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摘要：为提高疫情时代学生线上学习的效率并且拓展未来教育形式，提出了一种基于数字孪生体和多种传感器技术的数字平台。提出了检测、收集用户生理数据所需的传感器技术，并借助云平台进行大数据分析。探究了基于机理模型和数据驱动模型的数字孪生体的构建流程，以Hadoop为主分析了实现学习环境及资源构建的数字孪生体的技术架构，结合AR、VR设备实现仿真虚拟教学。描述了可操作的小程序的设计思路，并以上述技术为基础，阐述了可实现的具体功能。

关键词：教育形式；数字孪生体；传感器技术；大数据模型；仿真虚拟教学；可操作小程序

2019年12月，新冠疫情的到来对我国各个行业都造成了严重的冲击，其中，教育行业便是一个典型的例子。由于疫情暴发，教育部根据中央的疫情防控工作部署，提出“疫情期间，严禁开展任何形式的线下培训，不得举办任何形式的聚集性培训活动”，疫情封控期间，学校无法按时复学，教学活动被迫转为在网络上进行，更是有很多校外教育机构难以招生困难，营收始终处于低迷状态，甚至面临倒闭的境地。未来时代还会有各种不确定因素的发生，既然无法改变环境那就必须适应环境。线上教学的开展已经成为了这个时代不可或缺的新型教育方式。

然而，根据各方调查数据，网课的开展并不能带给同学们等同于线下上课效果的教学体验，也难以达成预期的教学成果。根据对在校大学生进行问卷调查统计，大概60%的学生在上课时会出现打游戏、聊天、看视频的非课堂行为，甚至80%的学生承认会在期末考试有过作弊的动机，学生学习的自律性都受到了影响，自主性也容易被外界事物所诱惑，同时也暴露了诚信的缺失问题，而这都是通过目前的线上教育系统无方法解决的。

因此本项目组设想通过建设数字孪生线上教育平台，围绕搜索引擎、数字孪生体构建数字模型及物理引擎、仿真教室为学生和教师群体提供一个更高效的学习工作方式。

1 文献综述

数字孪生的相关技术在国内外已经得到实现，但主要运用于建立物理模型从而对实验或是真实物件进行评估或是维修。在教育方面我国将数字孪生技术用于线上教学活动与管理，其重点在于物理对象通过传感器操作虚拟对象从而使使用者对仿真环境或其他的虚拟对象进行一定程度上的互动。

张枝实于2021年在《数字孪生技术的教育应用研究》一文中指出可以运用数字孪生技术建立关键设备和监控策略，通过采集教学实时运行、学习者量化和镜像模拟的数据，从而一定程度上实现对学习者的全程可视化监控。此观点的提出有利于实时监控学习者，但未考虑建设发现学习者问题或矛盾后应作出的响应与及时处理方法。武丹于2022年在《数字孪生在教育中的应用研究》中指出监控学习者的同时可以提高教师的教学质量。此观点完全正确，但并不全面。教师的教学质量提升并不能实际惠及到每个学习者。

通过现有的研究表明，数字孪生技术在教育领域作为一种新时代的新技术，给教育界带来了大量益处的同时仍存在不少的困难需要解决。一是数字孪生体带来大量信息资源成为了一把双刃剑，它为学习者提供丰富的学习资源，但资源种类过于复杂容易让学习者无法在一众资料中快速找出自己真正需要的资源从而产生认知超负荷的情况。如何帮助学习者精准定位所需的资源是本项目今后一大研究方向。二是本项目关于数字孪生的相关技术并不完全熟悉，再加上现如今大数据时代信息流传过于迅速，本项目无法良好应对学习者及教师相关信息泄露的问题，在今后的研究中也会学习相关技术阻止信息泄露。

2 可行性分析

虚拟教室实现：将教室的空间运用专业软件以三维形态将图像、声音及动画等模拟出来，实现空间及物品的可互动性的虚拟教室系统。

数字孪生实现：用可穿戴的传感器收集学生数据，使得学生数字对象与虚拟空间，形象，物品实现数据交互，整个过程为动态过程，效率可以从上行与下行数据的交互方面进行考虑，像周期性、数据接口与信息建模。

数据架构实现：数字孪生过程中会产生大量的学生数据，例如，学生动作信息，体征信息，对环境的操作信息等。大数据技术有助于实现数据的存储、计算、分析和展示的体系，是一种多冗余、低成本的应用方案，这将为实现的过程节省大量的时间和人员精力。

目前，数字孪生已基本实现，并且研发出了很多关键技术，例如多物理尺度和多物理量建模、结构化的健康管理、高性能计算等。现主要运用于厂房建造前的建模模拟，和工业生产线的模拟于监控。数字孪生技术的真实物理模型，意味着该技术能用于破坏性的实验与各真实物件的维修评估。

像我国将数字孪生技术运用在生产线的多个阶段，做到为物理真实生产线提这些服务能够进行仿真预演分析、连通调试、生产状态监控、数据可视化等，最终分析各项数据以指导和改进实际生产线的规划到运行阶段。

物理对象数据获取：采用可穿戴式的加速度传感器收集用户在现实中的操作数据，可以开发一个含有加速度传感器、蓝牙接收模块、数据储存模块的数据采集器，但是对硬件技术要求较高，成本也高。所以可以将用户手机作为传感器，将手机固定在相应位置，收集手机的加速度数据进行分析用户操作。

虚拟平台搭建：使用微信小程序作为用户与服务的连接平台，设计各种页面。主要功能中需要建造3D数字模型。通过专业性软件以三维形态将图像、声音及动画等模拟出来，应用3D模型进行工作原理演示或虚拟实验操作，像CAID类和CAD类，都是非常专业且成熟的数字建模方法。

3 总体设计

教育平台系统的总体架构采用三层架构，将整个系统的业务划分为应用表示层、业务逻辑层和数据访问层，目的是实现“高内聚、低耦合”，有利于系统的开发、维护、部署和扩展 。系统架构设计如图2所示。

该系统根据功能不同设计了数据采集模块、数字孪生体构建模块、大数据分析模块和对接小程序模块。数据采集模块利用各种传感设备，收集用户肢体动作转化为数据，同时，将相应的数据通过大数据模型解析并转化为用户使用过程中的可视化呈现。数字孪生体构建模块将网络资源和真实教室数据转化为可操作的三维数据，并以AR、VR设备实际呈现。将由此创建的交互式仿真场景集成在了小程序中并辅以家校监督、资源共享、虚拟教室、名师课堂等二级功能。通过小程序接入VR设备，用户可以进入虚拟的仿真教室进行学习、互动，体验更高效的学习工作方式。系统总体结构如图3所示。

4 详细设计

4.1 传感器模块

目前本团队将采用加速度传感器，对用户动作数据进行收集分析，通过对用户动作加速度数据进行分析，能够做到对动作的精准分类与识别。

用户佩戴好传感器进行操作，硬件采集装置将会采集加速度数据，而后就是数据挖掘过程，对数据进行筛选替换。信号分析采用窗口技术，将传感器信号分为若干段信号，放入窗口，对每一个窗口数据都运用算法进行分析，取得结果后也就是待分类的模型，将其与以训练好的大数据模型进行对比得出分类结果。

在形成基于Hadoop平台管理的大数据模型的过程中，需要大量的用户操作数据，对这些有价值的数据运用算法逐一提出特征值，可以运用固定阈值分类，支持向量机，人工神经网络等分类算法，最后汇总分类分析得出分类的模型，进入数据库形成大数据模型。

4.2 数字孪生模块

（1）数据采集

团队将使用关系型数据库将不同来源、类型的网络资源采集到一处，把零散的数据整合在一起。通过Sqoop将关系型数据库（以Mysql为主）中的数据和Hadoop中的数据互相转移，以此实现数据的采集。

（2）数据存储

通过Hadoop进行离线和大规模的数据分析，这将节省大量的硬件资源。

（3）数据计算及处理

借用云平台的算力处理团队采集到的网络资源。

（4）数据查询分析

使用Hive可以解决传统的关系型数据库（MySql、Oracle）在大数据处理上的瓶颈 。Hive 将执行计划分成map->shuffle->reduce->map->shuffle->reduce…的模型。如果一个Query会被编译成多轮MapReduce，则会有更多的写中间结果。由于MapReduce执行框架本身的特点，过多的中间过程会增加整个Query的执行时间。在Hive的运行过程中，团队只需要创建表，导入数据，编写SQL分析语句即可。剩下的过程由Hive框架自动的完成。

（5）数据可视化

团队将对接SmallBI、永洪、帆软等BI平台，将分析得到的数据进行可视化，用于指导决策服务。

（6）三维仿真技术

三维仿真技术是基于信息技术产生的综合型技术，通过专业性软件以三维形态将图像、声音及动画等模拟出来，再通过数字媒介提供浏览，人们浏览时犹如身临其境，可以加深记忆与理解。团队将数字孪生体作为基础，通过与AR进行结合达到三维仿真教学的效果。

4.3 小程序模块

数字孪生体在教育平台中的应用一方面在于实现了更具有沉浸感的翻转课堂，让网课更有真实感，提高了疫情时代的学生网课体验感、参与度，另一方面数字孪生体技术从学生身上获取的数据可用于虚拟学生实体模型的建立，通过数据的处理和分析、数据可视等操作获取的有效信息可直接呈现在微信小程序上。微信由于其简洁的界面设计，及时的通讯功能，便捷的微信支付，成为了目前最流行的及时通信软件之一，微信小程序是一个基于微信软件的小程序平台，登陆微信的用户无需下载便能体验微信小程序，小程序独特的运行机制也使它拥有接近原生APP的性能与流畅度同时免去了烦人的软件更新这一操作。

教育平台的部分功能在微信小程序上实现，让学生能随时随地，打开微信就能立即使用，真正实现了应用“触手可及”的梦想，同时学生也能在小程序上实现简单的课程学习，消息交流以及个人信息查看等功能。

4.3.1 微信小程序设计

微信小程序包括渲染层、逻辑层以及第三方服务器。渲染层的WXML和WXSS负责小程序界面的渲染，逻辑层使用JS脚本负责逻辑处理，渲染层与逻辑层之间的通信由Native微信客服端负责，同时Native微信客服端又负责与第三方服务器进行数据交流，三个方面的数据都通过Native微信客服端进行传递。

从项目的基本组成结构来看，微信小程序主要由以下类型文件组成：

1. pages：用来存放所有小程序界面

2. utils：用来存放工具模块

3. app.js：小程序的入口

4. app.wxss：小程序全局样式文件

5. project.config.json：小程序配置文件

6. sitemap.json：配置用于小程序和界面的微信索引

微信小程序框架的目的是通过尽可能简单、高效的方式让开发者在微信中开发具有原生APP体验的服务。小程序开发需要完成渲染层、逻辑层以及网路的配置。

渲染层也称视图层，由WXML和WXSS编写，由组件进行展示。在编写微信小程序时渲染层负责实现界面的样式布局。WXML类似于网页的HTML，WXSS类似于网页的CSS，使用WXML和WXSS在界面中构造出微信小程序的界面。

逻辑层使用JavaScript编写，逻辑层将数据进行处理后发送给渲染层，同时接收渲染层的事件反馈。

网路方面使用微信提供的云开发服务，即直接使用微信云平台提供的API，此方法相比于传统方法，它的优点在于开发者无需搭建服务器且能直接通过微信小程序严格的网络服务鉴别。

4.3.2 小程序分为客户端和管理端并担任不同职能：

从用户角度来看，小程序的用户主要有教师、学生、游客、管理员四种类型。游客、教师、学生三类群体使用的操作平台为客户端的微信小程序，管理员直接使用第三方服务器作为管理端，管理端是微信小程序的后台管理中心，负责微信小程序的整体运行状态，并为微信小程序的数据交换存储提供相应的接口。

微信小程序在整体界面设计和功能上，通过在一套基础界面上添加用于特定人群的功能，来降低小程序的开发成本和使用难度。小程序的设计总体目标是让用户在无需额外安装软件的基础上体验翻转课堂的绝大部分内容。虚拟课堂中所运用到的VR、AR技术由于技术水平、性能水平限制并不能直接运行在微信小程序中，这部分功能的实现将放到性能更强大的PC上。但一部分功能例如：虚拟教室信息查看，虚拟教室选择预定等功能能在小程序的客户端中完成。

4.3.3 小程序客户端功能的细分

小程序包括名师讲堂、虚拟教室、家长监督、资源共享、重要通知、单独聊天、个人功能、个人信息等核心功能，通过课程、消息、个人中心三个模块来实现。如图二所示，课程模块包括小程序的主要内容，用户可以在课程模块中查看课程，了解、选择、预定虚拟教室，查看生成的家校分析报告，获取教学资源，同时，用户可以在消息模块中可以接收到重要信息，也能和老师同学好友私聊，在个人中心中，用户可以使用一些例如收藏夹、云盘之类的个人功能，个人信息中提供了个人分析报告和个人信息查看修改等功能。

（1）名师讲堂

虽然平台以“学生更懂学生”为理念，淡化老师的存在，学生自主学习，但老师的专业知识终归要比学生丰富，只有学了才有懂或者不懂。所以将用户分为两个群体学生和老师。

老师也可以上传自己的资源供学生参考，开展教学在虚拟教室中进行，学生学完后又可将自己的学习成果进行共享。这就形成了以老师为源头，对知识点掌握透彻的学生为载体以所有学生都获得知识为目标的知识传播链学生通过学习名师课堂获得积分，通过积分可以开设自己的课堂。

（2）虚拟教室

平台教室有别于视频会议式的教室，缺乏立体感，无法得到沉浸式体验，与真实的教室体验有较大的差别。平台教室将采用数字李生技术塑造一个虚拟形象，与其他同学一起进入虚拟教室学习。虚拟教室由平面拓展为三维立体，虚拟形象可在其中学习，做出各种动作，甚至是走动，极力确保有着在教室的感觉。学习对像由学生自己开展，教师也由学生担任，将自己对知识的理解向其他同学展示，既能体验老师的感受，又能与同学进行交流。

疫情让相聚变得不再容易，教学开展困难，学生对教学内容的理解程度参差不齐，虚拟教室提供了相互“见面”交流的机会，以学生为老师既巩，固了知识，也让理解不透彻的学牛得到了提升，减轻了老师的负担。

虚拟教室功能在小程序中的功能如虚拟教室信息查看，即在小程序中可查看多个课程的虚拟教室的相关比如教师信息、学习内容、已预定该课程学生信息等，虚拟教室的预定即对虚拟教室资源的预下载，当选择的课程为由老师准备好的虚拟教室课程时，课程资源文件内容多内存大，不提前预下载学生无法在上课时间立即进入虚拟教室，微信小程序中提供的虚拟教室预定功能就能很好的解决这一问题，学生可以随时打开小程序中的虚拟教室预定功能对课程进行预下载，电脑上的组合程序就会在空闲时下载学生选择的课程资源。而在即时的虚拟教室中学生不需要下载额外的内容，学生只需要进入虚拟教室，相关数据会通过网路时时传输。

（3）家校监督

当用户通过底部导航栏切换到课程时即可看到家校监督并进入，这里提供了将数字孪生体技术采集到的历史数据进行处理分析然后可视化的图表结果，用户可以选择多种图表形式，如饼图、矩阵树状图、条形图、词云、雷达图、折线图等，可以得到一个总体的情况，以及至多一周的分析结果查看，包括从作业、课堂情况、课外学习状况等多方面分析，通过合理的算法形成 。但从另一方面来说这样又让学生的隐私受到了一定程度的侵犯，所以我们不会提供太细节的信息，只会分为几个大部分进行综合评分。每个部分的详细内容评价和建议只有用户本人能看到。

（4）资源共享

用户可以通过底部课程栏切换到资源共享模块，学习平台少不了分享交流，可以推荐书籍供大家阅读，并进行交流讲述自己的看法;可以分享自己的学习经验，一起交流如何进步，做到取长补短;分享自己的学习资源，将自己的视频课程，笔记进行分享，也可以将自身学习经历分享出来，让平台中的同学对照自身进行借鉴或者是避雷;资源可以为图片、视频文字、音频，格式的多样性让资源更容易传递，技术就更容易被被平台的人获得。平台让学生为主体分享资源，能够让学生更容易获得自己想要的结果，学生更懂学生的需求，生在同一时代的学生经验与资源更值得借鉴。

（5）消息

消息模块让用户能在小程序中进行消息交流，支持文字、图片的传输，老师能在小程序中发布通知、作业，学生可以通过消息模块接收并查看，这些通知、作业称为重要通知，同时每个用户也能通过消息模块与一定范围内的用户进行交流，讨论，老师、同学、朋友之间都可以通过消息模块进行私聊，私聊内容只有互发消息的两个人能看到。消息模块主要是为了用户间的简短交流而设计的，所以不会提供大文件的传输支持，比如教学视频、教学资料等将无法直接在消息模块中传输。去除对大文件的支持，在一定程度上提高了消息模块的稳定性以及高效性，但同时消息模块增大了聊天历史信息容量，用户能对聊天中的重点内容进行收藏，并在聊天信息收藏夹中进行查看。

（6）个人中心

当用户通过底部个人中心栏便可进入个人中心模块，个人中心包含个人信息、收藏夹、云盘、综合表现、弱点探究功能，。在个人信息界面用户可以查看或修改自己的基本信息；在收藏夹界面用户可以查看、标记、删除收藏内容；在云盘界面用户可以上传下载一些文件；在综合表现界面，用户可以查看基于所有课堂综合评价数据给出的一个综合评分，同时通过一个包含所有在读和毕业学生的所有采集到的数据的数据库进行大数据分析，给出目前综合评分、弱势点分析、以及提供学习模式参考。

5 结语

本设计讨论了机理模型和数字驱动模型结合的方法构建数字孪生体并以数字仿生技术进行搭建教育平台的流程。创新性地利用传感器收集用户数据并拓展了小程序的多种职能，利用云平台的大数据分析能力极大地降低了硬件成本和开发成本。现阶段暂时停留在理论基础，后期会逐步搭建小程序框架，以及进行利用传感器分析数据的试验。期望探索未来教育的新方向。

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作者简介：潘贺彬，男，学生；王炳棋，男，学生；秦一丹，女，学生；南韵菲 女，学生.