Файл: Цифровые двойники в повышении качества образователь.pdf

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4(58) 2021
57
УДК 377
ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА ОБРАЗОВАТЕЛЬ-
НЫХ УСЛУГ
А.В.Титова
1
, М.Ю.Сучкова
2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет,
191023, Россия, Санкт-Петербург, наб. канала Грибоедова, д. 30-32, литер А.
В настоящем исследовании изучены вопросы использования технологии цифровых двойников в про- цессе образования. Рассмотрены аспекты формирования цифровых двойников в различных отраслях, изучен опыт внедрения цифровых двойников в процесс преподавания инженерных дисциплин, выделены основные барьеры на пути внедрения технологии, даны рекомендации по разработке и внедрению технологии цифро- вых двойников в процесс обучения, проведен анализ основных выгод применения цифрового двойника в си- стеме образования.
Статья опубликована при поддержке гранта РФФИ 20-010-00571 «Влияние цифровой трансформации на повышение качества и инновационности услуг».
Ключевые слова: цифровой двойник, цифровая тень, цифровая модель, процесс обучения, инженер- ные дисциплины.
DIGITAL TWINS IN IMPROVING THE QUALITY OF EDUCATIONAL SERVICES
A.V. Titova, M.U. Suchkova
St. Petersburg State University of Economics,
191023, Russia, St. Petersburg, nab. Griboyedov Canal, 30-32, letter A.
The study explores the issues of using digital twin technologies in the education process. Aspects of digital twins design in various industries are considered, the experience of using digital twins in the process of education is studied, the main barriers to the introduction of technologies are highlighted, recommendations are given for the de- velopment and implementation of digital twins technology in the teaching process, the analysis of the main benefits of using a digital twin in the education system is carried out.
The article was published with the support of the RFBR grant 20-010-00571 "The impact of digital transfor- mation on improving the quality and innovativeness of services."
Keywords:digital twin, digital shadow, digital model, learning process, engineering disciplines.
Цифровые технологии приходят в нашу жизнь, во все сферы, отрасли народного хозяй- ства и в повседневную рутину. Система образо- вания не является исключением. Современные образовательные платформы позволяют взаимо- действовать обучающимся и преподавателям.
Цифровая трансформация образования рассматривается исследователями двояко, так, с одной стороны, безусловно, общепризнанными являются такие достоинства цифровизации как возможность обеспечения широкого доступа к образовательным услугам через цифровые обра- зовательные платформы, что исключительно важно в условиях пандемии, а так же, нашло ши- рокое использование в обучении на протяжении всей жизни, предоставив возможно высокомоти- вированным людям возможность обучатся не неся дополнительные затраты на дорогу и прочие издержки очного посещения. С другой стороны, цифровизация образовательного про- цесса негативно сказывается на вовлеченности в обучение, мотивированности обучающихся и преподавателя. Отсутствие личного контакта между преподавателем и аудиторией ведет к снижению концентрации внимания, мотивации, качества результатов обучения.
Эффективность применения цифровых технологий зависит от сочетания ряда факторов в призме достижения целей обучения и форми- рования необходимых компетенций. К факто- рам относятся образовательный контент (содер- жание и структура), форма подачи контента, практикоориентированность процесса обуче- ния, инструменты вовлечения аудитории, ис- пользуемые цифровые технологии.
__________________________________________
1
Титова Алексаедра Викторовна – кандидат экономических наук, доцент кафедры проектного
менеджмента и управления качеством , тел: +7 911 723-48-57, e-mail: alexandra_titova@list.ru;
2
Сучкова Мария Юрьевна- аспирант кафедры проектного менеджмента и управления качеством,
тел:+7 921 645-52-05, e-mail:sychkova95@mail.ru.

А.В.Титова, М.Ю.Сучкова
58
СПбГЭУ
Среди ряда примеров использования цифровых технологий в обучении особое внима- ние необходимо обратить на применение цифро- вых двойников. Цифровой двойники могут быть использованы как при проведении очных, так и онлайн занятий, способствую росту практиче- ской вовлеченности в процесс обучающегося.
Как технология цифровые двойники появились уже более 10 лет назад и используются в секторе производства, позволяя моделировать в цифро- вой среде будущие продукты, процесс их произ- водства и эксплуатации. Таким образом, взаимо- действие обучающихся с цифровыми моделями заводов, производственных процессов, изготав- ливаемой продукции должно увеличить их связь с реальным миром производства, пусть и через его цифровую копию.
Вопросы внедрения цифровых двойни- ков в образовательный процесс являются но- выми для научной дискуссии. Первые статьи, посвященные данной тематике в базе Scopus от- носятся к 2018 году [2, 3] и рассматривают ос- новные проблемы и решения внедрения цифро- вых двойников в преподавание инженерным специальностям.
Широкий запрос к базе Scopus, включа- ющий в себя любые упоминания в названии, ан- нотации и ключевых словах терминов цифровой двойник, образование (digital AND twin AND ed- ucation) создает выборку из 194 публикаций. Ди- намика числа данных публикаций представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Динамика числа публикаций в базе Scopus, содержащих в названии, аннотации или клю-
чевых словах слова “digital”, “twin”, “education”
Тем не менее, более подробное изучение статей позволило сделать вывод о том, что лишь небольшая их часть рассматривает возможности использования цифровых двойников в образова- нии, большая же часть либо просто упоминает данный факт, либо слова сочетаются в ином кон- тексте. Ограничение запроса необходимостью близкого расположения поисковых слов в назва- нии, аннотации, ключевых словах (TITLE-ABS-
KEY ( "digital twin" W/5 “education”) с целью повышения релевантности отобранных статей сузили выборку до 14 публикаций. Среди рас- сматриваемых 14 публикаций 3 публикации по- священы общим вопросам внедрения цифровых двойников в образовательный процесс [6, 7, 12],
10 публикаций рассматривают конкретные кейсы, практики, результаты внедрения цифро- вых двойников в преподавание дисциплин ин- женерной направленности, организацию цифро- вых лабораторий [1, 2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 13,
14] и только 1 публикация [5] рассматривает цифровые двойники в призме формирования цифрового двойника образовательного про- цесса. Интересным представляется рассмотреть распределение авторов публикаций по странам.
Рисунок 2 говорит о том, что публикации рас- пределены равномерно главным образом между странами с высоким уровнем экономического развития, лидерами являются авторы Финлян- дии и Соединенных Штатов Америки, далее сле- дуют Канада и Россия.
Цифровой двойник - важная технология, связанная с Индустрией 4.0. Не удивительно, что основная масса научных исследований при- ходится на внедрение цифровых двойников в процесс преподавания инженерных дисциплин.
В инженерном образовании важно, чтобы учеб- ные программы постоянно обновлялись. Внед- ряя новые цифровые технологии, такие как ЦД, мы можем предоставить новые знания студен- там, преподавателям и компаниям. Основные вопросы, рассматриваемые авторами статей, - преимущества и выгоды использования техно- логии ЦД, препятствия внедрения технологии в образовательный процесс, формирование прак- тико-ориентированного опыта с использова- нием технологии ЦД, роль цифровых двойников в формировании мотивации, этапы организации внедрения технологии в образовательный про- цесс, существенная внимание уделено вопросам

Цифровые двойники в повышении качества образовательных услуг
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4(58) 2021
59
формирования аппаратного и программного обеспечения внедрения ЦД.
Рисунок 2 - Распределение авторов публикаций по странам
В настоящей статье мы последовательно рассмотрим основные характеристики цифро- вого двойника как технологии, рекомендуемый план (алгоритм, процесс) внедрения цифрового двойника и результаты внедрения.
«Особую сложность и важность пред- ставляет собой то обстоятельство, что ЦД в об- разовании должны и будут создаваться отнюдь не как простые копии цифровых двойников в промышленности (технических продуктов, устройств и т.д.), а как «цифровые реплики» весьма специфических для оцифровки социаль- ных объектов, наделённых, с одной стороны, той самой технической и административной ста- бильностью конструкции, а с другой – всем тем, что принято обозначать понятием «человече- ский фактор» [12].
Концепция и модель цифрового двой- ника, публично представленная в 2002 году
Майклом Гривзом, работавшим в то время в Ми- чиганском университете, на конференции Об- щества инженеров-производителей в Трое, штат
Мичиган. Тогда модель цифрового двойника была предложена в качестве концептуальной модели, лежащей в основе управления жизнен- ным циклом продукта (PLM). Данная концепция предполагала преодоление разрыва между про- цессами эксплуатации, производства и разра- ботки при помощи цифрового образа объекта.
Только позже единая концепция, применимая на всех стадиях ЖЦТ была разделена на три типа.
Типами являются прототип цифрового двойника
(DTP), экземпляр цифрового двойника (DTI) и агрегат цифрового двойника (DTA). DTP со- стоит из проектов, анализа и процессов для реа- лизации физического продукта. DTP существует до того, как появится физический продукт. DTI
– это цифровой двойник каждого отдельного эк- земпляра продукта после его производства. DTA
– это совокупность DTI, данные и информация которых могут использоваться для исследова- ния физического продукта, прогнозов и обуче- ния. Конкретная информация, содержащаяся в цифровых двойниках, определяется вариантами использования [15].
Существующие в настоящее время опре- деления достаточно широко трактуют понятие цифрового двойника и принимают возможность отсутствия воплощения реального объекта, в то время как ряд практиков не согласен с данным утверждением. «Прежде всего, цифровой двой- ник всегда должен иметь своего реально суще- ствующего и работающего физического «род- ственника». Если мы создали некую цифровую модель, какого угодно уровня детализации, но ее физическое воплощение отсутствует и не экс- плуатируется, то такая модель может назы- ваться как угодно, но цифровым двойником счи- таться не может» [16].
Рисунок 1 – Классификация цифровых двойников в зависимости от степени взаимодействия с физиче-
ским объектом

А.В.Титова, М.Ю.Сучкова
60
СПбГЭУ
С нашей точки зрения, наиболее соответ- ствующей состоянию современной научной и практической мысли в данной области является следующая классификация, используемая в ряде публикаций [10].
- Цифровая модель:обмен данными между физическим и цифровым объектом про- исходит вручную, благодаря чему любые изме- нения состояния физического объекта не отра- жаются напрямую в цифровом, и наоборот.
- Цифровая тень:данные от физического объекта передаются в цифровой автоматически, наоборот - вручную. В результате любое изме- нение физического объекта можно увидеть в его цифровой копии, но не наоборот.
- Цифровой двойник:в этом типе ЦД су- ществует автоматический двунаправленный по- ток данных между физическим и цифровым объ- ектом. Следовательно, изменения в одном объ- екте, физическом или цифровом, напрямую при- водят к изменениям в другом.
Этапы внедрения ЦД достаточно полно рас- смотрены в статье [12]:
Подготовительный этап включает в себя определения объекта/процесса, для которого проектируется цифровой двойника также выяв- ление всех его характеристик (внутренних и внешних) и составление электронного паспорта, то есть оцифровка всех необходимых для его со- здания документов, технического задания, включающее чертежи, математические модели и т.п.
Этап сбора данных состоит из определе- ния типа и объёма данных, которые будут сни- маться с объекта. Определения способа сбора, обработки и хранения данных (считывание ин- формации с датчиков-видеокамер для фиксации движения зрачков при считывании учебной или иной информации, датчиков температуры поме- щения, скорости набора текста на клавиатуре и т.п.) и определения дизайна цифровой модели.
Этап разработки: создать цифровой двойник – разработать программную систему с учётом всех выделенных характеристик объ- екта. Этап внедрения, верификации и корректи- ровки: 1) созданный цифровой двойник запуска- ется в эксплуатацию (анализирует и обрабаты- вает полученную информацию, сравнивает с шаблонными данными, выявляет проблемы и расхождения и на основе искусственного интел- лекта принимает решение о её решении); 2) ЦД формирует отчёт для разработчиков в заданном формате о работе реального объекта, чьим двой- ником он является.
Интересная модель ЦД представлена на рисунке 3 [7]. Данная модель показывает три важных аспекта разработки цифрового двойник для процесса обучения, а так же, иллюстрирует масштабность требований и возможные проти- воречия заинтересованных сторон в требова- ниях к будущей технологии.
Рисунок 3 – Модель цифрового двойника симбиотического обучения
Создание контента
Операции и управление
Потребности и доставка
Академия
IEEE
Industry
Команда/ группа
Индивидуум
Курсы
Конференции
Публикации
Вход
Вход
Вход
М
аш инно е о буче ни е
IEEE
Репозиторий
Цифровой Двойник
Устаревание знаний
Требования к знаниям
Доступность знания. Источ- ники ресурсам
Доступность общего знания
Члены
Профессионалы
Компании
Система запросов к знаниям
Знание как услуга
Индивидуум
Контекст
Время
Результаты
Интеллект
Инд-ые курсы
Мультиплатформа

Цифровые двойники в повышении качества образовательных услуг
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4(58) 2021
61
Для наглядности цифровой двойник раз- делен на три части: (A) создание контента, (B) операции и управление и (C) потребности и до- ставка. Каждая часть также подразделяется на несколько групп мероприятий.
Например, в группе создателей контента есть три отдельных важных создателя контента: организации, группы и отдельные лица. К орга- низациям относятся компании, занимающиеся академическими исследованиями, промышлен- ными исследованиями, предоставляющие обра- зовательные услуги, технические и научные ор- ганизации, такие как Институт инженеров элек- тротехники и электроники (IEEE), Институт ин- женерии и технологий (IET, ранее Институт ин- женеров-электриков, IEE), Ассоциация вычис- лительной техники (ACM). Так же к создателям контента относятся команды и группы лиц, цели и движущие силы которых могут фундамен- тально отличаться от организации перечислен- ных ранее. Их влияние также может быть самым разным по масштабу. Подрывные технологии и идеи часто начинаются на этом уровне. Индиви- дуум, как создатель контента, действует иначе.
Люди проводят исследования, пишут статьи, чи- тают документы, соединяют точки или отноше- ния, которые раньше не видели другие, создают курсы, участвуют в конференциях, вносят свой вклад в команды, а также вносят свой вклад в компании, страны и общества.
Эта операционная и управленческая часть модели цифрового двойника включает три ключевых компонента: хранилище всех извест- ных данных, структуру машинного обучения, и часть цифрового двойника, видимая внешнему миру. Используя лучшие доступные механизмы машинного обучения, созданная для машинного обучения структура классифицирует огромный приток новых знаний и опыта, а также оцени- вает устаревание и возможное прекращение ис- пользования элементов знания.
Третья часть схемы цифрового двойника отвечает за определение индивидуальных по- требностей и индивидуальных методов до- ставки. Потребности могут быть связаны с осо- бенностями как личного характера, так и про- фессионального и исходить от индивидуумов, организаций, обществ, страны. Есть еще один возможный результат использования цифровых двойников, а именно использование цифровых теней для сбора бизнес-аналитики в киберпро- странстве от отдельных лиц, компаний, органи- заций, правительств, стран и экономических си- стем уже практикуется. Однако неконтролируе- мые и неэтичные действия могут привести к краху самой системы, поскольку отдельные лица могут выбрать только прибыльную часть системы.
Симбиотическое образование обещает оказать большое влияние на то, как мы учимся, приобретаем навыки, взаимодействуем с людьми и машинами, открываем новое, учимся управлять новыми вещами и видеть реальность намного глубже.
Интересное исследование, посвященное внедрению ЦД провели представители академи- ческого сообщества Финляндии. Участниками этого первого цикла были 21 ученик и два учи- теля. Второй цикл был реализован в 2017 году, для этого цикла в концепцию были внесены не- значительные изменения. Участниками этого второго цикла были 28 студентов и два учителя.
Третий и последний цикл был реализован в 2018 году; в рамках этого цикла студенты после курса ответили на анкету, посвященную дигитализа- ции и технологии цифровых двойников. Участ- никами этого третьего цикла были 42 студента и два учителя. После третьего цикла был проведен опрос студентов третьего цикла. Процент отве- тивших составил 92%. Целью данного исследо- вания была оценка влияния технологии цифро- вого двойника на результаты обучения, мотива- цию, легкость усвоения материала и т.п. Резуль- таты исследования представлены на рисунке 4.
Как мы видим технология цифрового двойника положительно влияет на процесс обучения.
Исследователи выделяют следующие выгоды:
1) цифровой двойник позволяет проводить эксперимент в интерактивной форме, так что учащиеся, которые не присутствуют, могут участвовать в эксперименте в некоторой сте- пени через Интернет;
2) цифровой двойник может существовать бесконечно долго как ресурс с большим объе- мом данных в облаке даже после завершения эксперимента, так что любой, у кого есть до- ступ, может получить полную информацию о прошлом эксперименте для дальнейшего ана- лиза;
3) цифровой двойник может быть легко клонирован, отредактирован и перераспределен в облаке любым авторизованным пользовате- лем, так что инкапсулированные данные могут совместно использоваться, повторно использо- ваться и агрегироваться для поддержки сообще- ства специалистов по данной теме [14].
Цифровые двойники являются эффек- тивной технологией обучения в условиях циф- ровизации. Обучающиеся благодаря использо- ванию данной технологии могут изучить цифро- вые копии реальных заводов и производствен- ных процессов. Использование цифровых двой- ников в обучение обеспечивает легкость подго- товки к практике и экспериментам в реальности, не требуют установки никакого дополнитель- ного оборудования, с цифровыми двойниками может работать неограниченное количество лю- дей, обучение с использованием данной техно- логии возможно как в очном, так и онлайн фор- мате. Цифровые двойники рекомендуется ис- пользовать в качестве иллюстративного