數(shù)字孿生技術(shù)職業(yè)教育應(yīng)用兩種模式及其類型分析

王永超

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué) 廣東順德現(xiàn)代職業(yè)教育研究院；2.廣東技術(shù)師范大學(xué) 廣東省現(xiàn)代職業(yè)教育 虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510665）

數(shù)字孿生（Digital Twin,DT）技術(shù)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的研究對(duì)象建立一個(gè)全過程全方位的數(shù)字映像，它強(qiáng)調(diào)通過物理對(duì)象和數(shù)字映像之間雙向?qū)崟r(shí)通訊，分析和解決物理對(duì)象存在的問題.數(shù)字孿生作為一種新技術(shù)新模式，在航空航天、機(jī)械制造、智慧城市等領(lǐng)域不斷擴(kuò)大應(yīng)用，顯示出越來越強(qiáng)大的潛力和價(jià)值.數(shù)字孿生在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷深入和不斷擴(kuò)大，并取得巨大的進(jìn)展，但是存在概念泛化和邊界模糊等問題.本文擬結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)及其教育應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)數(shù)字孿生教育應(yīng)用狀況進(jìn)行歸納總結(jié)，以求深化理解和更好拓展數(shù)字孿生教育應(yīng)用.

1 數(shù)字孿生技術(shù)及教育應(yīng)用現(xiàn)狀

自2009年芝加哥大學(xué)Michael Greeves教授提出數(shù)字孿生概念以來[1]，數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)過美國(guó)NASA不斷發(fā)展和成功應(yīng)用，在工業(yè)界取得巨大進(jìn)步.在美國(guó)通用電氣公司GE推動(dòng)美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)過程中，數(shù)字孿生成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地實(shí)施的關(guān)鍵和核心.德國(guó)西門子公司在推動(dòng)德國(guó)的工業(yè)4.0過程中，將數(shù)字孿生技術(shù)作為工業(yè)4.0的重要內(nèi)容.不論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0概念，其核心是將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器緊密連接起來，這正是數(shù)字孿生的技術(shù)邏輯.數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)對(duì)物理對(duì)象全生命周期和全面的數(shù)字映像，并且虛擬映像和物理實(shí)體之間能夠?qū)崟r(shí)雙向進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊或交互操作.這也是數(shù)字孿生不同于虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VRAR, Virtual Reality/Augmented Reality）、虛擬仿真（VS, Virtual Simulation）、物理信息系統(tǒng)（CPS, Cyber-Physical System）等技術(shù)概念的要點(diǎn).

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，數(shù)字孿生在工業(yè)界廣泛應(yīng)用，包括提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過程，推進(jìn)設(shè)計(jì)和制造高效協(xié)同，對(duì)生產(chǎn)策略進(jìn)行模擬仿真和評(píng)估等，它已滲透到資產(chǎn)、車間、企業(yè)各個(gè)層級(jí)，同時(shí)不斷向倉(cāng)儲(chǔ)物流、智慧城市、能源化工等領(lǐng)域擴(kuò)展.數(shù)字孿生在教育行業(yè)應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大[2-4].智慧校園、智慧課堂[5]、網(wǎng)絡(luò)課程[6]、虛擬實(shí)驗(yàn)[7-8]、立體教材、學(xué)習(xí)空間等，作為不同研究對(duì)象在數(shù)字空間的映像，都不同程度或不同規(guī)模地采用數(shù)字孿生技術(shù).我國(guó)近十年來在教育領(lǐng)域大力推進(jìn)建模仿真技術(shù)特別是虛擬仿真技術(shù)，為數(shù)字孿生技術(shù)教育應(yīng)用的擴(kuò)大與深入奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ).2015年前后，教育部每年推進(jìn)100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，2020年教育部繼續(xù)推進(jìn)職業(yè)教育示范性虛擬仿真基地建設(shè).

當(dāng)前教育應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求和數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，共同推動(dòng)教育信息化及虛擬仿真教學(xué)正在快速向數(shù)字孿生轉(zhuǎn)變[9-10].首先，相比較于虛擬仿真技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)不再局限于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或單項(xiàng)任務(wù)[11-12]，而是呈現(xiàn)出多領(lǐng)域一體化、全場(chǎng)景多分辨率、面向整個(gè)生命周期等綜合性趨勢(shì)[13].動(dòng)態(tài)可視化從單一的原理動(dòng)態(tài)展示，已經(jīng)拓展到優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，例如數(shù)控刀具加工的路徑展示中，雖然主要對(duì)象仍然是路徑這一幾何元素，但是非幾何元素的可視化表達(dá)不斷集成到幾何模型中，例如應(yīng)力變化、溫度分布這些優(yōu)化分析的結(jié)果等，幾何表達(dá)的豐富性正是數(shù)字孿生技術(shù)全面性的一個(gè)體現(xiàn).其次，數(shù)字化教育應(yīng)用中越來越強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送和處理，例如智慧校園系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)視頻課程中視頻監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)傳送和實(shí)時(shí)展示，這正是數(shù)字孿生技術(shù)中強(qiáng)調(diào)的利用傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)特性.還有一些先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目也可進(jìn)行在線仿真[14]，將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)直接送入仿真模型中，例如Matlab/simlink的硬件在回路仿真，反映了數(shù)字孿生中“以虛控實(shí)”的技術(shù)特點(diǎn).總之，數(shù)字孿生可應(yīng)用于諸多職業(yè)教育領(lǐng)域中的研究對(duì)象，并與其它技術(shù)5G和人工智能等不斷集成融合，應(yīng)用范圍涵蓋從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目到數(shù)字校園[15-16]，范圍不斷擴(kuò)大，程度不斷深入，形式不斷創(chuàng)新[17]，并與新工科、新師范等教育改革交織疊加，出現(xiàn)了許多新情況有待歸納分析.

2 數(shù)字孿生技術(shù)教育應(yīng)用的兩種驅(qū)動(dòng)四種類型

通常的“教育對(duì)象”是指受教育的學(xué)生或接受培訓(xùn)的學(xué)員等，而數(shù)字孿生技術(shù)中“數(shù)字映像”對(duì)應(yīng)的“物理對(duì)象”概念，不但包含學(xué)生學(xué)員等人員對(duì)象，也包括實(shí)驗(yàn)、課程、項(xiàng)目、教材以至整個(gè)校園等物理對(duì)象，涵蓋了教育領(lǐng)域中感興趣的所有客觀物理對(duì)象，本文統(tǒng)稱為“現(xiàn)實(shí)教學(xué)對(duì)象”.根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)及其當(dāng)前教育應(yīng)用現(xiàn)狀[6][18-19]，我們提出將數(shù)字孿生教育應(yīng)用分為模型驅(qū)動(dòng)(MDM, Model-Driven Mode)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(DDM, Data-Driven Mode)兩種模式.模型驅(qū)動(dòng)模式圍繞DMD “現(xiàn)實(shí)教學(xué)對(duì)象”的數(shù)字模型展開，其重點(diǎn)在于數(shù)學(xué)建模和仿真建模，以及在模型基礎(chǔ)上的仿真實(shí)驗(yàn)、性能評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)等[19].DDM數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式重點(diǎn)是“物理教學(xué)對(duì)象”的數(shù)據(jù)獲取、管理及應(yīng)用，不涉及或很少涉及仿真模型的構(gòu)建.

2.1 模型驅(qū)動(dòng)模式

根據(jù)所構(gòu)建模型是為解決靜態(tài)可視化問題抑或動(dòng)態(tài)過程性問題，將模型驅(qū)動(dòng)模式MDM進(jìn)一步分為靜態(tài)模型類sMDM(static MDM)和動(dòng)態(tài)模型dMDM(dynamic MDM)兩種類型.靜態(tài)模型類型sMDM主要是對(duì)感興趣的“現(xiàn)實(shí)教學(xué)對(duì)象”進(jìn)行幾何圖形建模或可視化表達(dá)；動(dòng)態(tài)模型類型dMDM則主要建立“現(xiàn)實(shí)教學(xué)對(duì)象”的仿真模型，并通過模型邏輯來驅(qū)動(dòng)幾何模型或幾何圖形，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程展示.

2.1.1 靜態(tài)模型類型

在數(shù)字孿生教育應(yīng)用中，基于“現(xiàn)實(shí)教學(xué)對(duì)象”的不同和建模技術(shù)的發(fā)展，以及教育應(yīng)用的不同程度，我們將常見靜態(tài)模型類sMDM歸納為規(guī)則模型、自然模型、非視覺模型、靜態(tài)過程模型和數(shù)學(xué)函數(shù)模型等五類.典型的規(guī)則模型為機(jī)械零部件的CAD模型，機(jī)械零部件本身具有幾何形狀，CAD模型是對(duì)幾何形狀直接的數(shù)字化描述.幾何模型從線框模型、表面模型、實(shí)體模型、紋理映射或光照模型(圖1)，其逼真度越來越高，數(shù)字模型映射的內(nèi)容越來越豐富.同時(shí)幾何建模對(duì)象也不局限于規(guī)則體素的幾何零件，而是越來越復(fù)雜，例如水流、云彩、樹木、山峰等自然對(duì)象.幾何模型逼真度的不斷提高，建模對(duì)象的不斷豐富，以及在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)大，其實(shí)就是數(shù)字孿生模型“全面性”技術(shù)特點(diǎn)的發(fā)展過程.這種基于CAD/CG技術(shù)的模型在教育應(yīng)用中大量存在，是教育應(yīng)用最早和最廣泛的形式之一.

圖1 靜態(tài)模型類

非視覺對(duì)象是指雖然客觀存在但是沒有幾何形狀，例如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電流等，這些非視覺對(duì)象的可視化大量存在于教學(xué)應(yīng)用中，靜態(tài)模型類型sMDM應(yīng)用廣泛.當(dāng)建模對(duì)象本身就是一個(gè)過程，例如加工過程、工藝過程、發(fā)展進(jìn)程等，對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化幾何映射，則是以靜態(tài)的圖形圖表等形式進(jìn)行可視化展示，即所謂抽象知識(shí)的形象表達(dá)，常采魚骨圖、柱狀圖、趨勢(shì)圖、流程圖、樹狀圖等形式.數(shù)學(xué)函數(shù)或公式在計(jì)算機(jī)中的圖像表達(dá)，因其高效性和直觀性，近年來在教育應(yīng)用中不斷得到重視，也成為一類重要的靜態(tài)模型，例如高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)即屬于此類.必須注意的是，在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的建模對(duì)象是數(shù)學(xué)函數(shù)，目的是促進(jìn)對(duì)數(shù)學(xué)函數(shù)的理解，而不是數(shù)學(xué)函數(shù)背后的物理規(guī)律.表1對(duì)靜態(tài)模型常見五種類型進(jìn)行了總結(jié).

表1 靜態(tài)模型類常見五種類型比較

2.1.2 動(dòng)態(tài)模型類型

與靜態(tài)模型類型sMDM追求建模對(duì)象的“形似”或“真實(shí)感”不同，動(dòng)態(tài)模型類型dMDM追求的是“形神兼?zhèn)洹?，即反映建模?duì)象的數(shù)學(xué)或邏輯模型，并能沿著時(shí)間軸展開邏輯模型，實(shí)現(xiàn)映射模型的動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)這種邏輯模型驅(qū)動(dòng)幾何模型時(shí)，常以動(dòng)畫的形式展示動(dòng)態(tài)過程，從而更全面映射建模對(duì)象，幫助學(xué)生加深理解教學(xué)物理對(duì)象的規(guī)律或原理.采用不同參數(shù)來運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型以后，獲得的數(shù)據(jù)可以用來分析、評(píng)估和優(yōu)化實(shí)際對(duì)象.動(dòng)態(tài)模型類型dMDM常常由幾何模型和仿真模型結(jié)合起來構(gòu)成數(shù)字孿生體.較早的三維幾何建模與系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模是各自獨(dú)立發(fā)展的，幾何建模主要研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，數(shù)學(xué)建模主要研究各種系統(tǒng)方程的建立和求解算法，后來二者緊密融合，以數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)幾何模型即計(jì)算機(jī)仿真建模，成為數(shù)字孿生技術(shù)最為成熟的技術(shù)路徑之一.教育領(lǐng)域大量的虛擬仿真教學(xué)都可歸為這一類，例如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真、電梯運(yùn)行建模仿真等，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)四行程運(yùn)行仿真等等.動(dòng)態(tài)模型類型dMDM進(jìn)行了大量的技術(shù)積累和開發(fā)應(yīng)用，取得了良好的效果，出現(xiàn)了大量的平臺(tái)和應(yīng)用.

圖2給出了兩種模型驅(qū)動(dòng)類型的示意圖，圖中PO表示實(shí)際教學(xué)對(duì)象(Physical Object)，GM表示幾何模型(Geometry Model)，SM表示仿真模型(Simulation Model).虛線表示抽象的映射關(guān)系，表示GM及SM是對(duì)PO的建模；實(shí)線表示現(xiàn)實(shí)的交互關(guān)系，GM和SM之間有數(shù)據(jù)傳送.

圖2 模型驅(qū)動(dòng)模式MDM

2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式DDM圍繞數(shù)據(jù)展開，分為面向數(shù)字資源rDDM(resourceDDM)和數(shù)據(jù)展示eDDM(exhibitionDDM)兩種類型，如圖3所示.rDDM重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)實(shí)研究對(duì)象的數(shù)據(jù)收集與管理，eDDM主要是通過大屏對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化展示.

圖3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式DDM

2.2.1 面向數(shù)字資源類

面向數(shù)字資源類rDDM通常以課程作為物理教學(xué)對(duì)象PO，課程建設(shè)的數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化即歸此類，目標(biāo)是建立課程的一個(gè)完整數(shù)字畫像，從而更好服務(wù)于教學(xué)實(shí)踐.由于課程的定位性質(zhì)、體系內(nèi)容、授課對(duì)象等的不同，沒有一個(gè)完整的可以囊括所有課程的模型，而是著眼于課程PO的一些主要內(nèi)容，例如包括立體化教材、多媒體課件、項(xiàng)目式作業(yè)、網(wǎng)絡(luò)化課堂和數(shù)字化文檔等內(nèi)容，因此，數(shù)字化孿生體表現(xiàn)為課程數(shù)字資源DR(Digital Resource)建設(shè)，課程PO與DT之間的映射關(guān)系主要是數(shù)字化，通常采用文件系統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的表格結(jié)構(gòu)來組織管理數(shù)字化資源，例如精品課程建設(shè)、課程網(wǎng)站建設(shè)以及課程視頻錄制等[20]，這種形式下DT的全面性，直接取決于實(shí)際課程PO內(nèi)容和模塊的多樣性.

如果要建立課程對(duì)象PO完整的數(shù)字畫像DT，必須基于數(shù)字資源DR構(gòu)建課程對(duì)象PO的邏輯模型.要注意的是這種課程內(nèi)部邏輯，并不是課程PO中的教材或教學(xué)大綱中的課程知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的知識(shí)體系，例如對(duì)于線性代數(shù)，并不是“行列式、方程組、特征值”以及“正方矩陣、對(duì)稱矩陣、正定矩陣”等知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，而是反映“課程－教材－教法”等課程PO內(nèi)部教學(xué)規(guī)律的邏輯關(guān)系.這種邏輯關(guān)系，雖然在不同的學(xué)科、專業(yè)、層次以及教師有不同的理解，存在多種形式，但是沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，只是存在一些共同的框架結(jié)構(gòu)，例如課程都包含教學(xué)大綱等文檔.

2.2.2 數(shù)據(jù)展示類

數(shù)據(jù)展示類eDDM教育應(yīng)用是通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算等技術(shù)，建立校園或課堂的數(shù)字空間，并與物理空間高效結(jié)合，從而更好服務(wù)教學(xué).它包括基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用、終端展示、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系和運(yùn)行維護(hù)體系[21].數(shù)據(jù)展示類eDDM教育應(yīng)用中有兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景，一種是類似視頻會(huì)議或網(wǎng)絡(luò)課堂，另一種類似于智慧城市，典型應(yīng)用場(chǎng)景為數(shù)字校園、智慧校園、虛擬校園.數(shù)據(jù)展示類eDDM的目標(biāo)是建立校園或課堂的數(shù)字孿生模型，包括虛實(shí)全面全程映射和實(shí)時(shí)雙向通訊，但是當(dāng)前的主要功能集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和大屏顯示（Large Screen Display, LSD）兩個(gè)方面，強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和實(shí)時(shí)傳輸支持下的狀態(tài)監(jiān)測(cè).例如在智慧校園應(yīng)用中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括安防態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、信息安全數(shù)據(jù)、校園通行數(shù)據(jù)、校舍樓宇數(shù)據(jù)、設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)等，大屏顯示則是以地圖和表格的方式實(shí)時(shí)展示這些數(shù)據(jù).在這種應(yīng)用場(chǎng)景中主要是大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，而數(shù)據(jù)的分析處理加工等較少，屬于海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，類似于鏡面成像的實(shí)時(shí)性，因此又可稱為鏡像展示類型.其數(shù)據(jù)展示常常采用大屏展示，以校園地理空間數(shù)據(jù)可視化為主體，周圍輔助以常規(guī)的圖表或圖文，通過提供這種態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，輔助工作人員進(jìn)行接待匯報(bào)、專業(yè)人員進(jìn)行分析研判，決策人員進(jìn)行指揮調(diào)度等.在這種模式下，從校園PO到大屏LSD的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)傳送的，在圖3(b)中用實(shí)線表示，但是從LSD到校園PO沒有或者很少有數(shù)據(jù)傳送，因此這種交互常常是單向的.在視頻會(huì)議或網(wǎng)絡(luò)課堂場(chǎng)景中，地理空間相關(guān)數(shù)據(jù)并不是重點(diǎn)，但也提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù).

3 兩種模式的技術(shù)特征分析

數(shù)字孿生技術(shù)主要特點(diǎn)包括兩個(gè)方面，一是建模的全面性和全生命周期性，二是虛實(shí)交互的雙向性實(shí)時(shí)性.根據(jù)這兩個(gè)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)兩種模式四種類型進(jìn)行分析比較.可以認(rèn)為數(shù)字模型DT的全面性和全生命周期性，屬于對(duì)物理對(duì)象PO靜態(tài)結(jié)構(gòu)的描述問題，而實(shí)時(shí)雙向交互性，屬于動(dòng)態(tài)運(yùn)行的描述問題.

3.1 模型的全面全程性

不論是模型驅(qū)動(dòng)模式MDM還是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式DDM，當(dāng)前數(shù)字孿生模型DT對(duì)物理對(duì)象PO的刻畫，在全面性和全生命周期性方面，相對(duì)于教學(xué)目標(biāo)要求都存在很大的薄弱之處.

在模型驅(qū)動(dòng)模式MDM下，PO比較明確和具體，例如機(jī)床零件，因此MDM常常以教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方式展現(xiàn).通常情況下為了模型構(gòu)建而對(duì)物理對(duì)象PO進(jìn)行抽象處理，抽象意味著忽略次要因素，也意味著不能實(shí)現(xiàn)全面映射，同時(shí)也很難滿足全生命周期映射的技術(shù)要求.例如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真只是“工業(yè)機(jī)器人”課程中的一部分，而“工業(yè)機(jī)器人”課程中除運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真外，尚有動(dòng)力學(xué)仿真、控制與傳感、機(jī)器視覺等，沒有完全將“運(yùn)動(dòng)仿真”與“系統(tǒng)控制”等結(jié)合起來，常常是通過不同的模型來實(shí)現(xiàn)不同的功能，因此全面性和全生命周期性相對(duì)較弱.

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式DDM下，由于著眼于數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，數(shù)據(jù)量大或者數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、展示等，沒有或者很少映射物理對(duì)象的邏輯結(jié)構(gòu)，因此在對(duì)PO的描述方面比較少涉及模型構(gòu)建上，距離模型的全面性全生命周期性上，還有許多工作需要深入研究.同時(shí)在DDM下，或者PO規(guī)模比較大，例如校園對(duì)象，或者PO對(duì)象本身抽象，例如課程或?qū)I(yè)，也是影響模型全面性的一個(gè)重要因素.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建模技術(shù)的不斷提高，必然促進(jìn)模型構(gòu)建面向全面性和全生命周期性，但是我們也可以看到，技術(shù)的發(fā)展伴隨著需求的不斷提高，在新技術(shù)出現(xiàn)的情況下，建模的全面性全周期性要求必然不斷提高.

3.2 交互的雙向?qū)崟r(shí)性

DT中的雙向?qū)崟r(shí)性是指DT模型能夠通過傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及DT模型中的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng).在DT教育應(yīng)用場(chǎng)景中，除了這種虛實(shí)交互關(guān)系以外，我們引入另外兩種交互關(guān)系來分析比較，一是模型內(nèi)部的交互關(guān)系，一種是引入人員因素的交互關(guān)系.

3.2.1 模型內(nèi)部的雙向?qū)崟r(shí)交互

在sMDM中只有一個(gè)幾何模型GM，不存在內(nèi)部交互問題.在dMDM中，幾何模型GM為仿真SM提供可視化基礎(chǔ)，而仿真模型SM為幾何模型GM提供過程邏輯，兩者的這種關(guān)系確定了它們之間的雙向?qū)崟r(shí)交互.要構(gòu)建一個(gè)全面甚至全生命周期的DT模型，涉及到不同領(lǐng)域不同學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，而對(duì)于不同的應(yīng)用又有不同的模型分辨率要求及規(guī)模要求，因此一個(gè)DT模型常常是不同領(lǐng)域模型、不同分辨率模型或不同規(guī)模的模型的集成.僅以不同領(lǐng)域而言，一個(gè)全面完整的DT模型，常常由機(jī)械、電子、液壓、控制、軟件、熱工等不同學(xué)科的模型相互耦合而成.圖4給出了不同領(lǐng)域構(gòu)成的一個(gè)DT.圖中SM1和SM2以及SMn表示不同領(lǐng)域的仿真模型，它們和幾何模型GM一起構(gòu)成一個(gè)DT.這種其實(shí)是動(dòng)態(tài)模型dMDM的擴(kuò)展，但最終都是通過幾何模型GM實(shí)現(xiàn)可視化，因此這種稱之為多領(lǐng)域建模仿真或幾何物理一體化建模仿真，是一種系統(tǒng)級(jí)的建模仿真.在這種利用不同模型構(gòu)成一個(gè)完整的DT模型的情況下，必須解決仿真模型之間的雙向交互或集成問題，以前采用的方法是仿真模型SM提供開放接口以供其它模型調(diào)用，或者提供二次開發(fā)功能，當(dāng)前常用的方法是對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而使得不同SM之間的調(diào)用更為方便高效.通過模型內(nèi)部的雙向?qū)崟r(shí)交互，可以建立一個(gè)系統(tǒng)級(jí)仿真軟件平臺(tái)，通過子系統(tǒng)之間以及物理變量之間的相互作用和影響關(guān)系，實(shí)現(xiàn)DT對(duì)PO的全面映射.

圖4 DT內(nèi)部雙向交互

3.2.2 考慮人員因素的雙向?qū)崟r(shí)交互

雖然數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)的是物理對(duì)象PO與數(shù)字對(duì)象DT之間的緊密映像，但是物理對(duì)象PO的確定和數(shù)字對(duì)象DT的構(gòu)建都是面向用戶或人員提出的問題，而且許多問題的求解策略或解決方案都需要充分發(fā)揮人員或用戶的智力及經(jīng)驗(yàn)，因此一個(gè)完整的數(shù)字孿生教育應(yīng)用場(chǎng)景中除了物理對(duì)象PO和數(shù)字映像DT之外還包括用戶或工作人員.在數(shù)字孿生教育應(yīng)用中人員因素更為重要，更依賴于人的知識(shí)結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)積累、情感投入、組織架構(gòu)等.與數(shù)字孿生制造應(yīng)用不同的是，制造應(yīng)用的最終目標(biāo)是有形產(chǎn)品，而教育應(yīng)用的最終目標(biāo)是學(xué)生培養(yǎng)，為作“物”的產(chǎn)品與作為“人”的學(xué)生，在應(yīng)用場(chǎng)景中有完全不同的地位和作用.更進(jìn)一步，在教育場(chǎng)景中，還必須借助于教師這個(gè)“人”的因素來實(shí)現(xiàn)學(xué)生的培養(yǎng).基于以上考慮，我們將教師學(xué)生TS（Teacher/Student）引入數(shù)字孿生教育應(yīng)用系統(tǒng)中（圖5），分析和把握兩種模式四種類型中DT技術(shù)的雙向?qū)崟r(shí)交互技術(shù)特征.

圖5 TS相關(guān)雙向?qū)崟r(shí)交互

表2比較了四種類型的雙向?qū)崟r(shí)交互特點(diǎn)，表中“PO→TS”表示從物理對(duì)象PO到教師學(xué)生TS的單向交互，在動(dòng)態(tài)模型類下，“PO→TS有且較多”是指當(dāng)前多數(shù)采用動(dòng)態(tài)模型的教育場(chǎng)景中，TS可以獲取有關(guān)PO較多的信息，例如PO的幾何尺寸物理性質(zhì)等；“TS→PO有但不多”是指TS可以調(diào)整修改的PO參數(shù)并不多，例如只是替換機(jī)床的工件或夾具，或者設(shè)置加工參數(shù)如速度或起點(diǎn)等有限操作.

表2 四種類型的雙向?qū)崟r(shí)交互比較

在MDM模式中，“PO→TS”只是一種建模關(guān)系而不是交互關(guān)系，PO的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紾M或SM中還比較少，有時(shí)候甚至成為不必要，例如虛擬仿真常常是為加深對(duì)原理或規(guī)律的理解，而不是對(duì)教學(xué)物理設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制.但是MDM模式中TS和DT的雙向交互頻繁，在“TS→DT”中表現(xiàn)為TS可以隨時(shí)設(shè)置SM運(yùn)行參數(shù)，而且不必根據(jù)嚴(yán)格PO實(shí)際運(yùn)行情況.典型情形是DT中SM的仿真運(yùn)行時(shí)間和仿真步長(zhǎng)等都可由TS自行設(shè)定.在“DT→TS”中表現(xiàn)為DT形狀、尺寸、顏色等的變化實(shí)時(shí)傳遞到TS中.

在rDDM類型下，DT中的DR與PO之間幾乎不存在實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳送或交互操作，因?yàn)樵诮虒W(xué)實(shí)踐中更關(guān)心的是交互關(guān)系是“DR→TS”以及“PO→TS”，其中很大原因是在此類型下，DR的價(jià)值主要是提供數(shù)字資源給TS，而不是或者很少提供模型數(shù)據(jù)加工處理來服務(wù)于TS.

在eDDM類型下，從“PO→DT”存在大量實(shí)時(shí)交互，典型例子是視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸處理.從“DT→PO”也存在實(shí)時(shí)的情況，例如在DT中監(jiān)測(cè)到火警信號(hào)而實(shí)時(shí)傳送給PO，但是從數(shù)據(jù)量上看，相比較于從PO到DT的海量數(shù)據(jù)，DT到PO的數(shù)據(jù)很少甚至沒有.eDDM類型下PO和TS之間的交互主要制約于地理空間因素.“PO→TS”和“TS→PO”有或很少，是指從不同地理位置的校園或課堂直接獲取、直接傳送數(shù)據(jù)較少，必須借助于DT獲取或傳送數(shù)據(jù)，而這也正是采用DT技術(shù)的重要原因.“DT→TS”是指DT大量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示給TS，而“TS→DT”則需要根據(jù)情況確定，例如基于即時(shí)通訊程序的溝通交流如網(wǎng)絡(luò)答疑或在線討論，或者基于視頻會(huì)議的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)課堂，“TS→DT”有且很多，但同屬eDDM的智慧校園應(yīng)用中，“TS→DT”無或很少，因此將eDDM中的“TS→DT”要根據(jù)應(yīng)用情況具體確定.

4 兩種模式的應(yīng)用對(duì)比及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 兩種模式教學(xué)應(yīng)用對(duì)比

表3從表現(xiàn)形式、數(shù)據(jù)組織等幾個(gè)方面給出當(dāng)前四種類型的比較說明及其重點(diǎn)技術(shù).正如DT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域不斷深入發(fā)展一樣，DT技術(shù)在教育領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大和深入.隨著對(duì)教學(xué)物理對(duì)象PO的靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)刻畫得越來越全面，功能越來越豐富，四種類型不斷深入發(fā)展或互相融合，將不斷挖掘數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的教育潛力，展現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的教育價(jià)值.

表3 四種類型的非核心指標(biāo)的比較

對(duì)于sMDM建模，其描述的真實(shí)感程度和繪制的實(shí)時(shí)性都有很大提高，但建模要求也越來越高.對(duì)于dMDM，出現(xiàn)了多種語言或開發(fā)平臺(tái)，例如多領(lǐng)域統(tǒng)一建模仿真語言Modelica，以及基于Modelica的開發(fā)平臺(tái)如國(guó)外的Dymola和國(guó)內(nèi)的MWorks等.

在rDDM類型中越來越強(qiáng)調(diào)建模特性，即以圍繞學(xué)習(xí)主體或?qū)W習(xí)階段的不同，將數(shù)字資源高效或自動(dòng)組織聚合成不同知識(shí)節(jié)點(diǎn)，甚至將這些節(jié)點(diǎn)組織形成相應(yīng)于教學(xué)活動(dòng)的演化過程，從而將數(shù)字資源轉(zhuǎn)化為適應(yīng)于教學(xué)活動(dòng)的具象狀態(tài)，形成一個(gè)全面的數(shù)字孿生體來支持教學(xué)活動(dòng).同時(shí)rDDM也在不斷向?qū)崟r(shí)交互方面快速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)或工具，使數(shù)字DT資源能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整、更新或處理數(shù)據(jù)，例如學(xué)生成績(jī)、作業(yè)進(jìn)展、考勤狀況等實(shí)時(shí)反映在數(shù)字資源中，以服務(wù)于教學(xué)過程，再比如教學(xué)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析或教學(xué)狀態(tài)評(píng)估優(yōu)化.rDDM在實(shí)時(shí)交互方面向eDDM發(fā)展，而eDDM則向智慧學(xué)習(xí)方向快速發(fā)展，所謂全息課堂、智慧校園等對(duì)學(xué)習(xí)空間重構(gòu)與提升.這主要是以人工智能與5G技術(shù)作為技術(shù)支撐.應(yīng)用智能算法充分挖掘eDDM中的大數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬擇優(yōu)、偏好確定，從而構(gòu)建個(gè)性化的互動(dòng)學(xué)習(xí)空間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)目標(biāo).

rDDM向eDDM擴(kuò)展表現(xiàn)為，通過無線接入互聯(lián)互通，使得TS高效利用rDDM資源，如學(xué)習(xí)空間[21]、創(chuàng)新空間等等.同時(shí)eDDM向集成化和智能化方向演進(jìn).集成化是指在教學(xué)模塊基礎(chǔ)上不斷增加生活子模塊、資源子模塊或管理信息子模塊，例如圖書實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、規(guī)章制度等，使數(shù)字孿生規(guī)模擴(kuò)大.智能化則是數(shù)字孿生空間的深度擴(kuò)展，即對(duì)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，進(jìn)行歸納判斷從而給出執(zhí)行指令或行動(dòng)建議，這種類似于大腦的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中心，是智慧校園的重要發(fā)展趨勢(shì).

MDM模式主要是面向教學(xué)一線的，常用于對(duì)學(xué)科專業(yè)知識(shí)中物理規(guī)律、系統(tǒng)原理的理解，從而幫助或加深理解物理規(guī)律或系統(tǒng)原理，具有深刻性或抽象性；DDM模式側(cè)重于教學(xué)管理，通過獲取數(shù)據(jù)來服務(wù)于教學(xué)管理.在MDM中，從sMDM到dMDM已經(jīng)成為常規(guī)，目前重點(diǎn)是dMDM中不同領(lǐng)域物理模型的集成成為主流.在DDM中從rDDM到eDDM已經(jīng)成為當(dāng)前主要應(yīng)用形式，eDDM的方向是智能化，然而當(dāng)前真正落地應(yīng)用并不多.

4.2 兩種模式的發(fā)展趨勢(shì)

在數(shù)字孿生實(shí)際教育應(yīng)用中，很少出現(xiàn)單純的一種類型，常常是有所綜合或者有所側(cè)重.例如智慧課堂中，需要將歷史資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，再實(shí)時(shí)反饋到課堂中，即eDDM整合了rDDM的內(nèi)容.同樣在課程資源建設(shè)中，積累大量的動(dòng)態(tài)模型作為課程資源，也就是rDDM中整合了dMDM的內(nèi)容.這種情況主要有兩個(gè)原因，一是教學(xué)需求本身是綜合的并且不斷變化的，從單個(gè)的虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展到一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，以至到數(shù)字化課程，都是教學(xué)應(yīng)用的自然發(fā)展.從教學(xué)內(nèi)容上看也是如此，例如虛擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)原理成熟以后，自然有需求對(duì)底盤、車身、整車、裝配、產(chǎn)線等進(jìn)行虛擬仿真或建立數(shù)字孿生模型.對(duì)學(xué)生建立其DT模型[22]，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)專業(yè)、課程成績(jī)、就業(yè)導(dǎo)向等提出學(xué)習(xí)建議或者進(jìn)行學(xué)業(yè)預(yù)警等也是一種不斷增長(zhǎng)的教學(xué)需求.二是DT技術(shù)的發(fā)展為不斷擴(kuò)大的教學(xué)需求提供了強(qiáng)大的支撐.人在回路、硬件在回路等仿真建模思想很早就已經(jīng)提出，但是只有AI、VR和5G以及IOT等技術(shù)的發(fā)展才促使DT技術(shù)在教育領(lǐng)域能夠落地應(yīng)用.基于5G和IOT等技術(shù)快速發(fā)展，可以把教室和實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)聯(lián)系起來，從課堂實(shí)時(shí)切入實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景.在實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)切入課堂場(chǎng)景，基于VR及可視化技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中難以完成的操作，從而更好服務(wù)教學(xué)等等.

兩種模式雖然在建?！叭嫘匀绦浴比杂性S多工作，但相信會(huì)取得更大進(jìn)展.原因是：第一，教育領(lǐng)域存在諸多不同層次不同類型的現(xiàn)實(shí)對(duì)象，對(duì)這些不同物理對(duì)象PO進(jìn)行數(shù)字映射過程中會(huì)提出各種不同現(xiàn)實(shí)要求，這種現(xiàn)實(shí)要求會(huì)激發(fā)建模的全面性全生命周期性.第二，從建模仿真技術(shù)發(fā)展歷史看，最早的Eval Sutherland在屏幕上展示線條再到二維幾何模型和三維實(shí)體模型的發(fā)展過程其實(shí)是也一種“全面性映射的進(jìn)化過程”.第三，當(dāng)前多領(lǐng)域建模已經(jīng)成為建模仿真技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)并取得許多重要進(jìn)展，例如機(jī)械電子控制等不同領(lǐng)域的多領(lǐng)域建模平臺(tái)Modelica等，這種多領(lǐng)域一體化集成建模，其實(shí)就是“全面性”映射的方向.第四，當(dāng)前AI技術(shù)、IIOT技術(shù)和傳感器技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)和5G技術(shù)等為多領(lǐng)域全面建模提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持.可以預(yù)測(cè)，在教育應(yīng)用中的兩種模式下，全面性和全生命周期性會(huì)不斷取得發(fā)展突破.

5 結(jié)論

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)及其教育應(yīng)用現(xiàn)狀，將數(shù)字孿生教育應(yīng)用分為模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種模式，進(jìn)而又將兩種模式各自細(xì)分為兩種類型，并從數(shù)字映像的全面性全過程性，以及考慮人員因素的實(shí)時(shí)交互性方面，對(duì)兩種模式四種類型進(jìn)行比較分析，指出融合發(fā)展是其重要趨勢(shì).這將有助于廓清數(shù)字孿生教育應(yīng)用概念泛化和焦點(diǎn)模糊，促進(jìn)對(duì)數(shù)字孿生教育應(yīng)用內(nèi)涵理解和特點(diǎn)把握，從而更好推廣數(shù)字孿生教育應(yīng)用.