教育机器人的设计与展望

作者简介：祝雅茹（1997—），女，硕士生，研究方向：人工智能教育应用。

马玉慧（1974—），女，副教授，研究方向：人工智能在教育中的应用。

0   引言

为促进新时代教育计算机化的发展，加速教育现代化，结合国家“互联网+”、大数据、新一代人工智能等重大战略的任务安排,《教育信息化2.0 行动计划》提出应加强智能教学助手、教育机器人、智能学伴等关键技术的研究与应用。^[1] 作为机器人在教育中应用的代表，教育型机器人将成为智能学习环境的重要组成部分。针对教育领域研发的教育机器人以培养学生实践能力、创造能力和分析能力为目标，集成了数学、机械、计算机、人工智能等众多领域的知识与技能，具有教学适用性、可扩展性和友好的人机交互等特点。Conti 等人^[2] 的实验表明，学生在很小的时候开始接触机器人，可以积极影响他们对类人机器人的态度。尽早接触教育机器人有助于学生未来更好地接受相关技术教育。在与教育机器人进行接触和互动的过程中，学生们可以轻松地学习知识，激发创新意识并培养独立探索和思考的能力。因此，设计一款促进学生智力发展，培养逻辑思维能力和空间想象力的教育机器人已成为一个新的挑战。那么，面对如今复杂多变的教育场景，应如何设计一款满足学生需求、适合学生发展的教育机器人呢？为此，本研究通过对国内外教育机器人相关文献的分析，从形态、人机交互和相关角色三个角度提出了设计教育机器人的相关理念，以更好地促进教育机器人的发展及其在教育和教学中的应用。

1   教育机器人的形态

形态设计是教育机器人设计的重要环节。当学生接触机器人时，他们首先会注意到机器人的形态，这会极大地影响学习者对机器人的喜爱程度，不良的形态可能会导致学生产生害怕的情绪，从而间接反映在课堂的教学效果上。因此在教育机器人的设计上，外形设计占到了非常高的比例。

1.1 具体形态的机器人对学生的正面影响更大

在大多数情况下，具体化机器人比它们的虚拟代理更可取。Fridin 等人[3] 的研究比较了机器人教练及其虚拟代理在让学龄前儿童参与游戏性运动任务中的效率，研究结果表明，儿童与具体化机器人的交互比虚拟代理的交互效果更好。上述观点同样可以映射到教育机器人上：具体形态的教育机器人比虚拟的机器人对学生的正面影响更大。Kert 等人^[4] 的实证研究证实了此观点：与基于块的编程环境相比，具体形态的乐高机器人能够更有效地提高中学生的学习成绩和计算思维能力效能感，知识概念之间的联系也比研究基于块的软件的学生更牢固。同样，具体形态的教育机器人对学生学习动机的影响也比平板电脑或网络程序等其他类型的技术更为积极。

1.2 人形机器人获得更高的评价

在具体形态的教育机器人基础上，其外形还分为人形和非人形两类。其中，类人机器人具有类似人的外观和轮廓特征，即类似人的面部特征和四肢；而非人形机器人包括玩具外形的机器人和专业功能型器人，主要用于学生课外游戏时间或专业性教学。人形机器人能给予学生一种与真人交互的感受，提升学生的喜爱度，相较非人型机器人获得更高的评价。Arent 等人^[5] 研究证明拥有具体人形态的NAO 机器人在所有方面都比机械机器人得到了更高的评价，NAO的拟人化和有生命性的评价也都高于那些机械机器人。因为亲和力指的是积极印象的形成，人类外观和动物外观的机器人都能产生类似的积极印象，因此学生在与人形机器人交互时可以在很大程度上减少距离感，能吸引学习者的注意力、激发学生的学习兴趣、尽快建立交往情感。

2   教育机器人的人机交互

2.1 使用第1人称教学的机器人对学生的保留和转移能力有积极的影响

会话风格主要是强调以第1 或第2 人称为主的教学形式（例如“你”和“你的”），而不是第3 人称形式（例如“他”）。使用会话风格的教学对保留测试和转移测试有积极的影响，并且对学习者的感知困难、友好、乐于助人和身体存在感知也有积极的影响。会话风格也可以很好地应用于教育机器人教学中。在教学过程中，要注重与学生的沟通方式，会话风格可以使学习者感知到机器人的“友好性”，从而调动学生的学习积极性，提高其参与度，继而加强学习效果。根据Lin 等^[6] 人的研究：将98 名中国学生随机分配到会话风格与正式风格两种实验条件中，使用CrazyTalk 学习人类心脏和血液的功能和结构。其研究证实，以会话风格进行学习的个人有更好的保留和转移能力并且更容易感知材料。

2.2 能够情绪感知的机器人可以使学生提升学习积极性

据调查，许多软件系统如果能够识别并适应用户的情绪状态，就会显著提高性能。例如，当智能辅导系统、ATM 票务机器能够识别用户困惑、沮丧或愤怒时，它们就可以引导用户回到补救帮助系统，从而改进服务。如果计算机能够适应用户的情绪，其使用感受将得到显著的改善。作为计算机的一种高级形态，教育机器人能够识别学生的情绪将会给机器人教学带来很多便利，并对教学结果产生正面影响。根据Paiva^[7] 的说法，为了实现成功的人机交互，机器人必须具备情感处理能力，能够对人产生情感反应并适应他们的环境和道德环境。Leite^[8]的相关研究结果表明，机器人之所以在教育环境中被广泛接受，是机器人与学生之间的社交和情感互动的机制在很大程度上为这种接受做出了贡献。因此拥有情绪侦测能力的教育机器人，通过识别学习者的情绪状态并做出相应响应，可以使学习者提升学习积极性，增加学习兴趣，优化学习效果。

2.3 积极反馈的教育机器人可以提高学生的自信心

Beebe 等人^[9] 的研究结果表明，利用亲和力的教师在策略上显著提高了学生的认知学习、学生的喜欢和幸福感（并因此增加了学习）。其中老师的亲和力即反映在给与学生正向反馈，积极的反馈能让学生产生学习的自信心，继而调动学习的兴趣。同样，在教育机器人设计方面也可以运用这一理念。Ahmad 等人^[10] 的研究以某小学24 名学生为研究对象，评估NAO 机器人的积极、消极和中性情绪反馈对学生词汇学习的影响。在两周的时间里，3 组孩子在4 种不同场合与机器人互动。结果表明，与其他2 种情况相比，机器人表现出积极情绪反馈的情况对学习者的学习表现有显著的积极影响。在目前教育机器人发展阶段，意大利智能机器人iCat 在和学习者的互动过程中，可以识别学习者的情绪变化，并提供及时的情感反馈。iCat 既可陪伴学习者学习国际象棋的相关规则并给予相应的下棋建议，增加学习者的自信心；还能作为下棋双方的观察者，并给予下棋双方积极的情绪反馈，如图1 所示^[11]。

图1 智能机器人iCat陪伴学习者学习国际象棋

3   机器人的相关角色

3.1 机器人作为同伴比教师更能调动学生

教育机器人被提到最多的角色是教师，但教师角色的机器人未必比作为同伴的机器人对学生的影响更积极，Looije 等人^[12] 的研究就表明：与家庭教师相比，同伴角色更受青睐。在Zaga 等人^[13] 的实验中验证了此观点，从文献中得出同伴和导师机器人的行为，并在WoZ 研究中评估了两个机器人角色，其中10 对年龄在6~9 岁的学生与NAO 机器人一起玩七巧板拼图。结果表明，在拥有同伴性格的教育机器人条件下，学生比在拥有导师性格的教育机器人条件下能够更长时间地关注机器人和任务，并且更快、更好地解决了难题。

3.2 机器人辅助教室对学生学习动机有积极影响

使用教育机器人辅助的教室通常对学生的学习动机有积极的影响，这是国外研究通过将教育机器人辅助教室与传统教室进行比较得出的共同结论，即在教育机器人的辅助下学生学习的参与度变得更高，尤其是参与阅读的积极性空前高涨。许多研究发现教育机器人辅助教室的学生学习动机高于传统教室，教育机器人提高了学习者自我报告的满意度、兴趣和动机。例如Alemi^[14] 等人在外语词汇学习的研究表明，学生对教育机器人的辅助学习感到特别愉快，比传统课堂上的学生学习更快、学到的知识更多，并且有更好的持续性收获。此外，Hong 等人^[15] 的实验结果同样表明与传统课堂相比，机器人辅助课堂上的学生在动机、注意力、自信心以及学习过程的满意度等方面都有较好的提高。

4   教育机器人设计的展望

在未来，教育机器人的个性化交互是设计的重要一环。从当前教育机器人的设计来看，制造商倾向于开发教育机器人的一般功能，尤其是家庭友好型教育机器人，普遍开发了语音查询、讲故事等功能，教育机器人的严重同质性问题已经出现在市场上。^[16] 因此，基于通用功能的优化，教育机器人设计的未来发展方向可能会逐渐转向专用教育机器人。在教学场景中，能进行多人互动是最基本的要求，为确保交流的连续性，教育机器人应发展文化互动。因此，语音识别、指纹识别以及面部识别等技术与人机文化互动的融合将是未来教育机器人发展的必然趋势。例如，教育机器人可以通过识别交互者的语言，面部表情或身体动作来推断用户偏好和用户体验，然后推荐用户感兴趣的相关内容，从而提高准确性和人类互动的连续性。

5   结束语

人工智能技术的不断发展与成熟，为教育机器人在教育场景的应用落地提供了强有力的支持。本文通过对国内外教育机器人相关实证文献的分析，初步提出一种使用会话风格并能情绪感知、给与学生积极反馈的同伴或教育教具的人形教育机器人设计理念。随着教育机器人设计与研发等关键问题的解决，未来教育机器人将应用于更多教育场景，助力智能时代的到来！

参考文献：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期）