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(yè)的重要教學環(huán)節(jié)，是高校人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求對接的重要手段。如何利用人工智能構(gòu)建智能化的實訓空間，為學生提供沉浸式智能訓練環(huán)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(guān)注重點。借鑒體育訓練中的“游泳池”訓練法構(gòu)建的“游泳池”實訓，意在通過將人工智能等先進技術(shù)融入實訓空間，為學生創(chuàng)建一種“壓力系統(tǒng)”與“吸引力系統(tǒng)”共存的沉浸式工程實踐環(huán)境（相當于游泳池），提升學生的自主學習能力、實踐能力、創(chuàng)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(huán)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(yè)務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環(huán)境控制池六大功能模塊，可實現(xiàn)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(yè)實訓與課程設計，均取得了良好的教學效果。

關(guān)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(guī)劃基金項目“面向新工科人才培養(yǎng)的智能教育空間建構(gòu)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(gòu)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(yǎng)是發(fā)展軟件產(chǎn)業(yè)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(chuàng)新能力有非常高的要求，必須在“動手做”中領(lǐng)會軟件開發(fā)的思想。但傳統(tǒng)軟件工程教育經(jīng)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(yè)的課程設計①、專業(yè)實訓等實踐教學環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力和抗壓能力非常關(guān)鍵。隨著人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域日益廣泛的應用，如何利用人工智能構(gòu)建智能化的實訓空間，為學生提供沉浸式智能訓練環(huán)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(guān)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(wǎng)絡空間（又稱信息空間、數(shù)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?qū)嵺`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(yè)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(jié)構(gòu)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(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究開始關(guān)注智能化網(wǎng)絡學習空間。例如，梁為（2014）基于Silverlight架構(gòu)構(gòu)建了基于3D虛擬體驗環(huán)境的體驗式網(wǎng)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(qū)動”理念設計了智慧實驗學習空間;塔衛(wèi)剛等（2018）提出了基于智能技術(shù)整合的學習空間構(gòu)架（包括基礎數(shù)據(jù)層、算法層、感知層、認知層和應用層）;楊現(xiàn)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(tài)與融合路徑等。這些研究成果尤其是智能化網(wǎng)絡學習空間的相關(guān)研究給本研究設計提供了較多啟發(fā)。

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(huán)，提高能量代謝與心肺功能，并且在運動過程中因人體關(guān)節(jié)不負重，對關(guān)節(jié)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(lǐng)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(lǐng)會動作要領(lǐng)，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(lǐng)。

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(fā)展力量與柔韌素質(zhì)、再生與恢復、持續(xù)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(yè)的實踐教學中得到應用。例如，關(guān)玉欣等（2019）在軟件工程專業(yè)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(fā)明專利《一種基于泳池實訓的網(wǎng)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(yè)培養(yǎng)學生實踐能力的重要教學環(huán)節(jié)，是高校人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求對接的重要手段。實訓即“實踐”加“培訓”。軟件工程專業(yè)實訓是學生直接進行軟件項目開發(fā)，提高實踐能力與職業(yè)素養(yǎng)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(fā)，筆者借鑒關(guān)玉欣等（2019）及部分企業(yè)的實訓教學經(jīng)驗，嘗試提出“游泳池”實訓這一概念。“游泳池”實訓是指為學生創(chuàng)建一種“壓力系統(tǒng)”與“吸引力系統(tǒng)”共存的沉浸式工程實踐環(huán)境（相當于游泳池），運用翻轉(zhuǎn)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(chuàng)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(zhuǎn)變”“三個環(huán)境”和“四種能力”?！岸€轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，學生由知識的被動接受者向主動學習者與運動員轉(zhuǎn)變。“三個環(huán)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(huán)境即“壓力系統(tǒng)”，提高學生訓練的強度與動力;二是通過創(chuàng)設多樣化、個性化、游戲化、強交互的訓練環(huán)境即“吸引力系統(tǒng)”，提高訓練的積極性與主動性;三是通過創(chuàng)建沉浸式真實企業(yè)實踐環(huán)境，以“做中學”“練中創(chuàng)”的方式實現(xiàn)知識的內(nèi)化、遷移與創(chuàng)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(yǎng)軟件工程專業(yè)學生的實踐能力、創(chuàng)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(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和自動控制等技術(shù)，構(gòu)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(huán)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(nèi)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(tǒng)”“吸引力系統(tǒng)”及沉浸式真實項目實踐環(huán)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(xiàn)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。“物理池”可以由傳統(tǒng)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(nèi)具有各種設施（網(wǎng)絡以及環(huán)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(shù)據(jù)庫、軟件資源、項目、案例等）、軟件開發(fā)環(huán)境與工具等，涵蓋智能教學與管理系統(tǒng)，工程實踐系統(tǒng)，信息感知、采集與反饋系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)等，具有精準教學、智能管理、工程實踐、技術(shù)體驗、現(xiàn)場互動、人機交互、分享展示、環(huán)境調(diào)節(jié)等諸多功能。在“物理池”中，教師是實訓現(xiàn)場的管理者、監(jiān)控者、組織者，教師成為教練，與人工智能協(xié)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(xié)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(huán)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?！拔锢沓亍钡臅r間與空間是有限的，即在規(guī)定的實訓時間內(nèi)（如課程設計連續(xù)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(guī)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(yè)環(huán)境。通過校企深度合作創(chuàng)建“6R”真實環(huán)境，學生按照真實企業(yè)的開發(fā)過程，沉浸于真實的軟件開發(fā)環(huán)境，運用真實的開發(fā)工具，感受真實的企業(yè)文化，進行真實企業(yè)項目訓練，通過體驗真實企業(yè)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(huán)境。模擬企業(yè)開發(fā)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(xié)作與抗壓能力。

（4）快樂：沉浸式游戲環(huán)境。一是構(gòu)建多樣化的智能教學系統(tǒng)與自動化環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，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(nèi)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(huán)境與內(nèi)容的“吸引力”來激發(fā)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(xiàn)精準教學與自動化管理、學生實現(xiàn)自主訓練與個性化學習的虛擬場所?！疤摂M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(shù)架構(gòu)設計

“虛擬池”技術(shù)框架為6層體系結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)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(shù)將底層物理資源（如計算、存儲、網(wǎng)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(shù)據(jù)層為“虛擬池”提供數(shù)據(jù)支持，其數(shù)據(jù)可以來源于本地或網(wǎng)絡，主要包括基本信息數(shù)據(jù)、行為狀態(tài)數(shù)據(jù)、情感數(shù)據(jù)、實訓教學數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光線等）和管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)的采集、挖掘、處理、監(jiān)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(xiàn)的核心與關(guān)鍵技術(shù)，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(jīng)網(wǎng)絡原理建立起來的系統(tǒng)算法，常見的有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)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(shù)。借助該技術(shù)可以采集、分析學生的學習行為、學習狀態(tài)，監(jiān)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(guī)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(wèi)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(yè)務開展、實訓資源獲取、實訓評價、實訓管理等，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)將云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)有機結(jié)合，為“虛擬池”的運行提供高效的算法、強大的算力與大數(shù)據(jù)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(yè)務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環(huán)境控制池等，它們之間是一種相互協(xié)同、相互支持的關(guān)系。在迭代開發(fā)過程中，以實訓業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(tài)與過程數(shù)據(jù)，監(jiān)控實訓全過程;師生、實訓業(yè)務池與環(huán)境控制池交互，獲得個性化的物理環(huán)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(xié)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(yè)務池：訓練真實化與協(xié)同化

實訓業(yè)務池是“虛擬池”的主“池”，是學生在線開發(fā)、文檔撰寫與交互體驗的主要場所，是知識內(nèi)化、遷移、應用與創(chuàng)造的“主戰(zhàn)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(fā)訓練。首先，教師需要在實訓業(yè)務池中部署真實軟件開發(fā)環(huán)境（前端環(huán)境、后端環(huán)境、軟件維護環(huán)境和逆向工程環(huán)境等），設計、布置實訓任務;然后，學生可以登錄系統(tǒng)，在實訓業(yè)務池中逐步完成從項目規(guī)劃到需求分析，再到系統(tǒng)設計（總體設計、詳細設計）、編碼實現(xiàn)、軟件測試、軟件運維等真實項目開發(fā)全過程，每一個過程需要撰寫并輸出相應的開發(fā)文檔。通過校企深度合作，將真實軟件企業(yè)的開發(fā)標準、開發(fā)流程、開發(fā)方式、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)技術(shù)與工具、項目管理等引入實訓中，實現(xiàn)實訓過程真實化。學生在開發(fā)過程中遇到疑難問題或文檔、代碼等出現(xiàn)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(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)建模、測試方式與各階段的開發(fā)文檔情況，與學生進行在線交流或現(xiàn)場面對面交流，并提供實時指導。這種以真實軟件項目開發(fā)為主線的沉浸式訓練方式，充分體現(xiàn)了CDIO工程教育思想，能很好地實現(xiàn)學生工程基礎與工程問題解決能力培養(yǎng)目標。

“虛擬池”實質(zhì)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(yè)務池的“云”中，不但對終端設備的要求不高，可以節(jié)約學校的投資成本，提高資產(chǎn)的使用壽命，而且學生使用開發(fā)平臺時會更加流暢，同時，云計算基礎架構(gòu)很容易擴展，提高了升級的便利性。實訓業(yè)務池在云計算的支持下，不但可以實現(xiàn)項目訓練的真實化、協(xié)同化，增強學生的學習體驗感，提高實踐能力與團隊協(xié)作能力，而且可以提高開發(fā)的質(zhì)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(fā)與使用的場所，為學生項目開發(fā)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(guān)的真實項目庫、案例庫、開發(fā)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(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)。實訓資源本身的質(zhì)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(fā)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(shù)量足夠多，還要具有層次性、遞進性和挑戰(zhàn)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(xiàn)實等技術(shù)進行游戲化設計，盡量以多種媒體形式展現(xiàn)，呈現(xiàn)的內(nèi)容應多維、立體、動態(tài)，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(fā)或校企合作開發(fā)，也可以利用現(xiàn)有優(yōu)秀開放教育資源（如MOOC、微課等）或?qū)ζ溥M行二次開發(fā)利用。高質(zhì)量實訓資源的開發(fā)需要由高水平的專業(yè)團隊來完成。對于實力強大的高校來說，自行開發(fā)容易保證質(zhì)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(fā)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(guān)聯(lián)缺失等問題。如何提高開放教育資源的利用或二次開發(fā)效果？可以運用知識圖譜、數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等技術(shù)，將海量且繁雜的知識碎片整合為一個語義化的知識網(wǎng)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(fā)過程及行業(yè)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)項目開發(fā)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(shù)據(jù)、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(shù)，創(chuàng)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(tǒng)（相當于虛擬機器人）。

第一，智能導師。模擬教師教學過程、經(jīng)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(fā)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(fā)相關(guān)的知識體系分解為多個知識元，通過關(guān)鍵點進行語義定義，再進行歸納與整理，圍繞項目開發(fā)形成新的知識體系與邏輯知識地圖。此功能通過適時監(jiān)控、搜集、響應和診斷學生的訓練過程數(shù)據(jù)（如編碼、文檔編寫、交流與協(xié)作等），識別學生的學習風格與習慣，對學生進行建模;依據(jù)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(yōu)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(guī)模知識處理與自動反饋應答系統(tǒng)，可以針對學生在實訓過程中提出的各種知識、技術(shù)與方法等問題，先進行內(nèi)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(tǒng)，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(xiàn)自主學習和個性化自適應學習，又能實現(xiàn)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(diào)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(fā)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(tài)調(diào)整教學策略、學生實時改進實訓方法提供依據(jù)。

第一，智能代碼檢測。在傳統(tǒng)的代碼檢測技術(shù)（調(diào)試、編譯、識別、比較等）基礎上，綜合運用深度學習與區(qū)塊鏈等技術(shù)，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(tǒng)（邱煒偉等，2019），既可發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)、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(shù)，對學生的軟件開發(fā)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(tǒng)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(shù)，實時獲取學生的實訓過程和實訓行為數(shù)據(jù)，自動分析、判斷學生學習狀態(tài)，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(jié)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(fā)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(zhì)量的有力保障，與實訓業(yè)務池及實訓評測池交互，對學生實訓過程與學習狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)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(shù)、傳感技術(shù)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(guān)聯(lián)，自動生成考勤表。不但可以實時跟蹤整個實訓過程，實現(xiàn)全程考勤，而且無須人工參與，可以有效解決傳統(tǒng)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(jiān)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(shù)，建立多元數(shù)據(jù)感知通道，現(xiàn)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(shù)據(jù)。二是運用學習分析、機器學習、淺文本處理、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)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(xié)作過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。三是以學生的學習狀態(tài)與行為數(shù)據(jù)分析為基礎，集文本挖掘、情感計算、信息提取、認知診斷和數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)等技術(shù)（李振等，2019），對學生進行畫像，描述學生的專業(yè)知識、技術(shù)能力、項目管理、學習風格及情感狀態(tài)等方面的特征，監(jiān)測學生的顯性與隱性訓練狀態(tài)與行為。第三，智能診斷。在智能監(jiān)測的基礎上，運用學習分析與自適應學習技術(shù)等，以知識圖譜的形式可視化展示學生軟件開發(fā)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?qū)W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(yōu)化教學方法與教學內(nèi)容提供精準服務及教學決策支持。第四，智能預測。通過數(shù)據(jù)建模，對與項目開發(fā)過程相關(guān)數(shù)據(jù)進行聚類分析和智能評估，找出學生訓練結(jié)果與學習內(nèi)容、資源、行為、認知等變量之間的關(guān)系，對學生未來的開發(fā)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(guī)劃的調(diào)整提供參考，為學生的精準就業(yè)提供依據(jù)。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(fā)的進度、代碼與文檔質(zhì)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(fā)布;作業(yè)布置、自動評閱與統(tǒng)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(xiàn)、學生成績管理和學業(yè)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(xiàn)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(jiān)控學生的學習狀態(tài)，提高系統(tǒng)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(yǎng)軟件工程人才，專業(yè)性較強的專業(yè)課程和課程設計由企業(yè)選派技術(shù)專家入校授課，學生在第7學期前往企業(yè)進行為期18周的沉浸式企業(yè)實訓。從2015年至今，“Java課程設計”等和企業(yè)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(fā)管理模式，通過人—人交互對學生進行現(xiàn)場管理、專業(yè)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(xiàn)個性化學習。

1.教學流程

“游泳池”實訓主要采用翻轉(zhuǎn)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(fā)環(huán)境等，發(fā)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(guān)知識點。（2）課堂集中實訓。教師現(xiàn)場了解或通過“虛擬池”實時獲取學生學習狀態(tài)數(shù)據(jù)，重點難點精講點撥，現(xiàn)場指導與監(jiān)控，組織項目答辯與評審;學生按開發(fā)規(guī)范和項目進度要求在實訓現(xiàn)場登錄“虛擬池”進行高強度迭代開發(fā)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?qū)嶒炇遥ㄟM行課程設計）、青軟實訓多功能智能實訓室（完成企業(yè)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(tǒng)”和“壓力系統(tǒng)”來提高環(huán)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(fā)并通過對接企業(yè)級開發(fā)平臺，引入真實行業(yè)標準、真實的產(chǎn)業(yè)環(huán)境、真實的企業(yè)項目案例，以智能化手段構(gòu)建的全新教育教學系統(tǒng)。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(shù)據(jù)分析平臺、內(nèi)容資源庫平臺、智能考試平臺、畢業(yè)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(fā)、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(gòu)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(yè)、實驗等功能;數(shù)據(jù)分析平臺具有數(shù)據(jù)匯總、課程動態(tài)展示、項目實施情況查詢分析、教學資源管理、學習過程數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、教學行為分析、教學預警等功能;內(nèi)容資源庫平臺提供豐富的企業(yè)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(fā)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(nèi)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(yè)。系統(tǒng)可以對學生的作業(yè)等進行自動批改、評分，還可以通過數(shù)據(jù)分析平臺實時獲取學生的學習狀態(tài)數(shù)據(jù)，對學生實訓全過程進行管理與監(jiān)控，有利于教師實現(xiàn)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(xiàn)本實訓空間設計的實訓業(yè)務池（云開發(fā)）、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(jiān)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(fā)）、實訓評測池（智能文檔批改）、實訓管理池（情感狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)，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(yè)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(fā)揮了不可替代的作用。對吉首大學軟件工程專業(yè)學生完成“Java課程設計”（60學時）項目的相關(guān)指標進行了統(tǒng)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?qū)ο笤O計、IO、數(shù)據(jù)庫、集合、多線程、網(wǎng)絡交互、圖形報表、Swing等）數(shù)據(jù)指標能夠直觀地反映學生的開發(fā)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(wǎng)頁數(shù)據(jù)解析、Banner插件、POI等）數(shù)據(jù)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(tǒng)實訓模式時學生的滿意度、平均代碼量、平均覆蓋知識點數(shù)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(fā)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(yè)實訓與課程設計，均取得了良好的教學效果。

五、結(jié)論與討論

“游泳池”實訓是指為學生創(chuàng)建的“壓力系統(tǒng)”與“吸引力系統(tǒng)”共存的沉浸式工程實踐環(huán)境，運用翻轉(zhuǎn)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(chuàng)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(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、射頻識別、傳感與自動控制等技術(shù)構(gòu)建的“物理池”和“虛擬池”“二池”合一的沉浸式“游泳池”訓練環(huán)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(tǒng)，工程實踐系統(tǒng)，信息感知、采集與反饋系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)等，具有精準教學、智能管理、工程實踐、技術(shù)體驗、現(xiàn)場互動、人機交互、分享展示、環(huán)境調(diào)節(jié)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(shù)框架由物理層、數(shù)據(jù)層、算法層、感知層、認知層和應用層構(gòu)成，具有實訓業(yè)務池、實訓資源池、實訓學習池、實訓評測池、實訓管理池與環(huán)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(xié)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(xiàn)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(xiàn)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?！坝斡境亍睂嵱柺且环N提高實訓質(zhì)量的有效方法，但現(xiàn)有“游泳池”實訓空間的智能化水平不太高，還有較大的發(fā)展空間。隨著人工智能技術(shù)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(xù)研究與實踐。另外，“游泳池”實訓空間與學生能力提升的關(guān)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(jīng)理助理張春麗女士提供相關(guān)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(huán)節(jié)。如“C語言”課程設計，一般指運用該課程主要知識、技術(shù)開發(fā)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