人工智能賦能實踐教學：軟件工程“游泳池”實訓空間設計與應用

曾明星　徐洪智　黃云　鐘鍵　周清平　寧小浩

摘要：實訓是軟件工程專業的重要教學環節，是高校人才培養與產業需求對接的重要手段。如何利用人工智能構建智能化的實訓空間，為學生提供沉浸式智能訓練環境，提高實踐教學的效果，已成為軟件工程教育及其研究的關注重點。借鑒體育訓練中的“游泳池”訓練法構建的“游泳池”實訓，意在通過將人工智能等先進技術融入實訓空間，為學生創建一種“壓力系統”與“吸引力系統”共存的沉浸式工程實踐環境（相當于游泳池），提升學生的自主學習能力、實踐能力、創新能力和抗壓能力?；谌斯ぶ悄艿能浖こ獭坝斡境亍睂嵱柨臻g是一個由封閉的物理空間（“物理池”）與智能的虛擬空間（“虛擬池”）“二池”合一的沉浸式“游泳池”環境?！拔锢沓亍笔钦n堂集中實訓的物理場所，具有“封閉、真實、抗壓、快樂”等特征?！疤摂M池”是學生課前自主學習、課堂集中實訓、課后拓展訓練的虛擬場所，包含實訓業務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環境控制池六大功能模塊，可實現實訓教學、評測和管理的自動化、智能化、精準化與場景化。青軟實訓與吉首大學等50多所高校深度合作，運用“游泳池”實訓方法并采用U+新工科智慧云開展企業實訓與課程設計，均取得了良好的教學效果。

關鍵詞：人工智能;實踐教學;游泳池實訓;物理空間;虛擬空間

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2020）04-0048-09? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.04.006

*基金項目：2019年度教育部人文社會科學研究規劃基金項目“面向新工科人才培養的智能教育空間建構研究”（19XJA880003）;2018年度湖南省哲學社會科學基金項目“人工智能時代‘新工科教育空間建構研究”（18YBA363）。

作者簡介：曾明星，研究員，碩士生導師，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000），吉首大學教育科學研究院（湖南吉首 416000）;徐洪智，博士，副教授，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000）;黃云，博士，副教授，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000）;鐘鍵，講師，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000）;周清平，博士后，教授，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000）;寧小浩，講師，吉首大學軟件學院（湖南張家界 427000）。

一、引言

軟件工程人才的培養是發展軟件產業的重要抓手。軟件工程具有強實踐性、工程性與應用性等特征，對學生的實踐能力、創新能力有非常高的要求，必須在“動手做”中領會軟件開發的思想。但傳統軟件工程教育經常存在重理論、輕實踐，學生實踐能力不足，學生的抗壓能力差等問題。軟件工程專業的課程設計①、專業實訓等實踐教學環節對于培養學生的實踐能力、創新能力和抗壓能力非常關鍵。隨著人工智能技術在教育領域日益廣泛的應用，如何利用人工智能構建智能化的實訓空間，為學生提供沉浸式智能訓練環境，提高實踐教學的效果，已成為當前軟件工程教育及其研究關注的重點。

空間是指物體存在、運動（有限或無限）的場所（龍花樓，2013）。物理空間、網絡空間（又稱信息空間、數字空間、虛擬空間）和社交空間等都屬于空間的范疇。學習空間是指用于學習的場所，包括物理空間和虛擬空間（Brown，2003），具有靈活的布局、圓形課桌、多屏空間、信息共享等功能特征（許亞鋒等，2015）。實訓空間也屬于學習空間范疇，是一種面向實踐教學而設計的學習與訓練的空間。當前專門針對軟件工程專業實訓進行空間設計的成果較少，已有研究主要集中在課堂教學方面，如胡娟娟（2012）從結構設計、資源組織和課堂活動組織三個方面對多屏學習空間進行設計，并在“未來課堂”中展開教學實踐和應用。隨著人工智能技術的快速發展，越來越多的研究開始關注智能化網絡學習空間。例如，梁為（2014）基于Silverlight架構構建了基于3D虛擬體驗環境的體驗式網絡學習空間;于方（2018）基于“任務場景智能推送”+“任務線性流式驅動”理念設計了智慧實驗學習空間;塔衛剛等（2018）提出了基于智能技術整合的學習空間構架（包括基礎數據層、算法層、感知層、認知層和應用層）;楊現民等（2020）基于泛在學習、無縫學習、智慧學習背景提出了智能時代學習空間的融合樣態與融合路徑等。這些研究成果尤其是智能化網絡學習空間的相關研究給本研究設計提供了較多啟發。

二、“游泳池”實訓的由來與界定

游泳屬于全身性的有氧運動，能改善血液循環，提高能量代謝與心肺功能，并且在運動過程中因人體關節不負重，對關節起保護作用。因此，游泳訓練法最初是用于受傷運動員機體康復的一種手段。人們要想學好游泳，在教練傳授基本原理與動作要領以后，必須親自進入游泳池中實踐。學員在教練的引導、示范下自主探索、領會動作要領，在池中“嗆水”而不斷提升技能，最終錘煉成為一名游泳健將。反之，人們難以僅靠聽講游泳的理論學會游泳本領。

加拿大教練布倫特·麥克法萊恩將“游泳池”訓練法運用于田徑短跑與跨欄跑運動，提出了有氧游泳池訓練法與無氧游泳池訓練法兩種田徑訓練法;其實踐表明，該訓練法具有訓練多樣化、預防損傷、安全有趣、發展力量與柔韌素質、再生與恢復、持續抗阻力等特征（布倫特·麥克法萊恩等，1993）。盡管很少有學者對“游泳池”訓練法進行明確界定，但“游泳池”訓練的原理已在高校和企業的實踐教學中得到應用。例如，關玉欣等（2019）在軟件工程專業實訓中應用“游泳池”訓練法并取得了良好的教學效果;青島銳聘申請了國家發明專利《一種基于泳池實訓的網絡教學平臺》（劉全，2017）;吉首大學等高校與青軟實訓合作在實踐教學中也應用了該方法。

實訓是工程類專業培養學生實踐能力的重要教學環節，是高校人才培養與產業需求對接的重要手段。實訓即“實踐”加“培訓”。軟件工程專業實訓是學生直接進行軟件項目開發，提高實踐能力與職業素養的訓練過程（羅菁等，2011）。因受到學習游泳及布倫特·麥克法萊恩在田徑短跑與跨欄跑運動中采用“游泳池”訓練法的啟發，筆者借鑒關玉欣等（2019）及部分企業的實訓教學經驗，嘗試提出“游泳池”實訓這一概念?！坝斡境亍睂嵱柺侵笧閷W生創建一種“壓力系統”與“吸引力系統”共存的沉浸式工程實踐環境（相當于游泳池），運用翻轉課堂教學流程，進行工程項目訓練，使學生的自主學習能力、實踐能力、創新能力和抗壓能力等“四種能力”快速提升的實踐教學過程?！坝斡境亍睂嵱柊岸€轉變”“三個環境”和“四種能力”?！岸€轉變”指：教師由知識的傳授者向任務設計者、情境營造者和教練轉變，學生由知識的被動接受者向主動學習者與運動員轉變?！叭齻€環境”指：一是通過打造時空與任務壓力（在固定的時空中完成特定的實訓任務）、工作與競爭壓力環境即“壓力系統”，提高學生訓練的強度與動力;二是通過創設多樣化、個性化、游戲化、強交互的訓練環境即“吸引力系統”，提高訓練的積極性與主動性;三是通過創建沉浸式真實企業實踐環境，以“做中學”“練中創”的方式實現知識的內化、遷移與創造。

三、基于人工智能的軟件工程“游泳池”實訓空間設計

軟件工程“游泳池”實訓空間秉承CDIO （Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育思想，是以“做中學”理念為導向，以培養軟件工程專業學生的實踐能力、創新能力、自主學習能力與抗壓能力為目標，綜合運用人工智能、物聯網、云計算、大數據和自動控制等技術，構建一種封閉的物理空間（“物理池”）與智能的虛擬空間（“虛擬池”）“二池”合一的沉浸式“游泳池”環境，為學生提供趣味化、多樣化、真實化、項目化、智能化、精準化訓練內容的一種線上線下混合式實踐教學場所?！拔锢沓亍迸c“虛擬池”的合理設計可以打造實訓空間的“壓力系統”“吸引力系統”及沉浸式真實項目實踐環境。

1.“物理池”的設計

“物理池”即實訓的物理空間，是一個立體化、現代化的綜合實踐場，是教師教學、學生線上線下實訓的物理場所?！拔锢沓亍笨梢杂蓚鹘y的實訓室、實驗室、教室和工作坊等進行智能化改造而成，“池”內具有各種設施（網絡以及環境控制設施等）、設備（教學設備以及信息采集設備等）、實訓資源（如數據庫、軟件資源、項目、案例等）、軟件開發環境與工具等，涵蓋智能教學與管理系統，工程實踐系統，信息感知、采集與反饋系統和環境控制系統等，具有精準教學、智能管理、工程實踐、技術體驗、現場互動、人機交互、分享展示、環境調節等諸多功能。在“物理池”中，教師是實訓現場的管理者、監控者、組織者，教師成為教練，與人工智能協同，對學生進行個性化指導;學生是實訓的主體，學生成為運動員，與人工智能協同實踐與學習?！拔锢沓亍钡脑O計以提升“壓力”為主、“吸引力”為輔，應具有如下特征：

（1）封閉：沉浸式物理環境。沉浸的意思是浸泡，浸入水中，常比喻完全處于某種境界或思想活動中。“物理池”的時間與空間是有限的，即在規定的實訓時間內（如課程設計連續10天，每天6小時），學生只能沉浸于這一相對封閉空間中進行高強度的工程訓練與學習，完成規定的實訓任務，教師只能沉浸于這一空間中指導與管理，通過時空與任務的“壓力”來提高學生實訓的緊迫性與效率。

（2）真實：沉浸式企業環境。通過校企深度合作創建“6R”真實環境，學生按照真實企業的開發過程，沉浸于真實的軟件開發環境，運用真實的開發工具，感受真實的企業文化，進行真實企業項目訓練，通過體驗真實企業的工作“壓力”來提高學生的實踐能力和解決真實問題的能力。

（3）抗壓：沉浸式競爭環境。模擬企業開發小組組建學生項目團隊，一般由4～6人組成一個小組，每小組自主推選出一名項目負責人。通過建立小組競爭機制，形成競爭氛圍，營造危機感，通過競爭“壓力”來提高學生的團隊協作與抗壓能力。

（4）快樂：沉浸式游戲環境。一是構建多樣化的智能教學系統與自動化環境調控系統，滿足學生的個性化身心需求，提高訓練的快樂感;二是設計立體化、游戲化的教學資源、教學內容，采取專題研討、頭腦風暴和成果展示等豐富多彩的課堂活動，通過環境與內容的“吸引力”來激發學生學習的興趣。

2.“虛擬池”的設計

智能虛擬空間又稱“虛擬池”，是教師實現精準教學與自動化管理、學生實現自主訓練與個性化學習的虛擬場所。“虛擬池”的設計以提升“吸引力”為主、“壓力”為輔，與“物理池”相互交融、相互補充，可以大力提升實訓效果。

（1）“虛擬池”技術架構設計

“虛擬池”技術框架為6層體系結構，即物理層、數據層、算法層、感知層、認知層和應用層，如圖1所示。物理層是整個“虛擬池”的物理基礎，包括所有物理資源和虛擬化資源池，通過運用虛擬化技術將底層物理資源（如計算、存儲、網絡等）集成起來，虛擬為一個大的云計算資源池，通過資源池提供算力、存儲、感知等智能云服務。數據層為“虛擬池”提供數據支持，其數據可以來源于本地或網絡，主要包括基本信息數據、行為狀態數據、情感數據、實訓教學數據、環境數據（溫度、濕度、光線等）和管理數據。數據層提供數據的采集、挖掘、處理、監測、存儲、標注和交易等服務。算法層主要包括機器學習、深度學習算法等，是“虛擬池”實現的核心與關鍵技術，為其應用提供算法保障。常見的機器學習算法有線性回歸、K-近鄰、K-均值、決策樹、樸素貝葉斯、邏輯回歸、隱馬爾可夫模型等。深度學習算法是基于人類神經網絡原理建立起來的系統算法，常見的有卷積神經網絡、遞歸神經網絡、循環神經網絡等。感知層主要包括生物特征識別（手形等生理特征及手勢等行為特征）、語音識別、語音合成、文本識別、計算機視覺等技術。借助該技術可以采集、分析學生的學習行為、學習狀態，監測學情。認知層主要包括自然語言處理、情感計算、知識圖譜、教育規劃與決策等，不僅能夠感知語音、圖像與文字，理解其背后的深層次含義（徐曄等，2019），還能更好地解決人機交互中的情感缺失、交互不精準等問題（塔衛剛等，2018）。應用層位于最上層，是用戶與智能云服務體系的接口，主要用于實訓業務開展、實訓資源獲取、實訓評價、實訓管理等，實現教學、評測和管理的智能化、自動化、精準化與場景化。這種體系結構將云計算、大數據和人工智能等技術有機結合，為“虛擬池”的運行提供高效的算法、強大的算力與大數據保障。

（2）“虛擬池”主要功能設計

如圖2所示，“虛擬池”的主要功能模塊包括實訓業務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環境控制池等，它們之間是一種相互協同、相互支持的關系。在迭代開發過程中，以實訓業務池為中心，各主體之間、各“池”之間需要進行交互，例如，學生、實訓業務池與實訓資源池交互，學生獲取所需的項目、案例、微視頻等學習資源;學生、實訓業務池與實訓學習池交互，學生可以獲得智能導師的指導與幫助;實訓業務池與實訓評測池交互，可以自動批改實訓文檔，檢測代碼，測評實訓效果;實訓業務池與實訓管理池交互，教師可以自動獲取學生的學習狀態與過程數據，監控實訓全過程;師生、實訓業務池與環境控制池交互，獲得個性化的物理環境支持;學生實訓成績的生成需要實訓管理池與實訓評測池的協同，個性化學習資源的自動推送離不開實訓資源池與實訓學習池的交互。

①實訓業務池：訓練真實化與協同化

實訓業務池是“虛擬池”的主“池”，是學生在線開發、文檔撰寫與交互體驗的主要場所，是知識內化、遷移、應用與創造的“主戰場”，其核心功能是學生能在“池”中直接進行真實軟件項目開發訓練。首先，教師需要在實訓業務池中部署真實軟件開發環境（前端環境、后端環境、軟件維護環境和逆向工程環境等），設計、布置實訓任務;然后，學生可以登錄系統，在實訓業務池中逐步完成從項目規劃到需求分析，再到系統設計（總體設計、詳細設計）、編碼實現、軟件測試、軟件運維等真實項目開發全過程，每一個過程需要撰寫并輸出相應的開發文檔。通過校企深度合作，將真實軟件企業的開發標準、開發流程、開發方式、開發環境、開發技術與工具、項目管理等引入實訓中，實現實訓過程真實化。學生在開發過程中遇到疑難問題或文檔、代碼等出現錯誤，實訓評測池會自動提供信息反饋，實訓學習池會提供在線指導服務。教師可以通過智能管理助手查看學生實訓的全部過程，包括系統架構、系統建模、測試方式與各階段的開發文檔情況，與學生進行在線交流或現場面對面交流，并提供實時指導。這種以真實軟件項目開發為主線的沉浸式訓練方式，充分體現了CDIO工程教育思想，能很好地實現學生工程基礎與工程問題解決能力培養目標。

“虛擬池”實質上是一個虛擬化的云計算資源池，大量的程序運行在實訓業務池的“云”中，不但對終端設備的要求不高，可以節約學校的投資成本，提高資產的使用壽命，而且學生使用開發平臺時會更加流暢，同時，云計算基礎架構很容易擴展，提高了升級的便利性。實訓業務池在云計算的支持下，不但可以實現項目訓練的真實化、協同化，增強學生的學習體驗感，提高實踐能力與團隊協作能力，而且可以提高開發的質量與效率。

②實訓資源池：資源豐富化與游戲化

實訓資源池是資源存取、匯聚、提供、開發與使用的場所，為學生項目開發訓練和自主學習提供充足的資源保障。資源包括與實訓相關的真實項目庫、案例庫、開發工具庫和學習資源庫（如微視頻、試題、課件、實訓教材及其他學習資源）等。資源的使用應不受時空限制。學生不但可以在課堂訓練中使用，也可以在課前與課后學習使用，實現課堂翻轉。實訓資源本身的質量很大程度上決定了學生的實訓效果。資源的設計必須滿足實訓目標與項目開發的要求，并能適應不同基礎層次的學生學習。因此，實訓資源池要求資源種類和數量足夠多，還要具有層次性、遞進性和挑戰性。對于微視頻、課件等學習資源，應能夠簡明、清晰、到位地解釋知識點。還可以運用人機交互、增強現實等技術進行游戲化設計，盡量以多種媒體形式展現，呈現的內容應多維、立體、動態，具有較強的交互性、體驗性和娛樂性。

資源既可以由主講教師自行開發或校企合作開發，也可以利用現有優秀開放教育資源（如MOOC、微課等）或對其進行二次開發利用。高質量實訓資源的開發需要由高水平的專業團隊來完成。對于實力強大的高校來說，自行開發容易保證質量，但地方性院校因受諸多條件的限制，利用豐富的開放教育資源無疑是一種更好的做法。盡管開放教育資源非常豐富，但魚龍混雜，并且開發某一個項目所涉及的資源，可能會來源于多個平臺，具有分散無序、碎片化和關聯缺失等問題。如何提高開放教育資源的利用或二次開發效果？可以運用知識圖譜、數據挖掘和機器學習等技術，將海量且繁雜的知識碎片整合為一個語義化的知識網絡，或運用跨媒體知識圖譜，分析、挖掘不同媒體中的知識，圍繞開發過程及行業背景，將海量資源與知識體系進行組織、管理、重組、表征、融合并加以挖掘利用（李振等，2019），提高資源的可用性與適切性，更好地滿足個性化、多元化的實訓項目開發需求。實訓資源池可以為學生提供個性化、豐富化、游戲化的資源，可以提高系統的“吸引力”，提升學生學習的興趣。

③實訓學習池：學習智能化與個性化

實訓學習池是為了實現項目開發目標，為學生自動推薦學習資源、策略和路徑，供學生自主學習與解決疑難問題的虛擬場域。該模塊綜合運用大數據、深度學習、自然語言處理、知識圖譜、知識表示、知識推理、人機交互等人工智能技術，創建集智能導師、智能導學、智能應答、智能伙伴等功能于一體的智能教學系統（相當于虛擬機器人）。

第一，智能導師。模擬教師教學過程、經驗和方法，代替教師對學生進行一對一或一對多教學與指導，向具有不同需求和特征的學生傳遞軟件項目開發知識，可以使教師從繁瑣的事務性教學工作中解放出來，也可以使學生不受時空限制地接受教學指導。第二，智能導學。將與項目開發相關的知識體系分解為多個知識元，通過關鍵點進行語義定義，再進行歸納與整理，圍繞項目開發形成新的知識體系與邏輯知識地圖。此功能通過適時監控、搜集、響應和診斷學生的訓練過程數據（如編碼、文檔編寫、交流與協作等），識別學生的學習風格與習慣，對學生進行建模;依據學生訓練需求、訓練風格和先前知識自動推送合適的學習資源、導航與策略;運用算法生成精準的個性化學習路徑，最大限度地優化學生的訓練過程，真正做到自適應學習。第三，智能應答。智能應答是一個大規模知識處理與自動反饋應答系統，可以針對學生在實訓過程中提出的各種知識、技術與方法等問題，先進行內容的分析與解讀，再針對性地自動回答學生的疑問。第四，智能伙伴。智能伙伴是一個社交智能化系統，具有虛擬學習伙伴、虛擬學習團隊的功能。實訓學習池可以承擔虛擬導師、虛擬伙伴等多種角色，既能實現自主學習和個性化自適應學習，又能實現團隊學習與社交智能化，提高學生學習的效率與效果，充分調動學習積極性。

④實訓評測池：評測自動化與客觀化

實訓評測池是代碼自動檢測、開發文檔自動批改與評價、實訓成績自動生成的場所。不但能即時、快速檢測訓練效果，而且能即時精準反饋實訓問題，為教師動態調整教學策略、學生實時改進實訓方法提供依據。

第一，智能代碼檢測。在傳統的代碼檢測技術（調試、編譯、識別、比較等）基礎上，綜合運用深度學習與區塊鏈等技術，可以設計出一套對安全漏洞敏感的代碼漏洞自動檢測系統（邱煒偉等，2019），既可發現程序中存在的語法錯誤，也能對可能存在的邏輯錯誤進行提示，還能查找出代碼存在的安全隱患，并準確定位錯誤代碼的位置，提供詳細的代碼缺陷說明、正確代碼示例和修改建議等。第二，智能文檔批改。綜合運用大數據、自然語言處理、機器學習、語義識別、文字識別、圖像識別等技術，對學生的軟件開發文檔、實訓報告進行自動檢測與批改，給出評語、評分和修改意見，并且針對其個性與共性問題自動輸出統計分析報告。第三，智能評測。一是通過圖像識別、自然語言處理和情感計算等技術，實時獲取學生的實訓過程和實訓行為數據，自動分析、判斷學生學習狀態，對學生的訓練進行過程性評價。二是在智能代碼檢測、智能批改的基礎上，對學生的訓練進行結果性評價，最終自動評定學生的實訓綜合成績。實訓評測池所具有的代碼檢測、開發文檔批改與實訓評測的自動化及即時精準反饋問題等功能，便于提升學生訓練與學習的效率、評價的公平性與客觀性，進而提高學生的滿意度。

⑤實訓管理池：管理全程化與可視化

實訓管理池是實訓質量的有力保障，與實訓業務池及實訓評測池交互，對學生實訓過程與學習狀態進行動態監控與診斷，輔助教師進行項目管理與日常教學管理。

第一，無感考勤。以人臉識別技術、傳感技術等為基礎，通過攝像頭掃描抓拍學生人臉，再將抓拍的圖片與學生人臉庫中的圖片進行比對分析并與課表關聯，自動生成考勤表。不但可以實時跟蹤整個實訓過程，實現全程考勤，而且無須人工參與，可以有效解決傳統人工考勤存在的代答、代簽及浪費課堂時間等問題。第二，智能監測。一是通過各種傳感器、眼動識別儀和可穿戴設備等，綜合運用生物特征識別、語音識別、圖像識別和情境感知等技術，建立多元數據感知通道，現場采集、提取學生的學習行為、訓練軌跡與學習情感（喜怒哀樂）等數據。二是運用學習分析、機器學習、淺文本處理、數據挖掘等技術在線提取學生編碼實踐、設計體驗、文本撰寫、資料查找、視頻觀看和交互協作過程中的狀態數據。三是以學生的學習狀態與行為數據分析為基礎，集文本挖掘、情感計算、信息提取、認知診斷和數據可視化呈現等技術（李振等，2019），對學生進行畫像，描述學生的專業知識、技術能力、項目管理、學習風格及情感狀態等方面的特征，監測學生的顯性與隱性訓練狀態與行為。第三，智能診斷。在智能監測的基礎上，運用學習分析與自適應學習技術等，以知識圖譜的形式可視化展示學生軟件開發知識點與技能的掌握程度，精準定位學生的訓練短板（李振等，2019），為學生提供個性化反饋或學習報告，再與實訓學習池、實訓資源池交互，為學生提供差異化學習路徑與學習資源推送服務，同時為教師優化教學方法與教學內容提供精準服務及教學決策支持。第四，智能預測。通過數據建模，對與項目開發過程相關數據進行聚類分析和智能評估，找出學生訓練結果與學習內容、資源、行為、認知等變量之間的關系，對學生未來的開發能力與學習趨勢進行分析和預測（閆志明等，2017），進而為學生學習規劃的調整提供參考，為學生的精準就業提供依據。第五，智能管理助手。一是項目管理。包含項目過程管理、里程碑管理、需求管理、缺陷管理及代碼托管服務等，重點對實訓全過程進行可視化管理。教師可以實時查看每個小組項目開發的進度、代碼與文檔質量、代碼貢獻度，也可以通過與實訓評測池進行交互，了解代碼與文檔的自動評測情況。二是日常教學管理。管理實訓過程中的日常性教學事務，如訓練任務分解與發布;作業布置、自動評閱與統計等;對學生的考勤進行分析、學生項目分組、學生課堂行為表現、學生成績管理和學業預警管理等，有利于教師在課堂上集中精力與學生進行一對一交流和指導，解答學生疑難問題。實訓管理池不但可以實現教學管理的全程化、可視化與自動化，提高管理效率，而且可以適時監控學生的學習狀態，提高系統的“壓力”，進而提高學生學習的動力。

四、應用案例：吉首大學-青軟實訓合作實施軟件工程“游泳池”實訓模式

2012年，吉首大學與青軟實訓教育科技股份有限公司開始深度合作培養軟件工程人才，專業性較強的專業課程和課程設計由企業選派技術專家入校授課，學生在第7學期前往企業進行為期18周的沉浸式企業實訓。從2015年至今，“Java課程設計”等和企業實訓均采用“游泳池”實訓模式。該實訓模式，線下“物理池”采用實際項目開發管理模式，通過人—人交互對學生進行現場管理、專業指導及知識傳授;線上“虛擬池”采用自適應智能教學模式，通過人—機交互或人—機—人交互對學生進行機器自動指導、管理與評測及認知類、技能類等知識傳授，讓學生真正實現個性化學習。

1.教學流程

“游泳池”實訓主要采用翻轉課堂教學流程。（1）課前自主學習。教師在“虛擬池”部署項目庫、案例庫、工具庫及軟件開發環境等，發布訓練任務（含任務描述與分級），設計制作微視頻、PPT、模板素材等學習資源;學生通過“虛擬池”自主學習，了解項目任務，復習相關知識點。（2）課堂集中實訓。教師現場了解或通過“虛擬池”實時獲取學生學習狀態數據，重點難點精講點撥，現場指導與監控，組織項目答辯與評審;學生按開發規范和項目進度要求在實訓現場登錄“虛擬池”進行高強度迭代開發訓練，提交項目文檔、報告，同時，學生與教師或“虛擬池”交互，及時糾正代碼錯誤，補充學習新知識，解決疑難問題。（3）課后拓展訓練。教師通過“虛擬池”進行指導、與學生一對一交流;學生不受時空限制在“虛擬池”進行拓展訓練與學習。

2.實訓空間

“游泳池”實訓的物理空間為學校軟件工程實訓室或實驗室（進行課程設計）、青軟實訓多功能智能實訓室（完成企業實訓）。線下教學情境的設計基本滿足前述的“封閉、真實、抗壓、快樂”等特征，通過同時打造“吸引力系統”和“壓力系統”來提高環境的沉浸度，進而提高學生訓練、學習的興趣與動力，提升實訓效果。

“游泳池”實訓的虛擬空間采用U+新工科智慧云（https：//www.eec-cn.com/）。該智慧云由青軟實訓于2017年研發并通過對接企業級開發平臺，引入真實行業標準、真實的產業環境、真實的企業項目案例，以智能化手段構建的全新教育教學系統。智慧云集教育教學與工程實踐為一體，包括工程實踐平臺、智慧教學平臺、數據分析平臺、內容資源庫平臺、智能考試平臺、畢業設計平臺等云平臺，為高校提供教、學、評、測、練一站式服務。工程實踐平臺具有在線項目開發、實訓管理（含項目管理、考勤管理等）、實訓指導、代碼自動檢查、編譯構建、代碼托管、實訓評審等功能;智慧教學平臺具有備課、授課、作業、實驗等功能;數據分析平臺具有數據匯總、課程動態展示、項目實施情況查詢分析、教學資源管理、學習過程數據查詢統計、教學行為分析、教學預警等功能;內容資源庫平臺提供豐富的企業真實項目、案例、教學視頻、實訓素材等資源。學生通過工程實踐云平臺體驗真實項目開發過程與情境，獲得一對一的實訓指導、代碼自動檢查、代碼托管等服務，通過內容資源庫平臺獲取豐富的個性化實訓資源;教師利用智慧教學平臺備課、授課、布置實訓任務與作業。系統可以對學生的作業等進行自動批改、評分，還可以通過數據分析平臺實時獲取學生的學習狀態數據，對學生實訓全過程進行管理與監控，有利于教師實現精準教學與管理，提高教學與管理效率。

總的來講，U+新工科智慧云已基本實現本實訓空間設計的實訓業務池（云開發）、實訓資源池（真實項目庫、案例庫、教學視頻、實訓素材等）、實訓評測池（代碼檢測與托管、實訓評審等）、實訓管理池（考勤管理、智能監測、項目與學生管理）等功能。實訓資源池（開放教育資源智能化二次開發）、實訓評測池（智能文檔批改）、實訓管理池（情感狀態監測、智能診斷、智能預測）和實訓學習池（智能導師、智能導學、智能應答）等功能尚未實現，處在完善過程中。

3.實施效果

盡管該智慧云不是專門針對軟件工程專業實訓教學而設計，其智能化程度也不是很高，只是弱人工智能的初步應用，但其具有的實訓教學功能對于“游泳池”實訓效果的提升還是發揮了不可替代的作用。對吉首大學軟件工程專業學生完成“Java課程設計”（60學時）項目的相關指標進行了統計，如表1所示。學生平均代碼量和項目平均覆蓋的基礎與核心知識點（面向對象設計、IO、數據庫、集合、多線程、網絡交互、圖形報表、Swing等）數據指標能夠直觀地反映學生的開發實踐能力，項目平均覆蓋的擴展知識點（Jmf（音頻播放）、Javafx（視頻播放）、Android、BeautEye插件、WindowBuilder、線程池、Jsoup爬蟲、網頁數據解析、Banner插件、POI等）數據指標的變化能說明學生自主學習能力的變化。由表1可知，2016年采用“游泳池”實訓模式比2013年采用傳統實訓模式時學生的滿意度、平均代碼量、平均覆蓋知識點數等指標均有不同程度的增大，2019年采用“游泳池”實訓并同時使用U+新工科智慧云以后，這些指標又進一步增大，說明學生的開發實踐能力和自主學習能力等均不斷提升。

青軟實訓還與青島理工大學、青島科技大學等52所高校深度合作，運用“游泳池”實訓方法并采用U+新工科智慧云開展企業實訓與課程設計，均取得了良好的教學效果。

五、結論與討論

“游泳池”實訓是指為學生創建的“壓力系統”與“吸引力系統”共存的沉浸式工程實踐環境，運用翻轉課堂教學流程，進行工程項目訓練，使學生的自主學習能力、實踐能力、創新能力和抗壓能力等快速提升的實踐教學過程。軟件工程“游泳池”實訓空間是綜合運用人工智能、物聯網、云計算、大數據、射頻識別、傳感與自動控制等技術構建的“物理池”和“虛擬池”“二池”合一的沉浸式“游泳池”訓練環境。前者是課堂集中實訓與交互體驗的物理場所，后者是課前自主學習、課堂集中實訓、課后拓展訓練的虛擬場所，二者的有機融合形成較強的“壓力”與“吸引力”，大力提高學生訓練的動力與興趣。“物理池”包括智能教學與管理系統，工程實踐系統，信息感知、采集與反饋系統和環境控制系統等，具有精準教學、智能管理、工程實踐、技術體驗、現場互動、人機交互、分享展示、環境調節等諸多功能，滿足“封閉、真實、抗壓、快樂”等沉浸式特征?！疤摂M池”的技術框架由物理層、數據層、算法層、感知層、認知層和應用層構成，具有實訓業務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環境控制池等功能模塊。人工智能賦能實踐教學，使實訓過程真實化與協同化、實訓資源豐富化與游戲化、知識學習智能化與個性化、實訓評測自動化與客觀化、實訓管理全程化與可視化，真正實現實踐教學精準化，顯著提升學生的實訓效率與效果。

目前的人工智能還處于弱人工智能階段，強人工智能只是概念，距離實現和應用還有較遠的距離（鄭勤華等，2019）。人工智能與教育的融合也處于初級階段（張慧等，2019），人工智能賦能實踐教學任重道遠。“游泳池”實訓是一種提高實訓質量的有效方法，但現有“游泳池”實訓空間的智能化水平不太高，還有較大的發展空間。隨著人工智能技術由感知智能邁向認知智能，如何運用人工智能進一步提高“游泳池”實訓空間的智能化程度，完善其功能，進而不斷提升實踐教學效果，將有待下一步繼續研究與實踐。另外，“游泳池”實訓空間與學生能力提升的關系及人工智能在“游泳池”實訓中所起作用還有待進行更為深入的實證研究。

致謝

感謝青軟實訓總經理助理張春麗女士提供相關案例材料與信息。

注釋：

① 這里的課程設計意為Practicum，指某一門課程的綜合性集中實踐教學環節。如“C語言”課程設計，一般指運用該課程主要知識、技術開發一個小型軟件項目所進行的綜合性實踐訓練。本文的課程設計均指此意。

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收稿日期 2020-03-03責任編輯 汪燕