計算機導論教學數字孿生技術的應用

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術，我們為您準備了不同風格的1篇計算機導論教學數字孿生技術的應用，期待它們能激發您的靈感。

隨著教育信息化進程的發展，高職院校在人才培養中開始探討如何利用信息技術，創造生動形象的學習氛圍，促使學生迸發對知識的探究熱情。數字孿生技術以數字化的手段在虛擬世界中構建一個完全相同的數字實體，實現了通過虛實共生的方式促進個體對真實實體的了解、分析和優化，為尋求教和學之間的因果關系，成為建立以學生為教學主體，提升教學的樂趣以及學生的獲得感，實現教師及學生對自身教學學習行為進行優化的一種新思路。文章以“計算機導論”課程為應用對象，探討數字孿生技術在“計算機導論”課程教學中的應用方式。

關鍵詞：數字孿生;“計算機導論”;教育信息化;教學;

教育信息化2.0指出，新時代的教育發展必將出現四大趨勢：一是教育范式需要從經驗走向科學；二是教育目標需要從知識走向能力；三是教育機制需要從管理走向治理；四是教育過程需要從階段走向終生[1,2]。這些趨勢預示著人才培養不單單是簡單的知識輸出，而是培養創造性與問題解決、批判性思維、學會學習與終身學習的認知通用素養[3]。對于高職院校而言，在互聯網技術發展的今天，如何利用信息技術，創造生動形象的學習氛圍，促使學生迸發對知識的探究熱情，提升學生創新能力與思維能力提出了要求。“數字孿生”技術的發展，通過數字化的手段在虛擬世界中構建一個完全相同的數字實體，以虛實共生的方式促進對真實實體的了解、分析和優化。這種技術的發展為現代高職院校教育教學的展開提供了一個新的思路。

一、數字孿生技術的發展現狀

“數字孿生”最早是由MichaelGrieves教授提出來的，主要運用在工業制造領域的一個概念[1]。“數字孿生”是以模型信息流驅動全產業價值鏈協同的產品生命期管理工具，其核心在于數據收集、聚合、分析及提供決策性洞見等功能[4]。作為“工業4.0”時代關鍵技術之一，“數字孿生”已經在電力、汽車、醫療等民用領域有了發展[5]。隨著教育信息化時代的到來，數字孿生技術與教育教學中具體學科相結合，被廣泛運用，如針對北斗導航教學設備價值高，實踐教學場景再現難度大等問題，引入數字孿生的虛實共生理念搭建虛擬訓練教學平臺[6]；針對風機運行環境復雜、缺乏現場實驗數據等問題，提出數字孿生驅動的高爐風機導葉開度智能控制實驗平臺[7]等。因此建立虛實共生的教學場景，通過將教學相關數據完整、實時、系統地記錄下來，然后抽絲剝繭，找到線索，尋求教和學之間的因果關系，成為建立以學生為教學主體，提升教學的樂趣以及學生的獲得感的一種較為合適的方法[8]。

二、“計算機導論”課程教學現狀及困境

“計算機導論”課程作為高等職業教育專科計算機類專業必修的專業基礎課程，主要包含信息技術基礎知識，計算機相關專業入門知識。其中，信息技術涵蓋信息的獲取、表示、傳輸、存儲、加工、應用等各種技術，對培養學生信息處理技能，提高信息化時代發展的認知，增強自身在信息滋長時代的適應性以及創造性，對個人今后的學習、工作以及個人發展，對全面建設社會主義現代化國家具有重大意義。課程的學習能夠起到增強信息意識、提升計算思維、促進數字化創新與發展能力、樹立正確的信息社會價值觀和責任感、樹立學習本專業的責任感和自豪感的作用。但是基于高職院校大環境下，課程的展開面臨以下問題。第一，學生的基礎相對薄弱，學習的專注度較低。“計算機導論”課程的知識點多，覆蓋面廣，過長的教學過程，學生的專注度難以保持集中，不可避免造成學習效果不佳，對自身學習能力的不自信，從而打擊他們學習的熱情。第二，“計算機導論”課程是計算機專業的學生眾多課程的先導課程，課程知識點從計算機基礎知識到WPS、Office軟件教學，再到信息安全以及計算機新技術、信息素養的培養。老師對這些計算機領域知識點的專精程度不同，課堂呈現的效果難以符合預期，學生對課程知識點的認知可能缺乏系統性、科學性的引導。第三，教師與學生主體存在對立性。這種對立性表現在教師受限于教學目標、教學任務等因素的影響，過多的強調知識的講授，在學生的角度，課程的學習變成了強壓的任務，心理壓力的增加促使學生對知識的價值缺乏情感上的認同。第四，教學難以跟上學生個性發展的要求。目前主流的課程評估方法還是以課程考試、考后分析、總結評價為主，這樣的評價過程周期性很長，無法實時跟進學生的學習狀態，無法突出學生主體的學習地位，難以滿足學生個性化發展的要求，這些現實情況導致整個教學評價體系偏離學生，促進教學的目的大大減弱。

三、數字孿生技術在“計算機導論”課程中的研究方向

基于數字孿生課堂的“計算機導論”課程中的研究包含兩個部分內容。一是教學過程中數據的收集，構建學生學習畫像、教師教學畫像；二是數據精準分析與運用，也就是將構建的學生學習畫像、教師教學畫像模型進行再挖掘，與現實實體之間建立數字映射系統，這種映射系統能明確的反應學生和老師在學習教學中的特征，直觀反應整個教學過程以及相關環境，形成現實教學世界到虛擬教學世界的對應關系，并反饋到教學過程、教學改進、教學優化的活動中，見圖1。

（一）教師、學生畫像構建

1.教學內容的設計

備學生、備教材、備教法是對教學任務精準把控的三個要素。基于數字孿生課堂的“計算機導論”課程教學的設計也是符合這三個要素，這其中的難點是將教學內容與學生主體相結合，并且要考慮數字孿生體建設的要求，這就需要在教學內容設計之初將信息采集與教學計劃、教學安排相結合，也要充分考慮學生的接受能力和認可度，提升學習的主動參與度。“計算機導論”課程包含信息技術基礎知識，同時介紹計算機相關專業入門知識點。隨著“三通兩平臺”教學發展趨勢下，“計算機導論”課程被分為傳統課堂教學和網絡化在線教育，教學過程要求將二者進行有機結合，通過設計線上線下的相互協同教學活動，衍生出符合本校學生特點的教學方式，以滿足學生個性化教學設計的需求。

線上教學主要通過學習通平臺，發布課程視頻、分享教學資料、作業等形式，為每位學生提供完整的課程學習路線。學生按照平臺提供的路線進行學習，并通過作業、測試進行自我檢測。線上教學分為課前學習自測以及課后鞏固練習兩部分，課前，通過將本次課的教學內容發布到平臺上，學生利用課前時間先自學課程內容，并完成課前練習，課前課程安排難度定為簡單、入門。除知識點講解外，要穿插故事性的敘述、引入，如信息安全，可講解信息安全事件并分析事件中的問題、原因。線下教學主要指課堂教學和實踐教學。教學的內容更側重教學重難點的講授，具有引導性問題的討論以及課堂測驗和答疑等教學活動。線下教學的側重點依賴于線上教學活動的反饋，同時線下教學的過程也能及時通過信息化的手段轉換成數字孿生系統的數據。教師通過線上教學和線下課堂情況，綜合了解學生的學習情況，對教學過程進行漸進式的微調，以適應學生在教學活動中的變化，可以有效的解決學生的共性問題同時也可以有針對性發現學生的個性問題。

2.知識點的碎片化

碎片化知識點的目的一是避免長時間的授課造成學生學習的疲勞、分神；二是便于數據采集時的主題化、目標化。將課程知識點進行分割、碎片化，可以方便學生利用自己的碎片化時間進行學習，也能讓學生在學習過程中更有效的集中注意力。學生的學習主導權加大，可以結合自身的各科學習情況以及身心狀況，有計劃、有步驟的去學習，提升學生學習的自信心，激發學生學習的興趣。學生通過主導學習、引導學生最終養成自主學習習慣，更好的鍛煉自身的學習、動手、實踐、創新能力。知識點碎片化過程中要避免長時間學習所產生的疲憊感而導致的興趣下降，還要注重碎片化知識點在課前、課中、課后上的分布，難度上的層次性、知識點的連續性以及知識點的信息化和標簽化。數字孿生平臺的建設需要教師在教學過程中可以很好的利用平臺發布學習資源，做好教學引導和監督作用。具體而言，教師可以根據教學經驗以及學生層次，在課前完成知識點以及教學資源的碎片化，如微課視頻、短視頻動畫、教學手冊、教學課件的上傳，教學實踐活動，教學練習、教學測試的設計工作。課前、課中、課后教師要通過平臺的統計、計算、分析等功能進行適當引導，監督和考核學生的學習情況，并能夠依據學習情況調整學習進度，優化教學、學習狀態。

3.信息采集，構建畫像

信息采集的目標主要是構建教師、學生整個教學過程的畫像，從學生、教師、媒介、信息四個方向制定教學全過程。作為教學過程中的引導者，教師需要對學生有全方位的了解，所以制定的學習內容、上課形式、學生的學習效果、發生的問題都是信息收集的目標。例如，學生實體的基礎信息(如年齡、性別、興趣愛好)、“計算機導論”教學課堂的采集信息(如攝像頭采集的學生課堂狀態信息、學生缺勤信息、課堂作業情況、上機實驗情況、學習通平臺采集的學生學習過程狀態信息)和學生相關課程成績(如前序課程的相關成績)。教師把控教學過程，還需要將教學過程中的信息聯系起來，明確教學全過程中各要素之間的信息交互。基于數字孿生的教學模型更強調網絡平臺的應用，將教室內的信息和網絡平臺的信息，通過互聯網平臺緊密結合，構建學生知識點學習狀態、老師教學狀態畫像。

（二）構建數字孿生體

數字孿生技術是一種以數據可視化的方式管理復雜信息的工具，以模型語言表征并最大化利用孿生對象的信息價值,從而為個體、組織甚至系統提供實時、高效、智能的服務方案[9]。在數字孿生學習系統中，學習者能夠根據系統的歷史數據和系統推薦信息持續進行問題解決方案的改進和新假設的提出，在此過程中學習者的創造能力將會得到不斷提升[10]。如圖2所示，數字孿生平臺通過物理世界和構建的虛擬世界收集信息，這些信息經管理中心的決策支持，又可以模擬出虛擬實體以及作用于物理世界的真實實體上。從而形成物理世界真實實體和虛擬世界孿生體之間的映射關系。數字孿生管理中正是通過這種監控真實實體行為、模擬虛擬孿生體，進而數據采集和分析，進行驅動和決策兩個世界實體的行為。本文對“計算機導論”課程建立數字孿生體，在于對采集的學生、教師數據的數據精準分析與運用，這體現在課前、課中、課后三個過程學習與評價中。

1.課前學習與評價

課程開始之前，教師可以根據教學經驗以及學生層次，完成知識點以及教學資源的碎片化，比如，微課視頻、短視頻動畫、教學手冊、教學課件的上傳，教學實踐活動，教學練習、教學測試的設計工作。通過學習者自主學習和協作交流，完成初步的知識學習過程。數字孿生平臺對教學安排合理性以及教學效果進行分析，涉及教學的內容設計和安排、知識點的分割、知識體系的梳理、學習效果分析以及對學生學習時間安排、效果呈現方面深層次分析學生的行為、認知、情感的波動情況分析，簡單的說，學生和老師通過平臺可以掌握學情狀況、重點難點和不足。

2.課中學習與評價

課中學習主要依據課前學習過程中學生遇到的問題，有共性問題也有個性問題，需要重點解惑或者調整教學內容，有些問題具備引導性或者牽引性，可以進行探究、引導和啟發，教師通過教學平臺發布隨堂練習、小組討論、話題討論等，鼓勵學生利用數字孿生學習平臺進行自我檢驗。從而，從知識認同感、學習交互性和問題反思性進一步考察學習過程優化方案，實現因課前、課中、教學環境的差異導致某些問題在理解上的偏差，消除因環境、性格等方面的溝通問題。

3.課后學習與評價

課后學習是對教學效果的檢測以及教學問題的處理、教學過程的補充優化和調整，學生利用數字孿生學習平臺進行自我測試、實踐操作和假設驗證等并完成課程評價活動。學生通過數字孿生平臺給出的評價、學習結果的測評和學習伙伴的互評，了解自身不足，達到情感上的認可，實現自我反思性學習。這類信息也反饋給教師，發現學生的學習問題以及自身的教學問題。總體來說，數字孿生體如同虛擬世界中的自己，學生和教師作為教學活動的主客體，其行為影響到虛擬世界的孿生體。個體一般總是對自我行為具有認同感，數字孿生體的出現，就是讓學生借助虛擬模型對自己的課程學習行為產生認同感，同時根據數字孿生系統的反饋信息，再次促進學生對自身學習行為進行改進，從而提升對課程的學習效果。

四、結語

以建設課程教學中的數字孿生體，教師教學與學生學習結合起來，實現教師對學生課前、課中、課后學習效果的準確掌握，數字孿生讓學生對自身的學習過程產生認同感，信息的融合和反饋，有利于發現個體在學習過程中個性化特點，消除被動式學習的抵觸情緒。數字孿生技術對自身學習目標、學習過程、學習結果的互動反饋，充分調動學生學習主動性，能夠形成課程的交互式學習體驗，更容易獲得知識應用的滿足感，提升學習的自信心。

參考文獻

[1]任友群.課堂:走向“數字孿生”[J].教育家,2018(28):16-18.

[2]吳文瑜，武曉菲.教育信息化2.0的時代邏輯：《教育信息化2.0行動計劃》解讀之一[J].遠程教育雜志，2018(4):4-10.

[3]李海峰,王煒.面向高階思維能力培養的數字孿生智慧教學模式[J].現代遠距離教育，2022(4):51-61.

[4]褚樂陽,陳衛東,譚悅,等.虛實共生:數字孿生(DT)技術及其教育應用前瞻———兼論泛在智慧學習空間的重構[J].遠程教育雜志，2019,37(5):3-12.

[5]江吉祥.數字孿生技術發展及其在自動化專業教學中的應用探討[J].職業，2021(14):2.

[6]朱蕊,王力,徐立,等.數字孿生在北斗導航實踐教學中的探索與應用[J].測繪通報，2022(S1):110-112,131.

[7]傅筱,那麗春,韓俊毅,等.數字孿生驅動的高爐風機導葉開度智能調控實驗設計[J].實驗技術與管理，2022,39(5):144-147,159.

[8]陳秀寓.基于數字孿生的混合教學模式改革研究[J].軟件工程，2020,23(6):49-51.

[9]GRIEVESM.DigitalTwin:ManufacturingExcellenceThroughVirtualFactoryReplication[J].Whitepaper,2014(3):1-7.

[10]陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數字孿生及其應用探索[J].計算機集成制造統，2018(1):1-18.

作者:黃劉松 張飛 呂家偉 單位:馬鞍山師范高等專科學校軟件與互聯網學院