数字孪生技术在高校实验室建设中的应用研究
作者: 胡淼 谢华 李俊 陈强摘要:本文阐述了数字孪生技术的特征及其发展现状,以及数字孪生技术在实验室建设中的优势,结合分析高校实验室当前建设中的不足,研究数字孪生技术应用于高校实验室建设的可行方案,进而探索应用数字孪生技术的高校实验室建设新模式。本文旨在有效解决当前问题,充分利用现代信息技术,不断拓展和延伸实验室功能,从而顺应新时代发展,提高实验室建设水平,助推教育信息化发展。
关键词:数字孪生技术;高校实验室建设
引言
高等教育是国家科技创新人才培养的核心战场,而实验实践教学环节是其中的重要组成部分。作为教学科研、创新实践重要场所的高校实验室,其信息化管理与应用水平一定程度反映了学校办学实力、实践教学、科研创新、人才培养的能力。近年来,高校实验设施信息化程度逐步提高,能满足实验教学基本要求,提供理论结合实践的基础教学环境,但仍存在一系列问题。
《教育信息化2.0行动计划》[1]中明确要求,在人工智能、5G、AR、VR等新一代信息技术兴起的背景下,必须“充分激发信息技术对教育的革命性影响”“发挥技术优势,变革传统模式,推进新技术与教育教学的深度融合”,从而加快实现2035年中国教育现代化目标。
具有高保真仿真、可视化、动态交互和伴随生命全周期等特点的数字孪生技术,在物理空间的基础上可实现真实环境在虚拟世界的全映射,并实现无缝融合,有望对传统高校实验教学场景带来变革与重构。
1. 数字孪生技术概述
数字孪生技术主要是利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据实施的仿真过程,涉及多个学科,涵盖了多物理量和多尺度,可于虚拟空间中完成映射,反映出实体装备的全生命周期。数字孪生技术的核心在于转化真实世界中的物体,用数字信息形式呈现出来,并对其进行有效管控和优化。其原理涵盖了三个步骤:首先,采集数据,这需要利用不同类型的传感器,将真实世界中的环境参数、运动轨迹等各项数据采集到一起。其次,进行数据转换,将所采集的数据转化为多种数字信息形式,可以是视频,也可以是三维模型等。最后,进行数据处理,主要是处理转换后的数字信息,采用建模、仿真等方式[2]。
数字孪生技术具有交互实时、虚实共生、洞察深度、高度保真等基本特征。具体表现为以下三个方面:一是互操作性,能够实现物理对象、数字空间的双向映射,具有多样的数字模型映射物理实体能力。二是可扩展性,具备集成、替换数字模型的能力,而且扩展了多层级的模型内容。三是实时性,可以通过表征随时间轴变化的物理实体来映射实体的实际状态。
数字孪生技术目前在智慧城市、智能制造、智能健康、智慧教育等领域已有很多应用场景的研究与探索。数字孪生技术为数字时代教育教学新模式的探索提供了新方向,尤其在教与学虚实新空间、实践新环境、交互新方式等方面提供了新的探索方向。美国加州大学、芬兰坦佩雷大学、瑞士应用科学大学分别从数字孪生实验室、智慧学习工厂、微型学习工厂等角度开展探索应用[3]。国内褚乐阳、万力勇等也初步探索数字孪生技术在教育领域的应用,构建了数字孪生技术融入的高校创客空间框架[4-5],探讨数字孪生技术在教育领域的利弊,认为数字孪生技术能有效提升学生学习动力,增强学习责任感,改善学习效果。
数字孪生技术在实验室建设中同样具有重要的优势:其一,操作较为简单,容易创新,可借助物联网技术、仿真工具等将物理设备属性映射于虚拟空间中,帮助人们认识物理实体,这有利于学生开展虚拟仿真实验,加深学生对理论知识的理解,于真实环境中进行实验体验。其二,能够全面测量物理实体,采集大量数据,快速了解物理实体的属性、参数和运行状态,这在实验室建设中也十分有用。
2. 高校实验室当前建设中的不足
近年来,随着我国高等教育投入力度的加大,高校实验设施历经更迭,信息化程度逐步提高,但仍存在一系列问题。作者查阅相关文献资料,并对南京市部分高校在校师生进行问卷调查,对高校实验室负责人、管理人员、学生进行访谈,分析得出高校实验室当前建设中存在的问题,主要表现在以下几个方面。
一是高校对实验室的建设工作不够重视。部分高校对于实验室的认知较为片面,认为实验室只是教学的附属品,缺乏创造性理念,还有部分高校仅将实验室当作科研工作内容,忽视了实验室的作用,不利于培养学生的技术应用能力,也在一定程度上影响了学生的实践教学效果。
二是部分高校实验室建设较为简单,仍然采用传统模式。各类物理环境指标缺乏统一监控和预警,学生自主实践学习环境不理想,教学内容单一、人机交互手段匮乏,实验条件因设备占地、成本及操作安全等因素无法满足实验需求,无法给予学生实训场景,不利于提升学生的动手实践能力[6]。
三是高校实验室的整体效益有待进一步提升。高校在申请实验室建设的时候,一般是以学校教学群体需求为主,面向社会公共开放程度不够,在资源配置方面缺乏自动化、智能化管理,实验设备维护量大且存在利用率不高甚至浪费现象,实验室建设规划不够优化,效益受到影响。
3. 数字孪生技术在高校实验室建设中的践行方案
应用数字孪生技术的高校实验室建设,主要涵盖五层框架结构。
一是物理层,针对的是实验室中的物理世界,包含人、物、资源和环境,以及通过数字孪生技术映射出的虚拟世界,也就是人、物、资源、环境的平行孪生模型,两者之间通过数字孪生技术实现实时管控与优化。
二是网络层,指运用现代数字化技术搭建的人工智能物联网。
三是平台层,指利用数字孪生等技术构建的实验室虚拟管理平台。
四是应用层,指基于数字孪生技术建设的实验室在数据采集的基础上,可扩展引申出的若干应用管理功能。应用层包含虚拟仿真教学平台、远程直播、录播平台、机器人助教、学习考核与评价系统、学生能力培养智慧引导系统和综合能力数字画像系统(通过机器视觉分析技术、深度学习技术来分析学生的学习行为,采集实验过程、实验报告等学习数据,为学生的能力培养提供智慧引导),以及环境、资产等监控管理平台,还可包含场馆、大型仪器设备公开服务、开放预约管理平台等。
五是顶端用户层,可面向多维度的用户使用,包含教师、学生、管理员、远程用户、社会人员、领导及决策者。
此外,应用数字孪生技术的高校实验室,产生了更为丰富、多维度的数据,包含人员数据、资产数据、资源数据、环境数据,人员数据再也不是基本信息、学习成绩、考勤等平面数据,而更多展现出学生学习行为、语言交互等立体数据。这些数据构建出教学大数据平台及互动式教学知识库,能够为高校教与学提供高层次的领导及决策依据。
4. 应用数字孪生技术的高校实验室新模式
应用数字孪生技术的高校实验室建设是一种全新模式,具有以下特点。
一是数字化程度较高。基于数字孪生技术的高校实验室充分应用了信息技术,投入了大量的通信设备,能够快速获取精准信息,并进行有效的信息传输,为实验室教学实践新环境提供建设方向。
二是具有较强的数据共享性。数字孪生技术在实验室中的应用,涵盖了多个方面,涉及的信息数据较多,如科研成果信息、学生档案信息等,这些数据信息可有效共享,有利于整合各项数据,为教与学新模式探究提供领导及决策依据。
三是支持多元化的应用场景。高校实验室新模式中运用了先进的云计算技术、物联网技术、人工智能技术等,支持多样化的应用场景,可进行智慧教学、组织开展智慧科研活动等。相对于传统的高校实验室来说,应用数字孪生技术的高校实验室提供了“新管理、新资源、新应用、新功能”的教与学实践新模式,改变了传统的管理方式,转变了实验室教学设备、课程资源的呈现方式,提供更多更新的应用建设可能性,为在校师生甚至社会人员提供更多功能服务。
4.1 构建一个教学云中心
应用数字孪生技术构建高校实验室,须结合相关产业发展的人才需求,全面培养学生各项能力,提升学生综合素质。可坚持“一个教学云中心”的理念,制定有效的数智人才应用能力培养方案,将教学、实践和科研相结合,增加教学互动性,为高校科研活动提供可靠支持。同时在服务学生本专业教学之外,利用该教学中心引导学生跨学科交叉学习,强化学生复合能力[7]。
4.2 搭建两个资源中心
基于教学云中心搭建两个资源中心:一是课程资源中心,二是数据资源中心。课程资源中心应包含专业课程的实践教学内容,包括实验课程、实训项目案例等;数据资源中心须突破高校各学科内部数据信息之间的壁垒,实现数据信息共享,构建高校数据要素库,促进实验室教学改革水平的提升,实现学科间交叉融合,为科研、教学活动的开展奠定扎实基础,进一步提升高校教师的科研能力,培养其良好的创新意识[8]。
4.3 设计多种开发方式
高校学生群体有一定差异性,可针对不同学生设计不同培养目标及培养方式,突出教学过程中的针对性,应对不同人才培养需求,营造良好实验室实训环境,提供基础的工具平台。例如,针对计算机实践课程,针对教学目标及学生编码能力不同设计三种教学开发方式:低代码开发、编程开发、混合交互开发,从而设计不同的实训任务目标,引导学生开展实践活动,增强学生核心竞争力[9]。
4.4 开展六大应用场景
基于数字孪生技术打造数智实验室需围绕六大应用场景展开,分别是数学课程实践、科研创新应用、产教数据融合、集中项目实训、创新创业实践和区域人才培育。从学生方面来说,数智实验室可为学生提供丰富的学习资源,提升学生的技术能力,让学生进行理论学习,锻炼学生的实践能力;从教师方面来说,可为教师提供科研平台;从区域人才培育方面来说,数智实验室能够融合产教数据,对接不同区域和行业的数据资源,专向性培育人才。
4.5 提供七大服务体系
基于数字孪生技术打造的数智实验室提供了新的服务。
一是学科建设体系。数智实验室可有助于学校和教师进行特色学科建设和规划,其所采集的实验室数据和学生的学习数据等,能为学科建设提供可靠的参考依据。
二是实习就业体系。数智实验室的建设能够对接行业岗位资源,为学生提供实习平台,整合行业岗位资讯,引导学生就业。
三是师资培养体系。数智实验室的用户也针对教师、领导、决策者,有利于进行师资团队建设。
四是竞赛支持体系。数智实验室可以和行业大赛合作联办,负责辅导学习者参与竞赛,提升其竞争能力。
五是培训认证体系。数智实验室的建设有利于实现岗证赛课融通服务。
六是产业对接体系。数智实验室能够精准对接产业发展。
七是科研合作体系。数智实验室可进行项目联合申报、与企业进行课题合作等。
5. 高校实验室建设应用案例
目前,数字孪生技术在高校实验室建设中被广泛应用,许多学校和企业合作创建了数字孪生实验室,如清华大学数字孪生实验室,其主要致力于研究智能制造,开发智慧城市技术,该实验室灵活运用了仿真技术、数字建模技术,能够实时监测城市交通,并予以进一步优化。
另外,2024年1月24日,三峡大学水利与环境学院联合51WORLD共建的“数字孪生水利平台联合实验室”正式揭牌成立[10],为数字孪生水利建设提供有力的人才支撑。该实验室围绕技术研发孵化、专业水利人才培养、产学研用深度合作等方面展开。通过整合学院在水利行业长期领先的科学研究与创新人才培养成果,与51WORLD在数字孪生领域的行业沉淀以及领先的工程化技术能力,实验室将最大化发挥产学研结合优势。
这两个数字孪生实验室建设案例,充分展现了数字孪生技术在不同领域的应用,及其较好的发展潜力。
结语
总而言之,高校应当重视实验室建设工作,需转变传统的建设模式,淘汰落后的实验室教学理念,充分发挥数字孪生技术的作用。可在数字孪生技术的支持下,探索全新的实验室建设模式,打造数智实验室,以提高实验室建设水平,有效发挥现代信息技术优势,培养学生从技术应用能力转向信息素养能力,为推进信息技术与教育教学的深度融合、培养高水平和高素质创新型人才提供创新实践途径。