数字孪生的概念

      工业4.0定义了数字孪生（Digital Twin）的概念：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。    

     在工业领域，当前自动化技术广泛应用，最具革命性意义的是机器人开始出现在工作人员身旁，引入机器人的企业需要评估机器人是否能在生产环境中准确执行人的工作，机器人的尺寸和伸缩范围会不会对周围的设备造成干扰，以及它有没有可能导致操作员受到伤害等等。机器人成本昂贵，更需要在早期就完成这些工作的验证。

     随着产品制造过程越来越复杂，制造中所发生的一切需要进行完善的规划。而一般的过程规划是设计人员和制造人员基于不同的系统独立工作。设计人员将产品创意提交给制造部门，由他们去思考如何制造。这样容易导致产品信息流失，使得制造人员很难看到实际状况，增加出错的几率。一旦设计发生变更，制造过程很难实现同步更新。

     而在产品的制造过程，制造系统中所有流程都准确无误，生产才可以顺利开展，但万一生产进展不顺利，由于整个过程非常复杂，制造环节出现问题并影响到产出的时候，很难迅速找出问题所在。 为了实现卓越的制造，必须清楚了解生产规划以及执行情况。企业经常抱怨难以确保规划和执行都准确无误，并满足所有设计需求，这是因为如何在规划与执行之间实现关联，如何将在生产环节收集到的有效信息反馈至产品设计环节，是一个很大的挑战。

      数字孪生高效的解决方案是搭建规划和执行的闭合环路，利用数字孪生模型将虚拟生产世界和现实生产世界结合起来， 建立包含所有制造过程细节的数字孪生模型，在虚拟环境中验证制造过程，发现问题后只需要在模型中进行修正即可，比如机器人发生干涉时，改变工作台的高度、输送带的位置、反转装配台等，然后再次执行仿真，确保机器人能正确执行任务。数字孪生模型以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，它依赖传感器数据理解其状态，来模拟其在现实环境中的行为，对变化做出响应，改进操作，增加价值。 制造企业通过搭建整合制造流程的生产系统数字孪生模型，能实现从产品设计、生产计划到制造执行的全过程数字化。可以在数字孪生模型中对不同的生产策略进行模拟仿真和评估，结合大数据分析和统计学技术，快速找出有空档时间的工序。调整策略后再模拟仿真整个生产系统的绩效，进一步优化实现所有资源利用率的最大化，确保所有工序上的所有人都尽其所能，实现盈利能力的最大化。

        在数字孪生技术中，所需要制造的产品、制造的方式、资源以及地点等各个方面可以进行系统地规划，通过数字建模将各方面关联起来，实现设计人员和制造人员的协同。一旦发生设计变更，可以在数字孪生模型中方便地更新制造过程，包括更新面向制造的物料清单，创建新的工序，为工序分配新的操作人员，在此基础上进一步将完成各项任务所需的时间以及所有不同的工序整合在一起，进行分析和规划，直到产生满意制造过程方案。此外还可以使用大数据技术，直接从生产设备中收集实时的质量数据，将这些信息覆盖在数字孪生模型上，对设计和实际制造结果进行比对，检查二者是否存在差异，找出存在差异的原因和解决方法，确保生产能完全按照规划来执行。

        借助数字孪生模型在产品设计阶段预见其性能并加以改进，制造流程初期就掌握准确信息并预见制造过程，保证所有细节都准确无误，这些无疑是具有重要意义的，因为越早知道如何制造出色的产品，就能越快的向市场推出优质的产品，抢占先机。

工业4.0对教育的时代要求

      技术进步引导变革来推进社会进步已经成为普遍共识，按照马克思的观点，生产力的改变不是革命，只有生产力发展到推动生产关系发生改变的时候，才是革命。工业4.0时代，具有高度认知能力和智能水平的机器（人）会成为生产关系不可回避的一部分，可能今天这个论断还会让很多人觉得无法接受，而这是一个必然的未来。2011年，IBM的超级电脑“沃森“在《危险边缘》智力竞赛节目中胜出，2016年3月9日，谷歌的AlphaGo打败了世界顶级围棋棋手李世石，随着人工智能的发展，类似”沃森“这样的人工心智系统将很快成为世界上最好的医生、法官、律师、工程师、企业高管、飞行员甚至政治领导人，将来具有人工心智的机器代替人类从事工作的地方会越来越多。将来的职场新人可能会愕然地发现自己的同事不是自然人，甚至他们的上司和老板居然也不是自然人，最难以想象的可能是享受自己劳动成果的用户也可能不是自然人！《黑客帝国》、《鹰眼》、《少数派报告》这些美国科幻大片所描绘的人工智能统治人类社会的场景可能会让人感到恐怖，但我们不得不面对这样的社会是很有可能到来的。

         在工业4.0时代中， 数以万亿计的智能设备将通过物联网和工业互联网构成了一个“人工心智社会”或“数字意识世界”，这个“数字意识世界”也将会挑战我们每个人对生命意义的观念，人工智能可以被视为异类心智，它们可能具有和我们人类不一样的思维方式。 当人工智能成为社会关系一部分的时候，人必须学会和"数字心智"的相处，过去生产关系中存在的阶级矛盾、组织内部矛盾很有可能让位给人和“数字意识世界”之间的矛盾，这将从根本上挑战人类社会的传统伦理和价值观，我们将在未来的30年中，甚至一个世纪里都会陷入一种旷日持久的身份危机，我们都要不断扪心自问人类的意义, 而我认为这是工业4.0给人类社会带来的最震撼的革命性改变。我们的下一代如何在这样的社会生存，这是当下我们的教育必须思考和应对的问题，因此工业4.0所倒逼出来对人类社会最深远影响的问题，不在经济领域，而在于教育领域，就是在工业4.0时代“如何做人、何以为人、以何育人”的问题。

        2016年9月13日上午，《中国学生发展核心素养研究成果》发布会在北京师范大学举行。这项历时三年权威出炉的研究成果，以科学性、时代性和民族性为基本原则，以培养“全面发展的人”为核心，对学生发展核心素养的内涵、表现、落实途径等做了详细阐释。 学生发展核心素养结合工业4.0时代的要求，应具备的哪些能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力要求呢？

      工业4.0时代的挑战都是前所未见的，过去的知识和经验已经没有办法解决未来工业4.0时代遇到的问题，唯有建立不断的探索、创新、分享的创客心智模式才能应对，中国学生发展核心素养中科学精神、学会学习、实践创新是创客教育直接涉及到的培养目标，理性思维、批判质疑、勇于探究、乐学善学、勤于反思、信息意识、劳动意识、问题解决、技术运用这些都能充分反映新时期经济社会发展对创客式人才培养的新要求，因而在将创客教育与现有教育体系融为一体的课程改革过程中，就不仅要对现有教育中的自然科学与艺术类课程教学提出新要求，而且对人文与社科类课程教学也应提出全新要求。以求解决“如何做一个在工业4.0时代全面发展的人”的问题。

数字孪生和创客教育的结合

       关于“创客活动”，一般认为最早源于美国麻省理工学院（MIT）的比特及原子研究中心在 2001 年发起的 Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作实验室）创新项目。Fab Lab以个人创意、个人设计、个人制作为核心理念，旨在构建以用户为中心，融合设计、制作、装配、调试、分析以及文档管理的全流程创新制作环境。据 Fab 基金会统计，目前全球已有 30 多个国家建设了 FabLab，通过标准化制作工具（激光切割器、数控铣床、嵌入式处理器、CAD/CAM软件、电路板等）与流程分享，形成了全球最大规模的分布式创新制作实验室。“创客空间”（Maker Space）是指配备有一定科技含量的软硬件工具、材料，便于创客们一起协作以实现他们创意的开放性工作场所。 前面提到的 Fab Lab，就是国际上最早的一批创客空间。

       开展创客教育需要有两类创客空间，一类是物理创客空间（也称“创客实验室”），这是专门为创客提供各种技术工具手段和丰富信息资料及研发场地的物理平台；另一类是在线创客空间，这是专门为创客们提供展示作品、交流思想体会、分享创造成果的在线社交空间。 由于创客活动的开展强调要有科学技术工具、手段及环境（尤其是信息技术环境）的支持，所以和创客活动相结合的各学科教学，肯定是在信息化环境下的教学，即这类教学的效果都和信息技术能否与课程有效整合的模式（尤其是深层次整合，即深度融合的模式）密切相关。

     正如数字孪生突然赋予了工业创客们以全新的梦想，它正在引导人们，穿越那虚实界墙，在物理与数字模型之间自由交互与行走。数字孪生对我们最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向赛博虚拟空间数字化模型的反馈，这是一次源自工业领域的逆向思维的壮举，人们试图将物理世界发生的一切，塞回到数字空间中。只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期概念。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性，这就是数字孪生可以赋予智能制造的意义所在。

       当我们把数字孪生从工业领域拓展到创客教育领域，也同样可以赋予我们的学生们以全新的梦想和学习体验。数字孪生技术可以把原来的在线创客空间和物理的创客空间融合起来成为一个无缝的“数字孪生创客空间”，原来在线的创客空间就不仅仅是创客们展示和交流成果的社交工具，而可以利用“互联网+”战略对创客教育方式进行“模式创新“和”流程再造”，数字孪生创客教育将虚拟创客空间和物理创客空间结合起来成为“数字孪生创客空间”，就能打破传统校园创客空间的物理局限性，建设一个对于参与其中的学生来说“处处能做、时时可学、样样可试”的无限制的全方位创客教育学习环境。

       这毫无疑问也将是一个更有吸引力的学习环境，在“数字孪生创客空间”的学习和实践在与物理世界高度仿真情境中发生，学子在虚拟创客空间中获得的知识和体验与物理创客空间中的一样真实，同样能有效验证他们想法实现的各种可能性，而且借助数字孪生模型在创意设计阶段的预见性，在创意的初期就掌握准确信息并预见实物制造过程，保证所有细节都准确无误，这些无疑是具有重要意义的，这样也越早知道如何在物理创客空间中制造更出色的作品。

       学生们在“数字孪生创客空间”中参与创客教育活动改变了原来做的“广度”、“深度”、“速度”，可以更大限度地发挥他们的想象力提出了“还可以做什么？”、“更进一步可以做得怎么样？”、“更高的效率会是怎么样？”，在这样的情景中他们所建构的知识同样具有真实性外，将获得比传统创客教育“做中学”所获得的知识有更大的高度和深度，也能达到更好的学习体验和教育效果。

      “数字孪生创客教育”有更进一步的人文意义，在我们倡导的有中国特色的创客教育中，现在所要培养的人才已不仅仅是能够把创意转化成实体作品（物质产品）的创造者，而且还包括能够把创新的思想、理论、方法转化为精神产品的创造者，“数字孪生创客教育”活动所积累的孪生数据无疑可以充当实体作品和精神产品之间的语言，而进一步成为工业4.0时代社会文化模式和知识的“中介工具”，根据维果茨基心理发展理论，这种社会文化中介工具既可以作用于外部物质变革的同时也作用于人的内部心理过程，因此，“数字孪生创客教育”可以让学生们从“数字孪生创客空间”的学习和实践中获得与工业4.0时代相匹配的素养发展，从而成为一个“在工业4.0时代全面发展的人”。

参考文献

【1】高文、徐斌艳、吴刚 主编. 建构主义教育育研究.北京：教育科学出版社 2008年2月.

【2】何克抗. 论创客教育与创新教育.教育研究.2016年第4期.

【3】陶飞，张萌，程江峰，戚庆林. 数字孪生车间---一种未来车间运行新模式.计算机集成制造系统[J].2017年1月，第23卷第1期.