教育機器人的設(shè)計與展望

作者簡介：祝雅茹（1997—），女，碩士生，研究方向：人工智能教育應(yīng)用。

馬玉慧（1974—），女，副教授，研究方向：人工智能在教育中的應(yīng)用。

0   引言

為促進新時代教育計算機化的發(fā)展，加速教育現(xiàn)代化，結(jié)合國家“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等重大戰(zhàn)略的任務(wù)安排,《教育信息化2.0 行動計劃》提出應(yīng)加強智能教學(xué)助手、教育機器人、智能學(xué)伴等關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。^[1] 作為機器人在教育中應(yīng)用的代表，教育型機器人將成為智能學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分。針對教育領(lǐng)域研發(fā)的教育機器人以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)造能力和分析能力為目標，集成了數(shù)學(xué)、機械、計算機、人工智能等眾多領(lǐng)域的知識與技能，具有教學(xué)適用性、可擴展性和友好的人機交互等特點。Conti 等人^[2] 的實驗表明，學(xué)生在很小的時候開始接觸機器人，可以積極影響他們對類人機器人的態(tài)度。盡早接觸教育機器人有助于學(xué)生未來更好地接受相關(guān)技術(shù)教育。在與教育機器人進行接觸和互動的過程中，學(xué)生們可以輕松地學(xué)習(xí)知識，激發(fā)創(chuàng)新意識并培養(yǎng)獨立探索和思考的能力。因此，設(shè)計一款促進學(xué)生智力發(fā)展，培養(yǎng)邏輯思維能力和空間想象力的教育機器人已成為一個新的挑戰(zhàn)。那么，面對如今復(fù)雜多變的教育場景，應(yīng)如何設(shè)計一款滿足學(xué)生需求、適合學(xué)生發(fā)展的教育機器人呢？為此，本研究通過對國內(nèi)外教育機器人相關(guān)文獻的分析，從形態(tài)、人機交互和相關(guān)角色三個角度提出了設(shè)計教育機器人的相關(guān)理念，以更好地促進教育機器人的發(fā)展及其在教育和教學(xué)中的應(yīng)用。

1   教育機器人的形態(tài)

形態(tài)設(shè)計是教育機器人設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。當學(xué)生接觸機器人時，他們首先會注意到機器人的形態(tài)，這會極大地影響學(xué)習(xí)者對機器人的喜愛程度，不良的形態(tài)可能會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生害怕的情緒，從而間接反映在課堂的教學(xué)效果上。因此在教育機器人的設(shè)計上，外形設(shè)計占到了非常高的比例。

1.1 具體形態(tài)的機器人對學(xué)生的正面影響更大

在大多數(shù)情況下，具體化機器人比它們的虛擬代理更可取。Fridin 等人[3] 的研究比較了機器人教練及其虛擬代理在讓學(xué)齡前兒童參與游戲性運動任務(wù)中的效率，研究結(jié)果表明，兒童與具體化機器人的交互比虛擬代理的交互效果更好。上述觀點同樣可以映射到教育機器人上：具體形態(tài)的教育機器人比虛擬的機器人對學(xué)生的正面影響更大。Kert 等人^[4] 的實證研究證實了此觀點：與基于塊的編程環(huán)境相比，具體形態(tài)的樂高機器人能夠更有效地提高中學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和計算思維能力效能感，知識概念之間的聯(lián)系也比研究基于塊的軟件的學(xué)生更牢固。同樣，具體形態(tài)的教育機器人對學(xué)生學(xué)習(xí)動機的影響也比平板電腦或網(wǎng)絡(luò)程序等其他類型的技術(shù)更為積極。

1.2 人形機器人獲得更高的評價

在具體形態(tài)的教育機器人基礎(chǔ)上，其外形還分為人形和非人形兩類。其中，類人機器人具有類似人的外觀和輪廓特征，即類似人的面部特征和四肢；而非人形機器人包括玩具外形的機器人和專業(yè)功能型器人，主要用于學(xué)生課外游戲時間或?qū)I(yè)性教學(xué)。人形機器人能給予學(xué)生一種與真人交互的感受，提升學(xué)生的喜愛度，相較非人型機器人獲得更高的評價。Arent 等人^[5] 研究證明擁有具體人形態(tài)的NAO 機器人在所有方面都比機械機器人得到了更高的評價，NAO的擬人化和有生命性的評價也都高于那些機械機器人。因為親和力指的是積極印象的形成，人類外觀和動物外觀的機器人都能產(chǎn)生類似的積極印象，因此學(xué)生在與人形機器人交互時可以在很大程度上減少距離感，能吸引學(xué)習(xí)者的注意力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、盡快建立交往情感。

2   教育機器人的人機交互

2.1 使用第1人稱教學(xué)的機器人對學(xué)生的保留和轉(zhuǎn)移能力有積極的影響

會話風(fēng)格主要是強調(diào)以第1 或第2 人稱為主的教學(xué)形式（例如“你”和“你的”），而不是第3 人稱形式（例如“他”）。使用會話風(fēng)格的教學(xué)對保留測試和轉(zhuǎn)移測試有積極的影響，并且對學(xué)習(xí)者的感知困難、友好、樂于助人和身體存在感知也有積極的影響。會話風(fēng)格也可以很好地應(yīng)用于教育機器人教學(xué)中。在教學(xué)過程中，要注重與學(xué)生的溝通方式，會話風(fēng)格可以使學(xué)習(xí)者感知到機器人的“友好性”，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高其參與度，繼而加強學(xué)習(xí)效果。根據(jù)Lin 等^[6] 人的研究：將98 名中國學(xué)生隨機分配到會話風(fēng)格與正式風(fēng)格兩種實驗條件中，使用CrazyTalk 學(xué)習(xí)人類心臟和血液的功能和結(jié)構(gòu)。其研究證實，以會話風(fēng)格進行學(xué)習(xí)的個人有更好的保留和轉(zhuǎn)移能力并且更容易感知材料。

2.2 能夠情緒感知的機器人可以使學(xué)生提升學(xué)習(xí)積極性

據(jù)調(diào)查，許多軟件系統(tǒng)如果能夠識別并適應(yīng)用戶的情緒狀態(tài)，就會顯著提高性能。例如，當智能輔導(dǎo)系統(tǒng)、ATM 票務(wù)機器能夠識別用戶困惑、沮喪或憤怒時，它們就可以引導(dǎo)用戶回到補救幫助系統(tǒng)，從而改進服務(wù)。如果計算機能夠適應(yīng)用戶的情緒，其使用感受將得到顯著的改善。作為計算機的一種高級形態(tài)，教育機器人能夠識別學(xué)生的情緒將會給機器人教學(xué)帶來很多便利，并對教學(xué)結(jié)果產(chǎn)生正面影響。根據(jù)Paiva^[7] 的說法，為了實現(xiàn)成功的人機交互，機器人必須具備情感處理能力，能夠?qū)θ水a(chǎn)生情感反應(yīng)并適應(yīng)他們的環(huán)境和道德環(huán)境。Leite^[8]的相關(guān)研究結(jié)果表明，機器人之所以在教育環(huán)境中被廣泛接受，是機器人與學(xué)生之間的社交和情感互動的機制在很大程度上為這種接受做出了貢獻。因此擁有情緒偵測能力的教育機器人，通過識別學(xué)習(xí)者的情緒狀態(tài)并做出相應(yīng)響應(yīng)，可以使學(xué)習(xí)者提升學(xué)習(xí)積極性，增加學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。

2.3 積極反饋的教育機器人可以提高學(xué)生的自信心

Beebe 等人^[9] 的研究結(jié)果表明，利用親和力的教師在策略上顯著提高了學(xué)生的認知學(xué)習(xí)、學(xué)生的喜歡和幸福感（并因此增加了學(xué)習(xí)）。其中老師的親和力即反映在給與學(xué)生正向反饋，積極的反饋能讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的自信心，繼而調(diào)動學(xué)習(xí)的興趣。同樣，在教育機器人設(shè)計方面也可以運用這一理念。Ahmad 等人^[10] 的研究以某小學(xué)24 名學(xué)生為研究對象，評估NAO 機器人的積極、消極和中性情緒反饋對學(xué)生詞匯學(xué)習(xí)的影響。在兩周的時間里，3 組孩子在4 種不同場合與機器人互動。結(jié)果表明，與其他2 種情況相比，機器人表現(xiàn)出積極情緒反饋的情況對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)有顯著的積極影響。在目前教育機器人發(fā)展階段，意大利智能機器人iCat 在和學(xué)習(xí)者的互動過程中，可以識別學(xué)習(xí)者的情緒變化，并提供及時的情感反饋。iCat 既可陪伴學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)國際象棋的相關(guān)規(guī)則并給予相應(yīng)的下棋建議，增加學(xué)習(xí)者的自信心；還能作為下棋雙方的觀察者，并給予下棋雙方積極的情緒反饋，如圖1 所示^[11]。

圖1 智能機器人iCat陪伴學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)國際象棋

3   機器人的相關(guān)角色

3.1 機器人作為同伴比教師更能調(diào)動學(xué)生

教育機器人被提到最多的角色是教師，但教師角色的機器人未必比作為同伴的機器人對學(xué)生的影響更積極，Looije 等人^[12] 的研究就表明：與家庭教師相比，同伴角色更受青睞。在Zaga 等人^[13] 的實驗中驗證了此觀點，從文獻中得出同伴和導(dǎo)師機器人的行為，并在WoZ 研究中評估了兩個機器人角色，其中10 對年齡在6~9 歲的學(xué)生與NAO 機器人一起玩七巧板拼圖。結(jié)果表明，在擁有同伴性格的教育機器人條件下，學(xué)生比在擁有導(dǎo)師性格的教育機器人條件下能夠更長時間地關(guān)注機器人和任務(wù)，并且更快、更好地解決了難題。

3.2 機器人輔助教室對學(xué)生學(xué)習(xí)動機有積極影響

使用教育機器人輔助的教室通常對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機有積極的影響，這是國外研究通過將教育機器人輔助教室與傳統(tǒng)教室進行比較得出的共同結(jié)論，即在教育機器人的輔助下學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度變得更高，尤其是參與閱讀的積極性空前高漲。許多研究發(fā)現(xiàn)教育機器人輔助教室的學(xué)生學(xué)習(xí)動機高于傳統(tǒng)教室，教育機器人提高了學(xué)習(xí)者自我報告的滿意度、興趣和動機。例如Alemi^[14] 等人在外語詞匯學(xué)習(xí)的研究表明，學(xué)生對教育機器人的輔助學(xué)習(xí)感到特別愉快，比傳統(tǒng)課堂上的學(xué)生學(xué)習(xí)更快、學(xué)到的知識更多，并且有更好的持續(xù)性收獲。此外，Hong 等人^[15] 的實驗結(jié)果同樣表明與傳統(tǒng)課堂相比，機器人輔助課堂上的學(xué)生在動機、注意力、自信心以及學(xué)習(xí)過程的滿意度等方面都有較好的提高。

4   教育機器人設(shè)計的展望

在未來，教育機器人的個性化交互是設(shè)計的重要一環(huán)。從當前教育機器人的設(shè)計來看，制造商傾向于開發(fā)教育機器人的一般功能，尤其是家庭友好型教育機器人，普遍開發(fā)了語音查詢、講故事等功能，教育機器人的嚴重同質(zhì)性問題已經(jīng)出現(xiàn)在市場上。^[16] 因此，基于通用功能的優(yōu)化，教育機器人設(shè)計的未來發(fā)展方向可能會逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ媒逃龣C器人。在教學(xué)場景中，能進行多人互動是最基本的要求，為確保交流的連續(xù)性，教育機器人應(yīng)發(fā)展文化互動。因此，語音識別、指紋識別以及面部識別等技術(shù)與人機文化互動的融合將是未來教育機器人發(fā)展的必然趨勢。例如，教育機器人可以通過識別交互者的語言，面部表情或身體動作來推斷用戶偏好和用戶體驗，然后推薦用戶感興趣的相關(guān)內(nèi)容，從而提高準確性和人類互動的連續(xù)性。

5   結(jié)束語

人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，為教育機器人在教育場景的應(yīng)用落地提供了強有力的支持。本文通過對國內(nèi)外教育機器人相關(guān)實證文獻的分析，初步提出一種使用會話風(fēng)格并能情緒感知、給與學(xué)生積極反饋的同伴或教育教具的人形教育機器人設(shè)計理念。隨著教育機器人設(shè)計與研發(fā)等關(guān)鍵問題的解決，未來教育機器人將應(yīng)用于更多教育場景，助力智能時代的到來！

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）