人工智能在工程制圖課程教學中的應用思考

摘要：隨著人工智能（AI）技術的快速發展，其在教育領域的應用已成為推動教學創新的重要力量。本文探討了AI技術在工程制圖課程教學中的應用，旨在提高教學質量和學生的個性化學習體驗。通過引入AI輔助教學系統、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術，提升學生的空間想象力、圖形表達能力和設計思維。研究表明，AI技術的集成應用能夠顯著提高學生的制圖能力和學習動機。同時，本文也討論了在實施AI教學過程中遇到的挑戰，包括技術限制、學生自主學習能力的影響以及數據隱私問題。最后，本文提出了未來研究方向，并對如何有效整合AI技術以促進工程制圖教學提出了建議。

關鍵詞：人工智能；工程制圖；教育教學

中圖分類號：G642.0

1"概述

自1956年在達特茅斯會議上科學家首次提出“人工智能”這個概念以來[1]，人工智能（Artificial"Intelligence，AI）經過多次技術變革和應用擴展，迎來了蓬勃發展期。人工智能作為一門研究和開發模擬、延伸和擴展人類智能的技術與方法的科學，在圖像識別、自然語言處理、自動駕駛等諸多領域取得了顯著成果，并逐步走向實用化和規模化。AI技術的廣泛應用，正在深刻改變人類的生產和生活方式，也對各個行業，包括教育領域，帶來了全新的變革契機[2]。

工程制圖作為工程教育中基礎性和實用性極強的課程，其教學目標是培養學生具備空間想象能力、圖形表達能力和設計思維。傳統的制圖教學主要依賴于手工繪圖和二維制圖工具，強調對制圖標準和規范的掌握。隨著計算機輔助設計（CAD）技術的發展，三維建模技術、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和人工智能（AI）等新技術的興起，傳統的制圖教學模式正面臨改革的需求。新興技術為制圖教學帶來了更為直觀和互動的學習體驗，這些技術的引入不僅拓展了學生的思維方式，還使教學內容更加生動和易于理解。探索AI技術在制圖教學中的應用，成為提高教學質量、促進個性化學習的重要方向。通過AI技術提高學生的制圖能力，以教學模式創新激發學生的創新思維，旨在提高教學質量，培養學生的實踐能力和創新能力，以適應現代人才培養模式的要求。

2"人工智能在教育教學中的應用

AI在教育領域的應用正逐漸改變傳統的教學模式，為教育教學帶來創新和變革。AI技術能根據學生的學習行為、能力水平和興趣偏好，提供個性化的學習資源和教學方案。這種個性化的學習體驗有助于提高學生的學習興趣和成績，如“魔鏡”系統通過面部識別技術實時反饋學生的上課狀態，幫助教師調整教學策略。AI技術能提供智能輔導系統，它通過深度學習和數據挖掘技術，精確識別學生的學習需求，提供定制化的學習路徑和資源。AI驅動的聊天機器人和虛擬教師能夠提供實時答疑、指導和反饋，幫助學生解決學習中的困難，減輕教師的工作負擔，同時提供更精準的教學支持。AI技術可應用在教育評估領域，可自動完成出題、批閱和課程輔導等工作，能夠客觀、科學地評估學生的學習成果。AI技術可以作為教師的助理，減輕教師的負擔，使他們能夠專注于教學和學生指導。同時，學習分析工具能夠實時監測學生的學習過程，提供數據驅動的洞察，幫助教師及時調整教學策略[3]。AI技術在教育領域的應用前景廣闊，它不僅能夠提高教學效率和學習體驗，還能夠推動教育的個性化和公平化。AI在教育教學中的應用正在不斷發展，其個性化、智能化的特征為教育領域帶來了新的機遇和挑戰[4]。未來的研究和實踐將有助于推動教育的創新與變革。

2.1"AI在工程制圖課程教學中的應用

2.1.1"智能輔助教學與個性化學習

AI技術在工程制圖課程教學中的應用正逐步重塑傳統教學模式，為學生提供更為豐富且互動性強的學習體驗，同時顯著提升工程制圖教學的效率與質量。AI技術能夠構建智能輔助教學系統，該系統通過深入分析學生的個體特性，為其量身定制個性化的學習路徑與策略。該系統能實時解答學生問題，通過實時反饋與學生互動，對學生實施一對一輔導。學生可以通過搜索知識點，獲取系統推薦的關聯知識點和學習路徑，從而滿足個性化精準學習的需求。

2.1.2"虛擬現實與仿真解鎖空間想象

教師可根據教學系統掌握學生情況，識別學生的知識漏洞和薄弱環節，教師可獲得有針對性的教學建議。結合AI技術的VR和AR技術，可以為學生提供沉浸式的學習體驗。在工程制圖課程中，學生可以通過VR/AR技術與三維模型進行交互，直觀地理解空間關系和設計理念[5]。這種直觀的學習方式能夠有效提高學生的空間想象能力和實踐操作技能。通過構建知識圖譜和數字化資源庫，AI技術使得工程制圖課程的教學資源更加豐富和系統化。

2.1.3"自動批改與評價反饋促進教學改進

利用自然語言處理和圖像識別技術，AI可以對學生的工程制圖作業進行自動批改和評估，提供及時反饋，幫助學生及時改進和提高。這種自動化評估不僅提高了批改效率，還能夠提供更加客觀和準確的評分。同時，系統還可以分析學生的作業，識別出常見錯誤和薄弱環節，從而為教師提供有針對性的教學建議。AI可以對學生的學習數據進行深入分析，挖掘學習過程中的趨勢和模式。通過對數據的分析，教師可以更好地了解學生的學習進展和困難，從而優化課程設計和教學策略，提升整體教學質量。AI技術進一步應用于課堂行為分析，通過識別師生的面部表情與身體姿態，構建教學行為與人物特征之間的關聯模型，以此優化教學方法并提升教學效果。

2.2"AI在工程制圖教學中的應用優勢與挑戰

2.2.1"促進學習和提升教學優勢

AI在工程制圖教學中具有諸多應用優勢。首先，它可以提供個性化的學習體驗，根據學生的學習進度和能力，智能調整教學內容和難度，幫助學生更好地掌握制圖知識。其次，AI可以實現實時反饋和評價，及時指出學生作業中的錯誤和不足，提高學習效率。此外，通過VR和AR技術，AI可以創造出更加生動、直觀的教學場景，讓學生更好地理解空間三維模型與投影視圖的轉換。最后，AI還可以幫助教師減輕教學負擔，讓他們有更多的時間和精力關注學生的個性化需求。

AI技術能夠根據學生的具體學習狀況與能力水平，提供定制化的教學內容與個性化指導。通過分析學生的學習數據，AI系統可以識別學生的薄弱環節，并針對性地推送相關的學習資源和練習，幫助學生更好地掌握知識和技能。AI技術能夠自動評估學生的作業與考試，顯著提升評估效率與準確性。通過圖像識別和分析技術，AI系統可以快速識別學生的圖形表達是否正確，并給出相應的評分和反饋。這不僅減輕了教師的工作負擔，還可以讓學生及時了解自己的學習情況，調整學習策略。AI技術能夠輔助學生完成繪圖任務，顯著提升繪圖的效率與質量。例如，一些智能繪圖軟件可以根據用戶的指令自動生成圖形，減少了學生的繪圖時間和錯誤率。此外，AI還可以提供繪圖建議和優化方案，幫助學生提高圖形表達的規范性和美觀度。AR技術通過融合虛擬三維模型與現實場景，為工程制圖教學帶來更為直觀且生動的學習體驗。學生可以通過手機或平板電腦等設備，觀察和操作虛擬的三維模型，更好地理解和掌握工程制圖的原理和方法。

2.2.2"技術瓶頸突破和教育理念轉變的挑戰

AI在工程制圖教學中展現出顯著的應用優勢，有效提升了教學效果與學生的學習體驗。然而，其推廣與應用亦面臨技術瓶頸及教育理念轉型的雙重挑戰。首先，技術實現難度較大，尤其是在復雜圖形識別和高精度繪圖方面，AI算法的準確性和穩定性尚需提升。其次，AI的應用要求教師具備一定的技術背景，這對傳統教育者提出了新的挑戰，教師需要學習如何有效整合AI工具。再次，學生對于AI輔助學習的依賴可能導致其自主學習能力的下降。此外，AI系統的運行依賴于大量的學生數據以進行學習和優化，這不可避免地引發了數據隱私和安全方面的挑戰。因此，學校和開發者必須采取嚴格的安全措施，確保學生信息的安全性和隱私保護。最后，教育理念的轉變和教學方式的創新也是一大挑戰，如何在AI的輔助下實現更加有效的教學，需要進行深入的探索和研究。

2.3"AI在工程制圖課程教學中的應用案例

2.3.1"AI技術在上海交通大學制圖教學中的應用

在應用AI技術輔助制圖教學方面，上海交通大學取得了顯著的成果。利用AI技術開發的在線學習平臺不僅可以提供工程制圖課程的在線學習資源，降低教育成本，能夠更有效地分配資源，為學生提供了更多元和高效的學習方式，如上海交通大學在設計制圖教學中利用AI技術提供豐富的設計樣本和視覺素材[6]。AI算法能對學生的學習進度和作業進行智能評估，有助于學生快速發現問題并加以改進。在工程制圖課程中引入了VR和AR技術，通過AI生成的三維模型，學生可以在虛擬空間中觀察和操作工程圖紙。通過AI輔助的繪圖軟件，如AutoCAD的智能功能或基于AI的插件，這些工具能夠根據學生的輸入自動生成標準化的工程圖紙，提高繪圖效率。

2.3.2"在線學習平臺的個性化教育與互動

超星學習通、學堂在線和慕課等在線學習平臺提供了豐富的教學資源，學生可以根據自己的需求和興趣選擇學習內容，自主安排學習時間和進度。教師也可以將工程制圖的教學內容制作成課程視頻，并上傳到在線學習平臺上。學生可以在課前觀看課程視頻，進行預習，了解課程的重點和難點。AI系統可以根據學生的學習情況和能力水平，為學生提供個性化的學習方案。通過分析學生的學習數據，系統可以發現學生的薄弱環節，并針對性地推送相關的學習內容和練習題，幫助學生提高學習效果。在線學習平臺為學生和教師之間、學生和學生之間提供了便捷的交流互動渠道。學生可以在平臺上提問、討論，教師可以及時解答學生的問題，進行在線輔導。這種互動性強的學習方式能夠激發學生的學習興趣和積極性，提高學習效果。

2.3.3"VR與AR技術在制圖教學中的創新應用

在傳統教學中，學生需要通過二維圖紙想象三維結構，而通過VR技術，學生可以直接進入三維虛擬模型中，觀察模型的每一個細節和結構。AR技術則允許學生在現實環境中，將二維圖紙和三維模型結合，實時對比和學習。VR技術可以為學生提供虛擬實驗環境，學生可以在虛擬空間中進行各種實驗操作，如虛擬測量、裝配和拆卸工程部件等。AR技術可以讓學生在課堂上通過移動設備查看模型，進行互動式學習，如在圖紙上標記尺寸、注釋等，并即時查看這些標記在三維空間中的效果。通過VR與AR結合的教學平臺，學生可以在虛擬環境中進行各種實踐操作訓練，如工程繪圖、機械裝配等。這些操作不僅可以反復練習，還能夠避免現實中操作不當帶來的風險和成本。通過AR，學生還可以將虛擬訓練與實際操作結合，在現實場景中提高實踐能力。VR和AR技術還可以用于遠程教學，學生和教師即使身處不同地點，也能在虛擬空間中進行實時互動和協作。例如，教師可以在虛擬教室中為學生演示工程制圖的過程，學生則可以在虛擬環境中操作和實踐。AR技術還能實現多人協作，多個學生可以同時在現實場景中操作同一個虛擬模型，進行團隊合作學習。VR和AR結合的教學平臺為工程制圖教學帶來了前所未有的機遇。通過將復雜的三維結構直觀地呈現給學生，這些技術不僅可以提高學生的空間思維能力，還可以增強教學的互動性和實用性。

3"人工智能在課程教學中的發展趨勢

AI在課程教學中的應用正呈現出多樣化和深入化的發展趨勢。AI也在推動教育的改革和教育公平性的提升，深化個性化學習，促進智能輔導系統的廣泛應用，加速自動化評估與反饋的發展，融合VR和AR技術，教師輔助工具和學習分析的深入應用，都將改變傳統的教學模式[7]。

AI的應用使得個性化學習成為可能。AI驅動的智能輔導系統正在成為課堂教學的重要補充。這些系統通過自然語言處理和機器學習技術，可以模擬教師的部分職能，為學生提供即時的反饋和個性化的輔導。AI在自動化評估方面展現出強大的能力，尤其是在大規模課程中。通過機器學習技術，AI能夠快速、準確地評估學生的作業、考試和項目，并生成詳細的反饋報告。這不僅提高了評估的效率，還減少了人為錯誤的可能性。虛擬現實和增強現實技術的加入，使得AI在課程教學中的應用更加多元化。AI賦能的學習分析技術正成為教育管理和課程優化的重要工具。通過對學生學習行為的大數據分析，AI可以幫助教育機構了解學生的學習進度、興趣點和困難領域，并據此調整教學內容和策略。AI為教師提供了強大的輔助工具，這些工具涵蓋了從課程規劃、教材開發到課堂管理的各個方面。AI有潛力顯著提高教育的公平性。通過遠程教學平臺和開放資源，AI可以將優質教育資源帶到教育資源匱乏的地區，縮小城鄉和區域之間的教育差距。

4"總結與展望

AI在工程制圖課程教學中的應用及其它工科課程的應用正在全面重塑工程教育的各個方面。從個性化學習、智能輔導到自動化評估和虛擬現實，AI的應用不僅提高了教學效率，還為學生提供了更加豐富和多元的學習體驗。然而，這些技術的廣泛應用也伴隨著一些挑戰，如數據隱私保護、技術依賴和教師角色的轉變。因此，在推動AI技術在工程教育中應用的同時，教育者和政策制定者還需要密切關注這些挑戰，確保AI的應用能夠真正為教育質量的提升和教育公平性的實現做出貢獻。

參考文獻：

[1]張鉞.人工智能算法重塑社會結構：挑戰與啟示[J].哲學分析，"2024，"15（04）："32-42+196.

[2]金文忻，吳丹，陳秀珍，等."AI技術背景下《機械制圖》課程信息化教學實踐研究[J].科技資訊，2020，18（23）："87-89+92.

[3]郝盼，楊芳，楊潔."ChatGPT應用于機械制圖課程教學的探索與實踐[J]."中國機械，"2024（22）：121-124.

[4]藍杜騫.人工智能推動高職院校教學改革的路徑研究[J].科技風，"2024（23）："13-15.

[5]劉晶，郭慧，趙菊娣，等.基于MOOC和虛擬現實的工程制圖教學創新[J].機械設計與制造工程，2024，53（07）："140-142.

[6]劉小凱.設計制圖中利用人工智能進行藝術差距彌補的教學研究[Z/OL].（2024-06-12）.https：//ctld.sjtu.edu.cn/news/detail/1142.

[7]周加貝，林祎，霍佳鑫，等.智慧引領，學以致用：人工智能大模型在四川大學本科教學中的應用探索[J]."數字與縮微影像，2024（03）："11-14.

基金項目：2022年度南京工程學院高等教育研究課題一般項目：“新興技術范式下機械制圖教學方法改革的探索與思考”（2022YB03）；2024年度南京工程學院高等教育研究課題：“大類招生背景下分流導向的應用型人才培育與CIPP評價”（2024GJZC20）

*通訊作者：李猛（1988—""），男，漢族，河南駐馬店人，工學博士，講師，主要從事流體機械及能源利用技術研究。