數字孿生的概念
工業4.0定義了數字孿生（Digital Twin）的概念：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。
在工業領域，當前自動化技術廣泛應用，最具革命性意義的是機器人開始出現在工作人員身旁，引入機器人的企業需要評估機器人是否能在生產環境中準確執行人的工作，機器人的尺寸和伸縮范圍會不會對周圍的設備造成干擾，以及它有沒有可能導致操作員受到傷害等等。機器人成本昂貴，更需要在早期就完成這些工作的驗證。
隨著產品制造過程越來越復雜，制造中所發生的一切需要進行完善的規劃。而一般的過程規劃是設計人員和制造人員基于不同的系統獨立工作。設計人員將產品創意提交給制造部門，由他們去思考如何制造。這樣容易導致產品信息流失，使得制造人員很難看到實際狀況，增加出錯的幾率。一旦設計發生變更，制造過程很難實現同步更新。
而在產品的制造過程，制造系統中所有流程都準確無誤，生產才可以順利開展，但萬一生產進展不順利，由于整個過程非常復雜，制造環節出現問題并影響到產出的時候，很難迅速找出問題所在。 為了實現卓越的制造，必須清楚了解生產規劃以及執行情況。企業經常抱怨難以確保規劃和執行都準確無誤，并滿足所有設計需求，這是因為如何在規劃與執行之間實現關聯，如何將在生產環節收集到的有效信息反饋至產品設計環節，是一個很大的挑戰。
數字孿生高效的解決方案是搭建規劃和執行的閉合環路，利用數字孿生模型將虛擬生產世界和現實生產世界結合起來， 建立包含所有制造過程細節的數字孿生模型，在虛擬環境中驗證制造過程，發現問題后只需要在模型中進行修正即可，比如機器人發生干涉時，改變工作臺的高度、輸送帶的位置、反轉裝配臺等，然后再次執行仿真，確保機器人能正確執行任務。數字孿生模型以數字化方式為物理對象創建的虛擬模型，它依賴傳感器數據理解其狀態，來模擬其在現實環境中的行為，對變化做出響應，改進操作，增加價值。 制造企業通過搭建整合制造流程的生產系統數字孿生模型，能實現從產品設計、生產計劃到制造執行的全過程數字化。可以在數字孿生模型中對不同的生產策略進行模擬仿真和評估，結合大數據分析和統計學技術，快速找出有空檔時間的工序。調整策略后再模擬仿真整個生產系統的績效，進一步優化實現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，實現盈利能力的最大化。
在數字孿生技術中，所需要制造的產品、制造的方式、資源以及地點等各個方面可以進行系統地規劃，通過數字建模將各方面關聯起來，實現設計人員和制造人員的協同。一旦發生設計變更，可以在數字孿生模型中方便地更新制造過程，包括更新面向制造的物料清單，創建新的工序，為工序分配新的操作人員，在此基礎上進一步將完成各項任務所需的時間以及所有不同的工序整合在一起，進行分析和規劃，直到產生滿意制造過程方案。此外還可以使用大數據技術，直接從生產設備中收集實時的質量數據，將這些信息覆蓋在數字孿生模型上，對設計和實際制造結果進行比對，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保生產能完全按照規劃來執行。
借助數字孿生模型在產品設計階段預見其性能并加以改進，制造流程初期就掌握準確信息并預見制造過程，保證所有細節都準確無誤，這些無疑是具有重要意義的，因為越早知道如何制造出色的產品，就能越快的向市場推出優質的產品，搶占先機。
工業4.0對教育的時代要求
技術進步引導變革來推進社會進步已經成為普遍共識，按照馬克思的觀點，生產力的改變不是革命，只有生產力發展到推動生產關系發生改變的時候，才是革命。工業4.0時代，具有高度認知能力和智能水平的機器（人）會成為生產關系不可回避的一部分，可能今天這個論斷還會讓很多人覺得無法接受，而這是一個必然的未來。2011年，IBM的超級電腦“沃森“在《危險邊緣》智力競賽節目中勝出，2016年3月9日，谷歌的AlphaGo打敗了世界頂級圍棋棋手李世石，隨著人工智能的發展，類似”沃森“這樣的人工心智系統將很快成為世界上最好的醫生、法官、律師、工程師、企業高管、飛行員甚至政治領導人，將來具有人工心智的機器代替人類從事工作的地方會越來越多。將來的職場新人可能會愕然地發現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成果的用戶也可能不是自然人！《黑客帝國》、《鷹眼》、《少數派報告》這些美國科幻大片所描繪的人工智能統治人類社會的場景可能會讓人感到恐怖，但我們不得不面對這樣的社會是很有可能到來的。
在工業4.0時代中， 數以萬億計的智能設備將通過物聯網和工業互聯網構成了一個“人工心智社會”或“數字意識世界”，這個“數字意識世界”也將會挑戰我們每個人對生命意義的觀念，人工智能可以被視為異類心智，它們可能具有和我們人類不一樣的思維方式。 當人工智能成為社會關系一部分的時候，人必須學會和"數字心智"的相處，過去生產關系中存在的階級矛盾、組織內部矛盾很有可能讓位給人和“數字意識世界”之間的矛盾，這將從根本上挑戰人類社會的傳統倫理和價值觀，我們將在未來的30年中，甚至一個世紀里都會陷入一種曠日持久的身份危機，我們都要不斷捫心自問人類的意義, 而我認為這是工業4.0給人類社會帶來的最震撼的革命性改變。我們的下一代如何在這樣的社會生存，這是當下我們的教育必須思考和應對的問題，因此工業4.0所倒逼出來對人類社會最深遠影響的問題，不在經濟領域，而在于教育領域，就是在工業4.0時代“如何做人、何以為人、以何育人”的問題。
2016年9月13日上午，《中國學生發展核心素養研究成果》發布會在北京師范大學舉行。這項歷時三年權威出爐的研究成果，以科學性、時代性和民族性為基本原則，以培養“全面發展的人”為核心，對學生發展核心素養的內涵、表現、落實途徑等做了詳細闡釋。 學生發展核心素養結合工業4.0時代的要求，應具備的哪些能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力要求呢？
工業4.0時代的挑戰都是前所未見的，過去的知識和經驗已經沒有辦法解決未來工業4.0時代遇到的問題，唯有建立不斷的探索、創新、分享的創客心智模式才能應對，中國學生發展核心素養中科學精神、學會學習、實踐創新是創客教育直接涉及到的培養目標，理性思維、批判質疑、勇于探究、樂學善學、勤于反思、信息意識、勞動意識、問題解決、技術運用這些都能充分反映新時期經濟社會發展對創客式人才培養的新要求，因而在將創客教育與現有教育體系融為一體的課程改革過程中，就不僅要對現有教育中的自然科學與藝術類課程教學提出新要求，而且對人文與社科類課程教學也應提出全新要求。以求解決“如何做一個在工業4.0時代全面發展的人”的問題。
數字孿生和創客教育的結合
關于“創客活動”，一般認為最早源于美國麻省理工學院（MIT）的比特及原子研究中心在 2001 年發起的 Fab Lab（Fabrication Laboratory，制作實驗室）創新項目。Fab Lab以個人創意、個人設計、個人制作為核心理念，旨在構建以用戶為中心，融合設計、制作、裝配、調試、分析以及文檔管理的全流程創新制作環境。據 Fab 基金會統計，目前全球已有 30 多個國家建設了 FabLab，通過標準化制作工具（激光切割器、數控銑床、嵌入式處理器、CAD/CAM軟件、電路板等）與流程分享，形成了全球最大規模的分布式創新制作實驗室。“創客空間”（Maker Space）是指配備有一定科技含量的軟硬件工具、材料，便于創客們一起協作以實現他們創意的開放性工作場所。 前面提到的 Fab Lab，就是國際上最早的一批創客空間。
開展創客教育需要有兩類創客空間，一類是物理創客空間（也稱“創客實驗室”），這是專門為創客提供各種技術工具手段和豐富信息資料及研發場地的物理平臺；另一類是在線創客空間，這是專門為創客們提供展示作品、交流思想體會、分享創造成果的在線社交空間。 由于創客活動的開展強調要有科學技術工具、手段及環境（尤其是信息技術環境）的支持，所以和創客活動相結合的各學科教學，肯定是在信息化環境下的教學，即這類教學的效果都和信息技術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。
正如數字孿生突然賦予了工業創客們以全新的夢想，它正在引導人們，穿越那虛實界墻，在物理與數字模型之間自由交互與行走。數字孿生對我們最為重要的啟發意義在于，它實現了現實物理系統向賽博虛擬空間數字化模型的反饋，這是一次源自工業領域的逆向思維的壯舉，人們試圖將物理世界發生的一切，塞回到數字空間中。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，保證數字與物理世界的協調一致。各種基于數字化模型進行的各類仿真、分析、數據積累、挖掘，甚至人工智能的應用，都能確保它與現實物理系統的適用性，這就是數字孿生可以賦予智能制造的意義所在。
當我們把數字孿生從工業領域拓展到創客教育領域，也同樣可以賦予我們的學生們以全新的夢想和學習體驗。數字孿生技術可以把原來的在線創客空間和物理的創客空間融合起來成為一個無縫的“數字孿生創客空間”，原來在線的創客空間就不僅僅是創客們展示和交流成果的社交工具，而可以利用“互聯網+”戰略對創客教育方式進行“模式創新“和”流程再造”，數字孿生創客教育將虛擬創客空間和物理創客空間結合起來成為“數字孿生創客空間”，就能打破傳統校園創客空間的物理局限性，建設一個對于參與其中的學生來說“處處能做、時時可學、樣樣可試”的無限制的全方位創客教育學習環境。
這毫無疑問也將是一個更有吸引力的學習環境，在“數字孿生創客空間”的學習和實踐在與物理世界高度仿真情境中發生，學子在虛擬創客空間中獲得的知識和體驗與物理創客空間中的一樣真實，同樣能有效驗證他們想法實現的各種可能性，而且借助數字孿生模型在創意設計階段的預見性，在創意的初期就掌握準確信息并預見實物制造過程，保證所有細節都準確無誤，這些無疑是具有重要意義的，這樣也越早知道如何在物理創客空間中制造更出色的作品。
學生們在“數字孿生創客空間”中參與創客教育活動改變了原來做的“廣度”、“深度”、“速度”，可以更大限度地發揮他們的想象力提出了“還可以做什么？”、“更進一步可以做得怎么樣？”、“更高的效率會是怎么樣？”，在這樣的情景中他們所建構的知識同樣具有真實性外，將獲得比傳統創客教育“做中學”所獲得的知識有更大的高度和深度，也能達到更好的學習體驗和教育效果。
“數字孿生創客教育”有更進一步的人文意義，在我們倡導的有中國特色的創客教育中，現在所要培養的人才已不僅僅是能夠把創意轉化成實體作品（物質產品）的創造者，而且還包括能夠把創新的思想、理論、方法轉化為精神產品的創造者，“數字孿生創客教育”活動所積累的孿生數據無疑可以充當實體作品和精神產品之間的語言，而進一步成為工業4.0時代社會文化模式和知識的“中介工具”，根據維果茨基心理發展理論，這種社會文化中介工具既可以作用于外部物質變革的同時也作用于人的內部心理過程，因此，“數字孿生創客教育”可以讓學生們從“數字孿生創客空間”的學習和實踐中獲得與工業4.0時代相匹配的素養發展，從而成為一個“在工業4.0時代全面發展的人”。
參考文獻
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