我國教育機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析

摘要：并對教育機器人未來的未來的發(fā)展趨勢進行簡單的預測，以期為我國未來教育機器人的研發(fā)提供數(shù)據(jù)參考，給予我國在教育機器人相關人才培養(yǎng)、相關研究室的開發(fā)以及教育機器人的廣泛應用等方面一定的啟發(fā)。

為促進新時期教育計算機化的建設與發(fā)展，結合國家“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等重大戰(zhàn)略目標和任務安排，《教育信息化2.0 行動計劃》明確提出了應當加強對智能教學助手、教育機器人等相關技術的科學研究和應用。^[1]由于我國在教育機器人方面的科學研究工作起步較晚，因此，梳理我國這20 年來教育機器人的科學研究進程，有助于提高國內(nèi)教育機器人科學研究的水平，同時也給未來教育機器人的相關發(fā)展予以啟示。

近幾年，圍繞著教育型機器人，我國的研究性專家和學者們對其進行多方面、多視野和多角度地研究，得到了許多跟教育型機器人密切相關的科學技術研究論著和文獻。張堯等^[2]通過對2010-2018 年國際教育機器人相關文獻的分析，提出了國際教育機器人的研究主要重點是機器人科學研究、教育機器人技術支撐下的工具和環(huán)境研究、教育機器人的應用實踐研究三大領域。李新等^[3]對2014-2018 年教育機器人相關的文獻和資料進行了分析，發(fā)現(xiàn)教育機器人的研究課題可以大致劃分成包括本體性研究、設計性研究、實踐性研究、角色性研究四個范疇。龔禮林等^[4]通過對2010-2019 年國際K-12 機器人教育的相關文獻進行統(tǒng)計分析，得出STEM領域是國際機器人教育實證研究的熱門主題。大部分的課題研究學者都主要是基于國際上有關教育機器人相關資料和文獻進行的分析，梳理了教育機器人的國際動態(tài)和其研究熱點，來針對未來教育機器人的研究發(fā)展方向提出一些相關的建議。在此基礎上，本研究將CNKI 中國知網(wǎng) 2001-2021 年共20 年公開發(fā)表的相關學術文獻為主要研究對象，分析我國教育機器人的科學技術研究發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢。

1.1 研究方法

文獻計量學是指集數(shù)學、統(tǒng)計學和文獻學為一體的定量地分析一切知識載體的交叉科學。其研究方法主要是采用數(shù)理統(tǒng)計分析的方法，將計量對象如文獻數(shù)（文獻類型）、作者數(shù)（作者、第一作者單位）、詞匯數(shù)以圖表的形式呈現(xiàn)^[5]。本研究主要采用了文獻計量法，對樣本文獻中有關教育機器人的文獻進行研究。文獻計量法是內(nèi)容分析法的一類，是對文獻形式的傳播內(nèi)容進行定量描述的一種研究方法。^[6]

1.2 研究思路

為了能夠更好地分析和梳理當前我國教育機器人的發(fā)展脈絡，展望我國教育機器人的未來發(fā)展趨勢，推進我國教育機器人在教育領域中的可持續(xù)發(fā)展和廣泛應用，本研究以CNKI 中國知網(wǎng)作為數(shù)據(jù)來源，使用“教育機器人”、“機器人教育應用”等關鍵詞在平臺上進行初步檢索，檢索時間設為2001 年07 月01 日～ 2021年07 月01 日，累計得到777 篇相關文獻。除去完全與主題不相關的會議、通告以及報紙等，共得到待研究文章753 篇，其中中英文期刊共482 篇，碩博士論文共171 篇。這些文獻構成了本次研究的數(shù)據(jù)樣本，檢索后通過CNKI“導出參考文獻”功能的保存為可以分析的EndNote 格式的題錄文件。

因為計量分析的樣本通常都是基數(shù)大、層次多、結構復雜的數(shù)據(jù)，所以對于文獻信息的計量統(tǒng)計分析大多采用自動化的形式來完成。故本研究使用了文獻題錄信息統(tǒng)計工具 (SATI）和社會網(wǎng)絡分析軟件（UCINET）來對樣本數(shù)據(jù)進行自動化分析和可視化展示。SATI 是由浙江大學學者葉鷹開發(fā)的一種題錄分析軟件。SATI可以自動對樣本數(shù)進行字段抽?。ㄎ墨I標題、關鍵字、作者、源出版物等），并對提取的數(shù)據(jù)信息進行頻次分析，然后生成各種矩陣導出為excel 文件。在實踐中，SATI在許多領域得到了一些應用。UCINET 是社會網(wǎng)絡分析中常用的軟件，它可以很容易地計算出社會網(wǎng)絡中每個節(jié)點的中心度，并找出網(wǎng)絡中的內(nèi)聚子群，對樣本數(shù)據(jù)進行共詞關系分析。此外，UCINET 還嵌入了開源軟件Netdraw，可以方便地繪制社會網(wǎng)絡的關系圖，直觀地顯示社會網(wǎng)絡中節(jié)點之間的關系，對樣本數(shù)據(jù)進行可視化展示。

2.1 教育機器人相關研究的時間分布研究

教育機器人相關文獻的時間分布可以反映其研究熱度的變化，也可以根據(jù)研究文獻在時間上的散步情況，觀察分析相關研究的發(fā)展階段，進而可以根據(jù)時間分布上的轉(zhuǎn)折點，探索教育機器人相關研究在我國的發(fā)展情況。通過對CNKI 中所獲取樣本數(shù)據(jù)的發(fā)表時間進行提取，并進行頻次統(tǒng)計，可以看到我國教育機器人相關研究的時間分布情況（如表1 所示）。

表1 教育機器人相關研究文獻的時間分布情況表

圖1 教育機器人相關研究文獻年度分布圖

由圖1可見，我國教育機器人的相關研究發(fā)展大致可以分為三個階段。第一階段是2007 年之前，屬于我國教育機器人研究的起步階段，研究數(shù)量相對較少。分析這一階段的相關文獻，可以看到我國早期教育機器人相關研究的基本情況。在這一階段，我國教育機器人的研究事業(yè)剛剛起步，國內(nèi)有關教育機器人研究開發(fā)的技術不夠成熟，能夠參考借鑒的理論基礎大多都來源于國外學者的研究成果，針對于我國教育形式的教育機器人研究較少，機器人教學剛剛開始進入人們視野，人們的接受程度不高，跟教育機器人研發(fā)相關的人才培養(yǎng)受到阻礙。根據(jù)對針對性文獻的分析，這一階段我國有關于教育機器人的研究點主要是教育機器人技術與平臺的初步開發(fā)。

第二階段大致從2008 年至2015 年，屬于我國教育機器人研究的緩慢發(fā)展階段，無論是期刊文獻還是碩博士論文文獻的數(shù)量都有較為明顯的增長。這一階段，隨著教育學、心理學和人工智能的融合發(fā)展，我國的教育機器人相關的科學技術水平有了顯著的提升，教育機器人對人類認知、決策、智能和情感的影響越來越受到重視，我國的研究學者開始在國外教育機器人相關文獻的基礎上提出自己的思想，機器人教育開始出現(xiàn)，促進了教育機器人在我國的落地應用。分析這一階段相關文獻，我國相關領域的研究學者開始將關注點轉(zhuǎn)到教育機器人在教育中的實際應用上面來，機器人教學成為教育機器人應用的主流，跟教育機器人相關的技術和平臺開始進入快速發(fā)展階段。

第三階段大致是從2016 年開始，我國教育機器人的研究進入快速發(fā)展階段，相關的文獻數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增加。這一階段，由于信息技術、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、自動化等新一代科學技術的進一步發(fā)展和深度融合，機器人的技術、功能和價值都有了明顯的改善和提升，其產(chǎn)業(yè)及應用領域也在不斷擴大，并逐漸地融入到了人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ?、學習等現(xiàn)實場景中。^[7]我國的教育機器人教學進入快速發(fā)展的階段，這一時期的碩博士論文文獻數(shù)量有了明顯的增長，證明教育機器人的相關研究在高等教育中處于突出的位置。同時，基礎教育階段的機器人教育也進入高度發(fā)展階段，創(chuàng)客教育實驗室、智慧教室的出現(xiàn)使得我國現(xiàn)有的教學模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，開始更加注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維以及編程能力。這一階段的相關文獻更多的關注于機器人教育教學以及機器人課程的開發(fā)應用。

2.2 教育機器人相關研究的學科專業(yè)及機構分布研究

通過對我國教育機器人的相關樣本文獻中的碩博士論文進行學科專業(yè)分布統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)收錄進CNKI 的171篇碩博士論文涉及到了21個相關學科，說明我國進行研究教育機器人研究的隊伍龐大，其中教育技術學(58 篇) 計算機應用技術(11 篇) 課程與教學論(6 篇)控制理論與控制工程(4 篇) 機械制造及其自動化(4 篇)信息與通信工程(4 篇) 是主要進行教育機器人相關研究的學科，教育技術學是我國進行教育機器人落地應用研究的主力軍。

在已經(jīng)發(fā)表的跟我國教育機器人研究相關的482 篇期刊中，涉及到的學校機構十分廣泛，離散程度較大，主要集中于我國各類師范類大學中，其中北京師范大學(13 篇) 華中師范大學(7 篇) 江蘇師范大學(6 篇) 浙江師范大學(6 篇) 陜西師范大學(6 篇) 是各類機構中致力于進行教育機器人研究的機構，為我國教育機器人的發(fā)展做出了較大的貢獻。

2.3 教育機器人相關研究的高頻關鍵詞詞頻研究

文章的關鍵詞能反映出文章的焦點，如果某一個關鍵詞在某一類研究文獻中出現(xiàn)頻次較多，說明是這個研究領域的高頻關鍵詞。高頻關鍵詞代表中這一領域中研究學者的主要研究方向。我們通過提取樣本數(shù)據(jù)中的關鍵詞并進行詞頻統(tǒng)計可以看到，本研究階段中我國教育機器人出現(xiàn)了許多高頻關鍵詞（如圖2）。

通過對這些關鍵詞的觀察分析我們發(fā)現(xiàn)，圍繞教育機器人，我國的主要研究方向一方面是教育機器人本身的研究開發(fā)，借助人工智能的高速發(fā)展來完善開發(fā)新型教育機器人；另一方面，我國教育機器人的研究聚焦在機器人教育，通過開發(fā)機器人教學，借助創(chuàng)客教育模式與機器人課程的融合，建立我國中小學的信息化教學新模式。

圖2 教育機器人相關研究文獻關鍵詞詞頻統(tǒng)計圖

3.1 教育機器人研究相關的高頻關鍵詞共詞關系分析

關鍵詞是標志文章主題、代表文章主旨的核心詞。如果一篇文章中同時出現(xiàn)兩個關鍵詞，就意味著這兩個關鍵詞之間存在“共線”關系，說明這兩個關鍵詞可能同時屬于同一個主題。因此，通過多個關鍵詞的共詞關系可以看出一段時間內(nèi)的研究重點。

將教育機器人相關文獻構成的數(shù)據(jù)樣本，通過CNKI“導出參考文獻”功能保存為可以分析的EndNote格式題錄文件后導入SATI，分別進行文件轉(zhuǎn)換、字段抽取、頻次統(tǒng)計后提取文獻的關鍵詞，最后生成共線矩

陣導出。將共線矩陣導入UCINET 軟件生成.##h，隨后導入NetDraw 軟件進行處理后得到教育機器人研究文獻的高頻關鍵詞共線關系圖示（如圖3）。

圖3 教育機器人相關研究文獻高頻關鍵詞共線關系圖

根據(jù)張豪鋒教授等^[8]人的研究，處于網(wǎng)絡圖中間的關鍵詞與其他關鍵詞共同出現(xiàn)在同一篇文獻中的次數(shù)多，處于研究的核心地位，即其他研究領域是圍繞這些核心展開的；處于網(wǎng)絡圖邊緣位置的關鍵詞是相關研究的熱點；而處于前兩者之間位置的關鍵詞是連接核心問題與熱點問題的中介。由此我們可以通過上述圖示直觀地看出，以“教育機器人”、“Educational Robot”為核心，借助“人工智能”、“機器人”，學者們對“機器人教育”、“創(chuàng)客教育”、“STEAM 教育”、“Programming”等教育機器人相關擴展方面進行研究，并進行“教學模式”、“教學改革”方面的探索，研究點主要集中在教育機器人本身的設計開發(fā)以及機器人教育的擴展應用。共詞關系圖外圍的智能機器人、仿人機器人、人工智能技術、高等教育、智能教育、教學活動設計以及課程設計等關鍵詞，都是與教育機器人發(fā)展密切相關的詞匯，說明這些內(nèi)容正在成為教育機器人研究的熱點。

3.2 我國教育機器人未來發(fā)展趨勢的分析

本研究通過對2001-2021年這個階段我國教育機器人的相關文獻進行分析，我國的教育機器人研究正處于快速發(fā)展的階段。通過分析得出的教育機器人相關文獻高頻關鍵詞貢獻關系圖，對我國未來教育機器人發(fā)展趨勢進行簡單的預測。

4.1 教育機器人本身的設計開發(fā)

通過教育機器人相關文獻的高頻關鍵詞共線關系圖我們可以看到，存在在外圍的“智能機器人”、“仿人機器人”、“智能教育機器人”、“VEX 機器人”以及“人工智能技術”等跟機器人本身設計開發(fā)相關的關鍵詞，是正在成為教育機器人行業(yè)研究的熱點領域。

通過查閱相關文獻、報告等發(fā)現(xiàn)， 其中借助于“人工智能技術”對“智能教育機器人”進行設計開發(fā)是我國正在致力于，并且在將來很長時間都會專注于研究開發(fā)的熱點領域，隨著人工智能技術的高速發(fā)展，還會有更多的新型智能教育機器人設計理念被提出，基于此開發(fā)出更加智能的教育機器人以供教育領域使用?！胺氯藱C器人”是教育機器人領域的新興分支，目前我國的仿人教育機器人研究受限于參考國外相關技術進行完善開發(fā)的階段，獨立進行研究開發(fā)仿人機器人的企業(yè)、機構還較少。因此在將來，仿人教育機器人也將成為教育機器人領域的一大研究熱點。

4.2 教育機器人教學相關的探索

從教育機器人教學層面來看，技術應用方面，教育研究與相關教學工具和學習環(huán)境密不可分^[9]?！案叩冉逃?、“智能教育”、“教學活動設計”以及”課程設計”是存在于教育機器人相關文獻的高頻關鍵詞共線關系圖外圍的詞匯，是教育機器人教學方面正在成為熱點的研究領域。

目前我國有關機器人教育教學的開展如火如荼，在選擇課外輔導課程時獲得了很多中小學生的青睞，在北京以及江浙一帶教育發(fā)達地區(qū)非常受歡迎，相較教育相對落后的地區(qū)，這些地區(qū)機器人課程普及性更廣、認可度更高。機器人在教學活動中，更多的是扮演輔助教師或?qū)W生上課學習的工具^[10]。通過對學校課程開發(fā)現(xiàn)狀的檢索發(fā)現(xiàn)，教育機器人在學校課程中的應用程度較低，大部分的中小學未在該部分投入資金。但隨著科學技術應用范圍的不斷擴大，借助相應的教學活動設計和教育機器人課程的開發(fā)，未來教育機器人在中小學課堂的普及指日可待。

現(xiàn)有教育機器人的相關文獻，都是高等教育層面的學者進行開發(fā)案研究所得。但在高等教育階段開展教育機器人教學還頗受時間、教學環(huán)境、資金等方面的限制，只有部分有相關投入學校的學生可以學習相關課程。在未來，有關教育機器人的設計開發(fā)課程在高等教育領域的開展也將成為一大研究熱點，更多的學生可以學習到相關課程，以促進我國教育機器人實用人才和研發(fā)人才的培養(yǎng)，從而更好服務于教育教學。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）