祝雅茹 馬玉慧

摘？要：通過對國內(nèi)外教育機(jī)器人相關(guān)文獻(xiàn)的分析，從機(jī)器人形態(tài)、人機(jī)交互，包括教學(xué)形式、情緒感知、教學(xué)反饋，以及相關(guān)角色三個方面提出教育機(jī)器人的設(shè)計理念，并對教育機(jī)器人的未來進(jìn)行展望，以期為教育機(jī)器人的研發(fā)提供參考，推動教育機(jī)器人在教育教學(xué)中的落地應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人；形態(tài)；智能要素；相關(guān)角色

0 引言

為促進(jìn)新時代教育計算機(jī)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(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。針對教育領(lǐng)域研發(fā)的教育機(jī)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(biāo)，集成了數(shù)學(xué)、機(jī)械、計算機(jī)、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(kuò)展性和友好的人機(jī)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(jī)器人，可以積極影響他們對類人機(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(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(jī)器人呢？為此，本研究通過對國內(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)角色三個角度提出了設(shè)計教育機(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)計是教育機(jī)器人設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)學(xué)生接觸機(jī)器人時，他們首先會注意到機(jī)器人的形態(tài)，這會極大地影響學(xué)習(xí)者對機(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī)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(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)動機(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)器人獲得更高的評價

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)生的喜愛度，相較非人型機(jī)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(jī)器人在所有方面都比機(jī)械機(jī)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(jī)械機(jī)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(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(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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(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)如果能夠識別并適應(yīng)用戶的情緒狀態(tài)，就會顯著提高性能。例如，當(dāng)智能輔導(dǎo)系統(tǒng)、ATM票務(wù)機(jī)器能夠識別用戶困惑、沮喪或憤怒時，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。

作為計算機(jī)的一種高級形態(tài)，教育機(jī)器人能夠識別學(xué)生的情緒將會給機(jī)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(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)。因此擁有情緒偵測能力的教育機(jī)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(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)動學(xué)習(xí)的興趣。

同樣，在教育機(jī)器人設(shè)計方面也可以運(yùn)用這一理念。Ahmad等人[10]的研究以某小學(xué)24名學(xué)生為研究對象，評估NAO機(jī)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(jī)器人互動。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]。

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(xiàn)中得出同伴和導(dǎo)師機(jī)器人的行為，并在WoZ研究中評估了兩個機(jī)器人角色，其中10對年齡在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時間地關(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)器人輔助教室對學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)有積極影響

使用教育機(jī)器人輔助的教室通常對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)有積極的影響，這是國外研究通過將教育機(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)者自我報告的滿意度、興趣和動機(jī)。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(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(jī)器人輔助課堂上的學(xué)生在動機(jī)、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(jī)器人設(shè)計的展望

在未來，教育機(jī)器人的個性化交互是設(shè)計的重要一環(huán)。從當(dāng)前教育機(jī)器人的設(shè)計來看，制造商傾向于開發(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，普遍開發(fā)了語音查詢、講故事等功能，教育機(jī)器人的嚴(yán)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(jī)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(jī)器人。

在教學(xué)場景中，能進(jìn)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(jī)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(jī)文化互動的融合將是未來教育機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢。例如，教育機(jī)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(zhǔn)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(jī)器人在教育場景的應(yīng)用落地提供了強(qiáng)有力的支持。本文通過對國內(nèi)外教育機(jī)器人相關(guān)實證文獻(xiàn)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(jī)器人設(shè)計理念。隨著教育機(jī)器人設(shè)計與研發(fā)等關(guān)鍵問題的解決，未來教育機(jī)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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