新工科视域下《机械制图》课程 AI 助教系统的研究与实践

一、引言

在新工科建设的浪潮下，高等教育面临着培养具备创新能力、实践能力和跨学科思维的高素质工程人才的艰巨任务。《机械制图》作为工科类专业的一门重要基础课程，是培养学生空间想象能力、工程实践能力和创新思维的关键环节。然而，传统的《机械制图》教学模式存在诸多问题，如教学资源分配不均、学生个性化学习需求难以满足、实践环节指导不足等，已无法适应新工科人才培养的要求。在此背景下，人工智能技术的迅猛发展为教育领域带来了新的变革机遇。AI 助教系统作为人工智能与教育深度融合的产物，能够辅助教师完成教学任务，为学生提供个性化的学习支持，提高教学效率和质量。因此，开展新工科视域下《机械制图》课程AI 助教系统的研究与实践具有重要的现实意义。

二、新工科对《机械制图》课程的新要求

新工科强调学科交叉融合、创新驱动发展和工程实践能力培养。这对《机械制图》课程提出了以下新要求：强化空间想象与创新能力培养：新工科背景下的工程问题日益复杂，需要学生具备更强的空间想象能力，能够从二维图纸中准确构建三维实体模型，并进行创新设计。注重工程实践与应用能力提升：课程需更加贴近工程实际，培养学生运用制图知识解决实际工程问题的能力，如零件设计、装配工艺等。推动跨学科知识融合：《机械制图》需与其他相关学科（如计算机辅助设计、智能制造等）相结合，使学生掌握跨学科的制图技能和知识。

三、《机械制图》课程教学现状及痛点

目前，《机械制图》课程教学存在以下问题：教学模式单一：多数教师仍采用“黑板 ⋅+ 粉笔”或传统多媒体教学模式，缺乏互动性和趣味性，难以激发学生的学习兴趣。个性化教学不足：学生的学习基础和接受能力存在差异，但传统教学采用“一刀切”的方式，无法满足学生的个性化学习需求。实践环节薄弱：由于教学资源有限和指导教师不足，学生的实践操作机会较少，难以将理论知识转化为实际应用能力。作业批改效率低：教师需要花费大量时间批改学生的制图作业，且难以做到及时反馈和精准指导。

四、AI 助教系统的构建思路

（一）系统目标

构建一个能够满足新工科视域下《机械制图》课程教学需求的 AI 助教系统，实现以下目标：辅助教师完成教学任务，提高教学效率。为学生提供个性化的学习支持，满足不同学生的学习需求。加强实践环节指导，提高学生的实践应用能力。实现作业自动批改和及时反馈，促进学生的学习进步。

（二）系统架构

AI 助教系统采用分层架构设计，主要包括数据层、算法层和应用层：数据层：负责收集和存储《机械制图》课程的相关数据，如教学视频、课件、习题、学生作业、学习行为数据等。算法层：基于人工智能技术，实现图像识别、自然语言处理、机器学习等算统提供核心功能支持，如作业自动批改、个性化推荐、智能答疑等。应用层：面向教师和学生提供具体的应用服务，如教师端的教学管理、作业批改、数据分析等功能，学生端的在线学习、作业提交、智能答疑、个性化学习推荐等功能。

五、AI 助教系统的关键技术

（一）图像识别技术

利用图像识别技术对学生的制图作业进行自动批改。通过建立标准的制图模板和特征库，对学生作业中的图形、尺寸、公差等进行识别和比对，判断作业的正确性，并给出批改结果和反馈意见。

（二）自然语言处理技术

实现智能答疑功能。通过对学生的提问进行自然语言理解和分析，从

知识库中检索相关的答案，并以自然语言的形式反馈给学生。同时，能够对学生的提问进行分类和统计，为教师提供教学参考。

（三）机器学习技术

基于学生的学习行为数据和学习成绩，利用机器学习算法构建学生的学习模型，分析学生的学习特点和薄弱环节，为学生提供个性化的学习推荐，如推荐适合的学习资源、习题等。

（四）虚拟现实技术

结合虚拟现实技术构建虚拟实践教学环境，让学生能够在虚拟环境中进行机械零件的建模、装配等实践操作，提高学生的实践应用能力。

六、AI 助教系统的实践应用

基于 AI 助教系统，建设丰富的《机械制图》课程教学资源库，包括教学视频、课件、习题、案例等。通过系统的智能推荐功能，将合适的教学资源推送给学生，满足学生的个性化学习需求。根据学生的学习模型和学习进度，为学生制定个性化的学习计划，并推荐相应的学习资源和习题。同时，系统能够实时跟踪学生的学习情况，及时提醒学生学习进度和未完成的任务。

学生通过系统提交制图作业后，AI 助教系统利用图像识别技术对作业进行自动批改，并在短时间内给出批改结果和反馈意见。教师可以对批改结果进行审核和调整，提高作业批改的效率和准确性。学生在学习过程中遇到问题时，可以通过系统的智能答疑功能进行提问。系统能够快速准确地回答学生的问题，对于无法解答的问题，将自动转交给教师进行处理，确保学生的问题得到及时解决。利用虚拟现实技术构建虚拟实践平台，学生可以在虚拟环境中进行机械零件的设计、建模、装配等实践操作。系统能够对学生的操作过程进行实时监测和指导，帮助学生掌握实践技能。

七、实践成效与展望

（一）实践成效

通过在《机械制图》课程中应用 AI 助教系统，取得了以下成效：

提高了教学效率：教师的作业批改时间大幅减少，能够有更多的时间用于教学研究和个性化指导。增强了学生的学习兴趣：个性化的学习支持和丰富的教学资源激发了学生的学习积极性，学生的课堂参与度和学习成绩得到了显著提高。提升了学生的实践能力：虚拟实践教学环境为学生提供了更多的实践操作机会，学生的实践应用能力得到了有效锻炼促进了教学改革：AI 助教系统的应用推动了《机械制图》课程教学模式的变革，实现了从传统教学向智能化、个性化教学的转变。

（二）未来展望

虽然 AI 助教系统在《机械制图》课程教学中取得了一定的成效，但仍存在一些不足之处，如系统的智能性有待进一步提高、虚拟实践环境的真实性需要加强等。未来，将从以下几个方面进行改进和完善：不断优化算法模型，提高系统的智能水平和处理复杂问题的能力。加强与企业的合作，引入更多的实际工程案例，提高虚拟实践环境的真实性和实用性。拓展系统的应用范围，将其应用于其他工科课程的教学中，推动工科教育的智能化发展。注重保护学生的隐私和数据安全，建立健全的数据安全管理机制。

总之，AI 助教系统在新工科视域下《机械制图》课程教学中具有广阔的应用前景。通过不断的研究与实践，将进一步推动《机械制图》课程教学的改革与创新，为培养高素质的工程人才做出更大的贡献。

参考文献

[1]王永强，.新工科背景下机械制图课程教学改革的思考[J].教育教学论坛，2023（9）：123-124.

[2]陈勇，刘丽华.新工科背景下机械制图课程教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2023（8）：102-103.