數(shù)字孿生的概念

      工業(yè)4.0定義了數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。    

     在工業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用，最具革命性意義的是機(jī)器人開(kāi)始出現(xiàn)在工作人員身旁，引入機(jī)器人的企業(yè)需要評(píng)估機(jī)器人是否能在生產(chǎn)環(huán)境中準(zhǔn)確執(zhí)行人的工作，機(jī)器人的尺寸和伸縮范圍會(huì)不會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備造成干擾，以及它有沒(méi)有可能導(dǎo)致操作員受到傷害等等。機(jī)器人成本昂貴，更需要在早期就完成這些工作的驗(yàn)證。

     隨著產(chǎn)品制造過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，制造中所發(fā)生的一切需要進(jìn)行完善的規(guī)劃。而一般的過(guò)程規(guī)劃是設(shè)計(jì)人員和制造人員基于不同的系統(tǒng)獨(dú)立工作。設(shè)計(jì)人員將產(chǎn)品創(chuàng)意提交給制造部門，由他們?nèi)ニ伎既绾沃圃?。這樣容易導(dǎo)致產(chǎn)品信息流失，使得制造人員很難看到實(shí)際狀況，增加出錯(cuò)的幾率。一旦設(shè)計(jì)發(fā)生變更，制造過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)同步更新。

     而在產(chǎn)品的制造過(guò)程，制造系統(tǒng)中所有流程都準(zhǔn)確無(wú)誤，生產(chǎn)才可以順利開(kāi)展，但萬(wàn)一生產(chǎn)進(jìn)展不順利，由于整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜，制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題并影響到產(chǎn)出的時(shí)候，很難迅速找出問(wèn)題所在。 為了實(shí)現(xiàn)卓越的制造，必須清楚了解生產(chǎn)規(guī)劃以及執(zhí)行情況。企業(yè)經(jīng)常抱怨難以確保規(guī)劃和執(zhí)行都準(zhǔn)確無(wú)誤，并滿足所有設(shè)計(jì)需求，這是因?yàn)槿绾卧谝?guī)劃與執(zhí)行之間實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，如何將在生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集到的有效信息反饋至產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

      數(shù)字孿生高效的解決方案是搭建規(guī)劃和執(zhí)行的閉合環(huán)路，利用數(shù)字孿生模型將虛擬生產(chǎn)世界和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界結(jié)合起來(lái)， 建立包含所有制造過(guò)程細(xì)節(jié)的數(shù)字孿生模型，在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證制造過(guò)程，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后只需要在模型中進(jìn)行修正即可，比如機(jī)器人發(fā)生干涉時(shí)，改變工作臺(tái)的高度、輸送帶的位置、反轉(zhuǎn)裝配臺(tái)等，然后再次執(zhí)行仿真，確保機(jī)器人能正確執(zhí)行任務(wù)。數(shù)字孿生模型以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建的虛擬模型，它依賴傳感器數(shù)據(jù)理解其狀態(tài)，來(lái)模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)變化做出響應(yīng)，改進(jìn)操作，增加價(jià)值。 制造企業(yè)通過(guò)搭建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，能實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃到制造執(zhí)行的全過(guò)程數(shù)字化?？梢栽跀?shù)字孿生模型中對(duì)不同的生產(chǎn)策略進(jìn)行模擬仿真和評(píng)估，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)，快速找出有空檔時(shí)間的工序。調(diào)整策略后再模擬仿真整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的績(jī)效，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)現(xiàn)所有資源利用率的最大化，確保所有工序上的所有人都盡其所能，實(shí)現(xiàn)盈利能力的最大化。

        在數(shù)字孿生技術(shù)中，所需要制造的產(chǎn)品、制造的方式、資源以及地點(diǎn)等各個(gè)方面可以進(jìn)行系統(tǒng)地規(guī)劃，通過(guò)數(shù)字建模將各方面關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員和制造人員的協(xié)同。一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，可以在數(shù)字孿生模型中方便地更新制造過(guò)程，包括更新面向制造的物料清單，創(chuàng)建新的工序，為工序分配新的操作人員，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將完成各項(xiàng)任務(wù)所需的時(shí)間以及所有不同的工序整合在一起，進(jìn)行分析和規(guī)劃，直到產(chǎn)生滿意制造過(guò)程方案。此外還可以使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，直接從生產(chǎn)設(shè)備中收集實(shí)時(shí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，將這些信息覆蓋在數(shù)字孿生模型上，對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)際制造結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保生產(chǎn)能完全按照規(guī)劃來(lái)執(zhí)行。

        借助數(shù)字孿生模型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)見(jiàn)其性能并加以改進(jìn)，制造流程初期就掌握準(zhǔn)確信息并預(yù)見(jiàn)制造過(guò)程，保證所有細(xì)節(jié)都準(zhǔn)確無(wú)誤，這些無(wú)疑是具有重要意義的，因?yàn)樵皆缰廊绾沃圃斐錾漠a(chǎn)品，就能越快的向市場(chǎng)推出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，搶占先機(jī)。

工業(yè)4.0對(duì)教育的時(shí)代要求

      技術(shù)進(jìn)步引導(dǎo)變革來(lái)推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步已經(jīng)成為普遍共識(shí)，按照馬克思的觀點(diǎn)，生產(chǎn)力的改變不是革命，只有生產(chǎn)力發(fā)展到推動(dòng)生產(chǎn)關(guān)系發(fā)生改變的時(shí)候，才是革命。工業(yè)4.0時(shí)代，具有高度認(rèn)知能力和智能水平的機(jī)器（人）會(huì)成為生產(chǎn)關(guān)系不可回避的一部分，可能今天這個(gè)論斷還會(huì)讓很多人覺(jué)得無(wú)法接受，而這是一個(gè)必然的未來(lái)。2011年，IBM的超級(jí)電腦“沃森“在《危險(xiǎn)邊緣》智力競(jìng)賽節(jié)目中勝出，2016年3月9日，谷歌的AlphaGo打敗了世界頂級(jí)圍棋棋手李世石，隨著人工智能的發(fā)展，類似”沃森“這樣的人工心智系統(tǒng)將很快成為世界上最好的醫(yī)生、法官、律師、工程師、企業(yè)高管、飛行員甚至政治領(lǐng)導(dǎo)人，將來(lái)具有人工心智的機(jī)器代替人類從事工作的地方會(huì)越來(lái)越多。將來(lái)的職場(chǎng)新人可能會(huì)愕然地發(fā)現(xiàn)自己的同事不是自然人，甚至他們的上司和老板居然也不是自然人，最難以想象的可能是享受自己勞動(dòng)成果的用戶也可能不是自然人！《黑客帝國(guó)》、《鷹眼》、《少數(shù)派報(bào)告》這些美國(guó)科幻大片所描繪的人工智能統(tǒng)治人類社會(huì)的場(chǎng)景可能會(huì)讓人感到恐怖，但我們不得不面對(duì)這樣的社會(huì)是很有可能到來(lái)的。

         在工業(yè)4.0時(shí)代中， 數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的智能設(shè)備將通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成了一個(gè)“人工心智社會(huì)”或“數(shù)字意識(shí)世界”，這個(gè)“數(shù)字意識(shí)世界”也將會(huì)挑戰(zhàn)我們每個(gè)人對(duì)生命意義的觀念，人工智能可以被視為異類心智，它們可能具有和我們?nèi)祟惒灰粯拥乃季S方式。 當(dāng)人工智能成為社會(huì)關(guān)系一部分的時(shí)候，人必須學(xué)會(huì)和"數(shù)字心智"的相處，過(guò)去生產(chǎn)關(guān)系中存在的階級(jí)矛盾、組織內(nèi)部矛盾很有可能讓位給人和“數(shù)字意識(shí)世界”之間的矛盾，這將從根本上挑戰(zhàn)人類社會(huì)的傳統(tǒng)倫理和價(jià)值觀，我們將在未來(lái)的30年中，甚至一個(gè)世紀(jì)里都會(huì)陷入一種曠日持久的身份危機(jī)，我們都要不斷捫心自問(wèn)人類的意義, 而我認(rèn)為這是工業(yè)4.0給人類社會(huì)帶來(lái)的最震撼的革命性改變。我們的下一代如何在這樣的社會(huì)生存，這是當(dāng)下我們的教育必須思考和應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，因此工業(yè)4.0所倒逼出來(lái)對(duì)人類社會(huì)最深遠(yuǎn)影響的問(wèn)題，不在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，而在于教育領(lǐng)域，就是在工業(yè)4.0時(shí)代“如何做人、何以為人、以何育人”的問(wèn)題。

        2016年9月13日上午，《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果》發(fā)布會(huì)在北京師范大學(xué)舉行。這項(xiàng)歷時(shí)三年權(quán)威出爐的研究成果，以科學(xué)性、時(shí)代性和民族性為基本原則，以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，對(duì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的內(nèi)涵、表現(xiàn)、落實(shí)途徑等做了詳細(xì)闡釋。 學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)結(jié)合工業(yè)4.0時(shí)代的要求，應(yīng)具備的哪些能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力要求呢？

      工業(yè)4.0時(shí)代的挑戰(zhàn)都是前所未見(jiàn)的，過(guò)去的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)沒(méi)有辦法解決未來(lái)工業(yè)4.0時(shí)代遇到的問(wèn)題，唯有建立不斷的探索、創(chuàng)新、分享的創(chuàng)客心智模式才能應(yīng)對(duì)，中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)中科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新是創(chuàng)客教育直接涉及到的培養(yǎng)目標(biāo)，理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究、樂(lè)學(xué)善學(xué)、勤于反思、信息意識(shí)、勞動(dòng)意識(shí)、問(wèn)題解決、技術(shù)運(yùn)用這些都能充分反映新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)客式人才培養(yǎng)的新要求，因而在將創(chuàng)客教育與現(xiàn)有教育體系融為一體的課程改革過(guò)程中，就不僅要對(duì)現(xiàn)有教育中的自然科學(xué)與藝術(shù)類課程教學(xué)提出新要求，而且對(duì)人文與社科類課程教學(xué)也應(yīng)提出全新要求。以求解決“如何做一個(gè)在工業(yè)4.0時(shí)代全面發(fā)展的人”的問(wèn)題。

數(shù)字孿生和創(chuàng)客教育的結(jié)合

       關(guān)于“創(chuàng)客活動(dòng)”，一般認(rèn)為最早源于美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的比特及原子研究中心在 2001 年發(fā)起的 Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作實(shí)驗(yàn)室）創(chuàng)新項(xiàng)目。Fab Lab以個(gè)人創(chuàng)意、個(gè)人設(shè)計(jì)、個(gè)人制作為核心理念，旨在構(gòu)建以用戶為中心，融合設(shè)計(jì)、制作、裝配、調(diào)試、分析以及文檔管理的全流程創(chuàng)新制作環(huán)境。據(jù) Fab 基金會(huì)統(tǒng)計(jì)，目前全球已有 30 多個(gè)國(guó)家建設(shè)了 FabLab，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化制作工具（激光切割器、數(shù)控銑床、嵌入式處理器、CAD/CAM軟件、電路板等）與流程分享，形成了全球最大規(guī)模的分布式創(chuàng)新制作實(shí)驗(yàn)室?！皠?chuàng)客空間”（Maker Space）是指配備有一定科技含量的軟硬件工具、材料，便于創(chuàng)客們一起協(xié)作以實(shí)現(xiàn)他們創(chuàng)意的開(kāi)放性工作場(chǎng)所。 前面提到的 Fab Lab，就是國(guó)際上最早的一批創(chuàng)客空間。

       開(kāi)展創(chuàng)客教育需要有兩類創(chuàng)客空間，一類是物理創(chuàng)客空間（也稱“創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室”），這是專門為創(chuàng)客提供各種技術(shù)工具手段和豐富信息資料及研發(fā)場(chǎng)地的物理平臺(tái)；另一類是在線創(chuàng)客空間，這是專門為創(chuàng)客們提供展示作品、交流思想體會(huì)、分享創(chuàng)造成果的在線社交空間。 由于創(chuàng)客活動(dòng)的開(kāi)展強(qiáng)調(diào)要有科學(xué)技術(shù)工具、手段及環(huán)境（尤其是信息技術(shù)環(huán)境）的支持，所以和創(chuàng)客活動(dòng)相結(jié)合的各學(xué)科教學(xué)，肯定是在信息化環(huán)境下的教學(xué)，即這類教學(xué)的效果都和信息技術(shù)能否與課程有效整合的模式（尤其是深層次整合，即深度融合的模式）密切相關(guān)。

     正如數(shù)字孿生突然賦予了工業(yè)創(chuàng)客們以全新的夢(mèng)想，它正在引導(dǎo)人們，穿越那虛實(shí)界墻，在物理與數(shù)字模型之間自由交互與行走。數(shù)字孿生對(duì)我們最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向賽博虛擬空間數(shù)字化模型的反饋，這是一次源自工業(yè)領(lǐng)域的逆向思維的壯舉，人們?cè)噲D將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數(shù)字空間中。只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期范圍內(nèi)，保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致。各種基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，都能確保它與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性，這就是數(shù)字孿生可以賦予智能制造的意義所在。

       當(dāng)我們把數(shù)字孿生從工業(yè)領(lǐng)域拓展到創(chuàng)客教育領(lǐng)域，也同樣可以賦予我們的學(xué)生們以全新的夢(mèng)想和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。數(shù)字孿生技術(shù)可以把原來(lái)的在線創(chuàng)客空間和物理的創(chuàng)客空間融合起來(lái)成為一個(gè)無(wú)縫的“數(shù)字孿生創(chuàng)客空間”，原來(lái)在線的創(chuàng)客空間就不僅僅是創(chuàng)客們展示和交流成果的社交工具，而可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略對(duì)創(chuàng)客教育方式進(jìn)行“模式創(chuàng)新“和”流程再造”，數(shù)字孿生創(chuàng)客教育將虛擬創(chuàng)客空間和物理創(chuàng)客空間結(jié)合起來(lái)成為“數(shù)字孿生創(chuàng)客空間”，就能打破傳統(tǒng)校園創(chuàng)客空間的物理局限性，建設(shè)一個(gè)對(duì)于參與其中的學(xué)生來(lái)說(shuō)“處處能做、時(shí)時(shí)可學(xué)、樣樣可試”的無(wú)限制的全方位創(chuàng)客教育學(xué)習(xí)環(huán)境。

       這毫無(wú)疑問(wèn)也將是一個(gè)更有吸引力的學(xué)習(xí)環(huán)境，在“數(shù)字孿生創(chuàng)客空間”的學(xué)習(xí)和實(shí)踐在與物理世界高度仿真情境中發(fā)生，學(xué)子在虛擬創(chuàng)客空間中獲得的知識(shí)和體驗(yàn)與物理創(chuàng)客空間中的一樣真實(shí)，同樣能有效驗(yàn)證他們想法實(shí)現(xiàn)的各種可能性，而且借助數(shù)字孿生模型在創(chuàng)意設(shè)計(jì)階段的預(yù)見(jiàn)性，在創(chuàng)意的初期就掌握準(zhǔn)確信息并預(yù)見(jiàn)實(shí)物制造過(guò)程，保證所有細(xì)節(jié)都準(zhǔn)確無(wú)誤，這些無(wú)疑是具有重要意義的，這樣也越早知道如何在物理創(chuàng)客空間中制造更出色的作品。

       學(xué)生們?cè)凇皵?shù)字孿生創(chuàng)客空間”中參與創(chuàng)客教育活動(dòng)改變了原來(lái)做的“廣度”、“深度”、“速度”，可以更大限度地發(fā)揮他們的想象力提出了“還可以做什么？”、“更進(jìn)一步可以做得怎么樣？”、“更高的效率會(huì)是怎么樣？”，在這樣的情景中他們所建構(gòu)的知識(shí)同樣具有真實(shí)性外，將獲得比傳統(tǒng)創(chuàng)客教育“做中學(xué)”所獲得的知識(shí)有更大的高度和深度，也能達(dá)到更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教育效果。

      “數(shù)字孿生創(chuàng)客教育”有更進(jìn)一步的人文意義，在我們倡導(dǎo)的有中國(guó)特色的創(chuàng)客教育中，現(xiàn)在所要培養(yǎng)的人才已不僅僅是能夠把創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成實(shí)體作品（物質(zhì)產(chǎn)品）的創(chuàng)造者，而且還包括能夠把創(chuàng)新的思想、理論、方法轉(zhuǎn)化為精神產(chǎn)品的創(chuàng)造者，“數(shù)字孿生創(chuàng)客教育”活動(dòng)所積累的孿生數(shù)據(jù)無(wú)疑可以充當(dāng)實(shí)體作品和精神產(chǎn)品之間的語(yǔ)言，而進(jìn)一步成為工業(yè)4.0時(shí)代社會(huì)文化模式和知識(shí)的“中介工具”，根據(jù)維果茨基心理發(fā)展理論，這種社會(huì)文化中介工具既可以作用于外部物質(zhì)變革的同時(shí)也作用于人的內(nèi)部心理過(guò)程，因此，“數(shù)字孿生創(chuàng)客教育”可以讓學(xué)生們從“數(shù)字孿生創(chuàng)客空間”的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中獲得與工業(yè)4.0時(shí)代相匹配的素養(yǎng)發(fā)展，從而成為一個(gè)“在工業(yè)4.0時(shí)代全面發(fā)展的人”。

參考文獻(xiàn)

【1】高文、徐斌艷、吳剛 主編. 建構(gòu)主義教育育研究.北京：教育科學(xué)出版社 2008年2月.

【2】何克抗. 論創(chuàng)客教育與創(chuàng)新教育.教育研究.2016年第4期.

【3】陶飛，張萌，程江峰，戚慶林. 數(shù)字孿生車間---一種未來(lái)車間運(yùn)行新模式.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)[J].2017年1月，第23卷第1期.