李海峰 王煒

摘要：各類學習空間的優(yōu)勢互補可以促進有效學習，但課堂教學始終未能達成實體學習空間、虛擬學習空間和自然學習空間的跨越和融合?；跀?shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生智慧學習空間，有望實現(xiàn)各類學習空間的一體化，為學習者具身探究自然與社會和高階思維發(fā)展提供支持。數(shù)字孿生智慧學習空間由虛實共生空間及資源、信息傳輸系統(tǒng)、智慧大腦系統(tǒng)、教與學支持系統(tǒng)等核心要素構(gòu)成，能夠支撐具有跨時空高保真體驗、分布式跨區(qū)域協(xié)作、虛實共生數(shù)據(jù)驅(qū)動、面向設計的真實學習等特征的學習活動。其構(gòu)建應當在遵循整體性、智能性、探索性、融合性原則基礎上，從物理空間、云端服務和數(shù)字空間三個邏輯層次進行結(jié)構(gòu)設計。基于數(shù)字孿生智慧學習空間的教學可采用數(shù)字孿生探究教學模式，從課前、課中和課后三個階段以及實施過程、學習空間、學習活動及學習評價四個層面圍繞問題解決展開，并采用知識共享驅(qū)動和漣漪拓展探究的教學策略，以促進學習者的深度協(xié)作知識建構(gòu)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;學習空間;數(shù)字孿生智慧學習空間;教學模式;教學策略

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2021）03-0073-09? ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.03.009

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基金項目：全國教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度教育部重點課題“在線協(xié)作知識建構(gòu)的深度匯談機制研究”（DCA180324）;新疆師范大學2020年度校級一流課程《遠程教育學》建設項目。

作者簡介：李海峰，博士，副教授，碩士生導師，新疆師范大學教育科學學院（新疆烏魯木齊 830017）;王煒，博士，教授，博士生導師，新疆師范大學教育科學學院（新疆烏魯木齊 830017）。

一、引言

學習空間是學習發(fā)生的重要外部條件、基本場所、支撐平臺和中介物（沈書生，2020）。從學習空間的物化形態(tài)來看，可以將其劃分為實體學習空間、虛擬學習空間和自然學習空間三類。實體學習空間以教室、學校和教育機構(gòu)為代表，是最典型且歷史悠久的物理學習空間。人們一直致力于創(chuàng)建資源豐富、功能完善、結(jié)構(gòu)合理的實體學習空間來促進有效學習發(fā)生，諸如多媒體教室、智慧教室等。虛擬學習空間是利用網(wǎng)絡通信和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建的學習空間，旨在消解時空分離導致的師生教與學行為異步問題。網(wǎng)絡學習空間人人通是虛擬學習空間的典型代表，實現(xiàn)了以學習者為中心的智能管理和學習模式創(chuàng)新（謝泉峰，2017）。自然學習空間是以自然和社會為基礎形成的學習空間，田野、工廠、城市以及社區(qū)等都可以成為自然學習空間。教師經(jīng)常將課程中具有特殊情境要求的學習任務布置給學生，讓他們在自然學習空間中進行探究性學習，諸如采集植物標本、開展社會調(diào)查和觀察自然現(xiàn)象等。

研究者一直在探尋如何通過不同學習空間的優(yōu)勢互補以促進學習的發(fā)生和效果，但課堂教學卻始終未能很好地實現(xiàn)學習空間的跨越與融合。從教學模式上看，盡管翻轉(zhuǎn)課堂試圖通過翻轉(zhuǎn)教學過程及活動解決學習效率低下的問題，但由于學習者在課堂上難以與自然學習空間交互，使得課前與課中的學習活動未能實現(xiàn)連續(xù)統(tǒng)一。從技術(shù)支持教與學的視角看，雖然基于虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡通信等技術(shù)創(chuàng)建的學習空間實現(xiàn)了實體學習空間和自然學習空間的部分整合（吳南中等， 2016），但由于其在學習內(nèi)容上的過度抽象、空間構(gòu)成上的過度簡單以及在學習活動上的過度失真，因而難以實現(xiàn)學習者對自然學習空間的實時探究。簡言之，不論是翻轉(zhuǎn)課堂中對教學事件的順序優(yōu)化，還是傳統(tǒng)信息技術(shù)對各類學習空間的連接，都難以有效滿足處于不同時空學習者的實時學習需求。

令人慶幸的是，具有實時性、互操作性、可擴展性和保真性等特征的數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)（中國電子技術(shù)標準化研究院等，2020）可用于創(chuàng)建一體化學習空間，從而有望實現(xiàn)實體學習空間、虛擬學習空間和自然學習空間在確保一致性和等同性前提下的相互連接和融通，這將為未來學習方式的轉(zhuǎn)變提供重要的技術(shù)支持。為此，本文將基于數(shù)字孿生技術(shù)，探討融合三類學習空間的數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建原則及模型，進而分析基于數(shù)字孿生智慧學習空間的教學模式與策略，為數(shù)字孿生技術(shù)的教育應用提供前瞻性參考。

二、數(shù)字孿生智慧學習空間的內(nèi)涵與構(gòu)成

1.學習空間

根據(jù)基本要素、特征和關(guān)注點的不同，對學習空間的解釋主要存在場域說、網(wǎng)絡說以及中介說三種：一是學習空間的場域說?！翱臻g”在《辭?！分斜唤忉尀槲镔|(zhì)存在的一種形式，是物質(zhì)存在的廣延性和伸張性的基本表現(xiàn)，也可稱之為物質(zhì)存在的場域。學習空間的最初含義源于學習“存在”的物理場域，諸如私塾、學校和教室等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其在教育中的應用，物理學習空間得到了豐富和發(fā)展，出現(xiàn)了多媒體教室、網(wǎng)絡教室和智慧教室。正如陳衛(wèi)東等（2011）所描述的信息技術(shù)支持下的未來課堂圖景：未來課堂是一個高度交互的學習空間，是在先進教與學理念指導下的由泛在技術(shù)構(gòu)建的教與學活動場所和智能教學空間。二是學習空間的網(wǎng)絡說。學習空間網(wǎng)絡說多將學習空間稱為網(wǎng)絡學習空間、虛擬學習空間或在線學習空間。以網(wǎng)絡學習空間為例，其在我國的發(fā)展歷程可劃分為網(wǎng)絡教學平臺階段、系統(tǒng)推進階段和融合創(chuàng)新階段（楊現(xiàn)民等，2016）。網(wǎng)絡學習空間彌補了在實體教室開展教育活動的時空局限，形成了師生空間、家長空間、機構(gòu)空間、管理者空間等一系列衍生空間，體現(xiàn)出個性化、交互性、聯(lián)通性、開放性和靈活性等核心特征（李玉斌等，2015）。三是學習空間的中介說。學習空間中介說是從學習發(fā)生的機制出發(fā)對學習空間本質(zhì)進行的詮釋。根據(jù)學習是學習者內(nèi)部認知結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境交互的基本假說，學習空間便成為學習者與外部環(huán)境進行交互的場所，學習者與學習空間及其附屬物的交互引發(fā)其認知結(jié)構(gòu)的改變，學習便得以發(fā)生（沈書生，2020）。學習空間中介說將學習空間視作思維與知識的轉(zhuǎn)換工具，幫助學習者聚焦認知對象和內(nèi)容理解。綜上所述，學習空間本質(zhì)上是一個學習發(fā)生的空間場所，是由學習者、教師、學習內(nèi)容、學習工具、學習環(huán)境等要素構(gòu)成的交互學習場域，為學習者提供互動交流、作品展示以及學習工具等支持的開放性學習場所。

2.數(shù)字孿生及其關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生又被稱為“數(shù)字雙胞胎”。美國國家航空航天局在2010年的技術(shù)報告中首次提出了數(shù)字孿生的概念，并將其描述為一個集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或仿真過程，其使用最好的物理模型、傳感器和數(shù)據(jù)信息來反映物理實體對象在生命周期內(nèi)的真實狀態(tài)（Shafto et al.，2010）。數(shù)字孿生是在特定的數(shù)據(jù)閉環(huán)中創(chuàng)建與物理實體相對應的動態(tài)高仿真數(shù)字模型（即數(shù)字孿生體）（褚樂陽等，2019），后者隨著物理實體的變化而更新和改變（Kwok et al.，2020）。

數(shù)字孿生具有高保真性、實時交互性、虛實共生性和可擴展性等特征。高保真性是指數(shù)字孿生體以副本的形式塑造數(shù)字化的物理實體，是物理實體及其運轉(zhuǎn)狀態(tài)的鏡像。實時交互性是指借助物聯(lián)網(wǎng)、高速通信技術(shù)和可穿戴設備等實現(xiàn)虛實共生的數(shù)字孿生系統(tǒng)，人們可以實時地觀察和操作物理實體與數(shù)字孿生體，并實時獲取、分析和解釋多維數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)實時的互動和交流。虛實共生性是指物理實體與數(shù)字孿生體間能通過數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)虛實連接和虛實融合?？蓴U展性是指數(shù)字孿生具有添加、替換和集成數(shù)字模型的功能，能夠擴展多物理量、多尺度和多層級的模型內(nèi)容。

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及多領(lǐng)域多尺度融合建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型融合的狀態(tài)評估、數(shù)據(jù)采集和傳輸、全生命周期數(shù)據(jù)管理等（劉大同等，2018）。多領(lǐng)域的融合建模是利用跨領(lǐng)域融合建模的方式從深層次機理層面實施融合設計和建模，多尺度的融合建模則需要克服時間尺度和耦合范圍以創(chuàng)建更精準的數(shù)字孿生體。數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型融合的狀態(tài)評估是為了創(chuàng)建精確可靠的系統(tǒng)級物理模型，通過分析系統(tǒng)運行的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對物理模型的修正、更新、連接和補充。數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木珳识扰c速度取決于傳感器的靈敏度、分布范圍以及網(wǎng)絡設備性能，決定著物理實體與數(shù)字孿生體間的狀態(tài)映射質(zhì)量。全生命周期的數(shù)據(jù)管理利用分布式數(shù)據(jù)管理、智能分析算法以及云計算技術(shù)等實現(xiàn)對物理實體和數(shù)字孿生體全生命周期的數(shù)據(jù)存儲和管理。

數(shù)字孿生技術(shù)目前在工業(yè)制造、智慧城市等領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著成效，已被應用于城市災害預防管理（Fan et al.，2021）、城市農(nóng)業(yè)決策支持（Ghandar et al.，2021）、人群智能疏散引導（Han et al.， 2020）、生產(chǎn)過程監(jiān)控（Greco et al.，2020）等領(lǐng)域。其應用已經(jīng)從最初的系統(tǒng)模擬和設備管理擴展至風險與災害實時預警、智能決策支持、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等場景。譬如，數(shù)字孿生與5G通信技術(shù)相結(jié)合所構(gòu)建的智慧礦山平臺能夠?qū)崿F(xiàn)礦山的安全、高效和智能開采（張帆等，2020）。

3.數(shù)字孿生智慧學習空間

（1）基本內(nèi)涵與學習活動特征

本文所指的數(shù)字孿生智慧學習空間是利用數(shù)字孿生技術(shù)、人工智能技術(shù)以及其他信息技術(shù)所構(gòu)建的，具有高保真性、實時交互性、虛實共生性以及可擴展性的智慧學習空間，能夠為學習者具身探究自然與社會并促進自身高階思維發(fā)展提供支持。數(shù)字孿生智慧學習空間不僅具有學習空間的一般屬性，能夠為學習發(fā)生提供場域、空間和中介支撐，還能通過數(shù)字孿生技術(shù)使學習者獲得與自然學習空間幾乎一致的學習體驗。學習者通過數(shù)字孿生智慧學習空間可以實現(xiàn)與物理實體間的實時交互，并能夠根據(jù)需求擴展相應的數(shù)字孿生功能模塊以支撐假設驗證和觀察反思等學習活動。

數(shù)字孿生智慧學習空間中的學習活動具有如下特征：一是跨時空的高保真學習體驗。數(shù)字孿生智慧學習空間能為學習者提供與真實世界高度一致的學習環(huán)境及附屬物。學習者能夠在其中通過數(shù)字孿生體觀察物理實體，并通過與之交互開展學習活動，由此獲得的經(jīng)驗和技能能夠直接應用于真實世界中。利用數(shù)字孿生智慧學習空間，還可以將處于不同時空的學習場域根據(jù)教學需求實時接入，使得學習者能夠在課堂中根據(jù)學習需要開展學習活動。二是分布式的跨區(qū)域協(xié)作學習。數(shù)字孿生智慧學習空間利用云計算、高速通信以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)學習者跨區(qū)域的協(xié)作學習，通過高效率的協(xié)作解決問題并完成學習任務。數(shù)字孿生智慧學習空間中的分布式協(xié)作學習與傳統(tǒng)的協(xié)作學習明顯不同，不僅能為學習者和教師提供高速的信息通信，而且能夠支撐其在幾乎真實的場景中進行協(xié)作實驗、自然探索和協(xié)同制作等學習活動。三是虛實共生的數(shù)據(jù)驅(qū)動學習。學習的發(fā)生得益于學習主體與外界環(huán)境的交互，是主體認知結(jié)構(gòu)形成的過程。數(shù)字孿生智慧學習空間利用虛實共生的數(shù)據(jù)驅(qū)動功能，能夠使那些難以理解的現(xiàn)象、問題和機制得以形象化表征，為學習者認知結(jié)構(gòu)的完善和發(fā)展提供有力支持。數(shù)字孿生智慧學習空間的數(shù)據(jù)驅(qū)動學習具有及時、真實、可重復檢驗和可預測的特性，可以為學習者深入探究問題提供實時支持。學習者也能夠根據(jù)問題探究過程中采集的數(shù)據(jù)信息來反思和提升問題解決方案，從而達成學習能力的提升和認知結(jié)構(gòu)的完善。四是面向設計的真實學習體驗。數(shù)字孿生智慧學習空間的本質(zhì)特征是為學習者提供面向設計的真實學習體驗，使學習者能夠在設計與驗證過程中促進學習發(fā)生和高階思維發(fā)展。數(shù)字孿生智慧學習空間能夠支持虛實孿生體之間的全生命周期雙向數(shù)據(jù)流動，從而實現(xiàn)物理實體學習內(nèi)容與數(shù)字孿生學習內(nèi)容間的實時關(guān)聯(lián)?；跀?shù)字孿生智慧學習空間的學習活動超越了以學習內(nèi)容、協(xié)作討論、符號互動為核心的傳統(tǒng)學習活動，為學習者提供了一種可觀察、可體驗、可操作、可驗證和可發(fā)展的學習環(huán)境和學習資源。

（2）構(gòu)成要素

根據(jù)數(shù)字孿生智慧學習空間的基本內(nèi)涵，通過分析其學習活動特征，在參考智慧學習空間（吳南中等，2020）、能動學習空間（蘇瑞竹等，2021）、“互聯(lián)網(wǎng)+教育”學習空間（李爽等，2020）等相關(guān)學習空間的構(gòu)成要素基礎上，本文提出了數(shù)字孿生智慧學習空間的四個核心要素，即虛實共生空間及資源、信息傳輸系統(tǒng)、智慧大腦系統(tǒng)、教與學支持系統(tǒng)。

虛實共生空間及資源是數(shù)字孿生智慧學習空間的重要基礎，由物理實體、數(shù)字孿生體及其空間結(jié)構(gòu)等組成。物理空間（物理實體）主要由工廠、實驗室、自然界等學習場域及其中的實體組成。數(shù)字孿生空間（數(shù)字孿生體）是針對物理空間開發(fā)的與其高度一致的虛擬學習場域。物理空間和數(shù)字孿生空間共同構(gòu)成了虛實共生的學習場域，其所提供的物理實體和數(shù)字孿生體學習資源能使學習者獲得真實的學習體驗。信息傳輸系統(tǒng)不僅可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還承擔著虛實孿生體之間的數(shù)據(jù)傳輸任務。在分布式多物理空間的場景下，信息傳輸系統(tǒng)能夠協(xié)同集成各物理空間的數(shù)據(jù)，及時響應虛實空間之間的狀態(tài)變化。智慧大腦系統(tǒng)是數(shù)字孿生智慧學習空間的指令中心，負責虛實孿生體狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析，執(zhí)行和反饋學習者對物理實體或數(shù)字孿生體的操控，對整個學習空間進行全生命周期的數(shù)據(jù)保存、分析和狀態(tài)預測。智慧大腦系統(tǒng)主要由人工智能系統(tǒng)、學習分析系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等組成，為學習活動中的問題解決方案設計與驗證、虛實孿生體操控、人機交互行為以及未來狀態(tài)預測等提供智慧支持。教與學支持系統(tǒng)是數(shù)字孿生智慧學習空間教學屬性的根本體現(xiàn)，主要由數(shù)字孿生教室、數(shù)字孿生師生、學習行為評價系統(tǒng)等組成。數(shù)字孿生教室為學習者、教師提供高保真的教與學場所，可以實現(xiàn)跨區(qū)域的協(xié)同學習。學習者和教師能夠以個性化的虛擬形態(tài)在數(shù)字孿生教室中互動交流。學習行為評價系統(tǒng)能夠為實時分析學習活動、呈現(xiàn)學習績效、預測學習行為等提供支持。

三、數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建原則與框架模型

1.數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建原則

整體性原則。學習空間構(gòu)建的目標是促進學習者的學習和能力提升，這就需要學習空間各個組成部分圍繞該目標形成一個有機的整體系統(tǒng)。數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建涉及虛實共生空間、信息傳輸系統(tǒng)、智慧大腦系統(tǒng)以及教與學支持系統(tǒng)。學習者在不同場所學習時，數(shù)字孿生智慧學習空間要能夠快速協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個組成部分，為學習者的實踐操作、協(xié)作互動以及觀察反思等學習活動提供支持。因此，數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建應當從實現(xiàn)虛實共生、個性化、智能化的功能特點出發(fā)，對各個部分進行系統(tǒng)化的整體設計。

智能性原則。數(shù)據(jù)信息處理是數(shù)字孿生智慧學習空間的關(guān)鍵功能，關(guān)系到虛實孿生體的協(xié)同運行和學習活動的順利開展。數(shù)據(jù)信息處理的關(guān)鍵是要能夠?qū)μ搶崒\生體的實時狀態(tài)進行獲取，并對其可能出現(xiàn)的狀態(tài)進行預測，從而為學習者在數(shù)字孿生智慧學習空間中開展實驗和假設驗證提供智能化的支持。為實現(xiàn)對教學活動的有效支撐，在學習空間構(gòu)建時需要充分考慮學習者的個性化學習和探究性學習需求，并以此為目標實現(xiàn)學習空間運行的智能化，幫助教師和學習者實時分析學習行為和學習績效，為教學活動設計和完善提供依據(jù)。

探索性原則。布魯姆的認知領(lǐng)域教育目標分類指出，分析、綜合和評價是高階教育目標。基于數(shù)字孿生智慧學習空間的教與學活動需要為此類目標的實現(xiàn)提供支持。探究性學習是促進學習者深度學習、深層次理解以及提升學習滿足感的重要方式（李慧等，2015）。數(shù)字孿生智慧學習空間需要為學習者的探究性學習提供各種資源、工具和信息反饋支持，諸如認知工具、交互性數(shù)字孿生體以及數(shù)據(jù)儀表盤等。數(shù)字孿生智慧學習空間要能夠支持學習者在近乎真實的虛擬環(huán)境中進行探索，并以虛擬化身的形式進行互動交流。

融合性原則。數(shù)字孿生智慧學習空間需要為多元化的教學活動提供支持，因此其構(gòu)建時應當在教學功能擴展、教學模式支撐以及平臺設備兼容等方面遵循融合性原則。在教學模式多樣化的時代，數(shù)字孿生智慧學習空間需要提供可靈活組合的教學功能模塊，以滿足教師和學習者個性化的教與學需求。構(gòu)建適合個性化學習、跨學科協(xié)作學習的學習空間是未來的必然趨勢，這就需要數(shù)字孿生智慧學習空間能夠提供靈活的功能接口，從而實現(xiàn)與其他學習空間和工具的連接與融合。

2.數(shù)字孿生智慧學習空間的框架模型

基于數(shù)字孿生智慧學習空間的構(gòu)建原則及其構(gòu)成要素，本文提出了數(shù)字孿生智慧學習空間的框架模型，如圖1所示。該模型通過物理空間、云端服務和數(shù)字空間三個邏輯層次，描繪了數(shù)字孿生智慧學習空間的系統(tǒng)框架，并針對學習空間的不同層次設計了相應的教與學活動和支持技術(shù)。

物理空間是數(shù)字孿生智慧學習空間的基礎層，是數(shù)字空間的重要數(shù)據(jù)來源，是數(shù)字孿生體的鏡像本源。物理空間主要由各種學習場所及其附屬物構(gòu)成，諸如實驗室、博物館、教室、活動室、城市和田野等，這些場所是教師和學習者開展教與學活動的主要場域。物理空間主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取其中物體的狀態(tài)和行為信息，通過高速通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔諏拥闹腔鄞竽X;智慧大腦再將數(shù)據(jù)信息和操作指令等傳輸給相應的物理實體，驅(qū)動它們進行狀態(tài)和行為變化。物理空間中的教學活動以實踐探索為主，學習者在其中進行觀察體驗、方案檢驗、協(xié)作交流和反思改進。

數(shù)字空間是物理空間的鏡像表征，囊括了物理空間中所有實體的數(shù)字孿生體。這些數(shù)字孿生體通過數(shù)據(jù)通信實時保持與物理實體的狀態(tài)和行為同步，物理實體和數(shù)字孿生體之間是動態(tài)的映射和互動關(guān)系。數(shù)字空間通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集數(shù)字孿生體的各種信息，然后將其傳遞給智慧大腦進行處理。數(shù)字空間和物理空間中的教學活動基本相同，主要差別是學習者能夠在數(shù)字空間中無危險和低成本地反復驗證實驗假設，能夠為他們的實際操作提供數(shù)據(jù)信息和具身體驗。學習者基于數(shù)字空間開展的模擬探索學習活動可以不斷迭代優(yōu)化，這將為學習者能力的快速提升提供有效支持。

云端服務的核心是智慧大腦，負責處理從物理空間和數(shù)字空間收集的數(shù)據(jù)以及發(fā)送指令信息。智慧大腦可以實現(xiàn)學習分析、自然語言處理、人工智能、學習預警、音視頻處理和圖像處理等功能，能夠根據(jù)學習者的行為狀態(tài)和操控指令進行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理，其實時智能的信息反饋能夠幫助學習者及時改進方案。智慧大腦可以提供學習監(jiān)控、智慧學伴、智能導師以及精準教學等服務，為自主學習和大規(guī)模的群體協(xié)作學習提供支持。在智慧大腦的支持下，學習者全學習周期的數(shù)據(jù)信息可以被完整存儲并用于學習活動的分析和學習行為的預測，從而為學習績效的提升和教學方案的優(yōu)化提供有力支持。

3.數(shù)字孿生智慧學習空間的應用場景

在物理空間、云端服務和數(shù)字空間的支持下，數(shù)字孿生智慧學習空間能夠消解傳統(tǒng)課堂教學在空間、資源和交互等方面的局限，有助于培養(yǎng)學習者的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。具體而言，數(shù)字孿生智慧學習空間將有望在混合創(chuàng)客、田野探索、協(xié)同實驗、資源集約、家校合作、場館學習、體育訓練和校企合作等應用場景中發(fā)揮巨大作用，如圖2所示。

混合創(chuàng)客將改變當前創(chuàng)客教育線上與線下學習活動分離的現(xiàn)狀，通過數(shù)字孿生智慧學習空間提供的虛實混合、人機混合功能支撐群體協(xié)同、遠程在場的數(shù)字孿生創(chuàng)客活動，為學習者的高階思維發(fā)展提供有力支持。田野探索、協(xié)同實驗、場館學習和體育訓練將成為未來數(shù)字孿生智慧學習空間的重要應用場景，學習者能夠在其中進行虛擬漫游、實驗探索、場館游覽和技能訓練，虛實共生的數(shù)字孿生世界通過為學習者提供真實的學習體驗來促進他們的知識和技能遷移。

此外，數(shù)字孿生智慧學習空間將使家校合作和校企合作進入新的發(fā)展階段。數(shù)字孿生學校、數(shù)字孿生工廠、數(shù)字孿生車間及其之間的連通融合和數(shù)據(jù)共享將能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的家校、校企共育目標?？山尤肫髽I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的智慧學習空間為學習者未來從事實際工作提供了最真實的學習環(huán)境，可有效縮小學校教育與企業(yè)人才需求之間的差距。數(shù)字孿生智慧學習空間為學習者創(chuàng)建了一個資源集約的場域，數(shù)字孿生空間使來自世界各地的學習者可以在最先進的實驗室中進行協(xié)作探究，從而促進不同地區(qū)優(yōu)質(zhì)教育資源的整合和利用。

四、基于數(shù)字孿生智慧學習空間的教學模式與策略

1.數(shù)字孿生探究教學模式

數(shù)字孿生智慧學習空間的最大優(yōu)勢在于突破了學校、課堂和場所的時空局限，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程在場的具身學習體驗和協(xié)作探究性學習，為學習者核心素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)提供了全新的學習空間支持。為更好地發(fā)揮數(shù)字孿生智慧學習空間促進學習者深度學習和高階能力發(fā)展的潛能，本文借助翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的獨特優(yōu)勢（李海峰等，2020），設計了基于數(shù)字孿生智慧學習空間的探究教學模式，簡稱“數(shù)字孿生探究教學模式”，如圖3所示。數(shù)字孿生探究教學模式由課前、課中和課后三個教學階段構(gòu)成，每個教學階段分別涉及實施過程、學習空間、學習活動以及評價內(nèi)容等層面。

（1）課前階段

任務探究是課前學習活動的重要特征。教師以復雜問題解決作為學習任務形式，進行學習內(nèi)容設計、學習活動組織以及學習資源開發(fā)等。數(shù)字孿生智慧學習空間為學習者進行任務探究提供空間場域、智能服務、學習資源以及學習工具。課前階段的教學實施過程涉及三個層面：一是教師根據(jù)學習任務、學習者特征和學習目標進行學習活動設計，并依據(jù)學習內(nèi)容自身的知識邏輯關(guān)系和難易程度對其進行組織。隨后將學習內(nèi)容存放在數(shù)字孿生智慧空間中，為后續(xù)的學習任務推送和學習指導提供支持。數(shù)字孿生智慧學習空間會根據(jù)學習者的自我報告特征、學習行為特征以及學習任務完成度等提供任務推送服務，并利用全生命周期的學習行為和績效數(shù)據(jù)對算法進行迭代優(yōu)化。二是通過恰當?shù)膯栴}創(chuàng)設、活動組織和空間設計可以實現(xiàn)基于數(shù)字孿生智慧學習空間的智能引導與學習支持。通過問題創(chuàng)設將學習內(nèi)容和學習任務轉(zhuǎn)化成學生感興趣的問題或情境，進而借助智能導師、智慧學伴以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)對學習活動的組織。此外，還可以利用數(shù)字孿生智慧學習空間的擴展接口完善空間設計，實現(xiàn)對課前學習的智能引導和支持。三是通過個體實踐和群體實踐相結(jié)合的課前實踐以及基于實踐結(jié)果的方案改進獲得具體經(jīng)驗和抽象經(jīng)驗。個體實踐是學習者單獨進行問題解決，而群體實踐則是與學習同伴或智慧學伴通過協(xié)作探究實現(xiàn)對方案的改進。

數(shù)字孿生智慧學習空間為學習者課前學習提供了面向復雜問題解決的學習環(huán)境和技術(shù)支持。數(shù)字孿生智慧學習空間在課前學習活動中的關(guān)鍵作用是經(jīng)驗生成和決策支持，前者涉及為學習者的經(jīng)驗生成提供相應的學習環(huán)境、學習資源和真實場景，后者則是為學習者進行復雜問題解決提供大量的數(shù)據(jù)和實踐改進建議，促進學習者的深度學習和高階思維發(fā)展。

課前階段的學習活動主要涉及問題解決、互動交流和方案優(yōu)化。在問題解決過程中，學習者利用數(shù)字孿生智慧學習空間開展模擬探索和實踐探索，并通過互動交流實現(xiàn)問題解決方案的優(yōu)化。在此過程中，學習者個體和群體以及智慧學伴間形成了一個協(xié)作探究學習共同體，利用集體智慧推動課前學習任務的完成和問題解決方案的改進。

課前階段的評價內(nèi)容主要涉及學習任務、高階思維、協(xié)作交流和學習投入四個方面。學習任務評價主要通過自我測試和過程評價相結(jié)合的方式進行。自我測試是學習者根據(jù)教師構(gòu)建的試題庫進行的自我測試，系統(tǒng)會隨機從中抽取相應的題目。過程評價是數(shù)字孿生智慧學習空間根據(jù)學習者的課前學習行為和任務完成情況等進行的智能化評價。高階思維評價主要涉及學習者的批判性思維、問題解決能力、創(chuàng)新能力以及決策力等。協(xié)作交流評價主要涉及學習者課前互動會話的內(nèi)容、程度和持續(xù)性等。學習投入主要評價學習者課前階段的學習積極性和精神狀態(tài)。

（2）課中階段

課中階段以深度協(xié)作知識建構(gòu)為基本導向設計并開展學習活動，注重在教師的指導下針對課前學習中遇到的問題進行深入的協(xié)商討論、假設驗證及方案優(yōu)化，旨在進一步促進學習者高階思維能力發(fā)展。

課中階段的教學實施過程以“一個中心、兩個依托、三個驅(qū)動和四個方面”為基本架構(gòu)?！耙粋€中心”是指數(shù)字孿生探究教學模式的課中學習活動以“知識建構(gòu)”為中心開展，根本目標是促進學習者的知識建構(gòu)深度和創(chuàng)新能力提升。“兩個依托”是指依托數(shù)字孿生空間和課堂物理空間，通過融合兩個空間實現(xiàn)課中學習活動在不同學習空間的無縫銜接?！叭齻€驅(qū)動”是指課中教學利用“觀察、參與、反思”驅(qū)動學習者進行針對問題解決方案的假設、驗證和修改?！八膫€方面”是指課中教學以個體學習、小組學習、集體學習和跨界學習等多種形式進行，其中跨界學習是學習者利用數(shù)字孿生智慧學習空間與課堂之外的人們進行互動交流，諸如跨校研討、專家咨詢以及遠程協(xié)同實驗等。

數(shù)字孿生智慧學習空間在課中階段的主要作用是為學習者參與學習探究活動和制定問題解決決策提供支持。教師可以根據(jù)學習者課前學習階段遇到的問題設計協(xié)作探究學習活動，在協(xié)作探究過程中學習者可以通過數(shù)字孿生智慧學習空間操控物理實體以驗證假設和改進方案。學習者通過態(tài)勢感知能夠?qū)W習對象進行跨區(qū)域、高仿真的經(jīng)驗認知，并通過研究假設、驗證推理和改進方案等系列學習活動實現(xiàn)對問題的連續(xù)探究，達成邏輯推理和抽象經(jīng)驗的持續(xù)迭代生成。

課中階段的學習活動主要涉及作品演示、探究交流、方案優(yōu)化、教師指導、小組討論和集體匯報等。作品演示可作為課中學習的起始活動，學習者利用數(shù)字孿生智慧學習空間展示解決方案的設計過程及最終效果，并在此基礎上進行探究交流，隨后根據(jù)教師及同伴的建議進行方案優(yōu)化。教師在整個課中學習活動中，以組織者、引導者和學習伙伴等多種角色推動探究活動的展開。

課中階段的評價內(nèi)容主要包括學習參與、高階思維、協(xié)作交流和專業(yè)知識。對課中學習參與的評價關(guān)注學習者在復雜問題解決活動中的參與度，可以從互動頻次、持續(xù)時間以及創(chuàng)新程度等方面進行評價。課中階段的高階思維評價內(nèi)容與課前階段基本一致，但需要分析學習者在高階思維能力上的變化。協(xié)作交流主要是觀察學習者與學習伙伴間的協(xié)作問題解決過程，而專業(yè)知識評價則是利用數(shù)字孿生智慧學習空間對學習者的知識掌握情況進行測評。

（3）課后階段

課后階段的主要任務是對問題解決方案進行完善與評價，即學習者根據(jù)探究學習的結(jié)果進行反思并完善作品。

課后學習的實施以物理學習空間和數(shù)字孿生智慧學習空間相結(jié)合的方式進行，目的在于通過實踐探索進一步完善和驗證問題解決方案。學習者完善問題解決方案后，需要將方案、作品或者其他成果上傳至數(shù)字孿生智慧學習空間的展示平臺，邀請學習伙伴、教師或第三方對其進行評價并提出建議。參與評價者可以通過數(shù)字孿生智慧學習空間共同檢驗作品或解決方案的有效性。此外，在對作品質(zhì)量進行評價前，教師需要就作品特征、藝術(shù)設計及創(chuàng)新程度等設計評價指標并分配權(quán)重。

2.數(shù)字孿生智慧學習空間的教學策略

深度協(xié)作知識建構(gòu)和高階思維能力培養(yǎng)是數(shù)字孿生探究教學模式的主要目標，其達成還需要基于數(shù)字孿生智慧學習空間進行相應的教學策略設計。為此，本文針對上述兩個目標，提出了知識共享驅(qū)動策略和漣漪拓展探究策略。

（1）知識共享驅(qū)動策略

知識共享是深度協(xié)作知識建構(gòu)和復雜問題解決的重要基礎。知識共享驅(qū)動策略是基于知識共享相關(guān)理論（Wang et al.，2010）構(gòu)建的教學策略，根據(jù)影響學習者知識共享的環(huán)境因素、個人特征因素、動機因素、認知因素等創(chuàng)建相應的激勵制度、組織方法以及技術(shù)支持。從環(huán)境因素來看，可以在數(shù)字孿生智慧學習空間中設置智能化的群組討論氛圍調(diào)節(jié)功能，通過學習空間環(huán)境氛圍的變化調(diào)動學習者的知識共享意愿。從個人特征因素來看，數(shù)字孿生智慧學習空間可以為學習者提供智適應學習支持，根據(jù)學習者的自我效能、個性特征和情緒變化等進行學習內(nèi)容和學習進度的調(diào)節(jié)。為激發(fā)和引導學習者的知識共享動機，可以在數(shù)字孿生智慧學習空間中創(chuàng)設數(shù)字徽章激勵機制，使學習者能夠利用獲得的積分進行獎品、資源以及等級兌換，以提升他們的知識共享意向和行為。此外，還需要充分發(fā)揮數(shù)字孿生智慧學習空間的智慧大腦系統(tǒng)功能，調(diào)用算法模型分析學習者的知識共享影響因素，并通過適宜的刺激促進深度協(xié)作知識建構(gòu)的發(fā)展。

（2）漣漪拓展探究策略

復雜問題解決是培養(yǎng)學習者高階思維能力的重要途徑。復雜問題解決是數(shù)字孿生探究教學模式的主要學習活動，為了使學習者能夠?qū)栴}進行持續(xù)深入的探究，可運用漣漪拓展探究策略。漣漪拓展探究策略以問題解決為起點，通過連續(xù)創(chuàng)設問題情境和具體任務引導學習者探究，并根據(jù)前一問題探究的深度、范圍和效果適切創(chuàng)設下一問題，持續(xù)推進協(xié)作知識建構(gòu)。在數(shù)字孿生智慧學習空間的支持下，這種教學策略能夠根據(jù)學習者最近發(fā)展區(qū)設計后續(xù)問題，通過持續(xù)問題創(chuàng)設使學習過程以漣漪的形態(tài)持續(xù)深度發(fā)展。學習空間利用自然語言處理、人工智能和學習分析技術(shù)持續(xù)分析學習者的互動會話，并為學習者提供及時的引導和信息反饋。教師可以利用這一教學策略促進學習者的深度協(xié)作知識建構(gòu)。

五、小結(jié)

為實現(xiàn)各類學習空間的連接和融通，本文以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎，構(gòu)建了數(shù)字孿生智慧學習空間框架模型及其教學模式與策略，可為數(shù)字孿生智慧學習環(huán)境的創(chuàng)建提供參照，并為數(shù)字孿生技術(shù)支持下的教學設計提供借鑒。目前數(shù)字孿生智慧學習空間的設計與開發(fā)仍處于探索階段，在龐大的數(shù)字孿生世界建設、學習空間數(shù)據(jù)傳輸與算法優(yōu)化、虛擬物體的高級智能化等方面仍面臨挑戰(zhàn)。在未來數(shù)字孿生智慧學習空間的研發(fā)中，應當注重突出其智能服務、精準預測、全生命周期監(jiān)控以及迭代實驗等功能，并探索針對數(shù)字孿生智慧學習空間的獨特教學模式和針對性策略。

參考文獻：

[1]陳衛(wèi)東，葉新東，秦嘉悅等（2011）.未來課堂——高互動學習空間[J].中國電化教育，（8）：6-13.

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

[3]李海峰，王煒（2020）.經(jīng)驗認知沖突探究法——一種翻轉(zhuǎn)課堂模式下的深度協(xié)作知識建構(gòu)學習策略探索[J].電化教育研究， 41（1）：99-106，121.

[4]李慧，張民選，王全喜（2015）.美國探究性學習管窺與啟示——以高中生物學科為例[J].外國中小學教育，（8）：60-65.

[5]李爽，鮑婷婷，王雙（2020）. “互聯(lián)網(wǎng)+教育”的學習空間觀：聯(lián)通與融合[J].電化教育研究， 41（2）：25-31.

[6]李玉斌，王月瑤，馬金鐘等（2015）.教師網(wǎng)絡學習空間評價指標體系研究[J].電化教育研究， 36（6）：100-106.

[7]劉大同，郭凱，王本寬等（2018）.數(shù)字孿生技術(shù)綜述與展望[J].儀器儀表學報，39（11）：1-10.

[8]沈書生（2020）.學習空間：學習發(fā)生的中介物[J].電化教育研究，41（8）：19-25，42.

[9]蘇瑞竹，徐崢（2021）.基于VR的高校圖書館能動學習空間建設探析[J].情報科學，39（3）：150-160.

[10]吳南中，李健蘋（2016）.虛實融合的學習場域：特征與塑造[J].中國遠程教育，（1）：5-11，79.

[11]吳南中，夏海鷹，張沛東（2020）.成人智慧學習空間：意涵、特征與構(gòu)建[J].現(xiàn)代遠程教育研究，32（5）：70-76，85.

[12]謝泉峰（ 2017）.實現(xiàn)“人人通”的“網(wǎng)絡學習空間”是什么[J].中國電化教育，（2）：64-68.

[13]楊現(xiàn)民，趙鑫碩，劉雅馨等（2016）.網(wǎng)絡學習空間的發(fā)展：內(nèi)涵、階段與建議[J].中國電化教育，（4）：30-36.

[14]張帆，葛世榮，李闖（2020）.智慧礦山數(shù)字孿生技術(shù)研究綜述[J].煤炭科學技術(shù)，48（7）：168-176.

[15]中國電子技術(shù)標準化研究院，樹根互聯(lián)技術(shù)有限公司（2020）.數(shù)字孿生應用白皮書[EB/OL].物聯(lián)網(wǎng)報告中心.[2021-01-07].http：//www.cesi.cn/images/editor/20201118/20201

118163619265.pdf.

[16]Fan， C.， Zhang， C.， & Yahja， A. et al. （2021）. Disaster City Digital Twin： A Vision for Integrating Artificial and Human Intelligence for Disaster Management[J]. International Journal of Information Management， 56：102049.

[17]Ghandar， A.， Ahmed， A.， & Zulfiqar， S. et al. （2021）. A Decision Support System for Urban Agriculture Using Digital Twin： A Case Study with Aquaponics[J]. IEEE Access， 9：35691-35708.

[18]Greco， A.， Caterino， M.， & Fera， M. et al. （2020）. Digital Twin for Monitoring Ergonomics During Manufacturing Production[J]. Applied Sciences-Basel， 10（21）：7758.

[19]Han， T. R.， Zhao， J. M.， & Li， W. Q. （2020）. Smart-Guided Pedestrian Emergency Evacuation in Slender-Shape Infrastructure with Digital Twin Simulations[J]. Sustainability， 12（22）：3-18.

[20]Kwok， P. K.， Yan， M.， & Qu， T. et al. （2020）. User Acceptance of Virtual Reality Technology for Practicing Digital Twin-Based Crisis Management[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing， 33（8）：1-14.

[21]Shafto， M.， Conroy， M.， & Doyle， R. et al. （2010）. Modeling， Simulation， Information Technology & Processing Roadmap Technology Area[R]. United States： National Aeronautics and Space Administration：2-23.

[22]Wang， S.， & Noe， R. A. （2010）. Knowledge Sharing： A Review and Directions for Future Research[J]. Human Resource Management Review， 20（2）：115-131.

收稿日期 2021-01-16責任編輯 譚明杰

The Value and Reconstruction of Study Tour Curriculum of Community Education

LI Shengcong， HAN Yijuan， LI Yixin

Abstract： The study tour curriculum of the community education that has emerged over recent years is organized by educational institutions of local community based on natural， historical， cultural and other resources of the region. Targeting all residents of the area， the courses are practicums to expose learners to hands-on experiences for cognitive， attitudinal， emotional and intellectual gains in a purposeful and well-planned manner， so as to enhance their understanding of the world. The study tour curriculum of community education breaks the traditional “knowledge logic” based subject curriculum framework. And based on residents real life and centered on learners experiences， the social reality and the social needs and problems， the curriculum resources are integrated in the form of theme， and this study tour curriculum emphasizes learners hands-on experiences such as practice， observation， operation and expression， with embodied， experiential， situational and transcendent characteristics. It integrates the autonomy and transcendence of learners life， realizes the consolidation of tacit knowledge and verbal knowledge， embodies the unity of implicit and explicit activities， and highlights the transformation from single to multiple education， so it is deeply loved by the community residents. However， there are still some problems in the study tour curriculums of community education according to the investigation， such as low participation rates， the insufficient education themes， unsustainable conditions and lacking of effective evaluation. In order to realize the scientific and high-quality development， the study tour curriculum in community education must be transformed from project or activity type to curriculum pattern， and the curriculum should be reconstructed. In other words， with the realization of residents happiness as the ultimate goal， diversified course contents and methods of deep integration should be constructed， and under the cooperative governance of multiple subjects， professional teachers teaching should be adopted to meet residents demands for lifelong learning.

Keywords： Community Education; Study Tour Curriculum; Curriculum Value; Curriculum Reconstruction