李培根 陳立平：《在孿生空間重構工程教育:意識與行動》
作者簡介：李培根，中國工程院院士，華中科技大學原校長、教授，中國機械工程學會理事長；陳立平，華中科技大學機械科學與工程學院二級教授，工學博士。
原文即將刊載於《高等工程教育研究》2021年第三期，敬請關注！
摘 要：工業4.0的核心理念乃數字-物理系統，即數字世界與物理世界的深度融合。爲了因應新工業革命的發展，工科尤其是傳統工科教育迫切需要變革。本文提出要在孿生空間重構工程教育，其關鍵也在於數字世界與物理世界的深度融合。文中指出了深度融合需要的幾種意識（數字存在，流動的過程，數字生成，物理生命體的語言），而不是僅僅停留在增加（混合）若干數字新技術課程或內容。重構的實質是要在教學活動中讓學生從更高的層面領悟物理世界與數字世界融合的本質與關鍵，讓學生把深度融合的意識、觀念和思維方式變成一種習慣，從而有利於創新能力的形成。文中還提出在孿生空間重構課程體系和教材內容以及在孿生空間改造實踐環節的行動建議。
關鍵詞：工程教育 數字技術 數字孿生 孿生空間 數字存在 數字生成 CPS 課程體系 教材
一、現狀與趨勢
近年來，德國“工業4.0”在我國乃至世界都產生了深遠的影響，其核心理念乃CPS（Cyber-Physics System，數字-物理系統），即數字世界與物理世界的深度融合。
的確，新工業革命時代正在到來，甚至已經來臨。迥異的存在可以在很大程度上融合在一起。生命和機器（裝置）可以共融，人機協同乃至人機共融是未來工程中重要的發展趨勢；某些物理裝置可以更好地融合在人體中（如可穿戴設備、因爲健康原因植入人體內部的物理器件）；即便是未能真正物理地融入人體的某些裝置實際上已經成爲人的存在的一部分，如有人就認爲手機實際上已經成爲“我之爲我”的一部分；“商業智能”（Business intelligence）可爲管理者提供多樣化的決策信息，已經開始在個別企業的某些商務活動中初顯端倪。長久以來，機器是人類的工具，在人和機器構成的系統中，人是主，機器是從。今天我們已經能夠看到某些帶有虛擬現實（VR）、增強現實（AR）或混合現實（MR）的智能系統指揮人進行操作。在這樣的人機系統中，很難說人是“主”，機器（或智能系統）是“從”，“主”和“從”的界限變得模糊了，充其量是主從身份的融合。由於AR、MR技術的應用，很多場景中“虛”和“實”的界限也變得模糊了，在輔以AR、MR系統的裝配或維修環境中即是如此。所有這一切都說明新工業革命時代其實就是數字（包括人工智能）時代，其突出的特點是數字世界與物理或現實世界的融合。
近些年，發達國家開始重視數字教育改革。例如，2018年首屆歐洲教育峰會“數字教育行動計劃”（The Digital Education Action Plan）正式提出歐洲終身學習關鍵能力參考框架修訂版，強調從初級教育到高等教育不同階段數字化能力培養。[1]歐盟圍繞“數據戰略”“數字教育變革”等議題推出了系列重要報告，重點關注歐洲數字經濟現狀、數字化人才供需狀況及相關政策支持。2020年，歐盟委員會連續出臺多份數字化戰略報告，凸顯歐洲面向數字化轉型的迫切需求：《塑造歐洲的數字未來》強調歐洲在數字時代掌握技術主權，將提高全民數字教育水平和數字化能力作爲重點任務。2019年，德國工會聯合會（IHKs）出臺“工業4.0學徒培訓計劃”，面向工業製造領域第二學年和第三學年的學徒，幫助在校生更早適應數字技術（數字環境），提升業務領域技能和核心數字技能，以滿足“工業4.0”的需要。[2]2017年上半年，美國企業－高等教育論壇（BHEF）與美國人才市場和職業分析公司Burning Glass、IBM合作完成報告《量化緊縮：對數據科學技能的需求如何衝擊就業市場》（The Quant Crunch: How the Demand for Data Science Skills is Disrupting the Job Market），系統梳理了數據科學與分析領域的相關工作崗位及技能要求；同時期ＢＨＥＦ還與普華永道（ＰＷＣ）共同發佈《投資美國的數據科學與分析人才》報告（Invenstingin America’s data science and analytics talent）。兩份報告從市場需求分析、問題研判到解決方案設計，直指數據科學賦能的工程人才與教育轉型。[3]
前幾年，我國教育部推出“新工科”計劃。2018年9月17日由教育部、工業和信息化部和中國工程院聯合發佈《關於加快建設發展新工科，實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見 》，明確了改革任務和重點舉措，包括深入開展新工科研究與實踐，強調改造升級傳統工科專業，發展新興工科專業；創新工程教育教學組織模式，面向未來發展趨勢建立未來技術學院，與行業企業等共建共管的現代產業學院；實施高校教師與行業人才雙向交流“十萬計劃”；健全創新創業教育體系，注重培養工科學生設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維；深化工程教育國際交流與合作，推動工程教育中國標準成爲世界標準等。此意見對於宏觀推動我國工程教育的發展無疑具有重要意義與作用。目前，學術界對於新工科的探討主要集中在多學科交叉融合、多方協同育人、個性化新工科人才培養模式以及新工科背景下土木、機械等傳統工科專業和大數據、物聯網工程、光電信息科學與工程等新興工科專業的專業建設等方面[4]。
綜觀國內外關於數字能力培養的工程教育研究，雖然都非常有意義，但遠未觸及到最實質性的問題。如果審視新工業革命的突出特點,即數字世界與物理或現實世界的融合，則當前的工程教育及工程教育研究均嚴重滯後於工業的發展需求。儘管發展新興工科專業、建立未來技術學院、多學科交叉融合、個性化人才培養模式等等都有其必要性，但是更微觀的問題、也是更基本的問題——數字世界與物理或現實世界的融合，卻是教與學中絕不可忽視的問題。儘管強調多學科交叉融合，儘管很多學校新開設了數字技術相關的很多課程（如大數據、物聯網、工業互聯網、虛擬現實、人工智能應用……），但那只是解決了數字技術與物理領域（工程專業領域）相關技術的“混合”，遠未達到“融合”的境界。
最能反映數字世界與物理世界融合的技術理念，首推“數字孿生”。數字孿生是針對某一物理實體或物理空間，能夠反映實體運行或空間運動變化特質與規律的數字化描述。實體可以是機器、裝置、工具、建築等；物理空間可以是車間、工廠、城市等。數字化模型不只是描述實體或物理空間的外形，更重要的是反映其內在的物理規律。只有在物理和數字融合的孿生空間中才能體現物理-數字兩個世界真正的、深度的融合。未來的工業世界中，除了我們易於感知的物理空間，一定還要有一個看似平行的空間——數字孿生空間。人們也只有通過數字孿生空間才能更好地認識和控制那個物理世界。正因爲如此，重構工程教育最重要的任務就是體現數字世界與物理世界的融合。
既然最能反映數字世界與物理世界融合的技術理念是“數字孿生”，那麼是不是增加一門關於數字孿生的課程就解決了工程教育的重構問題呢？當然不是。真正的“融合”需要把融合的理念、意識融入到工科的專業課程。換言之，對於每一個工科（尤其是傳統工科）而言，都需要在數字與物理世界融合的孿生空間重新審視和構造其專業的課程體系及課程內容。融合到底需要何種意識？這是本文討論的核心問題。
二、融合的意識
絕大多數工科教師習慣於給學生傳授知識，講解技術。雖然技術和知識是工程師的基本需求，但創新能力卻需要更高層次的素養——良好的思維方式與意識。欲讓學生真正理解“融合”，而非簡單的新技術的“混合”，就應該讓學生從更高的層面領悟物理世界與數字世界融合的本質與關鍵。無論在工程設計或工程問題的處理中，當某種意識、觀念和思維方式變成一種習慣時，創新很可能就在其中了。
1.數字存在。
未來工業中的任何一個物理人造物，如產品、裝備、裝置、工具、建造物（建築、土木結構）、園林等，都應該伴隨着數字存在。不妨把在其全生命週期中伴隨有數字模型的、具有一定的自感知和“意識”能力的物理人造物稱爲“物理生命體”。在數字時代，體現一個物理人造物真正意義的存在是其數字孿生體。可以聯想笛卡爾的話“我思故我在”。數字孿生作爲一種數字存在，它是物理生命體（物理產品）的魂。數字孿生體不只是反映物理實體的幾何、外觀，更重要的他能感知自己（物理實體或物理產品）的生命體徵，甚至能夠實時地對物理人造物的運行施予調整和控制，這也是基於物理生命體的“思”之所在。[5]
既如此，給學生呈現一個物理人造物（如物理裝備、機器或裝置）時，僅僅說明其原理和構造是不夠的，還需要輔以介紹其數字孿生模型，包括模型所需的孿生數據，模型的形式等。或者說一個機器的存在不僅是其物理實體的存在，而且還要包括其數字存在。宛如一個人的存在不只是其肉身的存在，一定要融合其精神存在。
雖然說，從物理人造物或物理空間獲得的孿生數據本身就反映了實體和空間的某些特質，但還不能說那就是物理生命體存在的全部。一般而言，從大量的孿生數據（包括歷史的孿生數據）中間，通過大數據分析有可能發現潛藏的規律或關聯。這種由孿生數據衍生出的某些規律或關聯也是物理生命體潛藏的存在。
顯然，未來的工科教材中應該讓學生對數字存在有所認知。
2.流動的過程。
一個物理人造物或環境在其生命過程中的動態無疑決定了它的性能與質量。通常工程師們只能憑對動態的有限認知在設計開發階段有所考慮，但更多時候其實是用靜態的實體思維去考察人造物或環境的存在。哲學家們早已認識到普通人思維的弊端。黑格爾把世界理解爲一種未完成的流動性存在，沒有任何不變的本質，一切都處於永恆的變化過程中；海德格爾認爲，傳統哲學思維方式就是將一切“存在”都對象化爲固定的、僵死的東西，所以他看待存在的本真面目，則從靜態視角轉向動態。[6]工程中人造物或環境的設計與使用非常需要這種思維。過去，人造物的設計者和使用者即使有這種意識，但苦於手段的限制也難有作爲。在數字-智能時代，數字孿生使人們更容易從動態的視角透視人造物的全生命週期。
物理生命體的數字孿生，其“孿生”意義主要在於“生命”的孿生，也即“生命”過程的孿生，而幾何及運動學意義上的數字孿生是次要的。正如從醫學角度看，人體的數字孿生主要不是一個人的外貌和身體動作的孿生，而是反映人的健康體徵的各種指標（如血壓、血糖、血脂、呼吸、心跳……）變化過程的孿生。對於一個物理人造物而言，數字孿生模型對人造物“生命”過程的呈現一般發生在人造物的孕育（產品設計開發）或服役階段。
過程是流動的，過程狀態是變化的。中國傳統文化中，“易之爲書也不可遠，爲道也屢遷，變動不居，周流六虛，上下無常，剛柔相易，不可爲典要，唯變所適。”（《易繫辭下》）所言極是。
在人造物的設計階段就應該儘可能考察（預測）其運行過程狀態。如好的裝備設計應該基於對其工藝過程深刻認識的基礎上。因此，爲了設計高性能的裝備，往往需要對裝備運行的物理過程進行仿真。如激光加工設備的設計，就可以考慮建立激光與材料相互作用過程的數字孿生模型，通過仿真對激光材料加工過程有更深刻的認識，如此“孕育”出的裝備一定有更好的性能。裝備的此種數字孿生本質上是裝備運行物理過程的數字孿生。
人造物服役過程中通過實時採集運行過程中的數據（孿生數據，包括環境數據）而建立的數字孿生模型是其“物理生命體”自我意識、自適應環境變化的關鍵。對運行過程中孿生數據的處理和分析使人造物系統能感知自身工作狀態和健康狀態，進而進行相應的控制或運行維護。
過程的流動性總是顯示在特定的環境中。如風電裝備的運行過程與風場環境緊密相關，因此風電設備的孿生數據理應包括風場的數據；車間裝備的節能和加工精度顯然與溫度環境有關，因此車間裝備的孿生數據理應包括車間溫度環境乃至天氣的相關數據。
過程的流動性與人造物或環境服務的對象聯繫在一起，如一個手術機器人，其孿生數據理應包括病人在手術過程中的相關數據；一個城市的孿生數據顯然應該包括活動在其中的人流有關數據。
過程的流動性與人造物的操作者或使用者的行爲聯繫在一起。如在一臺挖掘機的運行中，其孿生數據包括挖掘機操作者的操作數據，通過孿生模型進行仿真，可告知操作者如何改進操作有可能提高工作效率或節能；手術機器人的孿生數據收集應該包括醫生的操作數據，同樣通過孿生模型的仿真使醫生優化其操作機器的過程。有些情況下（如運行操作、維護維修）記錄使用者的操作數據，對其操作進行軌跡跟蹤，藉此建立的數字孿生模型還有特別的用途。通過對同類型的物理裝備但不同操作者的孿生數據進行大數據分析，能夠發現，怎樣的操作纔是最優的？從而進一步規範操作。好的數字孿生模型不僅能夠沉澱人的經驗，而且有可能衍生、演化出最優的路徑。
過程的流動性體現在人造物或環境從“孕育”、使用到生命終結全過程的數據變化。如一個物理裝備“孕育”過程（設計、製造以及裝配過程）中的數據與其在運行或使用中的數據顯然是強相關的，都爲它“生命”的過程留下了痕跡。通過對裝備全生命週期過程歷史數據及其流動性的分析，有可能發現某些人們原來並未意識到的關聯，從而可指導裝備的改進設計甚至創新。
需要注意的是，機器裝備運行過程的流動性易於理解，那麼某些看似靜態的人造物（如建築）呢？人們很容易把建築物等看成是靜止不動的，至少沒必要考慮過程的流動性。實際上建築環境正在成爲一個具有實際可居性的互聯網，一種赫茲空間——與數字設備密不可分的空間。“所謂赫茲空間，就是鏈接事物，發送信息和內容的一種方式。建築則成爲一個人們可以居住、享受和探索的環境。”[7]建築通過迴應而獲得生命——它會讓人感到震撼或充滿生機，但不是依靠已經固化的視覺特徵，而這需要經過時間的沉澱。“幾千年來，建築師關心的問題一直是人的身體及其對環境的直接感受。現在，他們還必須考慮經過電子強化，可重新配置，可以遠距離感知和行動，同時仍然會有一部分留在周圍環境中的虛擬身體。”
過程的流動性體現在人造物或環境的“自我意識”——“去存在”。既然數字孿生的意義在於“生命”過程的孿生，“數字孿生體”就被時間規定，這是以前的數字樣機或虛擬樣機等數字模型完全不具備的特性。人造物作爲物理生命體所有的活動和“存在”都具有時間性，猶如海德格爾言“此在”的時間性。海德格爾還認爲存在的本性是“去存在”（to be）[6]。數字孿生作爲一種數字存在，它是物理生命體的魂，它自然會關注人造物（如裝備）下一刻的狀態，未來的狀態演化。這也是體現物理生命體的自我意識。
總之，數字孿生的意義本來就不是基於處理靜態問題。人造物或環境的“生命”過程都是動態的、流動的，只有在孿生空間才能對過程的流動性有更深刻的認識並施予相應控制或維護，其“生命”的意義才更美好。
3.數字生成。
在孿生空間可以利用某些數字手段“生成”人們所需要的“存在”。
“生成式設計”（generative design,亦稱衍生式設計或創成式設計）模仿自然進化方式進行設計。設計者或工程師向生成式設計軟件輸入其設計目標、約束，以及材料和製造方法等，軟件則利用雲計算自動計算、搜索，快速迭代，生成各種可能的選擇。如設計一把椅子，軟件自動進行晶格的進化，產生成千上萬的方案，使用者可挑出最中意的。傳統的人工設計，即使花再多時間也無法生成如此效果。
美國MIT的科學家Allan Zhao等爲機器人構形設計開發的軟件系統可以定義問題，制定可能的機器人解決方案，然後選擇最佳模型。[8]系統可以生成數十萬個潛在的機器人構形。可以看到，它不是常規的輔助設計，而是輔助甚至提供創意。只要人提出需求，它便會提供最完美合適的機器人形狀。由Zhao等人的工作可以聯想，未來含有智能工具的數字孿生模型不僅能夠爲產品的開發提供創意，也將使人造物或環境在其運行中真正能夠自主地做出創造性的工作，即可能做出超越人類期望值的工作。
在數字空間，可以對人工操作動作進行軌跡識別，進而“生成”新的“存在”。如圖2所示，依託工業攝像頭，運用機器視覺算法，實時視頻監控分析工人作業的規範性，以達到生產作業的標準化，儘可能消除操作工頻繁更換的影響。這種“生成”模式就是基於收集人工操作的孿生數據，通過計算和機器學習，獲得新的更好更規範的操作模式。
圖 2 對人工操作動作進行軌跡識別（來源：愛普工華）
在孿生空間，數字可以給人特殊體驗。數字技術可以通過某種方式讓建築動起來，充滿生機和活力，給人們帶來動態的建築體驗。2008年西班牙薩拉戈薩世博會的數字水展館（Digital Water Pavilion）是一個靈活的多功能空間，四壁由持續落下的水滴組成，而每條水流都由數字噴嘴精確控制，生成各種圖案、文字乃至出入口。[7]一個交互式的可重新配置的空間給人的感覺是特別的，這顯然是數字生成的魅力。
未來，數字生成還會不斷超越人們的想象。
4.物理生命體的語言。
人類的交流與思考都需要語言。傳統的工程活動中，爲了便於工程師或技術人員之間的交流，也需要某種語言。如工程製圖就可以視爲一種廣義的語言。海德格爾認爲“語言纔是人的主人”[9]。不是人有語言，人構成或操作語言，而是言談、語言本身此刻現身爲人。“語言就是存在之家，就是爲存在所居有、並且由存在來貫通和安排的存在之家”。語言不爲人所擁有，語言爲存在所擁有，語言聚集着存在，顯現着存在。[10]把語言視爲人的主人，大概因爲語言伴隨着“思”，而“思”則體現着存在。
上文中提到，體現一個物理人造物真正意義的存在是其數字孿生體，那麼數字孿生是否可以視爲一種語言？它是否真正是物理生命體的主人？的確，真正的數字孿生模型是人造物或環境自我意識的體現。海德格爾的哲學中有“此在”的概念，意指人。“這種存在者，就是我們自己向來所是的存在者，就是除了其它可能的存在方式以外還能夠對存在發問的存在者。”[11]傳統的人造物（如裝備）沒有能力對自身的存在“發問”，它對自身過去、現在及未來的存在都缺乏理解。而數字-智能時代的含有數字孿生體的物理裝備（物理生命體）則大不一樣。在某種意義上，數字孿生體不僅能夠對自身的存在“發問”，而且能夠比它的創造者——人，更能對物理生命體（物理裝備）的存在“發問”。也就是說，人造物或環境的數字孿生體比人（人造物的設計者和使用者）更深刻地認識它自己。我們有理由認爲，數字孿生模型便是“發問”的語言。[5]不同於傳統工程語言（如工程圖）的是，數字孿生模型既是人在工程活動中用以交流的語言，又是人造物或環境自我意識的語言。
今天的數字孿生模型大多停留在對物理生命體自身狀態的認識和簡單的控制，人們完全可以期待未來的融入某種智能工具之數字孿生模型可能具有創造能力。
Allan Zhao等爲機器人構形設計提出機器人語法RoboGrammar，其操作分爲三個順序：定義問題，制定可能的機器人解決方案，然後選擇最佳模型，如圖3。RoboGrammar中包含的“圖形語法（GraphGrammar）”是對機器人組件排列的一系列約束。例如，相鄰的支腿應該用一個關節連接，而不是用另一個支腿相連。這樣的規則確保至少設計是在初級水平上，每個計算機生成的設計作品都是可以工作的。圖形語法規則基於節肢動物的啓發，例如昆蟲、蜘蛛和龍蝦等。[8]
圖 3 RoboGrammar操作的三順序[8]
顯然，RoboGrammar或GraphGrammar就是一種語言，一種真正體現智能的、一種真正“聚集着存在”（聚集着潛在的最優機器人形狀的存在）的語言。
構建數字孿生體，就應該使數字孿生真正成爲一種語言，一種決定人造物或環境真正“存在”的語言，一種真正使人造物或環境成爲物理“生命體”且具有自我意識的語言。既把它視爲“語言”，就需要進一步的規範定義，從而方便數字孿生體的構建。
三、重構的行動
前述在孿生空間重構工程教育的意識最終需要落實在工程教育實踐中。
1.工科的課程體系需要重構。
很多學校的專業課程體系雖然較之傳統的體系已經有較大的變化，但多數還是停留在新開一些數字技術（如大數據、人工智能、物聯網等）的課程。儘管這些課程都有意義，但缺乏與工程的“融合”。新的課程體系中應該壓縮某些由於數字技術出現而顯得陳舊或不那麼重要的內容（如工程製圖的某些內容），同時應該增加一些真正融合了數字技術與領域工程（機械，電力，電子，能源，土木建築等）內容的新課程。困難之處在於後者，因爲融合需要領域工程的學者具備相應的數字技術知識且能在一定程度上融會貫通，而純數字領域的學者因爲領域工程知識的欠缺而難以爲之。
CPS之核心理念對於大工科（各領域工科）而言，都有共性需求。如工程系統的設計，設計活動存在於兩個空間：幾何空間和狀態空間。幾何空間提供產品的靜態表達，狀態空間提供產品的動態表達。前述“流動的過程”就需要狀態空間的動態表達。傳統的學科培養通過畫法幾何、工程製圖保障了學生幾何空間技能。除了控制專業，大部分理工科學科未能建立明確的狀態空間思維，因此需要與工程製圖等基礎課平行開設關於狀態空間思維的通識課程。一個工程系統通常是基於多領域物理的，如力、熱、電、流體……設計中熟練地運用多領域物理的知識不大可能，需要相應的軟件輔助。但軟件已成爲專門的技術學科，讓領域工程師精深學習掌握已經不現實。因此，掌握基於模型（知識）的軟件自動生成技術就應該爲未來具有工程系統視野的卓越工程師所必備。也就是說，在大工科的課程體系重構中，應該考慮讓學生學習掌握多領域物理統一建模技術及軟件自動生成方法。把類似“工程物理系統原理”課程（狀態空間通識課程）作爲未來理工科人才培養的重要基礎環節。
各領域工科還可以根據其不同的特點增加其它的融合數字與物理世界的課程。總之，需要在孿生空間重構其課程體系。
2.教材內容需要重構。
教材是教學中最重要的載體。數字技術的快速發展應該促使工科專業在孿生空間對很多課程教材的內容進行重構。好的重構不是僅僅增加一些相關數字技術的介紹，而是體現前述的融合意識。只有這樣，才能把數字技術與領域工程的物理世界真正融合起來。
筆者在一個局部的點上進行了嘗試。在即將出版的《智能製造概論》[12](以下簡稱《概論》)中,沒有停留在常規講述智能製造的方式上（從智能製造的體系結構展開，數字技術基礎，各分系統，案例……），而是把數字技術融合在對製造的深層次認識上。
《概論》試圖給學生一個輪廓，數字-智能技術如何支撐現代製造的基本理念：可持續發展（包括綠色製造），以客戶爲中心，精益生產。如“以客戶爲中心”一節介紹瞭如何通過工業互聯網、大數據、人工智能等技術實現顧客主義和商業長期主義，以客戶爲中心的產品開發，大規模個性化定製，預測性維護與服務製造等。
《概論》讓學生從企業進化（產品進化，過程進化，企業生態進化）的維度看智能製造，也是爲了讓學生在更深的層次上理解智能製造。在“過程進化”中，分別介紹了過程進化的目的、載體、方式以及主要過程（產品設計開發過程，工藝過程，車間生產過程，服務過程）的進化。充分體現了前述“流動的過程”之意識。在“產品進化”中展現了前述“數字存在”、“數字生成”的意識。同樣，這些進化都需要通過數字-智能技術去實現。
爲了讓學生理解智能製造的精要，《概論》從數據驅動、軟件定義、虛實融合、整體聯繫四個方面進行闡釋。如“數據驅動”中重點介紹了數據如何驅動產品創新，如何驅動過程，如何驅動工作流，以及如何利用孿生數據驅動業務模式的創新等。數據驅動本身就發生在孿生空間，過程的流動和動態都在數據的驅動下得以展現。
“虛實融合”這一章更是直接體現CPS的理念。其中重點介紹了產品的數字孿生體，如何在虛擬空間中展示產品的狀態及產品運行的場景；虛擬空間在產品中的作用，如產品中通過VR/AR技術附帶的虛擬空間，包括產品遠程操控所關聯的虛擬空間，帶有XR（泛現實）的產品本身所拓展的虛擬空間，虛實空間的疊加和融合；通過仿真軟件生成虛擬過程，通過數字孿生體生成虛擬過程等。此外，還特別介紹了虛實融合的交匯點：人的體驗。注重人的體驗，也是產品開發中非常重要的觀念與意識。文中通過一些案例，把VR/AR等數字技術和智能製造的物理世界真正融合起來，強化學生CPS的理念和融合的意識。
3.其他。
除了課程體系和教材內容的重構外，課堂講授和實踐環節也非常重要，傳統實踐環節中的很多內容也應該考慮在孿生空間中重構。如在工程實訓基地中，可以把仿真技術、VR/AR等技術與工程實際問題融合起來，也就是在孿生空間重構工程實訓中的內容。如西安交大李晶教授等依託學校學科優勢和科研實力，開展智能製造實踐教學模式構建研究。將虛實結合的技術和理念貫穿到產品設計、產線設計、加工製造、智能管理、物流服務等產品全生命運行、監控各環節。[13]這是很好的嘗試，進一步的努力則需要通過技術上的虛實融合培養學生的意識和思維方式。
重構的成效關鍵在於工程專業教師。工科教師自身要有在孿生空間融合數字和物理世界的意識，方如此才能更好地引導學生且向學生傳遞融合所需的意識。爲此，大學有必要推動專業教師的培訓，提高專業教師的素養。
課程體系、教材、課堂和實踐環節的所有行動除了需要大學的推動外，教育行政部門的作用也很重要。類似“新工科”計劃中可以增加專項，重點支持在孿生空間重構工程教育的行動。
結語
數字世界與物理世界的深度融合是新工業革命的必然趨勢，工科尤其是傳統工科教育面對這一趨勢迫切需要變革。儘管現今很多大學已經開始了一些行動，但多停留在增加（“混合”）數字新技術課程或內容的舉措，尚缺乏深度的 “融合”。深度融合需要在孿生空間重構工程教育，而重構的實質是要在教學活動中讓學生從更高的層面領悟物理世界與數字世界融合的本質與關鍵，讓學生把深度融合的“意識”、觀念和思維方式變成一種習慣，從而有利於創新能力的形成。
本文並未從技術上介紹數字孿生及孿生空間的構造，但本文中重點論述的“意識”應該成爲重構工程教育的方向，同時也是構造數字孿生體和孿生空間的指導思想。
大學和教育行政部門應該積極採取行動，專項支持在孿生空間重構課程體系和教材內容的努力，支持在孿生空間改造實踐環節的嘗試。
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編輯：惲海豔 校對：向映姣
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