业知识综合应用能力；根据授课进度，引导学生参与“北斗杯”全国青少年科技创新大赛等相关学科竞赛，拓展实践教学内容。

课程组在4个专业班开展了8次实践教学应用，持续更新与完善课程教学实施计划；指导本科学生参加“北斗杯”全国青少年科技创新大赛，获全国一等奖9项、二等奖12项、三等奖8项；参与保障多期导航时频保障任职培训，为相关人员提供技术平台；筹备建设职业教育平台的在线虚拟训练课程，为相关岗位提供北斗导航体系化训练保障。

四、结语

尽管上述北斗导航实践教学改革取得了一些成绩，如目前的实践教学已从“传统实践教学”转向“基于信息化的实践教学”、从“基于经验的过程性评价”转向“基于实证和实验数据的评价”，但后期教学应用还面临着许多挑战。在数字孪生与北斗导航实践教学的深度融合方面，还需要在教学模式创新、实践教学数据综合应用和多元评价体系构建等方面进行深入研究，进一步利用数字孪生的深度洞见特征，构建个性化训练效果评价标准，推动北斗导航实践教学向智能化方向发展。

［ 参 考 文 献 ］

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[3] 褚乐阳，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[J].远程教育杂志，2019，37（5）：3-12.

[4] 李海峰，王炜.数字孪生教育应用的教学模式探究：基于美国、瑞士和芬兰数字孪生教育应用的案例分析[J].现代教育技术，2021，31（7）：12-20.

[5] 李晶，杨立娟，陈雪峰，等.虚实结合的智能制造实践教学模式构建研究[J].高等工程教育研究，2020（6）：86-92.

[6] 周萌，曹政才.基于虚拟仿真平台的科教融合拔尖创新人才培养方案探索：以机器人控制技术为例[J].高等工程教育研究，2020（6）：62-66.

[7] 黄音，毛莉莎，张小帆，等.基于数字孪生讲台的在线沉浸式教学体系分析与流程设计[J].远程教育杂志，2021，39（1）：51-62.

[8] 郑思思，陈卫东，徐铷忆，等.数智融合：数据驱动下教与学的演进与未来趋向：兼论图形化数据智能赋能教育的新形态[J].远程教育杂志，2020，38（4）：27-37.

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[10] 李克东.新编现代教育技术基础[M].上海：华东师范大学出版社，2002.

[11] 朱蕊，王力，徐立，等.数字孪生在北斗导航实践教学中的探索与应用[J].测绘通报，2022（S1）：110-112.

［责任编辑：周侯辰］