人工智能赋能实践教学：软件工程“游泳池”实训空间设计与应用

曾明星　徐洪智　黄云　钟键　周清平　宁小浩

摘要：实训是软件工程专业的重要教学环节，是高校人才培养与产业需求对接的重要手段。如何利用人工智能构建智能化的实训空间，为学生提供沉浸式智能训练环境，提高实践教学的效果，已成为软件工程教育及其研究的关注重点。借鉴体育训练中的“游泳池”训练法构建的“游泳池”实训，意在通过将人工智能等先进技术融入实训空间，为学生创建一种“压力系统”与“吸引力系统”共存的沉浸式工程实践环境（相当于游泳池），提升学生的自主学习能力、实践能力、创新能力和抗压能力。基于人工智能的软件工程“游泳池”实训空间是一个由封闭的物理空间（“物理池”）与智能的虚拟空间（“虚拟池”）“二池”合一的沉浸式“游泳池”环境。“物理池”是课堂集中实训的物理场所，具有“封闭、真实、抗压、快乐”等特征。“虚拟池”是学生课前自主学习、课堂集中实训、课后拓展训练的虚拟场所，包含实训业务池、实训资源池、实训学习池、实训评测池、实训管理池与环境控制池六大功能模块，可实现实训教学、评测和管理的自动化、智能化、精准化与场景化。青软实训与吉首大学等50多所高校深度合作，运用“游泳池”实训方法并采用U+新工科智慧云开展企业实训与课程设计，均取得了良好的教学效果。

关键词：人工智能;实践教学;游泳池实训;物理空间;虚拟空间

中图分类号：G434   文献标识码：A    文章编号：1009-5195（2020）04-0048-09  doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.04.006

*基金项目：2019年度教育部人文社会科学研究规划基金项目“面向新工科人才培养的智能教育空间建构研究”（19XJA880003）;2018年度湖南省哲学社会科学基金项目“人工智能时代‘新工科教育空间建构研究”（18YBA363）。

作者简介：曾明星，研究员，硕士生导师，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000），吉首大学教育科学研究院（湖南吉首 416000）;徐洪智，博士，副教授，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000）;黄云，博士，副教授，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000）;钟键，讲师，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000）;周清平，博士后，教授，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000）;宁小浩，讲师，吉首大学软件学院（湖南张家界 427000）。

一、引言

软件工程人才的培养是发展软件产业的重要抓手。软件工程具有强实践性、工程性与应用性等特征，对学生的实践能力、创新能力有非常高的要求，必须在“动手做”中领会软件开发的思想。但传统软件工程教育经常存在重理论、轻实践，学生实践能力不足，学生的抗压能力差等问题。软件工程专业的课程设计①、专业实训等实践教学环节对于培养学生的实践能力、创新能力和抗压能力非常关键。随着人工智能技术在教育领域日益广泛的应用，如何利用人工智能构建智能化的实训空间，为学生提供沉浸式智能训练环境，提高实践教学的效果，已成为当前软件工程教育及其研究关注的重点。

空间是指物体存在、运动（有限或无限）的场所（龙花楼，2013）。物理空间、网络空间（又称信息空间、数字空间、虚拟空间）和社交空间等都属于空间的范畴。学习空间是指用于学习的场所，包括物理空间和虚拟空间（Brown，2003），具有灵活的布局、圆形课桌、多屏空间、信息共享等功能特征（许亚锋等，2015）。实训空间也属于学习空间范畴，是一种面向实践教学而设计的学习与训练的空间。当前专门针对软件工程专业实训进行空间设计的成果较少，已有研究主要集中在课堂教学方面，如胡娟娟（2012）从结构设计、资源组织和课堂活动组织三个方面对多屏学习空间进行设计，并在“未来课堂”中展开教学实践和应用。随着人工智能技术的快速发展，越来越多的研究开始关注智能化网络学习空间。例如，梁为（2014）基于Silverlight架构构建了基于3D虚拟体验环境的体验式网络学习空间;于方（2018）基于“任务场景智能推送”+“任务线性流式驱动”理念设计了智慧实验学习空间;塔卫刚等（2018）提出了基于智能技术整合的学习空间构架（包括基础数据层、算法层、感知层、认知层和应用层）;杨现民等（2020）基于泛在学习、无缝学习、智慧学习背景提出了智能时代学习空间的融合样态与融合路径等。这些研究成果尤其是智能化网络学习空间的相关研究给本研究设计提供了较多启发。

二、“游泳池”实训的由来与界定

游泳属于全身性的有氧运动，能改善血液循环，提高能量代谢与心肺功能，并且在运动过程中因人体关节不负重，对关节起保护作用。因此，游泳训练法最初是用于受伤运动员机体康复的一种手段。人们要想学好游泳，在教练传授基本原理与动作要领以后，必须亲自进入游泳池中实践。学员在教练的引导、示范下自主探索、领会动作要领，在池中“呛水”而不断提升技能，最终锤炼成为一名游泳健将。反之，人们难以仅靠听讲游泳的理论学会游泳本领。

加拿大教练布伦特·麦克法莱恩将“游泳池”训练法运用于田径短跑与跨栏跑运动，提出了有氧游泳池训练法与无氧游泳池训练法两种田径训练法;其实践表明，该训练法具有训练多样化、预防损伤、安全有趣、发展力量与柔韧素质、再生与恢复、持续抗阻力等特征（布伦特·麦克法莱恩等，1993）。尽管很少有学者对“游泳池”训练法进行明确界定，但“游泳池”训练的原理已在高校和企业的实践教学中得到应用。例如，关玉欣等（2019）在软件工程专业实训中应用“游泳池”训练法并取得了良好的教学效果;青岛锐聘申请了国家发明专利《一种基于泳池实训的网络教学平台》（刘全，2017）;吉首大学等高校与青软实训合作在实践教学中也应用了该方法。

实训是工程类專业培养学生实践能力的重要教学环节，是高校人才培养与产业需求对接的重要手段。实训即“实践”加“培训”。软件工程专业实训是学生直接进行软件项目开发，提高实践能力与职业素养的训练过程（罗菁等，2011）。因受到学习游泳及布伦特·麦克法莱恩在田径短跑与跨栏跑运动中采用“游泳池”训练法的启发，笔者借鉴关玉欣等（2019）及部分企业的实训教学经验，尝试提出“游泳池”实训这一概念。“游泳池”实训是指为学生创建一种“压力系统”与“吸引力系统”共存的沉浸式工程实践环境（相当于游泳池），运用翻转课堂教学流程，进行工程项目训练，使学生的自主学习能力、实践能力、创新能力和抗压能力等“四种能力”快速提升的实践教学过程。“游泳池”实训包含“二个转变”“三个环境”和“四种能力”。“二个转变”指：教师由知识的传授者向任务设计者、情境营造者和教练转变，学生由知识的被动接受者向主动学习者与运动员转变。“三个环境”指：一是通过打造时空与任务压力（在固定的时空中完成特定的实训任务）、工作与竞争压力环境即“压力系统”，提高学生训练的强度与动力;二是通过创设多样化、个性化、游戏化、强交互的训练环境即“吸引力系统”，提高训练的积极性与主动性;三是通过创建沉浸式真实企业实践环境，以“做中学”“练中创”的方式实现知识的内化、迁移与创造。

三、基于人工智能的软件工程“游泳池”实训空间設计

软件工程“游泳池”实训空间秉承CDIO （Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育思想，是以“做中学”理念为导向，以培养软件工程专业学生的实践能力、创新能力、自主学习能力与抗压能力为目标，综合运用人工智能、物联网、云计算、大数据和自动控制等技术，构建一种封闭的物理空间（“物理池”）与智能的虚拟空间（“虚拟池”）“二池”合一的沉浸式“游泳池”环境，为学生提供趣味化、多样化、真实化、项目化、智能化、精准化训练内容的一种线上线下混合式实践教学场所。“物理池”与“虚拟池”的合理设计可以打造实训空间的“压力系统”“吸引力系统”及沉浸式真实项目实践环境。

1.“物理池”的设计

“物理池”即实训的物理空间，是一个立体化、现代化的综合实践场，是教师教学、学生线上线下实训的物理场所。“物理池”可以由传统的实训室、实验室、教室和工作坊等进行智能化改造而成，“池”内具有各种设施（网络以及环境控制设施等）、设备（教学设备以及信息采集设备等）、实训资源（如数据库、软件资源、项目、案例等）、软件开发环境与工具等，涵盖智能教学与管理系统，工程实践系统，信息感知、采集与反馈系统和环境控制系统等，具有精准教学、智能管理、工程实践、技术体验、现场互动、人机交互、分享展示、环境调节等诸多功能。在“物理池”中，教师是实训现场的管理者、监控者、组织者，教师成为教练，与人工智能协同，对学生进行个性化指导;学生是实训的主体，学生成为运动员，与人工智能协同实践与学习。“物理池”的设计以提升“压力”为主、“吸引力”为辅，应具有如下特征：

（1）封闭：沉浸式物理环境。沉浸的意思是浸泡，浸入水中，常比喻完全处于某种境界或思想活动中。“物理池”的时间与空间是有限的，即在规定的实训时间内（如课程设计连续10天，每天6小时），学生只能沉浸于这一相对封闭空间中进行高强度的工程训练与学习，完成规定的实训任务，教师只能沉浸于这一空间中指导与管理，通过时空与任务的“压力”来提高学生实训的紧迫性与效率。

（2）真实：沉浸式企业环境。通过校企深度合作创建“6R”真实环境，学生按照真实企业的开发过程，沉浸于真实的软件开发环境，运用真实的开发工具，感受真实的企业文化，进行真实企业项目训练，通过体验真实企业的工作“压力”来提高学生的实践能力和解决真实问题的能力。

（3）抗压：沉浸式竞争环境。模拟企业开发小组组建学生项目团队，一般由4～6人组成一个小组，每小组自主推选出一名项目负责人。通过建立小组竞争机制，形成竞争氛围，营造危机感，通过竞争“压力”来提高学生的团队协作与抗压能力。

（4）快乐：沉浸式游戏环境。一是构建多样化的智能教学系统与自动化环境调控系统，满足学生的个性化身心需求，提高训练的快乐感;二是设计立体化、游戏化的教学资源、教学内容，采取专题研讨、头脑风暴和成果展示等丰富多彩的课堂活动，通过环境与内容的“吸引力”来激发学生学习的兴趣。

2.“虚拟池”的设计

智能虚拟空间又称“虚拟池”，是教师实现精准教学与自动化管理、学生实现自主训练与个性化学习的虚拟场所。“虚拟池”的设计以提升“吸引力”为主、“压力”为辅，与“物理池”相互交融、相互补充，可以大力提升实训效果。

（1）“虚拟池”技术架构设计

“虚拟池”技术框架为6层体系结构，即物理层、数据层、算法层、感知层、认知层和应用层，如图1所示。物理层是整个“虚拟池”的物理基础，包括所有物理资源和虚拟化资源池，通过运用虚拟化技术将底层物理资源（如计算、存储、网络等）集成起来，虚拟为一个大的云计算资源池，通过资源池提供算力、存储、感知等智能云服务。数据层为“虚拟池”提供数据支持，其数据可以来源于本地或网络，主要包括基本信息数据、行为状态数据、情感数据、实训教学数据、环境数据（温度、湿度、光线等）和管理数据。数据层提供数据的采集、挖掘、处理、监测、存储、标注和交易等服务。算法层主要包括机器学习、深度学习算法等，是“虚拟池”实现的核心与关键技术，为其应用提供算法保障。常见的机器学习算法有线性回归、K-近邻、K-均值、决策树、朴素贝叶斯、逻辑回归、隐马尔可夫模型等。深度学习算法是基于人类神经网络原理建立起来的系统算法，常见的有卷积神经网络、递归神经网络、循环神经网络等。感知层主要包括生物特征识别（手形等生理特征及手势等行为特征）、语音识别、语音合成、文本识别、计算机视觉等技术。借助该技术可以采集、分析学生的学习行为、学习状态，监测学情。认知层主要包括自然语言处理、情感计算、知识图谱、教育规划与决策等，不仅能够感知语音、图像与文字，理解其背后的深层次含义（徐晔等，2019），还能更好地解决人机交互中的情感缺失、交互不精准等问题（塔卫刚等，2018）。应用层位于最上层，是用户与智能云服务体系的接口，主要用于实训业务开展、实训资源获取、实训评价、实训管理等，实现教学、评测和管理的智能化、自动化、精准化与场景化。这种体系结构将云计算、大数据和人工智能等技术有机结合，为“虚拟池”的运行提供高效的算法、强大的算力与大数据保障。

（2）“虚拟池”主要功能设计

如图2所示，“虚拟池”的主要功能模块包括实训业务池、实训资源池、实训学习池、实训评测池、实训管理池与环境控制池等，它们之间是一种相互协同、相互支持的关系。在迭代开发过程中，以实训业务池为中心，各主体之间、各“池”之间需要进行交互，例如，学生、实训业务池与实训资源池交互，学生获取所需的项目、案例、微视频等学习资源;学生、实训业务池与实训学习池交互，学生可以获得智能导师的指导与帮助;实训业务池与实训评测池交互，可以自动批改实训文档，检测代码，测评实训效果;实训业务池与实训管理池交互，教师可以自动获取学生的学习状态与过程数据，监控实训全过程;师生、实训业务池与环境控制池交互，获得个性化的物理环境支持;学生实训成绩的生成需要实训管理池与实训评测池的协同，个性化学习资源的自动推送离不开实训资源池与实训学习池的交互。

①实训业务池：训练真实化与协同化

实训業务池是“虚拟池”的主“池”，是学生在线开发、文档撰写与交互体验的主要场所，是知识内化、迁移、应用与创造的“主战场”，其核心功能是学生能在“池”中直接进行真实软件项目开发训练。首先，教师需要在实训业务池中部署真实软件开发环境（前端环境、后端环境、软件维护环境和逆向工程环境等），设计、布置实训任务;然后，学生可以登录系统，在实训业务池中逐步完成从项目规划到需求分析，再到系统设计（总体设计、详细设计）、编码实现、软件测试、软件运维等真实项目开发全过程，每一个过程需要撰写并输出相应的开发文档。通过校企深度合作，将真实软件企业的开发标准、开发流程、开发方式、开发环境、开发技术与工具、项目管理等引入实训中，实现实训过程真实化。学生在开发过程中遇到疑难问题或文档、代码等出现错误，实训评测池会自动提供信息反馈，实训学习池会提供在线指导服务。教师可以通过智能管理助手查看学生实训的全部过程，包括系统架构、系统建模、测试方式与各阶段的开发文档情况，与学生进行在线交流或现场面对面交流，并提供实时指导。这种以真实软件项目开发为主线的沉浸式训练方式，充分体现了CDIO工程教育思想，能很好地实现学生工程基础与工程问题解决能力培养目标。

“虚拟池”实质上是一个虚拟化的云计算资源池，大量的程序运行在实训业务池的“云”中，不但对终端设备的要求不高，可以节约学校的投资成本，提高资产的使用寿命，而且学生使用开发平台时会更加流畅，同时，云计算基础架构很容易扩展，提高了升级的便利性。实训业务池在云计算的支持下，不但可以实现项目训练的真实化、协同化，增强学生的学习体验感，提高实践能力与团队协作能力，而且可以提高开发的质量与效率。

②实训资源池：资源丰富化与游戏化

实训资源池是资源存取、汇聚、提供、开发与使用的场所，为学生项目开发训练和自主学习提供充足的资源保障。资源包括与实训相关的真实项目库、案例库、开发工具库和学习资源库（如微视频、试题、课件、实训教材及其他学习资源）等。资源的使用应不受时空限制。学生不但可以在课堂训练中使用，也可以在课前与课后学习使用，实现课堂翻转。实训资源本身的质量很大程度上决定了学生的实训效果。资源的设计必须满足实训目标与项目开发的要求，并能适应不同基础层次的学生学习。因此，实训资源池要求资源种类和数量足够多，还要具有层次性、递进性和挑战性。对于微视频、课件等学习资源，应能够简明、清晰、到位地解释知识点。还可以运用人机交互、增强现实等技术进行游戏化设计，尽量以多种媒体形式展现，呈现的内容应多维、立体、动态，具有较强的交互性、体验性和娱乐性。

资源既可以由主讲教师自行开发或校企合作开发，也可以利用现有优秀开放教育资源（如MOOC、微课等）或对其进行二次开发利用。高质量实训资源的开发需要由高水平的专业团队来完成。对于实力强大的高校来说，自行开发容易保证质量，但地方性院校因受诸多条件的限制，利用丰富的开放教育资源无疑是一种更好的做法。尽管开放教育资源非常丰富，但鱼龙混杂，并且开发某一个项目所涉及的资源，可能会来源于多个平台，具有分散无序、碎片化和关联缺失等问题。如何提高开放教育资源的利用或二次开发效果？可以运用知识图谱、数据挖掘和机器学习等技术，将海量且繁杂的知识碎片整合为一个语义化的知识网络，或运用跨媒体知识图谱，分析、挖掘不同媒体中的知识，围绕开发过程及行业背景，将海量资源与知识体系进行组织、管理、重组、表征、融合并加以挖掘利用（李振等，2019），提高资源的可用性与适切性，更好地满足个性化、多元化的实训项目开发需求。实训资源池可以为学生提供个性化、丰富化、游戏化的资源，可以提高系统的“吸引力”，提升学生学习的兴趣。

③实训学习池：学习智能化与个性化

实训学习池是为了实现项目开发目标，为学生自动推荐学习资源、策略和路径，供学生自主学习与解决疑难问题的虚拟场域。该模块综合运用大数据、深度学习、自然语言处理、知识图谱、知识表示、知识推理、人机交互等人工智能技术，创建集智能导师、智能导学、智能应答、智能伙伴等功能于一体的智能教学系统（相当于虚拟机器人）。

第一，智能导师。模拟教师教学过程、经验和方法，代替教师对学生进行一对一或一对多教学与指导，向具有不同需求和特征的学生传递软件项目开发知识，可以使教师从繁琐的事务性教学工作中解放出来，也可以使学生不受时空限制地接受教学指导。第二，智能导学。将与项目开发相关的知识体系分解为多个知识元，通过关键点进行语义定义，再进行归纳与整理，围绕项目开发形成新的知识体系与逻辑知识地图。此功能通过适时监控、搜集、响应和诊断学生的训练过程数据（如编码、文档编写、交流与协作等），识别学生的学习风格与习惯，对学生进行建模;依据学生训练需求、训练风格和先前知识自动推送合适的学习资源、导航与策略;运用算法生成精准的个性化学习路径，最大限度地优化学生的训练过程，真正做到自适应学习。第三，智能应答。智能应答是一个大规模知识处理与自动反馈应答系统，可以针对学生在实训过程中提出的各种知识、技术与方法等问题，先进行内容的分析与解读，再针对性地自动回答学生的疑问。第四，智能伙伴。智能伙伴是一个社交智能化系统，具有虚拟学习伙伴、虚拟学习团队的功能。实训学习池可以承担虚拟导师、虚拟伙伴等多种角色，既能实现自主学习和个性化自适应学习，又能实现团队学习与社交智能化，提高学生学习的效率与效果，充分调动学习积极性。

④实训评测池：评测自动化与客观化

实训评测池是代码自动检测、开发文档自动批改与评价、实训成绩自动生成的场所。不但能即时、快速检测训练效果，而且能即时精准反馈实训问题，为教师动态调整教学策略、学生实时改进实训方法提供依据。

第一，智能代码检测。在传统的代码检测技术（调试、编译、识别、比较等）基础上，综合运用深度学习与区块链等技术，可以设计出一套对安全漏洞敏感的代码漏洞自动检测系统（邱炜伟等，2019），既可发现程序中存在的语法错误，也能对可能存在的逻辑错误进行提示，还能查找出代码存在的安全隐患，并准确定位错误代码的位置，提供详细的代码缺陷说明、正确代码示例和修改建议等。第二，智能文档批改。综合运用大数据、自然语言处理、机器学习、语义识别、文字识别、图像识别等技术，对学生的软件开发文档、实训报告进行自动检测与批改，给出评语、评分和修改意见，并且针对其个性与共性问题自动输出统计分析报告。第三，智能评测。一是通过图像识别、自然语言处理和情感计算等技术，实时获取学生的实训过程和实训行为数据，自动分析、判断学生学习状态，对学生的训练进行过程性评价。二是在智能代码检测、智能批改的基础上，对学生的训练进行结果性评价，最终自动评定学生的实训综合成绩。实训评测池所具有的代码检测、开发文档批改与实训评测的自动化及即时精准反馈问题等功能，便于提升学生训练与学习的效率、评价的公平性与客观性，进而提高学生的满意度。

⑤实训管理池：管理全程化与可视化

实训管理池是实训质量的有力保障，与实训业务池及实训评测池交互，对学生实训过程与学习状态进行动态监控与诊断，辅助教师进行项目管理与日常教学管理。

第一，无感考勤。以人脸识别技术、传感技术等为基础，通过摄像头扫描抓拍学生人脸，再将抓拍的图片与学生人脸库中的图片进行比对分析并与课表关联，自动生成考勤表。不但可以实时跟踪整个实训过程，实现全程考勤，而且无须人工参与，可以有效解决传统人工考勤存在的代答、代签及浪费课堂时间等问题。第二，智能监测。一是通过各种传感器、眼动识别仪和可穿戴设备等，综合运用生物特征识别、语音识别、图像识别和情境感知等技术，建立多元数据感知通道，现场采集、提取学生的学习行为、训练轨迹与学习情感（喜怒哀乐）等数据。二是运用学习分析、机器学习、浅文本处理、数据挖掘等技术在线提取学生编码实践、设计体验、文本撰写、资料查找、视频观看和交互协作过程中的状态数据。三是以学生的学习状态与行为数据分析为基础，集文本挖掘、情感计算、信息提取、认知诊断和数据可视化呈现等技术（李振等，2019），对学生进行画像，描述学生的专业知识、技术能力、项目管理、学习风格及情感状态等方面的特征，监测学生的显性与隐性训练状态与行为。第三，智能诊断。在智能监测的基础上，运用学习分析与自适应学习技术等，以知识图谱的形式可视化展示学生软件开发知识点与技能的掌握程度，精准定位学生的训练短板（李振等，2019），为学生提供个性化反馈或学习报告，再与实训学习池、实训资源池交互，为学生提供差异化学习路径与学习资源推送服务，同时为教师优化教学方法与教学内容提供精准服务及教学决策支持。第四，智能预测。通过数据建模，对与项目开发过程相关数据进行聚类分析和智能评估，找出学生训练结果与学习内容、资源、行为、认知等变量之间的关系，对学生未来的开发能力与学习趋势进行分析和预测（闫志明等，2017），进而为学生学习规划的调整提供参考，为学生的精准就业提供依据。第五，智能管理助手。一是项目管理。包含项目过程管理、里程碑管理、需求管理、缺陷管理及代码托管服务等，重点对实训全过程进行可视化管理。教师可以实时查看每个小组项目开发的进度、代码与文档质量、代码贡献度，也可以通过与实训评测池进行交互，了解代碼与文档的自动评测情况。二是日常教学管理。管理实训过程中的日常性教学事务，如训练任务分解与发布;作业布置、自动评阅与统计等;对学生的考勤进行分析、学生项目分组、学生课堂行为表现、学生成绩管理和学业预警管理等，有利于教师在课堂上集中精力与学生进行一对一交流和指导，解答学生疑难问题。实训管理池不但可以实现教学管理的全程化、可视化与自动化，提高管理效率，而且可以适时监控学生的学习状态，提高系统的“压力”，进而提高学生学习的动力。

四、应用案例：吉首大学-青软实训合作实施软件工程“游泳池”实训模式

2012年，吉首大学与青软实训教育科技股份有限公司开始深度合作培养软件工程人才，专业性较强的专业课程和课程设计由企业选派技术专家入校授课，学生在第7学期前往企业进行为期18周的沉浸式企业实训。从2015年至今，“Java课程设计”等和企业实训均采用“游泳池”实训模式。该实训模式，线下“物理池”采用实际项目开发管理模式，通过人—人交互对学生进行现场管理、专业指导及知识传授;线上“虚拟池”采用自适应智能教学模式，通过人—机交互或人—机—人交互对学生进行机器自动指导、管理与评测及认知类、技能类等知识传授，让学生真正实现个性化学习。

1.教学流程

“游泳池”实训主要采用翻转课堂教学流程。（1）课前自主学习。教师在“虚拟池”部署项目库、案例库、工具库及软件开发环境等，发布训练任务（含任务描述与分级），设计制作微视频、PPT、模板素材等学习资源;学生通过“虚拟池”自主学习，了解项目任务，复习相关知识点。（2）课堂集中实训。教师现场了解或通过“虚拟池”实时获取学生学习状态数据，重点难点精讲点拨，现场指导与监控，组织项目答辩与评审;学生按开发规范和项目进度要求在实训现场登录“虚拟池”进行高强度迭代开发训练，提交项目文档、报告，同时，学生与教师或“虚拟池”交互，及时纠正代码错误，补充学习新知识，解决疑难问题。（3）课后拓展训练。教师通过“虚拟池”进行指导、与学生一对一交流;学生不受时空限制在“虚拟池”进行拓展训练与学习。

2.实训空间

“游泳池”实训的物理空间为学校软件工程实训室或实验室（进行课程设计）、青软实训多功能智能实训室（完成企业实训）。线下教学情境的设计基本满足前述的“封闭、真实、抗压、快乐”等特征，通过同时打造“吸引力系统”和“压力系统”来提高环境的沉浸度，进而提高学生训练、学习的兴趣与动力，提升实训效果。

“游泳池”实训的虚拟空间采用U+新工科智慧云（https：//www.eec-cn.com/）。该智慧云由青软实训于2017年研发并通过对接企业级开发平台，引入真实行业标准、真实的产业环境、真实的企业项目案例，以智能化手段构建的全新教育教学系统。智慧云集教育教学与工程实践为一体，包括工程实践平台、智慧教学平台、数据分析平台、内容资源库平台、智能考试平台、毕业设计平台等云平台，为高校提供教、学、评、测、练一站式服务。工程实践平台具有在线项目开发、实训管理（含项目管理、考勤管理等）、实训指导、代码自动检查、编译构建、代码托管、实训评审等功能;智慧教学平台具有备课、授课、作业、实验等功能;数据分析平台具有数据汇总、课程动态展示、项目实施情况查询分析、教学资源管理、学习过程数据查询统计、教学行为分析、教学预警等功能;内容资源库平台提供丰富的企业真实项目、案例、教学视频、实训素材等资源。学生通过工程实践云平台体验真实项目开发过程与情境，获得一对一的实训指导、代码自动检查、代码托管等服务，通过内容资源库平台获取丰富的个性化实训资源;教师利用智慧教学平台备课、授课、布置实训任务与作业。系统可以对学生的作业等进行自动批改、评分，还可以通过数据分析平台实时获取学生的学习状态数据，对学生实训全过程进行管理与监控，有利于教师实现精准教学与管理，提高教学与管理效率。

总的来讲，U+新工科智慧云已基本实现本实训空间设计的实训业务池（云开发）、实训资源池（真实项目库、案例库、教学视频、实训素材等）、实训评测池（代码检测与托管、实训评审等）、实训管理池（考勤管理、智能监测、项目与学生管理）等功能。实训资源池（开放教育资源智能化二次开发）、实训评测池（智能文档批改）、实训管理池（情感状态监测、智能诊断、智能预测）和实训学习池（智能导师、智能导学、智能应答）等功能尚未实现，处在完善过程中。

3.实施效果

尽管该智慧云不是专门针对软件工程专业实训教学而设计，其智能化程度也不是很高，只是弱人工智能的初步应用，但其具有的实训教学功能对于“游泳池”实训效果的提升还是发挥了不可替代的作用。对吉首大学软件工程专业学生完成“Java课程设计”（60学时）项目的相关指标进行了统计，如表1所示。学生平均代码量和项目平均覆盖的基础与核心知识点（面向对象设计、IO、数据库、集合、多线程、网络交互、图形报表、Swing等）数据指标能够直观地反映学生的开发实践能力，项目平均覆盖的扩展知识点（Jmf（音频播放）、Javafx（视频播放）、Android、BeautEye插件、WindowBuilder、线程池、Jsoup爬虫、网页数据解析、Banner插件、POI等）数据指标的变化能说明学生自主学习能力的变化。由表1可知，2016年采用“游泳池”实训模式比2013年采用传统实训模式时学生的满意度、平均代码量、平均覆盖知识点数等指标均有不同程度的增大，2019年采用“游泳池”实训并同时使用U+新工科智慧云以后，这些指标又进一步增大，说明学生的开发实践能力和自主学习能力等均不断提升。

青软实训还与青岛理工大学、青岛科技大学等52所高校深度合作，运用“游泳池”实训方法并采用U+新工科智慧云开展企业实训与课程设计，均取得了良好的教学效果。

五、结论与讨论

“游泳池”实训是指为学生创建的“压力系统”与“吸引力系统”共存的沉浸式工程实践环境，运用翻转课堂教学流程，进行工程项目训练，使学生的自主学习能力、实践能力、创新能力和抗压能力等快速提升的实践教学过程。软件工程“游泳池”实训空间是综合运用人工智能、物联网、云计算、大数据、射频识别、传感与自动控制等技术构建的“物理池”和“虚拟池”“二池”合一的沉浸式“游泳池”训练环境。前者是课堂集中实训与交互体验的物理场所，后者是课前自主学习、课堂集中实训、课后拓展训练的虚拟场所，二者的有机融合形成较强的“压力”与“吸引力”，大力提高学生训练的动力与兴趣。“物理池”包括智能教学与管理系统，工程实践系统，信息感知、采集与反馈系统和环境控制系统等，具有精准教学、智能管理、工程实践、技术体验、现场互动、人机交互、分享展示、环境调节等诸多功能，满足“封闭、真实、抗压、快乐”等沉浸式特征。“虚拟池”的技术框架由物理層、数据层、算法层、感知层、认知层和应用层构成，具有实训业务池、实训资源池、实训学习池、实训评测池、实训管理池与环境控制池等功能模块。人工智能赋能实践教学，使实训过程真实化与协同化、实训资源丰富化与游戏化、知识学习智能化与个性化、实训评测自动化与客观化、实训管理全程化与可视化，真正实现实践教学精准化，显著提升学生的实训效率与效果。

目前的人工智能还处于弱人工智能阶段，强人工智能只是概念，距离实现和应用还有较远的距离（郑勤华等，2019）。人工智能与教育的融合也处于初级阶段（张慧等，2019），人工智能赋能实践教学任重道远。“游泳池”实训是一种提高实训质量的有效方法，但现有“游泳池”实训空间的智能化水平不太高，还有较大的发展空间。随着人工智能技术由感知智能迈向认知智能，如何运用人工智能进一步提高“游泳池”实训空间的智能化程度，完善其功能，进而不断提升实践教学效果，将有待下一步继续研究与实践。另外，“游泳池”实训空间与学生能力提升的关系及人工智能在“游泳池”实训中所起作用还有待进行更为深入的实证研究。

致谢

感谢青软实训总经理助理张春丽女士提供相关案例材料与信息。

注释：

① 这里的课程设计意为Practicum，指某一门课程的综合性集中实践教学环节。如“C语言”课程设计，一般指运用该课程主要知识、技术开发一个小型软件项目所进行的综合性实践训练。本文的课程设计均指此意。

参考文献：

[1][加拿大]布伦特·麦克法莱恩，金玉（1993）.田径训练中的游泳池训练法[J].体育与科学，（4）：36-49.

[2]关玉欣，吴文广，李雷孝（2019）.校企合作背景下“游泳池”式教育探索与实施[J].软件导刊，19（2）：258-261.

[3]胡娟娟（2012）.多屏学习空间的设计与应用研究[D].上海：华东师范大学.

[4]李振，周东岱，王勇（2019）.“人工智能+”视域下的教育知识图谱：内涵、技术框架与应用研究[J].远程教育杂志，37（4）：42-53.

[5]龙花楼（2013）.论土地整治与乡村空间重构[J].地理学报，68（8）：1019-1028.

[6]梁为（2014）.基于虚拟环境的体验式网络学习空间设计与实现[J].中国电化教育.（3）：81-85.

[7]刘全（2017）. 一种基于泳池实训的网络教学平台[P]. CN106601058A，2017-04-26.

[8]罗菁，崔岩（2011）.软件工程专业实训体系的构建与实践[J].商丘师范学院学报，27（6）：60-63.

[9]邱炜伟，李伟，李启雷等（2019）. 一种基于深度学习技术的智能合约代码漏洞检测方法[P]. CN110543419A，2019-12-06.

[10]塔卫刚，张际平（2018）.我国学习空间研究的进展与前瞻——兼论“人工智能+教育”视域下学习空间未来发展[J].远程教育杂志，36（6）：31-40.

[11]徐晔，黄尧（2019）.智慧教育：人工智能教育的新生态[J].宁夏社会科学，（3）：139-145.

[12]许亚锋，尹晗，张际平（2015）. 学习空间：概念内涵、研究现状与实践进展[J]. 现代远程教育研究，（5）：82-94，112.

[13]闫志明，唐夏夏，秦旋等（2017）.教育人工智能（EAI）的内涵、关键技术与应用趋势——美国《为人工智能的未来做好准备》和《国家人工智能研发战略规划》报告解析[J].远程教育杂志，35（1）：26-35.

[14]杨现民，李怡斐，王东丽等（2020）.智能时代学习空间的融合样态与融合路径[J].中国远程教育，（1）：46-53，72.

[15]于方（2018）.“智能场景—任务驱动”的智慧实验学习空间设计[J].计算机教育，（4）：167-171.

[16]张慧，黄荣怀，李冀红等（2019）.规划人工智能时代的教育：引领与跨越——解读国际人工智能与教育大会成果文件《北京共识》[J].现代远程教育研究，31（3）：3-11.

[17]郑勤华，熊潞颖，胡丹妮（2019）.任重道远：人工智能教育应用的困境与突破[J].开放教育研究，25（4）：10-17.

[18]Brown， M. （2003） Learning Spaces[EB/OL]. [2012-06-23].http：//net.educause.edu/ir/library/pdf/pub7101l.pdf.

收稿日期 2020-03-03责任编辑 汪燕