基于数字李生的混合教学模式改革方法探究论文

　　摘要：文章首先分析了现阶段高等工程教育教学中存在的问题，然后从教学准备、课前设计、课中设计、课后设计四个方面对基于数字李生的混合教学模式改革方法进行了探究。

 

　　关键词：混合教学模式；数字李生；高等工程教育

 

　　当前，我国信息技术发展到了一个全新的境界，在这一背景下，人们传播知识和接受知识的渠道开始变得多元化，伴随而来的还有许多全新的教育模式，故如何有效地将信息技术运用在课堂教学中，以推动大学课堂教学的创新，便成了现阶段大学教学工作者广泛研究的课题。通过深入研究和分析现阶段大学课堂混合教学模式可以发现，其不仅存在过度强调学生自主学习的情况，而且也存在教学内容设计针对性不足、课下资源与学生实际学习需求不匹配等弊端[1]。数字孪生自诞生以来便受到了学术界的广泛关注，其充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，可在虚拟空间中完成物理映射，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局[2]。基于此，本文探讨了数字孪生在课程教学模式改革中的具体应用，并提出了利用数字孪生推动新型混合教学模式构建的方法。

 

 

　　(一)虚实环境失调

 

　　通过深入研究高等工程教育教学的情况可以发现，其中存在着虚实环境失调的现象，而在这种环境中，学习者很难获得良好的学习体验。从一定程度上讲，虚拟现实可以使学习者在课堂上进行故障分析、状态观察和实践操作等，但这只是一种虚拟的学习环境，因此在调查研究中，笔者发现学习者在虚拟学习环境中学习的知识往往很难直接应用在实体学习环境当中，多数情况下，学习者会产生一定的认知偏差，这在很大程度上降低了学习者的兴趣。

 

 

　　(二)实践操作板滞

 

　　在新工科背景下，高校开始重点培育高等工程专业领域人才的工程实践能力，但现阶段高等工程教育教学中仍然存在着实践操作板滞的现象。在调查研究中，笔者发现实体实验室虽然给学习者带来了全新的学习体验，但受技术条件的限制，学习者在实体实验室当中很难实时地对设备内部的变化进行观察，与此同时，倘若学习者操作不当，则有可能导致安全隐患的出现。除此之外，虚拟学习系统和物理实验室存在着本质的区别，学习者在虚拟学习系统中的实践操作较为呆板，长此以往，学习者便会出现失去学习兴趣的情况。

 

　　(三)反思支持缺失

 

　　从某种意义上讲，高等工程学科开展的核心目的之一便是培育学习者的创新能力，然而现阶段高等工程教育教学中应用的学习系统却难以满足学习者的客观学习需求。通常情况下，学习者在实际学习过程中只能进行实践操作或小组讨论，很难利用现有的学习系统对复杂的机械系统、极速变化的数据信息进行观察和分析，这会严重影响学习者创新能力的提升。

 

　　(四)线上线下割裂

 

　　近年来，混合教学模式和翻转课堂教学模式被广泛应用在了高等工程教育教学当中。但不尽如人意的是，线上学习方式和线下学习方式的不当应用可能会导致学习环境、学习活动等方面的割裂[3]。基于此，学习者很难在真实的学习环境中进行实践操作，也无法及时在课中验证讨论的结果，从而降低了学习效率。

 

 

　　通俗地讲，数字孪生便是互联网设备的信息化。在实际教学当中，教学工作者可以借助数字孪生将现实世界的各类元素转移到虚拟世界中，这对教学工作者的教学无疑具有重要意义[4]。

 

　　(一)教学准备

 

　　教学准备环节是教学设计的基础，从一定程度上讲，教学工作者能否设计出高质量的教学准备环节，将会直接影响教学的效果和学生学习的效率。通常情况下，教学工作者在进行教学准备环节的设计时，应当从学习目标分析、学习内容分析、学习者特点分析、学习环境分析等方面着手准备[5]。数字孪生当中不仅包含着AI技术，同时也包含着ML技术，其可以轻松收集教学工作者教学所需的各项信息，因此在实际教学工作中，教学工作者要注重对数字孪生的应用，通过数字孪生分析学习者的特点、学习环境等元素。

 

　　1.学习目标分析。所谓学习目标，是指教学完成之后学习者学习的预期情况。在进行学习目标分析时，教学工作者需要全面考虑课程目标、课程思政目标、课堂教学目标等。不仅如此，教学工作者在进行学习目标的设计时，还应当对每节课中包含的知识点、价值观、情感等进行细致分析，与此同时，也要综合考虑新工科人才培育的宏观目标和课程教学的微观目标[6]。事实上，分析学习目标时，还需要重点考虑学习者的知识水平和实际学习需求。在实践过程中，教学工作者可以通过访谈的方式了解学习者的知识水平和实际学习需求，进而根据每个学习者的特点为他们制定特色化的学习方案。

 

　　2.学习者特征分析。所谓学习者特征分析，是指对学习者的性格特征、学习准备情况及学习风格进行分析，而针对学习者特征进行分析的核心目的是为学习内容的选择、学习活动的组织和设计、教学方法的挑选等奠定坚实基础。教学工作者可以通过向学习者发放量表、测试表等方式开展对学习者个性特征的分析。从一定程度上讲，透过学习者的学习风格，可以清晰了解到学习者青睐的学习方式及他们独特的学习特点。在掌握学习者的特征之后，学习系统便可以依据相关的数据进行智能化分析，从而实现系统结构、浏览方式的自适应处理。

 

　　3.学习内容分析。所谓学习内容分析，是指教学工作者依据相关的学习资料从中提炼知识点的过程。教学工作者在进行学习内容分析的过程中，需要结合相关的教学目标进行学习资料要点的筛选，继而对其进行结构化组织。在新工科背景下，教学工作者在进行学习内容的分析时，不仅需要提炼相关的知识点，同时也需要将这些知识点转化为具体的学习资源。需要注意的是，教学工作者在进行学习内容的分析和设计时，应当结合课程教学的目标进行细致设计，与此同时，也需要尽可能地保证学习内容符合学习者的学习爱好、学习能力等。近年来，条件筛选法被越来越多的教学工作者应用在了学习内容的分析当中。在利用条件筛选法进行学习内容的分析时，教学工作者往往会根据学习者的学习目标、个性特征等对知识点进行逐级筛选，最后再对筛选出来的知识点进行整合。

 

　　4.学习环境设计。通俗地讲，学习环境便是学习者的学习场所或学习空间，如学习工具、学习资源、教师、心理环境等都是学习环境的重要组成部分。在良好的学习环境当中，学习者往往能够高效率地进行合作探究和互动，这对提升他们解决问题的效率无疑具有重要意义。在充分分析高等工程教育目标和混合学习模式的基础上，笔者结合数字孪生技术构建了数字孪生驱动的协同探究学习环境，其主要包含以下方面。首先，物理学习环境。所谓物理学习环境，是指学习者实践操作、互动交流的场所，如教室、学习社区等都属于物理学习环境。同时，在设计物理学习环境时，教学工作者可以通过学习空间孪生大数据处理系统推动数字孪生学习环境的构建，从而使学习者能够在虚拟的环境中进行实践操作。其次，数字孪生学习环境。数字孪生学习环境当中包含着云服务技术。所谓云服务，是指通过人工智能技术、数据挖掘技术等高新技术手段进行数据信息的处理和挖掘。在数字孪生学习环境当中，学习者可以不断开展实践操作、学习方案改进等学习活动。同时，在学习者学习实践过程中，智慧大脑还会借助孪生大数据处理系统为学习者提供学习建议，从而为学习者优化实验方案奠定坚实基础。

 

　　5.学习工具设计。简而言之，学习工具便是学习者的认知工具，其中包含着人脑功能认知工具和技术创造类认知工具两种。认知工具一方面可以推动信息的传播，另一方面也可以帮助学习者实现深度学习。要想推动数字孪生学习环境的构建，就必须为学习者提供探索自然工具、协作互动工具、实验验证工具等。从学习者的角度来讲，他们必须掌握在数字孪生学习空间中观察、感知及操控的方法。在实践学习过程中，学习者需要佩戴相关的专业设备，借此实现对数字孪生学习空间中机械系统、制造系统等的感知和实验。

 

　　(二)课前设计

 

　　1.线上和线下融合的学习环境。在课前学习环节，线上和线下混合学习环境具有举足轻重的地位。在实际学习过程中，学习者需要依据相关的导学案和学习任务单，在数字孪生学习空间中协同开展探索活动。通常情况下，学习者需要通过亲身体验、持续观察、不断实验等方式，实现对数字孪生学习环境和物理学习环境的深度探索。数字孪生和物理实体之间存在着密切的关联，故学习者在学习过程中可以通过互动、分享等方式对问题的解决方案进行检测，与此同时，也能依据相关信息支持改进自己的学习方法。基于此，学习者便可以在实际学习过程中实现对问题的深入理解，与此同时，也可以优化解决问题的方案[7]。

 

　　2.课前学习活动。通常情况下，课前学习活动是指学习者自主探究及协作交流的过程，如视频学习、问题解决、学习方案设计等都属于课前学习活动的重要组成部分。数字孪生技术的出现和发展为学习者的学习活动提供了良好的空间支撑，在这一空间当中，学习者可以进行视频点播、反复观看、学习讨论等多种学习活动。从本质上讲，学案导学是自主学习的重要引导性资料，其中不仅包含着学习内容、学习知识点，同时也包含着实验操作指南等多种学习内容。通常情况下，教学工作者会以某一具体学习问题为切入点开展教学设计活动，同时在实际学习过程中，学习者需要以学习问题为基础进行互动交流及实验验证。

 

　　3.课前学习评价。课前学习评价当中包含着多方面的内容，如专业知识掌握程度、学习投入程度、问题解决情况等都属于课前学习评价的内容。数字孪生技术当中包含着GIS技术和OT技术，能对学生知识掌握程度、学习投入情况、问题解决情况等进行有效分析，这可以为教学工作者的实际教学工作提供数据借鉴。在实际学习过程中，学习者需要通过数字孪生系统对自身的专业知识掌握程度进行检测，而在学习者完成测试内容之后，学习系统便会将学习者的测试成果分别推送给教师和学习者。在对学习者的问题解决情况、学习投入程度等进行评价时，教学工作者可以使用自然语言分析技术，从而实现对学习者学习过程、学习内容、学习结果等的深层次分析[8]。

 

　　(三)课中设计

 

　　1.线上和线下融合的学习环境。课中学习环境主要为学习者的问题验证和问题解决提供空间。数字孪生学习空间不仅具有高保真的特点，同时也具有深度构建等功能。在数字孪生学习空间当中，学习者一方面可以消除认知偏差，另一方面也可以解决课前学习环节当中存在的沟通障碍问题。在课中环节，学习者需要利用数字孪生学习环境与其他学习者进行实验问题的讨论，与此同时，还需要进行实验验证，从而为问题的解决奠定基础。

 

　　2.课中学习活动。通常情况下，课中学习活动包括对学生课前遇到的问题、存在的困惑等的深层次探讨，同时作业分享、假设检验、小组讨论等活动都会在课中学习过程中有序开展。在作业分享环节中，首先是个人展示，继而是小组展示，最后是集体展示。在学习者展示的过程中，教学工作者需要引导学习者用批判性的思维思考问题，并引导各学习小组进行协同探讨。在实践过程中，学习者需要在数字孪生学习环境中亲身体验、努力观察、持续实验等，与此同时，还需要在学习过程中思考课前遇到问题的解决方案。

 

　　3.课中学习评价。通常情况下，课中学习评价包含学习参与程度、协作交流情况及专业知识掌握程度等方面。随着数字孪生技术的发展，教学工作者现阶段已经可以利用数字孪生系统对学习者的学习参与程度、协作交流情况进行评价。在学习者学习过程中，数字孪生系统会实时记录学习者的学习情况，如同伴的反馈情况、与他人互动的频次等都会被数字孪生系统记录，这能够为教学工作者的评价奠定坚实基础。不仅如此，教学工作者现阶段还可以利用智慧教室对学习者的学习行为进行实时分析、记录和提醒。除此之外，教学工作者也可以利用数字孪生系统对学习者的实践操作情况、问题解决情况及实验验证情况进行分析，继而了解学习者的专业知识掌握程度。

 

　　(四)课后设计

 

　　1.线上和线下融合的学习环境。在课后，学习者需要借助数字孪生学习空间和物理空间对知识点进行深入探讨，继而解决课中存在的问题。通常情况下，课后学习活动会在物理学习空间中进行，且开展课后学习活动的核心目的便是检验和巩固课中学习的内容。在实践过程中，学习者还需要在线上学习空间中进行作品的展示，以及学习效果的评价。

 

　　2.课后学习活动。所谓课后学习活动，是指师生在课后通过交流的方式对学习过程中未解决的问题进行深入探讨的过程[9]。在课后学习活动当中，学习者需要再次利用数字孪生学习空间和物理空间开展实践操作活动和假设验证活动。

 

　　3.课后学习评价。通常情况下，课后评价的内容主要包含对学习者专业知识掌握程度、问题解决方案和创新的评价。在对学习者的问题解决方案和创新能力进行评价时，教学工作者需要依据相关的专业知识评价基准，科学细致地分析学习者的作品设计情况、作品优化情况等。在评价学习者的方案和作品时，教学工作者需要努力推动评价形式的多元化，即在实际评价过程中，可以采用自我评价、集体评价和社会评价相结合的方式开展评价活动。教学工作者借助数字孪生技术，还可以更好地检验教学的实际效果。现如今，教学工作者可以数字孪生技术为基础，进行新型教学方法的实验工作，再借助数字孪生技术对学习者的总体学习状况进行分析，从而检验新型教学方法的有效性。

 

 

　　现阶段，我国高等工程教育教学情况不容乐观，为此，研究利用数字孪生技术推动混合教学模式改革的方法就显得尤为重要[10]。本研究以现阶段我国高等工程教育中存在的问题为切入点，着重探讨了基于数字孪生的混合教学模式的改革方法，旨在推动优质数字孪生学习环境的构建，从而有效提升新工科人才培育的质量。

 

 

　　[1]陈秀寓.基于数字孪生的混合教学模式改革研究[J].软件工程,2020,23(6):49-51.

 

　　[2]张帆,曾励,任皓,等.基于数字孪生的混合实践教学模式研究[J].实验室研究与探索,2020,39(2):241-244.

 

　　[3]李海峰,王炜.数字孪生驱动的协同探究混合教学模式[J].高等工程教育研究,2021(5):194-200.

 

　　[4]黄音,毛莉莎,张小帆,等.基于数字孪生讲台的在线沉浸式教学体系分析与流程设计[J].远程教育杂志,2021,39(1):51-62.

 

　　[5]刘光宇,朱凌,俞玮捷,等.数字孪生虚拟仿真实验平台在实践教学中的应用[J].中国现代教育装备,2021(15):52-54,58.

 

　　[6]张乐敏,张若曦.基于数孪混合技术的智慧教学系统建构:以高校未来城市课程教学改革为例[J].城市建筑,2021,18(19):17-22.

 

　　[7]江一行,张冬冬,叶俊.工业机器人夹具设计课程教学改革及研究[J].现代职业教育,2021(32):72-73.

 

　　[8]兰国帅,郭倩,魏家财,等.5G+智能技术:构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统[J].远程教育杂志,2019,37(3):3-16.

 

　　[9]张珩.新时期我国高等教育国际化的制约因素分析[J].教育观察,2020,9(45):4-6.

 

　　[10]罗雪,李化树.深化新时代高等教育对外开放的基本构想[J].文教资料,2020(36):161-163.