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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
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