計算機(jī)導(dǎo)論教學(xué)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)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(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的1篇計算機(jī)導(dǎo)論教學(xué)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，期待它們能激發(fā)您的靈感。

隨著教育信息化進(jìn)程的發(fā)展，高職院校在人才培養(yǎng)中開始探討如何利用信息技術(shù)，創(chuàng)造生動形象的學(xué)習(xí)氛圍，促使學(xué)生迸發(fā)對知識的探究熱情。數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化的手段在虛擬世界中構(gòu)建一個完全相同的數(shù)字實體，實現(xiàn)了通過虛實共生的方式促進(jìn)個體對真實實體的了解、分析和優(yōu)化，為尋求教和學(xué)之間的因果關(guān)系，成為建立以學(xué)生為教學(xué)主體，提升教學(xué)的樂趣以及學(xué)生的獲得感，實現(xiàn)教師及學(xué)生對自身教學(xué)學(xué)習(xí)行為進(jìn)行優(yōu)化的一種新思路。文章以“計算機(jī)導(dǎo)論”課程為應(yīng)用對象，探討數(shù)字孿生技術(shù)在“計算機(jī)導(dǎo)論”課程教學(xué)中的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;“計算機(jī)導(dǎo)論”;教育信息化;教學(xué);

教育信息化2.0指出，新時代的教育發(fā)展必將出現(xiàn)四大趨勢：一是教育范式需要從經(jīng)驗走向科學(xué)；二是教育目標(biāo)需要從知識走向能力；三是教育機(jī)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(yù)示著人才培養(yǎng)不單單是簡單的知識輸出，而是培養(yǎng)創(chuàng)造性與問題解決、批判性思維、學(xué)會學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)的認(rèn)知通用素養(yǎng)[3]。對于高職院校而言，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的今天，如何利用信息技術(shù)，創(chuàng)造生動形象的學(xué)習(xí)氛圍，促使學(xué)生迸發(fā)對知識的探究熱情，提升學(xué)生創(chuàng)新能力與思維能力提出了要求。“數(shù)字孿生”技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)字化的手段在虛擬世界中構(gòu)建一個完全相同的數(shù)字實體，以虛實共生的方式促進(jìn)對真實實體的了解、分析和優(yōu)化。這種技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代高職院校教育教學(xué)的展開提供了一個新的思路。

一、數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

“數(shù)字孿生”最早是由MichaelGrieves教授提出來的，主要運(yùn)用在工業(yè)制造領(lǐng)域的一個概念[1]。“數(shù)字孿生”是以模型信息流驅(qū)動全產(chǎn)業(yè)價值鏈協(xié)同的產(chǎn)品生命期管理工具，其核心在于數(shù)據(jù)收集、聚合、分析及提供決策性洞見等功能[4]。作為“工業(yè)4.0”時代關(guān)鍵技術(shù)之一，“數(shù)字孿生”已經(jīng)在電力、汽車、醫(yī)療等民用領(lǐng)域有了發(fā)展[5]。隨著教育信息化時代的到來，數(shù)字孿生技術(shù)與教育教學(xué)中具體學(xué)科相結(jié)合，被廣泛運(yùn)用，如針對北斗導(dǎo)航教學(xué)設(shè)備價值高，實踐教學(xué)場景再現(xiàn)難度大等問題，引入數(shù)字孿生的虛實共生理念搭建虛擬訓(xùn)練教學(xué)平臺[6]；針對風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、缺乏現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)等問題，提出數(shù)字孿生驅(qū)動的高爐風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度智能控制實驗平臺[7]等。因此建立虛實共生的教學(xué)場景，通過將教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)完整、實時、系統(tǒng)地記錄下來，然后抽絲剝繭，找到線索，尋求教和學(xué)之間的因果關(guān)系，成為建立以學(xué)生為教學(xué)主體，提升教學(xué)的樂趣以及學(xué)生的獲得感的一種較為合適的方法[8]。

二、“計算機(jī)導(dǎo)論”課程教學(xué)現(xiàn)狀及困境

“計算機(jī)導(dǎo)論”課程作為高等職業(yè)教育專科計算機(jī)類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包含信息技術(shù)基礎(chǔ)知識，計算機(jī)相關(guān)專業(yè)入門知識。其中，信息技術(shù)涵蓋信息的獲取、表示、傳輸、存儲、加工、應(yīng)用等各種技術(shù)，對培養(yǎng)學(xué)生信息處理技能，提高信息化時代發(fā)展的認(rèn)知，增強(qiáng)自身在信息滋長時代的適應(yīng)性以及創(chuàng)造性，對個人今后的學(xué)習(xí)、工作以及個人發(fā)展，對全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家具有重大意義。課程的學(xué)習(xí)能夠起到增強(qiáng)信息意識、提升計算思維、促進(jìn)數(shù)字化創(chuàng)新與發(fā)展能力、樹立正確的信息社會價值觀和責(zé)任感、樹立學(xué)習(xí)本專業(yè)的責(zé)任感和自豪感的作用。但是基于高職院校大環(huán)境下，課程的展開面臨以下問題。第一，學(xué)生的基礎(chǔ)相對薄弱，學(xué)習(xí)的專注度較低。“計算機(jī)導(dǎo)論”課程的知識點多，覆蓋面廣，過長的教學(xué)過程，學(xué)生的專注度難以保持集中，不可避免造成學(xué)習(xí)效果不佳，對自身學(xué)習(xí)能力的不自信，從而打擊他們學(xué)習(xí)的熱情。第二，“計算機(jī)導(dǎo)論”課程是計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生眾多課程的先導(dǎo)課程，課程知識點從計算機(jī)基礎(chǔ)知識到WPS、Office軟件教學(xué)，再到信息安全以及計算機(jī)新技術(shù)、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)。老師對這些計算機(jī)領(lǐng)域知識點的專精程度不同，課堂呈現(xiàn)的效果難以符合預(yù)期，學(xué)生對課程知識點的認(rèn)知可能缺乏系統(tǒng)性、科學(xué)性的引導(dǎo)。第三，教師與學(xué)生主體存在對立性。這種對立性表現(xiàn)在教師受限于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)等因素的影響，過多的強(qiáng)調(diào)知識的講授，在學(xué)生的角度，課程的學(xué)習(xí)變成了強(qiáng)壓的任務(wù)，心理壓力的增加促使學(xué)生對知識的價值缺乏情感上的認(rèn)同。第四，教學(xué)難以跟上學(xué)生個性發(fā)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(jié)評價為主，這樣的評價過程周期性很長，無法實時跟進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，無法突出學(xué)生主體的學(xué)習(xí)地位，難以滿足學(xué)生個性化發(fā)展的要求，這些現(xiàn)實情況導(dǎo)致整個教學(xué)評價體系偏離學(xué)生，促進(jìn)教學(xué)的目的大大減弱。

三、數(shù)字孿生技術(shù)在“計算機(jī)導(dǎo)論”課程中的研究方向

基于數(shù)字孿生課堂的“計算機(jī)導(dǎo)論”課程中的研究包含兩個部分內(nèi)容。一是教學(xué)過程中數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)畫像、教師教學(xué)畫像；二是數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析與運(yùn)用，也就是將構(gòu)建的學(xué)生學(xué)習(xí)畫像、教師教學(xué)畫像模型進(jìn)行再挖掘，與現(xiàn)實實體之間建立數(shù)字映射系統(tǒng)，這種映射系統(tǒng)能明確的反應(yīng)學(xué)生和老師在學(xué)習(xí)教學(xué)中的特征，直觀反應(yīng)整個教學(xué)過程以及相關(guān)環(huán)境，形成現(xiàn)實教學(xué)世界到虛擬教學(xué)世界的對應(yīng)關(guān)系，并反饋到教學(xué)過程、教學(xué)改進(jìn)、教學(xué)優(yōu)化的活動中，見圖1。

（一）教師、學(xué)生畫像構(gòu)建

1.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

備學(xué)生、備教材、備教法是對教學(xué)任務(wù)精準(zhǔn)把控的三個要素。基于數(shù)字孿生課堂的“計算機(jī)導(dǎo)論”課程教學(xué)的設(shè)計也是符合這三個要素，這其中的難點是將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生主體相結(jié)合，并且要考慮數(shù)字孿生體建設(shè)的要求，這就需要在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計之初將信息采集與教學(xué)計劃、教學(xué)安排相結(jié)合，也要充分考慮學(xué)生的接受能力和認(rèn)可度，提升學(xué)習(xí)的主動參與度。“計算機(jī)導(dǎo)論”課程包含信息技術(shù)基礎(chǔ)知識，同時介紹計算機(jī)相關(guān)專業(yè)入門知識點。隨著“三通兩平臺”教學(xué)發(fā)展趨勢下，“計算機(jī)導(dǎo)論”課程被分為傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化在線教育，教學(xué)過程要求將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過設(shè)計線上線下的相互協(xié)同教學(xué)活動，衍生出符合本校學(xué)生特點的教學(xué)方式，以滿足學(xué)生個性化教學(xué)設(shè)計的需求。

線上教學(xué)主要通過學(xué)習(xí)通平臺，發(fā)布課程視頻、分享教學(xué)資料、作業(yè)等形式，為每位學(xué)生提供完整的課程學(xué)習(xí)路線。學(xué)生按照平臺提供的路線進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過作業(yè)、測試進(jìn)行自我檢測。線上教學(xué)分為課前學(xué)習(xí)自測以及課后鞏固練習(xí)兩部分，課前，通過將本次課的教學(xué)內(nèi)容發(fā)布到平臺上，學(xué)生利用課前時間先自學(xué)課程內(nèi)容，并完成課前練習(xí)，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(xué)主要指課堂教學(xué)和實踐教學(xué)。教學(xué)的內(nèi)容更側(cè)重教學(xué)重難點的講授，具有引導(dǎo)性問題的討論以及課堂測驗和答疑等教學(xué)活動。線下教學(xué)的側(cè)重點依賴于線上教學(xué)活動的反饋，同時線下教學(xué)的過程也能及時通過信息化的手段轉(zhuǎn)換成數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。教師通過線上教學(xué)和線下課堂情況，綜合了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對教學(xué)過程進(jìn)行漸進(jìn)式的微調(diào)，以適應(yīng)學(xué)生在教學(xué)活動中的變化，可以有效的解決學(xué)生的共性問題同時也可以有針對性發(fā)現(xiàn)學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的疲勞、分神；二是便于數(shù)據(jù)采集時的主題化、目標(biāo)化。將課程知識點進(jìn)行分割、碎片化，可以方便學(xué)生利用自己的碎片化時間進(jìn)行學(xué)習(xí)，也能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更有效的集中注意力。學(xué)生的學(xué)習(xí)主導(dǎo)權(quán)加大，可以結(jié)合自身的各科學(xué)習(xí)情況以及身心狀況，有計劃、有步驟的去學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生通過主導(dǎo)學(xué)習(xí)、引導(dǎo)學(xué)生最終養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，更好的鍛煉自身的學(xué)習(xí)、動手、實踐、創(chuàng)新能力。知識點碎片化過程中要避免長時間學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的疲憊感而導(dǎo)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(xù)性以及知識點的信息化和標(biāo)簽化。數(shù)字孿生平臺的建設(shè)需要教師在教學(xué)過程中可以很好的利用平臺發(fā)布學(xué)習(xí)資源，做好教學(xué)引導(dǎo)和監(jiān)督作用。具體而言，教師可以根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗以及學(xué)生層次，在課前完成知識點以及教學(xué)資源的碎片化，如微課視頻、短視頻動畫、教學(xué)手冊、教學(xué)課件的上傳，教學(xué)實踐活動，教學(xué)練習(xí)、教學(xué)測試的設(shè)計工作。課前、課中、課后教師要通過平臺的統(tǒng)計、計算、分析等功能進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，監(jiān)督和考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并能夠依據(jù)學(xué)習(xí)情況調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度，優(yōu)化教學(xué)、學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3.信息采集，構(gòu)建畫像

信息采集的目標(biāo)主要是構(gòu)建教師、學(xué)生整個教學(xué)過程的畫像，從學(xué)生、教師、媒介、信息四個方向制定教學(xué)全過程。作為教學(xué)過程中的引導(dǎo)者，教師需要對學(xué)生有全方位的了解，所以制定的學(xué)習(xí)內(nèi)容、上課形式、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、發(fā)生的問題都是信息收集的目標(biāo)。例如，學(xué)生實體的基礎(chǔ)信息(如年齡、性別、興趣愛好)、“計算機(jī)導(dǎo)論”教學(xué)課堂的采集信息(如攝像頭采集的學(xué)生課堂狀態(tài)信息、學(xué)生缺勤信息、課堂作業(yè)情況、上機(jī)實驗情況、學(xué)習(xí)通平臺采集的學(xué)生學(xué)習(xí)過程狀態(tài)信息)和學(xué)生相關(guān)課程成績(如前序課程的相關(guān)成績)。教師把控教學(xué)過程，還需要將教學(xué)過程中的信息聯(lián)系起來，明確教學(xué)全過程中各要素之間的信息交互。基于數(shù)字孿生的教學(xué)模型更強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)平臺的應(yīng)用，將教室內(nèi)的信息和網(wǎng)絡(luò)平臺的信息，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺緊密結(jié)合，構(gòu)建學(xué)生知識點學(xué)習(xí)狀態(tài)、老師教學(xué)狀態(tài)畫像。

（二）構(gòu)建數(shù)字孿生體

數(shù)字孿生技術(shù)是一種以數(shù)據(jù)可視化的方式管理復(fù)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(tǒng)提供實時、高效、智能的服務(wù)方案[9]。在數(shù)字孿生學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)推薦信息持續(xù)進(jìn)行問題解決方案的改進(jìn)和新假設(shè)的提出，在此過程中學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造能力將會得到不斷提升[10]。如圖2所示，數(shù)字孿生平臺通過物理世界和構(gòu)建的虛擬世界收集信息，這些信息經(jīng)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(guān)系。數(shù)字孿生管理中正是通過這種監(jiān)控真實實體行為、模擬虛擬孿生體，進(jìn)而數(shù)據(jù)采集和分析，進(jìn)行驅(qū)動和決策兩個世界實體的行為。本文對“計算機(jī)導(dǎo)論”課程建立數(shù)字孿生體，在于對采集的學(xué)生、教師數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析與運(yùn)用，這體現(xiàn)在課前、課中、課后三個過程學(xué)習(xí)與評價中。

1.課前學(xué)習(xí)與評價

課程開始之前，教師可以根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗以及學(xué)生層次，完成知識點以及教學(xué)資源的碎片化，比如，微課視頻、短視頻動畫、教學(xué)手冊、教學(xué)課件的上傳，教學(xué)實踐活動，教學(xué)練習(xí)、教學(xué)測試的設(shè)計工作。通過學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)和協(xié)作交流，完成初步的知識學(xué)習(xí)過程。數(shù)字孿生平臺對教學(xué)安排合理性以及教學(xué)效果進(jìn)行分析，涉及教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計和安排、知識點的分割、知識體系的梳理、學(xué)習(xí)效果分析以及對學(xué)生學(xué)習(xí)時間安排、效果呈現(xiàn)方面深層次分析學(xué)生的行為、認(rèn)知、情感的波動情況分析，簡單的說，學(xué)生和老師通過平臺可以掌握學(xué)情狀況、重點難點和不足。

2.課中學(xué)習(xí)與評價

課中學(xué)習(xí)主要依據(jù)課前學(xué)習(xí)過程中學(xué)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(diào)整教學(xué)內(nèi)容，有些問題具備引導(dǎo)性或者牽引性，可以進(jìn)行探究、引導(dǎo)和啟發(fā)，教師通過教學(xué)平臺發(fā)布隨堂練習(xí)、小組討論、話題討論等，鼓勵學(xué)生利用數(shù)字孿生學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行自我檢驗。從而，從知識認(rèn)同感、學(xué)習(xí)交互性和問題反思性進(jìn)一步考察學(xué)習(xí)過程優(yōu)化方案，實現(xiàn)因課前、課中、教學(xué)環(huán)境的差異導(dǎo)致某些問題在理解上的偏差，消除因環(huán)境、性格等方面的溝通問題。

3.課后學(xué)習(xí)與評價

課后學(xué)習(xí)是對教學(xué)效果的檢測以及教學(xué)問題的處理、教學(xué)過程的補(bǔ)充優(yōu)化和調(diào)整，學(xué)生利用數(shù)字孿生學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行自我測試、實踐操作和假設(shè)驗證等并完成課程評價活動。學(xué)生通過數(shù)字孿生平臺給出的評價、學(xué)習(xí)結(jié)果的測評和學(xué)習(xí)伙伴的互評，了解自身不足，達(dá)到情感上的認(rèn)可，實現(xiàn)自我反思性學(xué)習(xí)。這類信息也反饋給教師，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)問題以及自身的教學(xué)問題。總體來說，數(shù)字孿生體如同虛擬世界中的自己，學(xué)生和教師作為教學(xué)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(rèn)同感，數(shù)字孿生體的出現(xiàn)，就是讓學(xué)生借助虛擬模型對自己的課程學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生認(rèn)同感，同時根據(jù)數(shù)字孿生系統(tǒng)的反饋信息，再次促進(jìn)學(xué)生對自身學(xué)習(xí)行為進(jìn)行改進(jìn)，從而提升對課程的學(xué)習(xí)效果。

四、結(jié)語

以建設(shè)課程教學(xué)中的數(shù)字孿生體，教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)合起來，實現(xiàn)教師對學(xué)生課前、課中、課后學(xué)習(xí)效果的準(zhǔn)確掌握，數(shù)字孿生讓學(xué)生對自身的學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生認(rèn)同感，信息的融合和反饋，有利于發(fā)現(xiàn)個體在學(xué)習(xí)過程中個性化特點，消除被動式學(xué)習(xí)的抵觸情緒。數(shù)字孿生技術(shù)對自身學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)結(jié)果的互動反饋，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，能夠形成課程的交互式學(xué)習(xí)體驗，更容易獲得知識應(yīng)用的滿足感，提升學(xué)習(xí)的自信心。

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作者:黃劉松 張飛 呂家偉 單位:馬鞍山師范高等專科學(xué)校軟件與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院