人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的实践

2020-09-14王学伟

实验室研究与探索 2020年7期

刘君，王学伟，梁静

（1．潍坊科技学院计算机软件学院，山东潍坊262700；2．重庆交通职业学院党政办，重庆402227）

0 引言

在人工智能时代，云计算、大数据、物联网等新技术的发展，带动了软件产业的发展，对于软件专业人才提出了更高的要求。但是，调查发现，软件专业人才培养中存在诸多问题：①在人工智能已深入教育领域的时代，传统的实践育人平台建设思路已不能满足人才培养的需要，“项目化教学”等教学理论难以在传统课堂中真正践行；②软件专业难以紧跟并服务高速发展的软件产业，在软件技术日新月异的发展中很难做到教学内容及时更新，软件人才培养与社会需求脱节、难以实现产教融合培养创新型高素质技术技能型软件人才；③传统的工作室建设与管理一般由学校唱“独角戏”，企业参与的动力不足，缺乏企业真实的实践项目来源，软件企业规模偏小的现实情况下很难对分散实习的学生进行管理，软件项目涉及企业核心技术的背景下学生的顶岗实习很难深入，难以真正实现实践育人功能。针对上述问题，进行了人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的实践。

1 人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的实践内容

工作室人才培养模式起源于德国，在国外已经取得了显著的育人效果，德国包豪斯设计学院、英国谢菲尔德大学、新加坡莱佛士设计学院的工作室人才培养模式强调实验性、研究性［1］，有利于培养学生的专业技能和职业素养。

为了解决当前高校实践教学滞后于业界工程技术发展的现实问题，迫切需要进行实践教学改革［2］，充分发挥企业优势力量，以项目引导、自主探究方式实施校企共建工作室人才培养模式，引企入校参与特色授课，校企共同进行实践教学改革［3］，弥补学校教学资源的匮乏。借鉴国外的先进经验，在原有教师工作室基础上，融入人工智能元素，校企共建教材资源、课程资源、两类学习终端，同时引进企业专家，通过企业专家带入企业真实项目，将开发任务作为教师技术研发课题、技能竞赛培育项目、学生生产性实训内容，实现了教学过程和生产过程、工作项目与技能竞赛之间的融合，有效解决软件专业高技能人才培养中面临的难题。软硬件平台建设是工作室的运行基础。在硬件环境上，工作室按照企业的要求进行规划和布局，突出企业特色。对于需要购置的专用设备，采用从企业租赁或合作购置的方式加以解决。人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式依托工作室以及真实项目，实现教学、科研、社会服务的有机交融，解决传统教学中存在的理论和实验脱节的问题［4］，为高素质人才培养注入了新鲜血液。通过工作室人才培养模式改革，实现了工作室人才培养模式“生产性实践教学、企业产品研发、技能竞赛培育、师资能力训练”的“教研赛训”四大功能（见图1）。

1.1 校企共建教材资源

图1 人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式

在人工智能时代，为了解决传统校企合作中校方课程教学内容动态调整速度不适应企业技术更新步伐，促使课程教学内容贴近企业生产过程，就应该吸收行业企业的新动态、新技术、新工艺、新方案，对现有教材资源进行加工处理，重组升级，杜绝拿来就用，校企共建线上线下一体化教材资源，院校教师与合作企业的技术工程师共同编写适应企业技术更新步伐的配套线上线下一体化教材以及与企业新设备新工艺配套的实践教学指导书，实现理论知识与实践经验的有机融合，打造更加丰富、直观、开放、多样、灵活的教材资源。

人工智能时代发展对于线上线下一体化教材资源建设队伍提出了更高的要求。校企共建线上线下一体化教材资源，离不开院校“双师型”教师以及企业技术工程师的深度参与。因此，校企双方必须同心协力，协同打造一支具备丰富的动手实践经验、了解学生的接受程度、掌握前沿技术动态的线上线下一体化教材资源建设队伍，从而最大限度地发挥出教材的实用价值。

（1）在校企共建线上线下一体化教材资源过程中，要求懂现代教育技术以及互联网技术的教师充分发挥技术优势，根据专业课程教师、企业技术工程师提供的资源作为脚本，制作出图文并茂、立体丰富的专业课程课件，并上传到教材资源平台。同时，为了增强纸质教材资源的实用性，对于部分专业课程纸质教材资源，提供配套的在线资源和智能手机客户端APP应用程序，比如，在纸质教材上提供实验指导书、电子教案、授课课件、重要知识点的演示动画等链接，也可以在纸质教材上提供二维码，让学生在阅读教材过程中通过扫描二维码下载手机客户端APP应用程序，获得某个知识点的扩展知识，有利于吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。

（2）在校企共建线上线下一体化教材资源过程中也可以利用流行的互联网信息技术，融入虚拟现实（VR，Virtual Reality）和增强现实（AR，Augmented Reality）技术建设立体教材，形成纸质教材与移动终端互动的多维立体可视化的现代教材资源生态模式，使教材兼具知识性和趣味性。VR技术利用计算机生成虚拟世界，在虚拟现实头盔、数据手套等设备的作用下，建立灵活开放的交互平台，将知识信息的展示进行场景式的还原，有效调动用户的多种感官，让用户实时体验和操作虚拟环境中的对象［5］。例如，建筑专业，建筑物在二维空间中展示出来的只是一个平面，而通过在教材中融入VR技术，就能够使学习者与虚拟环境进行交互，让用户体验到仿佛走进建筑物的感觉。AR技术，是基于图形图像处理、人工智能、计算机视觉技术生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，并利用多种传感设备让用户“沉浸”到这种虚拟环境之中，实现用户的虚拟体验，从而达到用户和环境直接交互的效果［6］，具备极强的复现功能、崭新的操作方式、美好的传播体验。简单地讲，AR技术在校企共建线上线下一体化教材资源过程中的应用就是利用摄像头将教材中的内容以立体化、多角度的方式呈现，拉近教材和学生之间的距离，尤其适用于工科专业的教材。例如，2013年，中国矿业大学出版社就曾推出一款教材——《采掘机械与液压传动》，该教材是国内首部采用AR技术的出版物［7］。在该教材中，利用摄像头对准书中的黑白挖掘机图像，就能够立刻在显示屏上看到立体的齿轮正常运转的大红色挖掘机，让学生获得全新的视听觉享受。

校企共建线上线下一体化教材资源也对于出版社的出版思维提出了更高的要求。校企双方在联系出版社进行教材资源的出版时，可以要求出版社联系淘课网，合力建设教材资源微课平台，将纸质教材中的每一个知识点都以微课的形式展示出来，学生只需要扫描纸质教材中的二维码就能够学习相应的微课内容［8］，有利于增进的师生互动性。

1.2 校企共建课程资源

校企共建课程资源，就是校企双方依托互联网平台，发挥新一代网络通信、大数据分析处理、云存储技术的作用，对现有的专业课程资源进行加工、处理、存储、优化，并通过互联网为广大用户提供访问接口，可供学生利用碎片化时间学习到更多的专业课程知识，满足学生的个性化学习需求，同时，也有利于教师及时通过互联网访问相关专业课程资源进行备课和自我充电，另外也能够为企业职工在职培训提供终身学习的平台。从平台功能角度来说，校企共建专业课程资源平台能够充分发挥“互联网＋”时代的技术优势，智能化分析用户对于专业课程资源的使用偏好、个性化诉求、使用习惯等特征，为各个用户“量身定做”学习任务和方案，“定向靶式”推送学习内容和资源，促进学生的个性化学习，为管理者提供智能化的管理方式和决策辅助，推动有效教学和科学管理。从信息交流角度来说，校企共建专业课程资源平台的信息交流主要涵盖了人与机器之间的信息交流、人与人（院校教师、学生、企业工程师）之间的信息交流，依托新一代网络通信技术以及网站开发技术增进不同主体之间的信息交流与网络互动，实现多方主体之间的共同协作、彼此作用、相互提升。从平台用户主体角度来说，校企共建专业课程资源平台包括三类用户主体：管理员（技术人员）用户、资源建设者（校企双方用户）、资源使用者。专业课程资源平台的结构主要包括专业课程资源后台系统、信息交流系统、资源展示系统三部分，体现出校企合作的建设理念、自由灵活的学习方式、全面深入的数据支持、多元交互的互动形式，如图2所示。

图2 校企共建课程资源的结构框架图

（1）课程资源后台。专业课程资源后台系统的功能是进行平台内容管理，只有被授予了相应权限的管理员（技术人员）用户和校企双方用户才能访问。管理员用户具备管理专业课程资源后台系统的权限，可以进行校企双方用户的添加、修改和删除；对于校企双方上传的专业课程资源进行监控和管理，防止病毒或者恶意代码的上传，避免网络侵权行为的发生；对于校企双方用户的各种行为进行动态跟踪，并对相关数据进行搜集整理，利用大数据技术分析教师的教学效果以及学生学习专业课程资源的情况，形成诊断性报告并上报；对学生通过专业课程资源平台提出的意见和建议，及时进行反馈整改，推动平台的可持续性发展；对于专业课程资源平台的留言、评论等各种信息进行动态监控，避免不良言论的网络传播，重塑平台形象。校企双方用户不仅共建和上传专业课程资源，而且也共同使用专业课程资源，都可通过课程资源后台系统进行管理。校企双方用户可以根据专业课程特点以及教学大纲要求，进入课程资源后台系统上传微课、微视频、慕课、电子教案、优秀作品、企业实践案例等专业课程资源。

（2）信息交流系统。用于创造互联网背景下新型的相互协作、资源共享的信息交流方式，实现不同用户（校企双方用户、师生用户、生生用户）之间的信息交流和人机交互。目前，我国职业教育专业课程资源建设尚不成熟，过于重视课程资源展示，而忽视能够改善教学效果的信息交流，过于重视网络课程资源对传统课程教学的辅助支持作用，而忽视其对于教学效果的优化作用。依托互联网信息技术搭建信息交流系统是非常行之有效的校企合作信息交流的途径，建立不用用户的信息交互分析模型，对信息交互的特征进行测量和评估，对学生学习过程和结果进行预测与干预［9］，能够更加方便、及时、有效地对校企合作中出现的各种问题进行沟通、交流和指导。信息交流系统可以通过建立留言板、讨论区、对话框窗口、公告栏等方式，促进校企双方用户、师生用户、人机之间更深入的互动，实现不同用户之间的高效沟通联系。具体来说，校企双方用户可以通过信息交流系统录制企业真实生产现场的工作视频，将其上传到学校的专业课程资源平台，并进行及时交流沟通，以促进专业课程资源平台的建设和改进；院校教师和企业工程师可以通过信息交流系统发布通知通告，及时解答学生对于专业课程资源中某些知识点的疑问，及时批阅学生上传的作业和评价学生上传的作品；学生可以通过信息交流系统及时上传自己的课程作业，并发表自己对于某些专业课程资源的看法或提出自己在学习中遇到的困难，也可以在讨论区对于特定的问题相互讨论；人机交互就是人和计算机之间以视频、音频、文本、数据、图像等不同形式进行信息交流，主要包括在线练习、实训、考试、在线模拟职场体验等不同的交互方式。

（3）资源展示系统。用于展示面向所有访客的专业课程资源，并提供相应的资源下载链接。目前，互联网信息技术在课程资源建设中的应用，改变了传统的课程资源展示方式，专业课程资源中融入文本、图像、动画、声音等内容，多视角、多层面、以多种方式展示出来，促使专业课程资源变得更加生动活泼且具有吸引力，给学生带来更为真实和有趣的学习体验，取得传统课程教学难以达到的教学效果［10］。通过专业课程资源平台的资源展示系统，所有访客都可以浏览和获取专业课程资源内容。根据不同的分类标准，展示系统对专业课程资源进行不同形式的展示，主要包括：①根据资源类型分类，包括电子教案、实验指导书、企业实践案例、学生作业作品等；②根据资源格式分类，包括文本资源、微课资源、慕课资源、音频资源、APP客户端应用程序资源等；③根据资源使用环节分类，包括课前、课中、课后等；④根据资源的课程名称分类，包括相关专业不同名称的课程等。访客通过输入关键字进行查询，就能够查询到相关的专业课程资源，实现在线观看学习或者本地下载保存。

1.3 校企共建学习终端

“电脑端”和“移动端”是工作室人才培养模式创新应用的访问终端。工作室必须积极迎合当前移动互联网的发展潮流，提供“电脑端”和“移动端”两种灵活的访问终端，以方便广大工作室中的师生便捷利用碎片化时间访问、检索和下载资源库内容，从而促进工作室应用效率的提高。具体来说，可以将资源库中的微课、微视频、PPT课件、企业案例、拓展训练等资源以及需要穿插补充资料的地方都添加相应的二维码［11］，工作室中的师生只需要通过智能手机、iPad平板电脑等移动终端下载安装特定的APP软件扫描相应资源的二维码，对预置二维码进行识别，即可访问或者自动下载预先设计并存储在云平台上的相关资源，采用响应式布局技术，这些资源能够灵活适配电脑端屏幕和移动终端屏幕。对于工作室中的师生已经访问过的云端资源，会产生缓存信息，在工作室中的师生下次需要访问时就无须再次扫描二维码，可通过点击缓存信息就能够再次访问相应资源。对于视频、动画等占用空间比较大的资源，可以通过采用流媒体技术实现边观看边下载。与此同时，工作室中的师生也可以通过关键词对于资源库中的内容进行智能查询，并在电脑端Web页面或者移动终端展示出搜索结果，可以对搜索得到的资源进行访问或者下载。另外，这些二维码也可以嵌入到与资源相关的教材内容之中，方便学生在学习教材内容的过程中随时随地扫描二维码掌握更多的拓展知识，实现学生的个性化智能学习。

“移动端”访问终端架构如图3所示。其构成模块为：移动APP应用、云端管理后台、移动端访问管理、工作室接口。移动APP应用是移动端访问的入口，工作室中的师生直接通过App实现资源访问，APP能够提供苹果、安卓等不同的操作系统版本，提供二维码扫描、个性化智能学习和拓展训练等功能。云端管理后台主要负责工作室中的师生的移动设备激活绑定、访问授权管理、安全校验服务，为移动APP的正常使用提供后台管理。移动端访问管理主要负责资源知识点相关性整理、资源与二维码的关联、资源格式转化等，对于不同知识点可随时添加或者修改所关联的二维码资源，保证资源内容能够及时反映学科最新进展。工作室接口为移动端访问提供所需的资源库，可利用工作室已有资源，也可及时通过本地上传资源。

图3 “移动端”访问终端架构

1.4 发挥“教研赛训”四大功能

1.4.1 生产性实践教学功能

生产性实践教学是人才培养的关键环节，包括认知实习、实践训练及毕业综合实践［12］。在生产性实践教学上，工作室依托丰富的线上线下资源、虚实相结合的实践教学条件、人机交互的新型教学环境，有效锻炼学生的动手实践能力。通过对软件专业高素质应用型人才的特征进行分析，结合当地软件产业的现实需求，进一步明确软件专业的人才培养目标和规格，不断优化软件专业人才培养方案。工作室实现企业真实项目与教学实践案例、企业软件研发流程与课堂教学实施环节、企业真实环境与实践教学场所的深度对接，实施数据驱动的综合评价，提高生产性实践教学质量。工作室在人才培养过程中，开展项目驱动化生产线实践教学，依托企业真实项目、学科竞赛项目和科技创新项目［13］，锻炼学生的实践能力和创新思维。

1.4.2 企业产品研发功能

参与企业产品研发有利于培养学生实践动手与创新能力，让企业实时监控产品研发进度，同时为企业提前发掘、培养优秀后备人才，为学生的优质对口就业创造了有力途径［14］。工作室由校企双方教师团队指导学生承担部分企业真实产品研发，让学生真正体验到客户对项目质量和完成进度的要求，学生带着压力和动力，一定会投入饱满的热情进行工作［15］，确保按时、优质、高效地完成企业产品研发，创造一定的经济利润，提高工作室的美誉度。通过这种方式，形成良性循环，吸引更多企业将真实项目外包给工作室完成。学生在从简单项目到复杂项目的实践锻炼中，获得从单一能力到综合素质的提升，使学生将书本内容转化为真实的项目实践，最终形成工作室具备符合教学需要的企业研发案例、教师驾驭研发案例、教学融入研发案例、学生擅长操作研发案例的“四有案例”局面。

1.4.3 技能竞赛培育功能

工作室不仅是教学实践的场所，而且还是技能竞赛培育的场所，让学生研发出更优秀的项目、创作出更优秀的作品、参与更高层次的技能竞赛。技能竞赛直接体现出学校的知名度，工作室则是组织学生参与技能竞赛的良好平台，可以对学生进行综合技能培训，挖掘学生的潜力。因此，为了进一步提升工作室学生的动手实践能力，在增加企业真实项目实践学时的同时，在教学中融入技能竞赛相关知识，引导学生积极参与各类技能竞赛。通过技能竞赛对学生的能力进行重塑和再造，使其具备人工智能时代所要求的创新能力、批判性思维能力、跨界能力、合作能力等。工作室可以借助企业项目，征求企业赞助来开展一定的技能竞赛，以此来培育学生进一步晋级更高级别的赛事的能力。

1.4.4 师资能力训练功能

人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式凭借其智能性、便捷性、高效性在一定程度上减小了教师的劳动强度，让教师不再疲于应付各种机械性、重复性劳动，从而保证教师更有时间和精力搞好教学、科研创新工作。与此同时，工作室在教师课堂教学和企业真实项目之间搭建了桥梁。为了训练一支强有力的工作室师资队伍，①做好骨干教师培训工作，②聘请企业工程师加入工作室师资团队，强力打造一支“敢接项目、会做项目、能完成项目”的双师队伍。

2 人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养

2.1 人工智能创新人才培养模式

在人工智能时代，工作室人才培养模式走向信息化，教学模式也实现线上与线下相结合，师资和管理均得到加强，丰富了“人工智能＋教育”的内涵。云存储、大数据和新一代网络通信技术是人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式运行的重要关键技术。云计算应用在工作室建设中能够实现为院校师生、行业企业提供“按需使用、快速获取”的网络化资源环境，教师可以结合当地的区域经济发展需求，进行资源的重组和调用，提高工作室资源的应用效率；大数据技术能够对于工作室运行产生的海量数据进行挖掘分析，如对工作室师生的学习过程进行动态跟踪和监测评价，对工作室中校企共建教材资源、课程资源的状况、学习终端的使用情况、各类资源的更新情况、用户最关注的资源等分析，对于不同因素之间的相关性进行分析，并将相关数据分析结果向用户和管理人员反馈，从而提升用户学习水平和管理人员的科学决策水平；新一代网络通信技术可打破时间、空间的限制，建立行业企业深度参与、动态更新行业前沿技术的资源建设协作交流小组，为授课者和学习者之间的网上学习互动提供便捷的网络通信，实现高速率、高质量的网络传输，提高用户访问和下载资源的速度，使得不同类型用户能够随时随地利用碎片化时间访问资源库。

2.2 “教研赛训”拓展了工作室的功能

“教研赛训”实现了工作室的个性化创新教学，将软件工程、数据结构、算法设计与分析、python程序设计、计算机网络等多门课程的实习实训环节有机交融，通过建设双师型工作室教学团队，培养学生的就业适应能力，让学生具备参与高水平技能竞赛、胜任企业复杂项目研发工作的能力。“教研赛训”达成了工作室日常教学与企业产品研发的“无缝衔接”，形成工作室师生团队相互学习、相互促进、协同发展的氛围。

3 人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的推广应用效果

人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的实践，适应了学生个性化学习的需求，产生良好的推广应用效果。本部分以我院软件专业为例进行介绍。

3.1 校企共建了工作室资源包

我院软件专业依托人工智能时代“教研赛训”工作室与东软集团、华为公司等IT行业领军企业达成战略合作，校企共建了工作室资源包（见图4）。建设流程是首先着眼于自编教材，校企合作自编易学、易懂、易用的项目化教材，教材中加入技能竞赛的相关知识，同时融入企业的真实项目以及教师的科研项目，吸纳IT行业前沿技术，保证所编写的教材源于项目又高于项目。然后，在自编教材的基础上，校企共建相应的网上资源，形成工作室资源包。最后，校企共建学习终端，为有效利用工作室资源包提供路径。通过工作室资源包的建设和应用，将工作室项目内容融入人才培养方案和课程体系之中。

图4 校企共建了工作室资源包

3.2 团队研发了多项企业产品

工作室师生主动与企业联合立项横向合作项目，包括“基于机器视觉的番茄典型病害识别技术研究”“基于人工智能的智慧园区管理平台设计与实现”“基于云计算的农业物联网监控系统设计”“设施蔬菜物联网智能控制与病害监测关键技术研究及系统实现”等多个实践项目，到账经费600多万元，使工作室成为校企深度合作的良好平台，实现了科研促进教学，推动了科技成果的转化。

3.3 学生取得了竞赛获奖突破

在进行人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式的实践期间，工作室师生自发或有组织地参与各级各类的软件行业技能竞赛并获奖。工作室学生获得国家级、省部级大赛一等奖达到26人次，获得首位授权的发明专利11项，获得软件著作权36项。在2019年的山东省大学生ACM程序设计竞赛中，ACM大赛创新工作室喜获铜奖，实现了我校在ACM-ICPC国际大学生程序设计竞赛省级赛事上零的突破。

3.4 提升教师教学科研能力

人工智能时代“教研赛训”工作室人才培养模式是学生技能提升的摇篮，也为教师提升教学科研能力开辟了广阔的空间，教师成长为智能时代的高水平数字教师。工作室中的教师通过亲自指导学生，亲身经历人才培养模式改革的全过程，深入挖掘出潜在的教改和科研项目，为教师的教学科研指明方向，为国家级和省部级基金项目的成功立项奠定提供实践源泉和理论根基。工作室教师自编教材10部，成功立项市厅级以上课题5项，发表中文核心以上论文36篇，在国家一级出版社出版著作3部。其中，2018年度教育部科技发展中心创新基金“基于人脸识别和深度学习的课堂教学效果分析系统”获得教育部立项，经费23万元（课题编号：2018A02013）；2018年度山东省教学改革研究项目“基于校企协同育人的‘工作坊’人才培养模式创新研究——以软件工程专业为例”获得山东省教育厅立项；2019年度山东省民办高校基础能力建设工程项目“新旧动能转换下对接新一代信息技术产业的软件工程专业群建设”获得山东省教育厅立项，经费200万元；2名教师被评为山东省教学名师；6名教师被评为山东省技能大赛优秀指导教师。