人工智能在機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

摘 要：由人工智能技術(shù)主導(dǎo)的新一輪科技革命正在演進(jìn)，2024年政府工作報(bào)告明確指出要深化人工智能研發(fā)應(yīng)用，開展“人工智能+”行動(dòng)，教育領(lǐng)域也在其中。人工智能已實(shí)現(xiàn)了在教育領(lǐng)域的多場景應(yīng)用，但其與不同專業(yè)融合的程度相差較大，部分使用途徑需要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)調(diào)整。本文探索了人工智能在機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用，闡述了人工智能在課前、課中、課后三個(gè)階段賦能教學(xué)的實(shí)施途徑。人工智能在實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)、創(chuàng)新教學(xué)模式、拓展教學(xué)資源、優(yōu)化評價(jià)機(jī)制的同時(shí)也為教育帶來了風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，需要積極應(yīng)對化解。

關(guān)鍵詞：人工智能 教育 機(jī)械 教學(xué)

全球人工智能（AI）技術(shù)快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”已轉(zhuǎn)換升級為“人工智能+”，新一輪科技革命正在加速演進(jìn)。基于大模型的ChatGPT能夠根據(jù)用戶指令收集整理信息并計(jì)算分析，進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程及文學(xué)、藝術(shù)等創(chuàng)作；將文字口令輸入視頻生成模型Sora中，即可獲得細(xì)節(jié)準(zhǔn)確，角色情感豐富，鏡頭語言多樣的復(fù)雜視頻；多模態(tài)病理檢測AI助手PathChat通過自動(dòng)圖像分析技術(shù)輔助診斷即可識別病理[1]；無人駕駛汽車已在城市中進(jìn)行自動(dòng)駕駛運(yùn)營及測試；現(xiàn)代生產(chǎn)中，人工智能可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、檢測識別、故障診斷等，大大提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本。人工智能技術(shù)正在引領(lǐng)新一代產(chǎn)業(yè)變革，重構(gòu)社會(huì)生活的方方面面，高等教育領(lǐng)域也在其中。人工智能技術(shù)不僅改變了教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式，而且對教育理念、教育文化和教育生態(tài)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[2]。人工智能推動(dòng)了新學(xué)科的產(chǎn)生、知識的跨領(lǐng)域融合、培養(yǎng)目標(biāo)的重構(gòu)、培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，傳統(tǒng)教學(xué)無法滿足人才培養(yǎng)的要求，打破傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式及方法，人工智能與教育教學(xué)的深度融合勢在必行[3]。

1 “人工智能+教育”的優(yōu)勢

2024年政府工作報(bào)告中指出要深入推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展，深化人工智能研發(fā)應(yīng)用，開展“人工智能+”行動(dòng)[4]。人工智能通常指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)、自然語言處理等技術(shù)和算法來模擬人類智能的能力和技術(shù)。“人工智能+”則是指以人工智能為核心驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合各種領(lǐng)域、各種場景，實(shí)施全方位、全鏈條的賦能。政府工作報(bào)告中同樣指出要加強(qiáng)高質(zhì)量教育體系建設(shè)，大力發(fā)展數(shù)字教育，加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化[4]。“人工智能+教育”是實(shí)現(xiàn)數(shù)字教育的重要手段，人工智能賦能教育有望解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的諸多問題，創(chuàng)新教育教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，提高教育教學(xué)的效率和人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)教育公平，為教育改革開辟新的路徑。

2 “人工智能+教育”的應(yīng)用現(xiàn)狀

人工智能技術(shù)在高等教育中正在被廣泛應(yīng)用。哈佛大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程（CS50）中引入AI聊天機(jī)器人“CS50 duck”作為學(xué)生的“導(dǎo)師”，在確保學(xué)生不直接獲得答案的情況下，引導(dǎo)學(xué)生自主探索問題解決方案，提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)體驗(yàn)；加州大學(xué)歷史學(xué)教授本杰明·布林借助生成式人工智能在課堂教學(xué)時(shí)開展交互式歷史背景模擬，學(xué)生通過情景體驗(yàn)來沉浸式學(xué)習(xí)歷史，加深對歷史事件理解的同時(shí)獲得個(gè)人體驗(yàn)和個(gè)人思考。哈爾濱工業(yè)大學(xué)將人工智能引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，由人工智能專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，提供一對一的學(xué)習(xí)互動(dòng)，針對性地推送知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。北京理工大學(xué)開發(fā)了教育知識圖譜構(gòu)建與服務(wù)平臺，支持知識圖譜的“建設(shè)、服務(wù)、規(guī)劃、開放”，師生可跨課程關(guān)聯(lián)知識，實(shí)現(xiàn)知識體系數(shù)字化重構(gòu)。在機(jī)械專業(yè)的課程方面，郝盼等通過信息查詢、教學(xué)設(shè)計(jì)、課程構(gòu)建等方面的案例展示了ChatGPT在機(jī)械制圖課程教學(xué)中的作用[5]；崔迪等基于ChatGPT技術(shù)實(shí)施了3D打印課程的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐，探究了新技術(shù)促使課堂活動(dòng)智慧生成的路徑和方式[6]。人工智能已經(jīng)以各種形式應(yīng)用到教學(xué)環(huán)節(jié)中，貫穿了教育的全過程、多場景，但在不同專業(yè)中的應(yīng)用程度相差較大。本文將圍繞人工智能與機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)相融合的途徑進(jìn)行探索。

3 “人工智能+教育”帶來的變革

人工智能與教育的深度融合打破了傳統(tǒng)教學(xué)的局限，推動(dòng)教育向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為教育領(lǐng)域帶來了深刻變革，開啟了教育的全新時(shí)代。

3.1 個(gè)性化學(xué)習(xí)

在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠提取學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時(shí)長、作業(yè)完成情況、測試成績及其分?jǐn)?shù)分布等，人工智能收集數(shù)據(jù)并標(biāo)準(zhǔn)化處理后，即可分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，得到學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格、能力維度、知識掌握程度等指標(biāo)，并以此為依據(jù)為每位同學(xué)打造專屬的學(xué)習(xí)路徑，推送不同難度和內(nèi)容的知識，滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在此過程中，繼續(xù)跟蹤分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，持續(xù)改進(jìn)模型的個(gè)性化推送，調(diào)整學(xué)習(xí)推薦策略，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

3.2 教學(xué)模式的創(chuàng)新

學(xué)生可在教學(xué)全過程中與智能學(xué)習(xí)助手進(jìn)行交互式對話，及時(shí)解決問題，將被動(dòng)的接收轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的學(xué)習(xí)。同時(shí)，智能學(xué)習(xí)助手會(huì)統(tǒng)計(jì)學(xué)生提問的內(nèi)容及頻次，分析學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，即時(shí)向教師反饋學(xué)情并給出調(diào)整建議，輔助教師調(diào)整教學(xué)策略，增強(qiáng)課堂的交互性與靈活性。

傳統(tǒng)課堂上，教師講解知識時(shí)常采用文字、圖片或視頻資源作為輔助，并不利于學(xué)生理解，將基于人工智能的虛擬平臺引入課堂，立體化展示教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建虛實(shí)融合的教學(xué)環(huán)境，打造沉浸式學(xué)習(xí)氛圍，強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解和記憶。

3.3 教學(xué)資源的拓展

傳統(tǒng)的檢索工具主要基于關(guān)鍵詞來匹配結(jié)果，智能搜索引擎則基于語義理解同時(shí)結(jié)合上下文執(zhí)行檢索，精準(zhǔn)把握使用者的需求，提供匹配度更高的資源。智能搜索引擎可以連接、整合不同平臺的資源，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)站、跨學(xué)科的知識關(guān)聯(lián)，提供論文、電子書籍、視頻等不同類型的資源，提高檢索效率；基于用戶行為和偏好，智能搜索引擎可以為教師和學(xué)生提供個(gè)性化資源推送。

3.4 評價(jià)機(jī)制的優(yōu)化

人工智能通過采集和分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，使教學(xué)評價(jià)從診斷性評價(jià)向形成性與診斷性評價(jià)結(jié)合轉(zhuǎn)變、從簡單評價(jià)向智慧評價(jià)轉(zhuǎn)變、從單一性評價(jià)向多元性評價(jià)轉(zhuǎn)變[7]。教育評價(jià)不再只是基于學(xué)生對知識的掌握程度，同樣注重學(xué)生思維和能力的發(fā)展，追求更加全面的綜合素養(yǎng)評價(jià)；師生評價(jià)、生生評價(jià)較易出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一的情況，結(jié)合客觀的機(jī)器評價(jià)，能夠更為準(zhǔn)確地呈現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4 人工智能在機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

人工智能對教育的影響是革命性的，“人工智能+”是未來教育的必然趨勢，機(jī)械專業(yè)作為制造業(yè)的核心支撐，其人才培養(yǎng)的理念和方法應(yīng)緊跟科技發(fā)展腳步，積極改進(jìn)、推陳創(chuàng)新，培養(yǎng)國家和社會(huì)需要的人才。人工智能與機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)相融合的途徑如圖1所示。

4.1 課前準(zhǔn)備

課前準(zhǔn)備是教學(xué)的基礎(chǔ)，教師需要系統(tǒng)地梳理知識點(diǎn)，建立課程知識體系，進(jìn)行教學(xué)資源的收集和教學(xué)資料的整理。機(jī)械專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容較為抽象，在課堂講解時(shí)需要大量的圖片、視頻與模型輔助教學(xué)，在課前準(zhǔn)備階段，教師的時(shí)間和精力會(huì)大量消耗在尋找或重建資源和制作課件上。智能教學(xué)助理能夠基于資源庫的內(nèi)容，根據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生特點(diǎn)生成教案、課件等教學(xué)資料，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，輔助教師備課；在資源庫之外，智能搜索引擎可以提高教學(xué)資料檢索的精準(zhǔn)度和廣度，讓教師把更多的時(shí)間集中在如何提升課堂講授效果和學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的思考上，而非低水平、高頻次的重復(fù)性工作上。

課前準(zhǔn)備同樣是學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)，通過課前預(yù)習(xí)，學(xué)生可以提前了解課程知識點(diǎn)，熟悉知識框架，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。智能教學(xué)助理能夠基于課程資源庫，根據(jù)課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，發(fā)布課前學(xué)習(xí)任務(wù)和前測，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

4.2 課中教學(xué)

課堂是教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，教師授課的目標(biāo)并不單是完成內(nèi)容的講解，而需要讓學(xué)生真正理解并掌握知識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。學(xué)生學(xué)習(xí)情況的即時(shí)反饋是指導(dǎo)教師調(diào)整課堂進(jìn)度的重要依據(jù)。人工智能將課堂的交互性變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：教師發(fā)布課堂問答等教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生參與后，活動(dòng)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果會(huì)即時(shí)反饋；智能教學(xué)助理在課中及時(shí)解決學(xué)生問題的同時(shí)，會(huì)統(tǒng)計(jì)問題的內(nèi)容和頻次，分析后反饋給教師。基于以上對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的分析，教師可將其與預(yù)設(shè)的教學(xué)計(jì)劃對比，選擇是否開展針對性的講解或調(diào)整教學(xué)方法。

將虛擬技術(shù)引入機(jī)械專業(yè)課堂，構(gòu)建機(jī)械模型的三維實(shí)體，讓學(xué)生自由地進(jìn)行機(jī)器或部件的拆解與安裝，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、配合關(guān)系，模擬工程實(shí)踐場景，了解機(jī)器工作流程，方便學(xué)生理解知識的同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。例如：在講解夾具設(shè)計(jì)時(shí)，典型的夾具組合的運(yùn)動(dòng)需要學(xué)生有極強(qiáng)的空間構(gòu)造能力，才能夠理解其運(yùn)動(dòng)自由度的限制情況和夾緊工件的流程，引入虛擬技術(shù)能夠直觀展示工件在定位元件的限制下所具有的自由度，動(dòng)態(tài)化展示夾具元件的動(dòng)作順序；在切削運(yùn)動(dòng)模塊使用虛擬技術(shù)演示工件、刀具的相對運(yùn)動(dòng)，更改切削三要素生成不同條件下的切削力、切削熱曲線，呈現(xiàn)切削力、切削熱隨切削三要素的變化趨勢，解決實(shí)驗(yàn)操作難度大且耗時(shí)的問題。

4.3 課后鞏固

課程的結(jié)束并不意味著學(xué)習(xí)的結(jié)束，課后鞏固知識能夠深化、強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。智能教學(xué)助理可在課后針對學(xué)生的問題進(jìn)行輔導(dǎo)答疑，即問即答，避免因問題解決的滯后而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；對課堂內(nèi)容、重難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)梳理，通過知識圖譜清晰地表現(xiàn)出知識點(diǎn)之間的前后聯(lián)系及邏輯結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生記憶，靈活運(yùn)用知識。學(xué)生完成知識圖譜上某個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)后，其知識掌握程度將被記錄在對應(yīng)的知識點(diǎn)，形成專屬于個(gè)人的知識圖譜。

根據(jù)知識圖譜中學(xué)生個(gè)人的學(xué)習(xí)情況，智能教學(xué)助理可以生成專屬的學(xué)習(xí)路徑，個(gè)性化推送資源，針對薄弱知識點(diǎn)組成并發(fā)放試題，幫助學(xué)生查缺補(bǔ)漏，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。基于課程的題庫建設(shè)，智能教學(xué)助理可以按照指令（可設(shè)置不同題型的占比和知識點(diǎn)分布）自動(dòng)組卷，智能批改學(xué)生的作業(yè)和測試，分析學(xué)生答題情況。智能教學(xué)助理對學(xué)生的評價(jià)不局限于成績，而是綜合學(xué)生的課堂表現(xiàn)、個(gè)人能力、作業(yè)測試情況，進(jìn)行全方位的分析，做出客觀、多維度的評價(jià)，生成學(xué)生學(xué)習(xí)情況報(bào)告為教師的教學(xué)反思提供參考。

5 “人工智能+教育”帶來的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

事物都具有雙面性，人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用雖提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，推動(dòng)了教育內(nèi)容及模式的變革，但仍存在一系列風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。首先，學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的大量與學(xué)生個(gè)人相關(guān)的數(shù)據(jù)被收集后存在個(gè)人信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)嚴(yán)重侵犯學(xué)生的隱私。其次，學(xué)生甚至教師不免會(huì)對人工智能產(chǎn)生依賴性，遇到問題缺少思考，急于借助智能工具求解，削弱了個(gè)人創(chuàng)造能力；面對智能工具給出的答案時(shí)不假思索、全盤接收，缺乏批判性思維。此外，個(gè)性化的學(xué)習(xí)推薦基于算法的準(zhǔn)確性，若算法的準(zhǔn)確性存在偏差，則根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)推薦的學(xué)習(xí)資源可能無法與學(xué)生相匹配，從而影響學(xué)習(xí)效率，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；算法準(zhǔn)確性的偏差同樣會(huì)影響機(jī)器對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價(jià)，教師無法掌握學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生不能得到準(zhǔn)確、公正的評價(jià)。由此，在使用人工智能協(xié)作教學(xué)時(shí)，要保持獨(dú)立思考和辯證思考的能力，傳統(tǒng)的教學(xué)手段不能全盤否認(rèn)，應(yīng)將其與現(xiàn)代化智能技術(shù)結(jié)合，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化。

6 結(jié)論與展望

人工智能與教育的深度融合能夠促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，創(chuàng)新教育教學(xué)模式，優(yōu)化人才評價(jià)機(jī)制，培養(yǎng)跨學(xué)科人才，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文探討了人工智能與機(jī)械專業(yè)教學(xué)相融合的途徑，提供了教學(xué)實(shí)施借鑒。教育數(shù)字化智能化的腳步正在加速前進(jìn)，未來將會(huì)有更加智能的教學(xué)交互方式，更加精準(zhǔn)的個(gè)性化學(xué)習(xí)方案，推動(dòng)教育理念、教育方式變革。教育工作者要堅(jiān)守教育初心，培養(yǎng)人工智能思維，提升自身人工智能素養(yǎng)，不斷探索和實(shí)踐，讓人工智能更好地為教育教學(xué)服務(wù)。

基金項(xiàng)目：本文系2024年河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“‘三維三融’機(jī)械類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系研究與實(shí)踐”的階段性研究成果。（課題編號：2024SJGLX0202，課題主持人：程雪利）；2023 年度河南省本科高校研究性教學(xué)系列項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：“三融四階五平臺”研究性創(chuàng)新課程體系的研究與實(shí)踐—以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例。

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