数字孪生技术驱动下高职院校智慧课堂建设研究

［摘 要］智慧课堂是教学数字化转型的主战场，而数字孪生智慧课堂是利用孪生技术的实时交互、数据驱动、虚实共生等特点，构建虚实融合、多空间一体化的学习空间。文章首先阐述智慧课堂发展现状；其次分析数字孪生技术的主要特点，这些特点与智慧课堂的建设十分契合，特别是对于学生技术技能要求较高的高职院校来说，数字孪生智慧课堂能够帮助学生打破时空限制，在智慧学习空间内掌握最新操作技能，培养高阶思维能力；再次构建高职院校数字孪生智慧课堂的框架模型，包括3个层次——智能云服务、数字孪生体和物理世界；最后探讨数字孪生智慧课堂的应用场景，为数字孪生教育应用提供新范式。

［关键词］数字孪生；智慧课堂；智慧教育；高职院校

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2025.02.076

［中图分类号］G712 ［文献标识码］A ［文章编号］1673-0194（2025）02-0-03

0" " "引 言

随着智能技术的不断发展，通过技术改革创新教学模式和架构形态，使得传统教育逐步走向智能教育。智慧课堂正是目前智慧教育的主战场，也是目前学校教学数字化转型的主要途径。数字孪生技术具有实时交互、高保真、智能决策等特征，可用于创建虚实共生的学习空间，进而实现传统物理课堂、虚拟学习空间和自然学习空间的连接和融通。对于高职院校来说，应用数字孪生技术不仅能够打破实训过程中时间、场地的限制，还可以帮助学习能力有差异的学生进行个性化的学习。因此，本文基于数字孪生技术构建了高职院校智慧课堂框架模型，为数字孪生技术在教育领域应用提供参考。

1" " "智慧课堂发展现状

20世纪90年代，著名科学家钱学森倡导“大成智慧学”，提出了“性智”与“量智”的智慧组成学说，为智慧教育的出现奠定了哲学基础。2008年，国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）提出了“智慧地球”的理念，随着“智慧地球”概念在教育教学领域的推广应用，引出智慧课堂等新概念。而智慧课堂正是智慧教育的重要载体。随着物联网、人工智能等信息智能技术的发展，传统课堂逐渐向以信息技术为基础的智慧课堂转变。

智慧课堂［1］中的智慧可以从两个视角来理解：一是从教育教学的角度出发，通过发挥教师教学的“智慧”才能，创新教学设计、优化教学组织形式等，进而传授学生知识、启迪学生智慧。由此可见，这里的智慧课堂［2］关注的是师生的智慧发展，强调以人为本的原则。二是从技术视角出发，以大数据、机器学习等信息技术为基础，结合智能学习终端等硬件设备，构建虚实共生的智慧学习课堂。这里的智慧课堂强调的是通过技术的“智”来实现教学目标。这两种视角是紧密相连的，利用新技术的“智慧”营造堂课环境，目标是促进学生智慧发展。本研究主要是从技术角度出发，发现基于技术视角的智慧课堂发展主要分为以下3个阶段［3］。

一是探索应用阶段。2008年IBM提出了“智慧地球”概念，而智慧教育是将智慧地球的理念、方法和技术等应用于教育领域，智慧课堂正是在此背景下诞生和发展。随着用信息技术和数据学习分析构建的“云-网-端”信息化学习平台的出现，2015年刘邦奇提出了“智慧课堂1.0”的概念，初步建立了智慧课堂的理论知识、平台和应用框架。

二是综合应用阶段，也就是“智慧课堂2.0”阶段。本阶段是在1.0的基础上深化智能信息技术的发展应用，集成“教”“学”“评”“管”等教学系统，构建智慧课堂立体化教学体系和教学流程，并结合各学科特点开展教学改革研究和全面实验应用［4］。

三是创新发展阶段。利用人工智能、大数据等技术打造新一代的智慧课堂，创设交互化、智能化、数据化学习环境，促进智慧教学模式创新，实现教师因材施教和学生的个性化学习，最终实现学生的智慧发展。

随着数字孪生技术在工业领域的广泛应用，其在教育领域特别是智慧课堂中的技术赋能也越来越明显。

2" " "数字孪生技术的特点

数字孪生（Digital Twin）的概念由迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授提出，后来经过美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、通用电气等企业的不断探索，数字孪生技术在工业领域的应用取得了长足的进步。数字孪生是指最大限度地使用物理模型、运行历史、传感器更新等信息数据，集成多学科、多尺度、多概率、多物理量的仿真过程，实现虚拟空间的映射，以反映出相应的实体装备的整个生命周期过程［5］。其主要特点如下。

2.1" "实时交互

数字孪生技术通过传感器或者智能终端等收集物理世界的相关数据，并对数据进行整理、分析和仿真建模，然后通过人机交互设备将仿真的结果展示给学习者，实现人机间的实时、保真和友好交互。随着增强现实、虚拟现实等技术的发展，数字孪生的学习空间可以打破时空限制、专业壁垒，为学生打造更为真实的、个性化的学习场域。

2.2" "数据驱动

数字孪生以数据为核心驱动力，这里的数据不仅包含全生命周期内的相关数据，还包括数据融合，如多源异构融合、信息物理虚实融合。详尽的、多维度的教育大数据是数字孪生教育应用的基础，收集学习者的各项历史学习数据和实时数据，构建和驱动数字仿真模型，为学习者提供学习任务所需的快速响应服务。

2.3" "虚实共生

数字孪生通过建立物理世界和数字世界之间精准映射、实时反馈的机制，实现物理实体与数据模型的数据双向流通和操作。一方面，将物理实体实时映射到虚拟数字孪生学习空间内，实现对物理世界的精准刻画与描述。另一方面，在虚拟空间内分析物理世界的实时数据，总结运行规律，预测发展趋势，并对物理实体的行为状况进行协调与管控，达到以虚控实的目的。

2.4" "智能决策

随着大数据技术、人工智能技术的发展，数字孪生中的虚拟实体也开始通过“学习”不断“成长”，通过不断分析学习，预测物理世界发展趋势并给出相关决策意见。数字孪生智慧教学以未来视角智能干预传统教学的发展轨迹和模式，进而指引和优化教学的规划、管理和深度改革。

3" " "基于数字孪生技术的智慧课堂框架构建

数字孪生的虚实共生、智能决策等特点与高职院校智慧课堂建设的技术需求十分契合，以数字孪生技术为基础的智慧课堂、教学模式研究已经在国内外取得了一定的成果。本研究从高职院校的学生发展和教学需求出发，利用数字孪生技术构建智慧课堂框架，助力高职院校教学数字化改革。

3.1" "数字孪生智慧课堂框架构建原则

一是智能化原则。由于人工智能、大数据等信息技术的快速发展，教育正逐步往智能化方向发展，而智慧课堂也从原来的信息化教学平台转变为智能化服务平台。数据信息是数字孪生智慧课堂智能服务功能的基础，数字孪生体通过学习软件、传感器等收集学习者的学习数据，驱动学习者画像模型，进而预判学习趋势，针对性地指导学习者的学习行为，形成个性化和探究性学习。

二是融合性原则。高职院校的数字孪生智慧课堂需要为学生的学科学习、实验实训等教学活动提供支持，所以课堂的技能训练与素质培养、各模块的支撑技术、虚拟与现实学习空间等都需要遵循融合性原则。数字孪生技术本身就是虚拟现实、大数据等技术的融合，智慧课堂各模块为了满足相应的教学功能，使用了多种技术，如使用增强现实、虚拟现实、大数据等技术构建沉浸式学习空间。

三是前瞻性原则。目前数字孪生技术支持下的智慧课堂的设计与应用正处于探索阶段，学生学习数据的采集与传输、学生画像模型的构建、实训系统的智能化升级等方面都面临一定的挑战。因此，在对数字孪生智慧课堂进行研究时，需要考虑将来更多的可行功能和技术发展趋势，如全生命周期的学情监控功能、实训技能的智能引导功能。

3.2" "数字孪生智慧课堂框架构建

高职院校的职责是为社会发展培养高素质的技术技能型人才，所以高职院校的实验实训课程显得格外重要。目前，很多高职院校的教学做一体化实训室由于资金、场地等多方面的限制，会出现实训项目严重滞后于企业需求、实训设备易损坏导致学生不敢动手实践等问题。同时，由于学生的学习能力和学习习惯各有不同，传统课堂教学难以满足学生个性化的发展需求。利用数字孪生技术构建高职院校智慧课堂，可以克服实训室的空间障碍，满足学生个性化学习需求。

数字孪生智慧课堂利用虚拟现实、增强现实、机器学习等人工智能技术，服务于课堂的教学设计、组织和实施，同时利用虚实结合的学习空间提高学生的参与度和融合度，通过大数据等技术整理、挖掘相关数据，对课堂效果进行精准预判，引导教师作出正确的教学决策。数字孪生智慧课堂的主要框架如图1所示。该框架创设了智能云服务、数字孪生体、物理世界3个层次，层层递进、数据融通。

3.2.1" "物理世界

物理世界是智慧课堂中的基础层，是数字孪生体的镜像本源。物理世界中的“人”主要是学生与教师，“物”是指传统教室、实验室、实训中心、车间产线、工厂、城市等，这些不仅是学生学科学习和技能训练的场所，还是学生全面发展、提升自我的主要区域。物理世界的主要数据信息是通过传感器、互联网技术等进行收集和传递，这些数据会被系统的主服务器进行整理和发掘，用来实现相应的服务功能。

3.2.2" "数字孪生体

数字孪生体是物理实体系统或者人在其整个生命周期的动态模拟表示，是物理世界的镜像表征。数字孪生体通过采集并分析人或物的多源异构数据，创建动态仿真的智能数字模型，以提供不同情境下面向特定对象的主动或响应式服务。在职业教育领域，构建“孪生车间”“智慧学习工厂”等数字孪生体帮助学习者熟悉企业设备操作，目前已经取得积极成果。

3.2.3" "智能云服务

智能云服务层可以提供学情预测、智能决策、实践技能智能考核和指导等功能，在云服务功能的支持下，学习者全学习周期的相关数据会被收集、存储和挖掘，用于学习行为的分析和学习趋势的预测，也为自学者提供了新的学习范式。教学者可以借助智能服务提高教学效率，辅助教育决策，为学生个性化、全面的教学提供有力支持。

3.3" "高职院校数字孪生智慧课堂应用实践

第一，为跨学科学习提供软硬件支撑。传统课堂或实训设备是为了完成单一学科知识教学或者技能训练而设计，里面的课程资源、项目设计等都是围绕学科知识点建设，而数字孪生智慧课堂可以打破时空的限制，构建出多学科融合、多维体验、多场景转变的学习空间，如在虚拟车间既可以完成产线技能训练，也可以开展产品设计相关课程。

第二，促进校企合作和家校合作。高职院校目前存在的主要问题是学生培养与企业需求不匹配，数字孪生技术构建的虚拟课堂可以接入企业生产现场，学习者可以多感官地了解真实的企业工作环境，缩小学校培养与企业人才需求之间的差距。

第三，为学生探究性学习提供环境。在数字孪生智慧课堂中，智慧学伴可以引导学生发现问题、提出方案、验证方案，系统可以帮助学生持续验证方案的可行性，学生在探究性学习过程中不仅锻炼了问题解决能力，还培养了创造力、想象力等高阶思维能力。

4" " "结束语

本文基于数字孪生技术构建了高职院校数字孪生智慧课堂框架，可以为高职院校教学数字化转型提供新的思路，为数字孪生智慧学习空间的创建提供参照，为数字孪生在教育领域的应用提供实践参考。目前数字孪生智慧课堂正处于探索阶段，孪生体的建模与仿真、系统数据传输与优化、人工智能算法等方面仍面临诸多挑战。随着数字孪生相关技术的不断成熟，广大教育、科研工作者应齐心协力，加强合作，探索数字孪生智慧课堂的新功能、新应用，实现教学数字化转型新突破。

主要参考文献

［1］王星.技术共生视角下智慧课堂构建逻辑研究［D］.重庆：西南大学，2023.

［2］李洪修，刘笑.数字化背景下高校智慧课堂建构的技术之维［J］.高校教育管理，2023（5）：81-89，124.

［3］刘邦奇，李新义，袁婷婷，等.基于智慧课堂的学科教学模式创新与应用研究［J］.电化教育研究，2019（4）：85-91.

［4］刘邦奇.智慧课堂的发展、平台架构与应用设计：从智慧课堂1.0到智慧课堂3.0［J］.现代教育技术，2019（3）：18-24.

［5］郑浩，王娟，王书瑶，等.认知数字孪生体教育应用：内涵、困境与对策［J］.现代远距离教育，202l（1）：13-23.