教育机器人的现状与发展趋势

原标题:教育机器人的现状和发展趋势

摘要:教育机器人是机器人应用于教育领域的代表,是人工智能、语音识别和仿生技术在教育中应用的典型,以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标。文章首先介绍了机器人和教育机器人,通过对文献的分析,提出全球排名前十的教育机器人研究机构和主要研究领域,探讨了十二类教育机器人产品、应用情境和三大关键技术,在此基础上提出了教育机器人的十大核心观点。文章认为,教育机器人具有广阔的市场前景,但目前仍处于起步阶段,在实践过程中面临着课程平台、学习资源和师资力量欠缺等诸多困境,需要广大研究者在理论与实践方面进行不断探究。

一、

机器人与教育机器人

当前世界科技发展日新月异,机器人技术作为20世纪以来最具创造性和最伟大的发明之一,在工业智能制造、批量生产和公众服务等方面发挥着越来越重要的作用,已成为一个国家科学技术和工业技术发展水平的重要标志之一。2016年3月,谷歌计算机围棋程序“阿尔法围棋”(AlphaGo)以三比零战胜围棋高手李世石,人工智能攻克围棋,使人们对机器人和人工智能的关注度持续高涨。斯坦福大学的“人工智能百年研究项目”(One Hundred Year Study)[3]——《2030 年的人工智能与生活》关注人工智能对城市中居民的日常生活影响,提出机器人和其它人工智能已经在交通、医疗、娱乐和家庭等机构替代了人类工作。如国际机器人协会(International Federation of Robotics,IFR)提出,机器人是一种有一定自制能力的可编程序驱动机制,根据实际情况和感知能力,在没有人工介入的情况下,在特定环境中执行安排好的任务[4]。根据机器人的应用领域可分为工业机器人和服务机器人两类。服务机器人是为人类或工业自动化应用之外的设备而执行任务的机器人,包括个人服务机器人与专业服务机器人,教育机器人属于专业服务机器人。教育机器人是面向教育领域专门研发的以培养学生分析能力、创造能力和实践能力为目标的机器人,具有教学适用性、开放性、可扩展性和友好的人机交互等特点[5],最早源自于20世纪60年代麻省理工学院的Papert教授创办的人工智能实验室。教育机器人是一个多学科、跨领域的研究,涵盖计算机科学、教育学、自动控制、机械、材料科学、心理学和光学等领域,可分为机器人教育和教育服务机器人两类:①机器人教育将激发广大学生对智能技术的学习兴趣和动力,并大范围提高学生信息技术能力,提升数字时代的竞争能力。机器人教育主要应用于组装—动力机械,如学习物理学原理、空间结构、机械传动、电与磁等;控制—智能操控,如执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等;竞赛-实战对抗,如按竞赛设计情境搭建机器人,并对机器人进行任务编程,学习问题解决等。②随着机器人技术的不断提高,教育服务机器人在教育领域中的应用越来越普遍,有研究表明教育机器人作为一个学习工具有巨大的潜力[6]。美国《地平线报告:2016高等教育版》中提到,不断创新的机器人研究和科学技术的快速发展,使得机器人不仅融入到我们的工作和生活中,对教育环境来说也会产生一定影响,尤其针对目前K-12学习环境,教育机器人已被应用于协助特殊儿童学习[7]。此外,教育机器人也是一种典型的数字化益智玩具,适用于各种人群,通过多样化的功能达到寓教于乐的目。

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二、教育机器人的研究机构、研究领域和应用情境

1 教育机器人的重要研究机构本研究搜集的论文限于2006年1月~2016年4月Web of Science数据库收录的SCI学术期刊论文,以(education* AND robot*)or(teacher AND robot*)or(child* AND robot*)or(student AND robot*)or(classroom AND robot*)为主题词,共得到494篇。通过对教育机器人研究论文的引用数进行排名(排除自我引用),统计分析排名前十的研究机构,如表1所示。

表1 教育机器人的十大重要研究机构


①洛桑联邦理工学院研发的Thymio II是一款100欧元的低价教育机器人,主要目标是针对六岁以上儿童的机器人教学。②意大利技术研究院开发的iCub是一个开源的认知人形机器人平台,其设计的目标是能与人类自然的互动,并具备学习的功能,针对环境自动调适。iCub利用身上传感器所收集到的线索来辨识物体和接收学习任务的执行。③郝特福德大学自适应系统研究群以协助自闭症儿童的教育机器人著称,研究结果显示自闭症儿童非常积极正向地响应机器人的互动。④麻省理工学院的Personal Robotics Group致力于具身智慧研究,使机器人通过对周围环境的探索来学习语言、技巧和协作等技能,目前研发的机器人包括DragonBot、Panda、Tega、Nexi。⑤Simon是乔治亚理工学院的SIM实验室所研发的机器人,目标是透过与终端用户的学习,使机器人能够灵活地适用他们的技能,并能在人类环境中发挥作用。⑥卡耐基梅隆大学的CORAL 研究团队主要研究如何有效的实时做移动机器人的定位以及导航算法,并且开发了Cobots(Collaborative Mobile Robots)。CoBot Robots遵循一种新型的共生自律(Symbiotic Autonomy),它们都知道自己的知觉、身体和推理限制,并且能够在环境中进行导航,能适应会变化的环境且不会对人类造成伤害,最大的特色是当遇到困难时会主动寻求人类的帮助。⑦宫城大学的Department of Design Informatics主要研究内容是设计人与机器的互动装置,从而使人的生活更为便利。主要研发机器人面向生活和可爱外形等方面,使其与人形成共鸣。⑧比勒菲尔德大学的CoR-Lab主要研究人工认知、计算机视觉、神经网络、机器学习和人机交互,如何赋予机器人社交技能并成为人类助手。目前的成果包括两个人形的iCub机器人、拟人化机器人和仿生处理助力等。⑨国家研究中心主要研究多模态情境下的语音识别、口语交互的情感和社会维度、会话分析、翻译和机器学习、语音识别。其中口语交互的情感和社会维度主要应用于人机交互和视听文件、音频文件的分析。⑩热那亚大学集成高级机器人实验室由欧盟委员会资助,研发的iCub人形机器人用来区分自己和他人,目的是要建立一个模拟人类的生态自我的过程。该团队研发的Motor Babbling程序能够识别身体模型和附近的物件,并让机器人学习如何摆出既定姿势,使得 iCub能够在不碰撞东西的情况下四处行动。此外,国内也开始关注教育机器人的相关研究,其中北京师范大学智慧学习研究院和网龙华渔教育联手,于2015年10月26日在网龙长乐园区举办了“教育机器人工程中心”成立大会,双方将发挥各自优势,专注教育机器人的研发。智慧学习研究院已推出首本以教育机器人为主题的著作《教育机器人的风口—全球发展现状及趋势》[8]。2 教育机器人的主要研究领域本研究对494篇文章通过人工方式,过滤主题与教育机器人无关的文章,共得到186篇论文,并整理、归纳出目前教育机器人研究关注的七个研究方向,如表2所示。

表2 教育机器人研究关注的七个研究方向


语者辨识 语音识别 语意了解
人脸侦测 人脸辨识 人脸追踪 姿势辨识 手势辨识 物体辨识 物体追踪
RFID 语者辨识 人脸辨识 多模辨识
语音合成 情绪、语音合成
情绪侦测 同理回应
长期记忆 持续行为渐进行为

①外观是教育机器人设计的重要问题。特别是对儿童而言,外观会影响儿童对机器人好恶的评判,不良的外观甚至会让儿童产生恐惧感与梦靥,从而直接反应在教学效果上。有研究表明,人形机器人拥有人类的外形特征,受到学生的喜爱[9][10]。②听觉能力是教育机器人常见的核心组件,相较于一般的服务机器人,教育机器人的应用环境具有特殊性。教育机器人的语音识别技术包括通过远程控制由人类来辨识学习者的语音、采用商业公司的语音识别软件或应用于特定应用情境,仅需具备有限词汇和句型的辨识功能。③视觉技术的基本作法是选取颜色、形状、纹路等特征值、通过机器学习算法学习辨识模型,搭配光流(Optical Flow)等技术做视频的连续追踪。教育机器人的视觉技术除了人脸识别和动作辨识等技术之外,还要能辨识学习者的脸部情绪。④教育机器人可通过人脸辨识、语音辨识和多模辨识等技术来提高认人能力。教育机器人如果能像实体课堂一样认出学生并叫出学生的名字,往往能够获得学习者的好感和信任,从而激发学习者的学习兴趣和学习热情。⑤教育机器人口说能力的关键技术是语音合成(Speech Synthesis)。目前主流的作法是串接合成法,由语料库中选取对应的单位音频,再将单位音频串接合成,辅以韵律参数调整声调、语气、停顿方式和发音长短,通过语音合成算法输出语音。⑥教育机器人的同理心与情绪侦测能力能够对学习者的情绪状态作出响应,将学习者的认知和情绪状态评估纳入其教学和学习动机策略中,从而促使学习者积极投入、增强自信、提升学习兴趣、优化学习效果。⑦教育机器人的长期互动能力包括长期记忆、持续行为和渐进行为三类。长期记忆将学习者的互动行为记录下来并在适当的时间响应给学习者,通过长期互动等持续行为增进学习者与机器人的信任关系,结合数据探勘领域的个性化技术,机器人可以了解学习者的互动风格,进而调整与学习者的互动。3 十二类教育机器人产品的应用情境从市场发展现状来看,教育机器人产品的应用情境分为四类:①教育机器人主要被应用在大学和家庭场域中,如智能玩具、儿童娱乐教育同伴和家庭智能助理等;②部分产品目前还处于概念性阶段,虽然已明确定义了需求的应用情境,但尚未得到市场的验证,比如课堂机器人助教和机器人教师等;③针对公共场所定制的教与学的产品,如安全教育机器人;④专业场域的教育机器人,如工业制造培训、手术医疗培训、复健照护等。根据目前市场分布显示,教育机器人产品应用在各群体和情境中,仍具有多样性的发展潜力。本文通过整合当前全球教育机器人的产品类型、产品说明和相关产品案例,分析了当前十二类较为典型的教育机器人产品,展示了教育机器人在创新教与学活动中广阔的市场应用前景,如表3所示。

表3 十二类教育机器人产品的应用情况


智能玩具
是一种可随身携带的电子零件且拥有智能的玩具。主要在满足玩乐需求的基础上,加入教学设计,“寓教于乐”地学习生活、语言、社交等知识。
Pleo、Dash-Dot

儿童娱乐 教育同伴
针对0~12岁孩童所设计的同伴机器人,在家庭中,主要陪伴儿童学习,达到寓教于乐的效果。
爱乐优、Kibot-2

家庭智能助理
实体化为家庭智能助理的机器人可为个人解决家庭生活的问题,并提供相关服务。应用在教育上,可作为个性化学习服务的助理。
Jibo、Buddy、Pepper

STEAM教具
STEAM教育是指科学、科技、工程、艺术、数学多学科融合的综合教学方法。STEAM教具是以根据STEAM教育理念所设计的教学工具。
Mbot、Lego、Mindstorms、Ev3

机器人教师
作为教师角色,根据不同的教学情境,独自完成一门课程的教学,以达到教学效果。
日本东京理科大学Saya教师

复健照护
陪伴老年人专用的机器人,具备娱乐、脑力训练、复健教学等各方面复健照护的应用。
Zora Bot、Sil-bot

教育机器人的关键技术

(1)人工智能人工智能(Artificial Intelligence,AI)是计算机科学的一个分支,主要研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门综合性学科,是制作智能机器的科学和工程,特别是智能电脑程序,类似于使用电脑去理解人类智慧[11]。人工智能技术是教育机器人的关键技术之一,其主要目标是模仿人脑所从事的推理、证明和设计等思维活动,使机器能够完成一些需要专家才能完成的复杂工作[12],并扮演各种角色与使用者互动并提供反馈。在互动方面,教育机器人须达到如同真人般通过口语进行互动和沟通的能力;在智能方面,教育机器人须扮演教师、学习同伴、助理或者顾问等多重角色,并与使用者进行互动和提供反馈。(2)语音识别语音识别即机器自动语音识别(Automatic Speech Recognition by Machine),是近年来信息技术领域的重要科技之一,已被应用于信号处理、模式识别和人工智能等众多领域。语音识别技术以语音为研究对象,通过编码技术把语音信号转变为文本或命令,让机器能够理解人类语音,并准确识别语音内容,实现人与机器的自然语言通信[13]。比较知名的语音识别技术包括IBM公司推出的Via Voice与苹果公司的Siri语音助理等。自然语言作为人与机器人进行信息交互的重要手段之一将起到越来越重要的作用。(3)仿生科技仿生科技是工程技术与生物科学相结合的交叉学科,当前仿生技术发展迅速,运用范围广泛,机器人技术是其主要的结合和应用领域之一[14]。教育机器人中运用仿生技术来模仿自然界中生物的外部形状或某些技能,使机器人具有人一般的外形,做出如同真人一般细腻的动作,包括人体结构仿生、功能仿生和材料仿生等。人形机器人正是仿生科技在机器人领域的应用典型。在感知与行为能力方面,为了达到如同真人一般的感知与行为能力,整合生物、信息科技以及机械设计的仿生科技将是发展教育机器人的关键技术。

四、教育机器人的十大核心观点

①教育机器人涉及“教育行业中的服务机器人”和“青少年机器人教育”两个方面,将成为工业机器人和服务机器人以后的第三类机器人发展领域。教育领域中的机器人将增强或延伸教师的表达能力、知识加工能力和沟通能力;机器人教育将激发广大学生对智能技术的学习兴趣和动力,并大范围提高学生信息技术能力,提升数字时代的竞争能力。②生产线上的工人机械劳动逐渐被机器人所替代,工业机器人的发展已基本成熟;会议迎宾、餐厅服务、远程客服等服务机器人逐渐被大众所接受,服务机器人正处于快速发展的过程中。中小学普遍开展的机器人课程和机器人大赛,为教育机器人的发展奠定了良好的认知基础,而在教育领域中能够增强或替代教师部分功能的服务机器人研究尚处于起步阶段。③在全球教育机器人研究领域中,根据国际权威文献库调研,文献引用数量处于前列的国家有美国、瑞士、意大利、日本和英国等,研究主要聚焦在机器人教育、语言教育和特殊教育领域。在“机器人进课堂”方面,日本和韩国应用相对广泛。④学校中的教育机器人将成为智慧学习环境的重要组成部分。作为教师助手支持教学设备使用、提供学习内容、管理学习过程、常见问题答疑等,作为学习伙伴协助时间和任务管理、分享学习资源、激活学习氛围、参与或引导学习互动,形成一种新型教学形态。⑤随着家庭教育受重视程度日益增强和“家庭学校”在全球的兴起,教育机器人或许能作为同伴或辅导教师,成为“家庭的一员”,协助“在家教育”,促进孩子的学习发展和健康成长。⑥机器人在家庭中除了具有老年人的看护和康复促进功能之外,还可以通过类似家人或朋友的角色,为老年人提供情感陪伴和智力支持,延缓老人认知老化过程,预防其他相关疾病的发生,提高老年人的生活品质和幸福指数。⑦机器学习、自然人机交互、仿生科技是教育机器人研发中需要长期探索的关键技术。人们期待教育机器人能像人一样思考、行走和互动,并做出如同“真人”一般的细腻动作。⑧教育机器人产业链涉及硬件制造、系统平台开发、应用服务提供、内容供应、系统集成、品牌及渠道等约七类厂商,产业链已具雏形,但尚未形成完整的产业链。目前教育机器人产业发展大致分为通用型和专用型两种取向,前者主要由系统平台开发商带动,后者则由品牌商和系统集成商驱动,它们或许将形成两类产业链。⑨教育机器人的应用情境涉及人群和场域两方面,前者涵盖婴幼儿、幼儿园和中小学(K12)、大学、在职人员和老人等群体,后者包括个人、家庭、教室、培训机构、工作场所和公共场所等。不同人群、不同场域的应用诉求与技术的发展成熟度,将决定教育机器人产品的发展方向。⑩教育机器人可以按照表情动作、感知输入、机器人智能、社会互动、角色定位和用户体验六个维度来评价其产品成熟度。本研究对40个关注度较高的教育机器人产品进行评测发现,总体来看感知输入和机器人智能维度相对成熟,而其余四个维度上均有较大改进空间。

五、教育机器人的实践困境与应用展望

1 教育机器人的实践困境目前,教育机器人被纳入当前的教育体制仍有许多的困难与障碍,具体表现在以下五个方面:①缺乏简易的课程管理平台。对许多教师而言,在教学中使用新科技必须重新学习与适应新科技,容易使教师产生抗拒使用的态度。因此,提供完善简易的课程管理平台,以便教师能轻易上手,使教育机器人发挥最大功效成为教师在教学与管理上的利器。②缺乏对应的学习内容。未来在推动教育机器人上,除了技术上的突破以外,设计出相对应的教学与学习内容,提供学生与教师专属的教育服务将至关重要,不仅能减轻教师的负担,也能推广教育机器人的应用与实践。③课程无法衔接。虽以大力推动机器人教育,然而由于机器人教育尚未被正式纳入体制内的课程,因此会形成中小学机器人教育与大学机器人教育无法衔接的问题。④缺乏如何应用机器人的研究。机器人的研究已有长久的发展历史,然而设计相对应的加值教育服务研究则是目前所缺乏的。⑤师资缺乏。机器人教育已在各国进行推广,但由于师资缺乏,大部分仍是通过课外活动、社团或补习班等非正式教育的方式进行学习。2 教育机器人的应用展望当前,教育机器人作为一个新兴领域在实践应用中存在课程管理平台、相对应的学习内容和师资缺乏等诸多困难,但是随着教育机器人市场需求的日益增加,其发展前景是非常广阔和乐观的。根据美国联合市场研究(Allied Market Research)的最新研究,预计2020年机器人技术市场在全球范围内预计将达到827亿美元[15],基于全球教育和机器人的相关市场调查报告及相似产品的发展历程预测未来5年(2016~2021年)全球教育机器人的市场规模将达111亿美金。在机器人发展前景大好的大环境下,我国也非常重视教育机器人的应用发展,不仅开展了各种比赛,教育机器人还被应用于课内外教学,如北京、上海、广东、江苏等地已经将教育机器人纳入地方课程或校本课程,从而促进学习者创新思维、设计思维和计算思维的培养。随着机器人技术的逐步成熟,研究教育机器人已成为一种必然趋势。本研究从需求层面、社会层面、国家政策层面和技术层面提出未来发展教育机器人的建议。①从需求层面来讲,教育机器人不仅要了解跨地区需求差异,还要规划适用于全球的教育机器人与应用,拓宽教育机器人的应用情境。②从社会层面来讲,必须有明确的教育目标,规定教育机器人所要培养的核心素养,并设计相应的课程内容,培养师资力量。③国家在政策层面应规划与机器人教育相配套的产业政策,将机器人教育与产业发展结合,提升我国教育机器人产业竞争力。④在技术层面来讲,具有分辨语意能力且具备如同真人一般的互动性是机器人理想的发展目标,因此语音识别、人工智能两项技术将是教育机器人的关键发展技术。此外,还需要继续研究感应技术、辨识技术、控制语言、机器人结构、无线网络、云端科技和仿生技术等。从教育机器人的系统架构、教学平台管理移动设备与管理端的关系进行规划,使教育机器人发展更健全完备。返回搜狐,查看更多

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