元地球视域下“气象灾害学”数字孪生智慧课程体系构建

［摘 要］ 通过构筑“气象灾害学”数字孪生技术体系，设计基于元地球的线上线下融合学习空间模型，进一步探索数字孪生模式下“气象灾害学”课程线上线下多元融合的教学新模式。研究聚焦防灾专业人才培养，融合数字化媒介系统，对接新型人才培养方案。同时，把握研究热点和行业前沿，以灵活的教学方式，构筑多维融合学习空间，创新搭建“气象灾害学”课程数字孪生学习平台，让学生实现分时段、碎片化学习，提高教学有效性，有效拓展了基于数字孪生的线上线下多元型教学模式。

［关键词］ 气象灾害学；元地球；数字孪生；智慧课程；教学模式

［基金项目］ 2022年度江西省高等学校教学改革研究课题“元地球视域下‘气象灾害学’数字孪生智慧课程体系构建与多元教学模式研究”（JXJG-22-6-15）；2022年度江西省研究生教学改革研究项目“基于螺旋理论的‘一核三链四平台’研究生培养模式研究——以地球物理学专业为例”（JXYJG-2022-119）

［作者简介］ 赵斐宇（1988—），男，甘肃武威人，博士，东华理工大学地球物理与测控技术学院讲师，主要从事地球物理学专业方向的教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）34-0053-04 ［收稿日期］ 2023-04-11

目前，随着高新技术的发展，以人工智能、VR/AR/MR、云计算、区块链、物联网、5G、数字孪生等为代表的数字技术日渐成熟，且不断与教学体系和课程建设融合应用，加速了高等教育数字化转型的步伐［1-4］。数字化时代正在催生新的地球科学范式与相应的智慧课程体系以及多元教学模式。

“气象灾害学”是防灾减灾科学与工程专业的必修课。以元地球背景为契机，创新构建数字孪生智慧课程体系，不仅能够达到有效教学的目的，更能够为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理、灾害精准预测等重大问题提供科学支撑。

元地球视域下，基于数字孪生的“气象灾害学”智慧课程体系是在教学大纲和培养方案规定的教学内容上，以Meta-Earth数字孪生服务器为依托，综合应用语音识别、GPS、Wi-Fi及摄像头等多模态移动终端数据采集系统，通过条码链接、信息识别3D建模、行为分析和智能评价等技术手段，形成虚拟仿真、物理模拟、数值模拟、正演反演和综合解译为一体的多层次数据驱动。在此过程中，及时跟进教学反馈进行迭代交互优化，进一步构建出基于数字孪生的智慧课程系统化技术架构解决方案，如图1所示。该模型以虚拟世界行为建模为载体，以“气象灾害学”课程专业知识技能训练为核心，以学生创新创业能力培养为主线，将课程置于虚拟环境中让学习者进行风、云、雷、电、雨等气象现象的教学体验，能够让学习者对气象灾害进行可视化、多视角、全景式以及沉浸式的学习体验。

本文通过构筑“气象灾害学”数字孪生技术体系，设计基于元地球的线上线下融合学习空间模型，进一步探索数字孪生模式下“气象灾害学”课程线上线下多元融合的教学新模式。本研究的实施能够弥补传统教学过程中知识点抽象难懂的不足，打造沉浸式学习体验，提供智慧化学习支持；能够释放教师“教”与学生“学”的主观能动性，构筑多维融合学习空间，搭建共享式学习平台；能够虚实结合满足学习者个性化发展需求，对接新型人才培养方案，拓展多元型教学模式。

一、构筑“气象灾害学”数字孪生技术体系

“气象灾害学”数字孪生技术的实现依赖于当前气象大数据和模拟技术的发展与应用，按照数据采集、仿真建模、功能设计、结果呈现等功能，可分为平台层、数据层、模型层、服务层、分析层以及应用层。各功能层之间有机融合、紧密衔接，每一层功能的实现均是基于前一层基础上的持续拓展，并不断完善和丰富各项功能。

二、设计基于数字孪生的线上线下融合学习空间模型

本研究以“元地球与数字孪生”的基本内涵为基础，深度融合线上线下学习空间的本质特征，结合学习空间结构的主要要素，设计了“元地球与数字孪生”背景下“气象灾害学”线上线下融合学习空间模型。该模型从学习场所、学习客体、认识主体和他者之间的关系为切入点，明确了实现沟通各要素之间的技术支持路径与特征匹配关系，设计了各要素的主要内容。

（一）学习空间模型设计原则

基于“元地球与数字孪生”的学习空间模型设计遵循整体性、智能性、探究性以及融合性原则。在设计“气象灾害学”学习空间模式时，需要充分考虑不同学习者的学习需求。同时，本研究所设计的数字孪生智慧学习空间能够提供虚拟平台与灵活多样的多功能接口，使学习者实现气象灾害虚拟环境下的沉浸式体验，进而实现与其他学习空间和学习工具的动态连接与融合。

（二）线上线下融合学习空间模型设计

“元地球与数字孪生”视域下，本研究所设计的线上线下融合学习空间主要包含三个层面：首先是实体物理空间，该空间主要由学习过程中的实体场所决定。气象灾害实体物理空间中的各类主体需要与学习同伴开展同步或异步的跨时空、跨结构的正式或非正式学习。其次是元地球空间，该空间主要由学习过程中的虚拟场所决定。根据元地球空间所处结构的特性、现实条件以及实际需求，学习者需要选择沉浸式交互设备或全媒体访问设备作为技术中介。全媒体访问设备包括电脑、平板、智能手机、增强现实（AR）眼镜等，而沉浸式交互设备则更适用于在同步学习时全程使用。最后还包括混合现实空间，该空间主要由MR技术对实体物理空间和元地球空间的衔接所构成。混合现实空间作为一种中介存在来支撑虚实融通的结构化条件。来自元地球空间的虚拟学习者能够突破学习空间的限制，跨越学习空间参与到实体物理空间中，学习同伴针对气象灾害致灾因子和孕灾环境以及防灾减灾等方面的头脑风暴、协作实验和自然探索的学习活动，还可以跨界访问他们的全媒体设备及沉浸式交互设备。

（三）空间模型与理论教学深度融合

“气象灾害学”的一个重要研究内容就是探明地球空间各圈层的运动形态，并识别出特殊的天气情况。在以往的教学中，采用截取多个卫星云图的方式来显示多尺度的天气对流情况，学生根据一系列图片，通过想象建立对三维空间的整体认知，这种方式不够具体直观。借助线上线下融合学习空间模型，可以对多尺度空间气象进行建模，让学生与三维空间发生交互，自主寻找角度和方向，直观地识别出云层气象现象。通过空间模型与理论教学进行深度融合，能够将课程抽象概念进行可视化阐释、物理模拟进行多视角展示、三维空间进行全景式观察，进行气象灾害过程虚拟情境的沉浸式体验。

三、构建基于学习空间模型的多元融合教学模式

基于“元地球与数字孪生”的线上线下融合学习空间的最大特点是学习者能够进行全场景、多结构的相互融通。为了满足不同学习者对实体物理空间、元地球空间及混合现实空间等学习空间的应用期待，本研究设计了基于线上线下融合学习空间模型的“气象灾害学”基本教学模式。

（一）多元化教学组织

由于线上线下融合教学包含混合学习和混成学习模式，其组织形式与教学模式也可能是极其多元的。首先，在课前和课后阶段，个体学习者可以在元地球空间及混合现实空间等虚实融通的学习空间中开展针对性的同步合作探究。学习者通过技术中介跨越不同学习空间进入元地球空间或混合现实空间中，以“集中—不定序”的形式进行个体学习。而教师则可以凭借过程性跨界数据予以学习者全过程学习状态的追踪与评估。其次，在课中学习阶段采用“集中—同步”与“分散—同步”两种组织形式，在课前与课后学习阶段则采取“多元—不定序”的形式，形成自组织的复合结构。最后，课后学习的实施则融合实体物理学习空间和数字孪生智慧学习空间，跨越学习空间进行多方式学习。学习者在完成学习重点和难点的解决方案后，需要将学习方案、作品或者其他学习成果上传至数字孪生智慧学习空间的展示平台，邀请其他学习者、实体教师与虚拟教师共同进行学习效果评价，并提出改进建议。

（二）融合式教学模式

在线上线下融合教学活动中，受不同学习者的认知能力差异化影响，教学活动的组织结构以及学习空间都是多元化的。在此条件下，教师为实现学习者基础学习目标或高于基础目标的多样化、个性化发展，所设计的教学目标应该着重考虑从学习者统一的基础知识技能掌握转向高阶思维能力培养为主。

课前阶段，学习者借助数字孪生平台开展“气象灾害学”课程内容的自主探究、合作学习以及社群共创等学习活动。在此教学过程中，实体教师或虚拟的人工智能教师精准定位学习者学习过程，并可随时、随地为学习者提供导向性干预，纠正其学习过程中错误的探究方向与片面的感性认知。课中阶段，学习者对课程主要知识点进行梳理，明确存在的问题，并运用线上线下融合学习空间向教师和其他学习者展示问题的解决方案与设计思路。课后阶段，由于线上线下融合学习空间具有虚实融通与无边界的特点，各学习者可运用多种技术中介进行联动，既可以将虚拟的或真实的气象灾害场景以混合现实或虚拟现实的形式与他人共享，也可以参与到他者提供的气象灾害发生过程以及孕灾环境的场景中，并由此逐步增强“气象灾害学”课程特定知识的迁移与转化能力。最后，依据教学效果和学习者反馈持续优化提升教学方案和资源。

（三）拓展型教学策略

“元地球与数字孪生”视域下的线上线下融合学习空间，为教师和学习者提供了开放共建的无边界学习空间、动态更新的学习资源、虚拟仿真的学习场景以及智能化的教学效果评估工具。因此，在“气象灾害学”线上线下融合学习空间的实际教学过程中，授课教师要灵活运用多种教学形式，组织有意义、规模化、个性化的师生交互活动；要充分利用电脑、平板、智能手机、增强现实（AR）眼镜等智能工具，开展精准的、差异化的教学工作以及实时的学习监督与动态的教学管理；要鼓励学习者基于实体教师与虚拟教师的导向性建议在课前和课后等学习阶段自主开展个性化学习。

四、教学评价方式

在“元地球与数字孪生”智慧课程教学环境下，实体教师与虚拟教师可以通过与学习者线上随时的交互活动，由数字孪生教学系统基于学习者学习情况的大数据分析自动实现对学习者的个体评价。“气象灾害学”的教学评价机制是师生之间的双向评价，除了教师可以对学习者进行动态考评，学习者也可以及时对教师的教学效果进行追踪反馈，以便教师可以清楚地了解不同学习者对“气象灾害学”课程知识的掌握程度及理解能力。基于数字孪生的线上线下融合学习空间模型特点，本次研究设计了包括教学体验用户界面评价、可用性评价以及交互设计评价等三方面评价体系。

（一）教学体验的用户界面评价

用户界面是“气象灾害学”数字孪生系统教学场景的用户接口，对其评价应综合考虑信息显示、菜单设置、地理位置、进度存取、操作、输入、视野、定制性等因素。

（二）教学体验的可用性评价

可用性主要考虑“气象灾害学”智慧课程教学体验在达成教学目标时的可重复性、可预期性、可识别性及一致性等因素。

（三）教学体验的交互设计评价

交互设计评价主要考虑学习者在学习过程中的使用环境、体验感、情境剧情设定是否贴合教学大纲、教学目标等因素。

结语

本研究突破“气象灾害学”数字孪生技术瓶颈，以课程主要知识点为主线，在元地球视域下有效构筑“气象灾害学”数字孪生平台。本研究实施能够达到如下目标：（1）优化和更新教学内容，整合多种数字资源，打造沉浸式学习体验。创新构建与课程内容相对应的教学模型，提供智慧化学习支持，让学生掌握传统课堂无法理解的知识细节，将理论知识内化为实践能力。（2）实现灵活的教学方式，把握研究热点和行业前沿，构筑多维融合学习空间。创新搭建“气象灾害学”数字孪生学习平台，让学生实现分时段、碎片化学习，提高教学有效性。（3）聚焦防灾专业人才培养，融合数字化媒介系统，对接新型人才培养方案。创新拓展基于数字孪生的线上线下多元型教学模式。