基于数字孪生技术的“智慧虚...与元宇宙”课程教学改革探索_张天驰.pdf

第 卷第期黑龙江工程学院学报 年月 ：基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索张天驰，曹建秋（重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆 ）摘要：近年来数字孪生技术在工业领域迅速发展的同时也拓展到教育教学领域。为适应新时期高等教育发展的新形势，将最新的科学技术引入教育教学改革，进行基于数字孪生技术的课程教学改革探索。在分析传统课程教学问题的基础上，以“智慧虚拟现实与元宇宙”专业选修课为教学改革对象，基于数字孪生技术进行教学设计，依据教学改革实施路线及其教学实践效果，探讨基于数字孪生和神经网络的教学改革效果评价方法，期望对新时期人才培养和提升教育教学效果提供参考和借鉴。关键词：教学改革；课程教学；数字孪生；虚拟现实中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，“”，：；收稿日期：基金项目：重 庆 交 通 大 学 年 度 教 育 教 学 改 革 研 究 项 目（）；国家自然科学基金项目（）第一作者简介：张天驰（），男，讲师，博士，研究方向：计算机视觉通信作者简介：曹建秋（），男，教授，研究方向：图像处理大学的功能是人才培养、科学研究、社会服务、文化传承与创新，其核心功能是人才培养。教学是人才培养的重要途经，通过教学改革不断提高教学质量，进而提高人才培养质量。随着社会的发展和科学技术的进步，传统的教学模式已经不能完全适应新时期人才培养的新要求，应该不断改革和完善。教学改革是一个全方位、全过程的系统工程，没有固定的模式，教学改革的方式和方法也需要与时俱进。近年来数字孪生技术的发展引人注目，基于数字孪生技术的教学改革是一个比较新的方向。教学改革需要理论研究也需要教学实践，在教改课程的选择方面，考虑到“智慧虚拟现实与元宇宙”是比较典型的虚实结合的课程，而虚实结合又是数字孪生技术的突出特点，因此笔者尝试基于数字孪生技术对“智慧虚拟现实与元宇宙”课程进行教学改革，通过数字孪生技术使学生在掌握基本知识点的基础上，提高对知识点的拓展和应用能力，进而提高学生分析问题和解决问题的能力，以更好地适应新时期人才培养要求。数字孪生技术及其在教育领域的应用 数字孪生技术的产生与发展 年美国航空航天局（）提出空间飞行器孪生体的概念，用于预测飞行器状态。年 教授提出了信息镜像模型，这是数字孪生的雏形。年 首次提出数字孪生概念。近年来数字孪生技术发展迅速，年美国空军研究实验室提出机身数字孪生概念并用于机体维护。年德国西门子公司利用数字孪生体完善工业 ，发布了完整数字孪生体应用模型。近年来我国北京航空航天大学等单位在基于数字孪生的虚拟装配等方面取得了很好的成果。年中国科协将“建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用”列为前沿科学问题。数字孪生技术在教育领域的应用数字孪生技术在教育领域应用的较早文献 虚实共生：数字孪生（）技术及其教育应用前瞻 中提到：当下的教育领域已逐渐成为虚拟与现实交互与融合的实践领域，数字孪生技术的应用也从工业领域延伸和拓展到教育领域。等 提出在工程教育中使用数字孪生技术，并讨论了其应用优势与障碍。芬兰坦佩雷理工大学将数字孪生技术应用到柔性制造系统的培训中，通过线上操作与实体模型实时联动的数字孪生模型、线下使用不与真实系统发生关联的模型两种方式进行培训，以提高学习者的操作能力。澳大利亚悉尼新南威尔士大学将数字孪生技术应用于建筑课程中，在虚拟空间中构建数字孪生挖掘机，使学生熟练掌握挖掘机的操作，而不受时间和空间的限制。陈秀寓 对基于数字孪生的混合教学模式进行研究，提到基于学习者孪生体模仿学习者的学习状态。张乐敏等 以未来城市课程教改为例，构建了数字孪生智慧教学系统框架。对数字孪生在教育领域会有更广泛的应用表示肯定，并提出数字孪生的出现会为学习者模型的构建带来新的契机。褚乐阳等 提出数字孪生技术在教育领域的应用展望：作为孪生车间赋能教学过程；作为历史数据收集和分析平台优化教学评估；构建教师数字孪生体，优化网上学习过程等。综上所述，相关学者对数字孪生技术的教育教学改革进行了多方面探索，从教学模式的探究延伸至泛在智慧学习空间的构建与智能化学习的构想，在教育技能培训、混合教学模式等方面取得了很好的研究成果。但在非培训类课程方面，基于数字孪生的课 程教 学 改 革 还 缺乏面向教 学 过 程 的 应 用研究。基于上述分析，笔者尝试基于数字孪生技术的课程教学改革。目前课程教学面临的问题分析教学改革的目的是为了提高教学质量，而不是单纯地为了教改而教改。为此，首先分析目前课程教学中存在的问题和不足，以便找准切入点，做到有的放矢地进行教学改革。目前计算机学科专业课教学存在的问题主要有：理论与实践联系不紧密，培养方案和教学大纲滞后于计算机技术的迅速发展；实验技术相对落后，实验设备更新较慢；教师多关注于知识点的讲授，相对弱化了对知识点拓展能力的培养，学生的工程应用能力不强；学生学习主动性需进一步加强等。“智慧虚拟现实与元宇宙”是计算机学科比较新的专业选修课，是在原来“虚拟现实技术与应用”课程基础上发展而来。主要讲授虚拟现实的基础知识和关键技术及其典型应用，是比较典型的虚实结合的课程。对学生前期知识储备和课堂学习状态要求较高，相对来说容易讲但难讲好。课堂教学内容组织和教学方式没有成熟的方法，单纯凭考卷和上机实习也难以有效地评价学生的学习状态和效果。为解决上述课程教学中存在的问题，结合“智慧虚拟现实与元宇宙”课程虚实结合的特点和数字孪生技术以虚控实的特点，以该课程为对象，尝试基于数字孪生的教学方式和方法改革。数字孪生技术的内涵与特点 数字孪生技术的内涵 年美国 航 空 航 天 局 给 出 数 字 孪 生 定 义为：利用物理模型、传感器更新、运行历史数据等，集成多物理量、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期黑龙江工程学院学报第 卷过程。数字孪生技术是指在特定的数据闭环中，在指向性的多维异构数据驱动下，创建物理实体相对应的动态高仿真数字模型，以提供不同情境下面向特定对象的主动或响应式服务。数字孪生技术的特点归纳数字孪生技术有以下特点：）虚实共生。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，实现物理世界与数字世界的互联、互通、互操作。）数据驱动。以数据驱动的全要素、全流程、全业务集成与融合。）友好交互。通过多种传感设备或终端实现与物理世界的动态交互，实现数字孪生实时、准确获取物理客体的信息，并进行实时计算与分析。）动态更新。能够在原模型受到影响而导致数据更改时，通过仿真来处理不断更新的数据，能够打破时空界限，实现连贯地更新动态变化的数据。基于数字孪生技术的课程教改 课程教改预期目标针对前文分析的计算机学科专业课教学存在的问题，将数字孪生技术融入到“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学中。将数字孪生等最新的技术传授给学生，并通过数字孪生技术使学生在掌握基本知识点的基础上，提高对知识点的拓展和应用能力，以期能够以点带面，提高学生分析问题和解决问题的能力。课程教改切入点目前，基于数字孪生的教学改革研究主要内容有：基于数字孪生技术构建新型混合教学模型，开展教学过程的建模仿真、动态预测和评估，实现数字孪生和学生实体之间的模拟与分析的闭环系统等。这些研究涉及内容较多，系统也很庞杂。为了选择合适的切入点，考虑到“智慧虚拟现实与元宇宙”课程内容比较多，需要在课程中选择典型的教学内容，进行教学改革实践。在遵循教学大纲的前提下，结合数字孪生技术特点和“智慧虚拟现实与元宇宙”课程知识点，选择课程中的研讨式教学内容作为切入点，通过虚拟现实技术等构建具有代表性的模块化数字孪生系统以及基于网络的显控模块等。通过对该模块化数字孪生系统课堂实时讲解与课后效果评价相结合构成一个闭环系统。以往教学大多关注教师讲明白学生听得懂，笔者期望结合数字孪生技术的教学改革，使学生在“学的东西怎么用”方面能够有所受益，提高学生的拓展能力。课程教改内容选择分析课程的教学大纲、主要内容和知识点，选择“海洋作战仿真系统”章节，进行基于数字孪生技术的课堂教学改革探索，因为该章节内容虚实结合比较密切，以虚控实的特点比较明显，与数字孪生技术特点比较契合。课程教改实践针对所选内容，设计教学改革的总体思路是：基于数字孪生技术的特点，采用构建场景数字孪生体模型并基于该模型赋予不同的管控技术对物理原型进行管理与反馈控制。在“海洋作战仿真系统”中，基于 软件，通过其 模块进行动态海洋环境实时解算和渲染，可以得到不同海洋环境的海浪效果图，如图、图所示。图大波浪海洋效果图小波浪海洋效果基于数字孪生技术将不同的水下机器人加入到海洋环境中。真实海洋环境中水下机器人如图所示。基于前述总体思路，设计基于数字孪生技术进行课程教学改革的具体实施路线如下：）通过水下机器人实体结构及实验数据构建第期张天驰，等：基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索图真实海洋环境中水下机器人水下机器人仿真模型（包含形体模型和动力学模型），如图所示，实现由实到虚；）将上述仿真模型加入到海洋环境中，进行动态海洋环境实时解算和渲染，使学生掌握水下机器人数学模型加入到海洋环境的原理和方法。通过数字孪生技术可以得到不同海浪下的仿真效果。）给出另一类型水下机器人及其数学模型，如图所示。通过上述步骤可以得到水下机器人在不同海浪下的仿真效果。通过数字孪生技术不需要水下机器人实际海域试验就可以得到其在不同海浪下的仿真效果。图水下机器人仿真模型图水下机器人仿真模型在上述课程教学改革实践中，教师讲解水下机器人的海洋环境仿真方法，学生通过基于数字孪生方法对另一类型水下机器人的海洋环境进行仿真。通过对不同类型水下机器人进行海洋环境仿真，激发了同学们的学习兴趣。课程教学改革效果经课后调研，绝大部分同学对上述课程教学改革内容很感兴趣；的学生对数字孪生这一新技术有了基本了解；的学生对数字孪生技术“以虚控实”的特点印象比较深刻；的学生对数字孪生技术具体应用的思路和流程比较清晰；的学生愿意尝试将数字孪生技术（或其他新的技术）应用到课外科技活动（或其他方面）。调研结果反映出，基于数字孪生的课程教学改革增强了同学们的学习兴趣，加深了同学们对基本知识点的理解与掌握。理论和实践（应用）的结合方面，锻炼了同学们将理论应用于实践的思维方式，提高对知识点的拓展和应用能力，在增强兴趣的同时，提高能力、增强自信。为培养学生理论联系实际的能力、持续学习和创新能力起到了积极的促进作用，基本达到课程教改的预期目标。教学效果评价方法研究教改的落脚点是提高教学效果，而教学效果评价尚无成熟的理论和一致认可的方法。基于数字孪生技术的教改研究热点之一是学生数字孪生体模型。通过该模型了解不同学生的学习情况，向学生提供个性化学习路径和方法。相关文献从原理上阐述的较多，但实用较少。文中研究基于学生数字孪生技术进行教学效果评价，借鉴上述文献但不同于其通过学生数字孪生模型向学生提供个性化学习路径的思路，而是提出一种基于学生数字孪生技术和人工神经网络相结合的教学效果评价方法，其结构如图所示。图基于数字孪生和神经网络的教学效果评价模型学生是教学评价的主体，通过学生的学习兴趣、学习效果、接受能力、拓展能力、相关课程学习情况等特征评价教学及教改效果，更具有客观性。图中，将学生基础测试成绩等作为输入，通过数据分析技术构建学生数字孪生体，将数字孪生体输出的学生学习状态等作为教学效果评价神经网络的输入，网络输出为学生对知识点掌握情况、新技术黑龙江工程学院学报第 卷理解程度等，通过这些参数来评价教学效果。通过改变相关参数也可以评价教学改革的效果。从神经网络的学习样本构造和学习来说，多输出神经网络学习技术上有一定难度，为此，文中将网络结构设计成多输入、多个单输出的多片状网络结构。教学评价神经网络学习需要大量的样本数据，样本数据收集和神经网络学习调整需要较长时间，这是笔者后续研究工作之一。结束语为国家培养合格的建设者和可靠的接班人是大学的核心使命，提高教育教学质量是人才培养的永恒主题。教育教学改革应该适应形势发展，积极吸收和借鉴最新的科学技术成果。鉴于近年来基于数字孪生技术的教育教学改革颇受关注，笔者进行了基于数字孪生的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革尝试，在基于数字孪生技术的教改内容设计和实施技术路线、教改效果评价方法等方面进行了教学改革实践。希望能够在发挥学生的学习主体地位，增强学生分析问题、解决问题和科研创新能力方面有所收益，同时也希望在提高教师特别是青年教师教学能力方面有所收获，为提高教学质量探索新的教学方法提供参考借鉴。参考文献赵沁平发挥大学四大功能作用 引领社会创新文化发展中国高等教育，（）：钟登华新工科建设的内涵与行动高等工程教育研究，（）：聂荣梅，周潇雅，肖进，等数字孪生技术综述分析与发展展望宇航总体技术，（）：郑浩，王娟，王书瑶，等认知数字孪生体教育应用：内涵、困境与对策现代远距离教育，（）：，（）：，（）：，（）：陶飞，张贺，戚庆林，等 数字孪生模型构建理论及应用计算机集成制造系统，（）：黄海松，陈启鹏，李宜汀，等 数字孪生技术在智能制造中的发展与应用研究综述贵州大学学报（自然科学版），（）：褚乐阳，陈卫东，谭悦，等 虚实共生：数字孪生（）技术及其教育应用前瞻：兼论泛在智慧学习空间的重构远程教育杂志，（）：，（）：，（）：，（）：陈秀寓基于数字孪生的混合教学模式改革研究软件工程，（）：张乐敏，张若曦基于数孪混合技术的智慧教学系统构建建筑教学，（）：，（）：杨晔，寇逸群，胡友民，等基于数字孪生的工程培训模式构建与应用实验技术与管理，（）：王小根，吕佳林从学习者模型到学习者孪生体远程教育杂志，（）：责任编辑：路晓鸽第期张天驰，等：基于数字孪生技术的“智慧虚拟现实与元宇宙”课程教学改革探索