教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)與展望

作者簡(jiǎn)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(jìn)新時(shí)代教育計(jì)算機(jī)化的發(fā)展，加速教育現(xiàn)代化，結(jié)合國(guó)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(dòng)計(jì)劃》提出應(yīng)加強(qiáng)智能教學(xué)助手、教育機(jī)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(jī)器人在教育中應(yīng)用的代表，教育型機(jī)器人將成為智能學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分。針對(duì)教育領(lǐng)域研發(fā)的教育機(jī)器人以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力和分析能力為目標(biāo)，集成了數(shù)學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、人工智能等眾多領(lǐng)域的知識(shí)與技能，具有教學(xué)適用性、可擴(kuò)展性和友好的人機(jī)交互等特點(diǎn)。Conti 等人^[2] 的實(shí)驗(yàn)表明，學(xué)生在很小的時(shí)候開(kāi)始接觸機(jī)器人，可以積極影響他們對(duì)類人機(jī)器人的態(tài)度。盡早接觸教育機(jī)器人有助于學(xué)生未來(lái)更好地接受相關(guān)技術(shù)教育。在與教育機(jī)器人進(jìn)行接觸和互動(dòng)的過(guò)程中，學(xué)生們可以輕松地學(xué)習(xí)知識(shí)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)并培養(yǎng)獨(dú)立探索和思考的能力。因此，設(shè)計(jì)一款促進(jìn)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(jī)器人已成為一個(gè)新的挑戰(zhàn)。那么，面對(duì)如今復(fù)雜多變的教育場(chǎng)景，應(yīng)如何設(shè)計(jì)一款滿足學(xué)生需求、適合學(xué)生發(fā)展的教育機(jī)器人呢？為此，本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外教育機(jī)器人相關(guān)文獻(xiàn)的分析，從形態(tài)、人機(jī)交互和相關(guān)角色三個(gè)角度提出了設(shè)計(jì)教育機(jī)器人的相關(guān)理念，以更好地促進(jìn)教育機(jī)器人的發(fā)展及其在教育和教學(xué)中的應(yīng)用。

1   教育機(jī)器人的形態(tài)

形態(tài)設(shè)計(jì)是教育機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)學(xué)生接觸機(jī)器人時(shí)，他們首先會(huì)注意到機(jī)器人的形態(tài)，這會(huì)極大地影響學(xué)習(xí)者對(duì)機(jī)器人的喜愛(ài)程度，不良的形態(tài)可能會(huì)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(jī)器人的設(shè)計(jì)上，外形設(shè)計(jì)占到了非常高的比例。

1.1 具體形態(tài)的機(jī)器人對(duì)學(xué)生的正面影響更大

在大多數(shù)情況下，具體化機(jī)器人比它們的虛擬代理更可取。Fridin 等人[3] 的研究比較了機(jī)器人教練及其虛擬代理在讓學(xué)齡前兒童參與游戲性運(yùn)動(dòng)任務(wù)中的效率，研究結(jié)果表明，兒童與具體化機(jī)器人的交互比虛擬代理的交互效果更好。上述觀點(diǎn)同樣可以映射到教育機(jī)器人上：具體形態(tài)的教育機(jī)器人比虛擬的機(jī)器人對(duì)學(xué)生的正面影響更大。Kert 等人^[4] 的實(shí)證研究證實(shí)了此觀點(diǎn)：與基于塊的編程環(huán)境相比，具體形態(tài)的樂(lè)高機(jī)器人能夠更有效地提高中學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和計(jì)算思維能力效能感，知識(shí)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(jī)器人對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)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(jī)器人獲得更高的評(píng)價(jià)

在具體形態(tài)的教育機(jī)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(jī)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(jī)器人包括玩具外形的機(jī)器人和專業(yè)功能型器人，主要用于學(xué)生課外游戲時(shí)間或?qū)I(yè)性教學(xué)。人形機(jī)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(ài)度，相較非人型機(jī)器人獲得更高的評(píng)價(jià)。Arent 等人^[5] 研究證明擁有具體人形態(tài)的NAO 機(jī)器人在所有方面都比機(jī)械機(jī)器人得到了更高的評(píng)價(jià)，NAO的擬人化和有生命性的評(píng)價(jià)也都高于那些機(jī)械機(jī)器人。因?yàn)橛H和力指的是積極印象的形成，人類外觀和動(dòng)物外觀的機(jī)器人都能產(chǎn)生類似的積極印象，因此學(xué)生在與人形機(jī)器人交互時(shí)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(jī)器人的人機(jī)交互

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

會(huì)話風(fēng)格主要是強(qiáng)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(huì)話風(fēng)格的教學(xué)對(duì)保留測(cè)試和轉(zhuǎn)移測(cè)試有積極的影響，并且對(duì)學(xué)習(xí)者的感知困難、友好、樂(lè)于助人和身體存在感知也有積極的影響。會(huì)話風(fēng)格也可以很好地應(yīng)用于教育機(jī)器人教學(xué)中。在教學(xué)過(guò)程中，要注重與學(xué)生的溝通方式，會(huì)話風(fēng)格可以使學(xué)習(xí)者感知到機(jī)器人的“友好性”，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高其參與度，繼而加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。根據(jù)Lin 等^[6] 人的研究：將98 名中國(guó)學(xué)生隨機(jī)分配到會(huì)話風(fēng)格與正式風(fēng)格兩種實(shí)驗(yàn)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(shí)，以會(huì)話風(fēng)格進(jìn)行學(xué)習(xí)的個(gè)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(jī)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(shí)別并適應(yīng)用戶的情緒狀態(tài)，就會(huì)顯著提高性能。例如，當(dāng)智能輔導(dǎo)系統(tǒng)、ATM 票務(wù)機(jī)器能夠識(shí)別用戶困惑、沮喪或憤怒時(shí)，它們就可以引導(dǎo)用戶回到補(bǔ)救幫助系統(tǒng)，從而改進(jìn)服務(wù)。如果計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的一種高級(jí)形態(tài)，教育機(jī)器人能夠識(shí)別學(xué)生的情緒將會(huì)給機(jī)器人教學(xué)帶來(lái)很多便利，并對(duì)教學(xué)結(jié)果產(chǎn)生正面影響。根據(jù)Paiva^[7] 的說(shuō)法，為了實(shí)現(xiàn)成功的人機(jī)交互，機(jī)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(jī)器人之所以在教育環(huán)境中被廣泛接受，是機(jī)器人與學(xué)生之間的社交和情感互動(dòng)的機(jī)制在很大程度上為這種接受做出了貢獻(xiàn)。因此擁有情緒偵測(cè)能力的教育機(jī)器人，通過(guò)識(shí)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(jī)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(rèn)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(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。同樣，在教育機(jī)器人設(shè)計(jì)方面也可以運(yùn)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(duì)象，評(píng)估NAO 機(jī)器人的積極、消極和中性情緒反饋對(duì)學(xué)生詞匯學(xué)習(xí)的影響。在兩周的時(shí)間里，3 組孩子在4 種不同場(chǎng)合與機(jī)器人互動(dòng)。結(jié)果表明，與其他2 種情況相比，機(jī)器人表現(xiàn)出積極情緒反饋的情況對(duì)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(jī)器人發(fā)展階段，意大利智能機(jī)器人iCat 在和學(xué)習(xí)者的互動(dòng)過(guò)程中，可以識(shí)別學(xué)習(xí)者的情緒變化，并提供及時(shí)的情感反饋。iCat 既可陪伴學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)國(guó)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(jī)器人iCat陪伴學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)國(guó)際象棋

3   機(jī)器人的相關(guān)角色

3.1 機(jī)器人作為同伴比教師更能調(diào)動(dòng)學(xué)生

教育機(jī)器人被提到最多的角色是教師，但教師角色的機(jī)器人未必比作為同伴的機(jī)器人對(duì)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(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了此觀點(diǎn)，從文獻(xiàn)中得出同伴和導(dǎo)師機(jī)器人的行為，并在WoZ 研究中評(píng)估了兩個(gè)機(jī)器人角色，其中10 對(duì)年齡在6~9 歲的學(xué)生與NAO 機(jī)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(jī)器人條件下，學(xué)生比在擁有導(dǎo)師性格的教育機(jī)器人條件下能夠更長(zhǎng)時(shí)間地關(guān)注機(jī)器人和任務(wù)，并且更快、更好地解決了難題。

3.2 機(jī)器人輔助教室對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)有積極影響

使用教育機(jī)器人輔助的教室通常對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)有積極的影響，這是國(guó)外研究通過(guò)將教育機(jī)器人輔助教室與傳統(tǒng)教室進(jìn)行比較得出的共同結(jié)論，即在教育機(jī)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(jī)器人輔助教室的學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)高于傳統(tǒng)教室，教育機(jī)器人提高了學(xué)習(xí)者自我報(bào)告的滿意度、興趣和動(dòng)機(jī)。例如Alemi^[14] 等人在外語(yǔ)詞匯學(xué)習(xí)的研究表明，學(xué)生對(duì)教育機(jī)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(shí)更多，并且有更好的持續(xù)性收獲。此外，Hong 等人^[15] 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明與傳統(tǒng)課堂相比，機(jī)器人輔助課堂上的學(xué)生在動(dòng)機(jī)、注意力、自信心以及學(xué)習(xí)過(guò)程的滿意度等方面都有較好的提高。

4   教育機(jī)器人設(shè)計(jì)的展望

在未來(lái)，教育機(jī)器人的個(gè)性化交互是設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。從當(dāng)前教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)來(lái)看，制造商傾向于開(kāi)發(fā)教育機(jī)器人的一般功能，尤其是家庭友好型教育機(jī)器人，普遍開(kāi)發(fā)了語(yǔ)音查詢、講故事等功能，教育機(jī)器人的嚴(yán)重同質(zhì)性問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。^[16] 因此，基于通用功能的優(yōu)化，教育機(jī)器人設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展方向可能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ媒逃龣C(jī)器人。在教學(xué)場(chǎng)景中，能進(jìn)行多人互動(dòng)是最基本的要求，為確保交流的連續(xù)性，教育機(jī)器人應(yīng)發(fā)展文化互動(dòng)。因此，語(yǔ)音識(shí)別、指紋識(shí)別以及面部識(shí)別等技術(shù)與人機(jī)文化互動(dòng)的融合將是未來(lái)教育機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)。例如，教育機(jī)器人可以通過(guò)識(shí)別交互者的語(yǔ)言，面部表情或身體動(dòng)作來(lái)推斷用戶偏好和用戶體驗(yàn)，然后推薦用戶感興趣的相關(guān)內(nèi)容，從而提高準(zhǔn)確性和人類互動(dòng)的連續(xù)性。

5   結(jié)束語(yǔ)

人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，為教育機(jī)器人在教育場(chǎng)景的應(yīng)用落地提供了強(qiáng)有力的支持。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外教育機(jī)器人相關(guān)實(shí)證文獻(xiàn)的分析，初步提出一種使用會(huì)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(jī)器人設(shè)計(jì)理念。隨著教育機(jī)器人設(shè)計(jì)與研發(fā)等關(guān)鍵問(wèn)題的解決，未來(lái)教育機(jī)器人將應(yīng)用于更多教育場(chǎng)景，助力智能時(shí)代的到來(lái)！

參考文獻(xiàn)：

[1] 教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》的通知[EB/OL].(2018-4-18).http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2] Conti D,NUOVO S D,Nuovo A D.Kindergarten children attitude towards humanoid robots: what is the effect of the first experience?[C].ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction.2019.

[3] Fridin M,Belokopytov M.Embodied robot versus virtual agent: involvement of preschool children in motor task performance[J].International Journal of Human- ComputerInteraction,2014.

[4] Kert S B,Erko M F,Yeni S.The effect of robotics on six graders’ academic achievement,computational thinking skills and conceptual knowledge levels[J].Thinking Skills and Creativity,2020(12).

[5] Arent K,Cichoń E,Gakisd M,et al.Education biases perception of social robots[J].European Review of Applied Psychology,2020.

[6] Lin L,Ginns P,Wang T,et al.Using a pedagogical agent to deliver conversational style instruction: What benefits can you obtain?[J].Computers & Education,2020(1).

[7] Paiva A,Petisca S,Correia F,et al.Towards more humane machines: Creating emotional social robots[M].New Interdisciplinary Landscapes in Morality and Emotion,2018.

[8] Leite I,Martinho C,Paiva A.Social Robots for Long- TermInteraction:A Survey[J].Social Robotics,2013,5(2):291-308.

[9] Beebe S A,Butland M.Emotional response and learning: Explaining affinity seeking behaviors in the classroom[C]. International Communication Association Conference. Sydney:1994.

[ 1 0 ] A h m a d M I , M u b i n O , S h a h i d S , e t a l . R o b o t ’ s adaptive emotional feedback sustains children’s social engagement and promotes their vocabulary learning: a long-term child-robot interaction study[J].Adaptive Behavior,2019(4):243-266.

[11] 柳晨晨,宛平,王佑鎂,等.智能機(jī)器人及其教學(xué)應(yīng)用:創(chuàng)新意蘊(yùn)與 現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2020(2):27-36.

[12] Looije R,Neerincx M A,Lange V D.Children’s responses and opinion on three bots that motivate,educate

and play[J].Journal of Physical Agents.2008,2(2):13-20.

[13] Zaga C,Lohse M,Truong K P,et al.The effect of a robot’s social character on children’s task engagement: Peer versus tutor[C].ICSR,Paris:Springer,2015.

[14] ALEMI M,MEGHDARI A,GHAZISAEDY M.Employing Humanoid Robots for Teaching English Language in Iranian

Junior High-schools[J].Intenational Journal of Humanoid Robotics,2014,11(3):1-25.

[15] HONG Z W,HUANG Y M,HSU M,et al.Authoring robotassisted instructional materials for improving learning performance and motivation in EFL classrooms.Educational Technology&Society,2016,19(1):337-349.

[16] 劉德建,黃榮懷,李艷燕,等.2019全球教育機(jī)器人發(fā)展白皮書(shū)(摘要版)[R].北京:北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院,2019:17.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）