云計算、人工智能背景下的教育機器人系統(tǒng)研究

化希耀

（1.四川文理學院 智能制造學院；2.達州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,四川 達州 635000）

1 教育機器人系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足課堂教學的需要，教育機器人軟硬件需要配置高性能的控制器和先進的人工智能芯片，以增強視覺處理性能.同時為滿足各個學科教學方式的不同，本文認為教育機器人系統(tǒng)還應包括二次開發(fā)平臺.［1-2］教育機器人架構(gòu)分為硬件層、系統(tǒng)軟件層和應用層，其中硬件層和系統(tǒng)軟件層合稱為教育機器人本體，應用層又稱為二次開發(fā)平臺，如圖1所示.

教育機器人硬件層主要由控制器、機械平臺、I/O接口、機械臂和多種傳感器組成.控制器是教學機器人的大腦，負責管理和控制機器人的所有軟硬件資源.系統(tǒng)軟件層包括機器人操作系統(tǒng)、路徑規(guī)劃和自主導航和各類硬件驅(qū)動程序.應用層包括語音庫、腦肌電信號庫、人臉識別系統(tǒng)、表情姿態(tài)特征庫、課程資源庫、智能答疑系統(tǒng)、機器學習及專家系統(tǒng)、授課方式庫和學生特征庫等模塊組成；其中機器人操作系統(tǒng)主要完成教學任務的調(diào)度和執(zhí)行；課程資源庫是機器人完成教學任務所依賴的知識庫，包括多媒體課件、習題庫和語音庫等，由教師在課程開始前開發(fā)，并輸入機器人存儲器中；智能答疑系統(tǒng)主要用于機器人教學過程中與學生進行溝通交流、回答學生提出的各種問題；機器學習及專家系統(tǒng)是機器人在教學過程中不斷學習、積累經(jīng)驗和調(diào)整教學策略的決策系統(tǒng)；機器人本體手部由兩個電機和兩個手臂組成，主要用來表達各種肢體語言和抓取動作；機器人頭部包括電機、超聲波傳感器、視覺傳感器、麥克風和音響，其中電機控制機器人頭部的轉(zhuǎn)動和面部表情；超聲波傳感器用于檢測障礙物和機器人移動過程中避開障礙物；視覺傳感器用于學生身份識別和學生狀態(tài)檢測；麥克風和音響用于機器人講課、與學生語音交互等.機器人腿部由兩個電機、舵機、左車輪、右車輪和方向輪組成，主要用于機器人在教室里移動.另外，教育機器人可通過網(wǎng)絡接口與互聯(lián)網(wǎng)實時連接，可從網(wǎng)絡上傳和下載教學資源.［3］

圖1 教育機器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 教育機器人主持教學過程

2.1 教育機器人主持教學過程

教育機器人主持教學是指機器人完全代替教師開展教學活動.［4］如圖2所示，機器人主持教學的基本過程大致可以分為準備、實施和總結(jié)三個階段.

在教學準備階段，教師需要了解學生的班級、年齡等情況，分析課程教學目標，通過對機器人編程構(gòu)建機器人授課方式庫，包括講授式、情景式、討論式和翻轉(zhuǎn)課堂等，方便后續(xù)機器人在教學中根據(jù)授課情況優(yōu)化選取合適的授課方式；構(gòu)建機器人教學資源庫，包括多媒體課件、語音庫、習題課和專家系統(tǒng)庫以及學生特征庫，教學資源可為后續(xù)機器人教學過程中隨堂調(diào)用；此時學生則應提前做好聽課準備，熟悉機器人教學流程和教學特點.準備完成后，教師即可向機器人下達教學任務，遠程啟動機器人，開始授課任務.

在教學實施階段，機器人首先分析學生的特征，確定授課方式，制定教學計劃；然后圍繞教學內(nèi)容，機器人根據(jù)需要從教學資源庫中調(diào)用教學資源，創(chuàng)設場景和問題，引導學生思考，通過對學生學習的觀察以及學生回答問題的情況，對學生對知識的掌握情況做出判斷，調(diào)整講課策略；如果學生在學習中遇到問題，可以通過語言對話、網(wǎng)上提問等方式提出問題，機器人通過智能答疑系統(tǒng)給學生完成解答.

在教學總結(jié)階段，機器人通過分析課堂記錄、作業(yè)和測評成績，對教學情況進行總結(jié)；學生則可通過教學評價系統(tǒng)對機器人教學進行評價；在教師的監(jiān)督下，機器人通過分析總結(jié)、制定今后的教學改進計劃.

圖2 機器人主持教學過程

圖3 機器人教學場景

2.2 教育機器人教學場景

機器人主持教學是由機器人完全代替教師完成課堂教學和課后輔導等教學工作，而教師則負責監(jiān)控整個教學過程，對各個教學環(huán)節(jié)進行監(jiān)督和管理.如圖3所示為機器人教學場景.和傳統(tǒng)多媒體教室類似，機器人主持課堂多媒體教室中安裝有多媒體投影、無線網(wǎng)絡和視頻監(jiān)控等設備，不同之處在于需要規(guī)劃好機器人走動的空間，教育機器人可以設計為無軌道和有軌道行走兩種類型，如果需要軌道，則教室里要安裝行走軌道，以便于教育機器人在講課過程中與學生開展互動交流.機器人通過網(wǎng)絡可以控制教室里的多媒體投影、監(jiān)控設備.在講課過程中，教育機器人根據(jù)課程的需要自主地播放PPT課件和語音講解，通過視頻監(jiān)控設備、人臉識別算法、表情識別算法，完成學生簽到點名和學生的學習狀態(tài)的識別，并根據(jù)課堂需要進行提問和答疑互動.而此時，教師作為教學管理者，則通過互聯(lián)網(wǎng)和云計算平臺，實時監(jiān)控每個教室的上課狀態(tài).同時，還需要完成對機器人教學不足之處進行課后補充、教育機器人維護和教育資源庫的開發(fā).

2.3 教師需要新的教育技能

傳統(tǒng)教學方式，教師常常采用黑板和粉筆進行講述，它的優(yōu)勢在于學生可以根據(jù)教師的思路看到知識點推導的詳細過程，但不足之處是它呈現(xiàn)的信息量較少，也不能圖文并茂，缺乏生動性.根據(jù)國內(nèi)外一些教學實踐表明，機器人教學可以極大地激發(fā)學生的學習興趣，海量的教學資源庫提供了豐富的教學內(nèi)容，按照學生學習需求隨時改變教學策略，可以達到教師教學難以達到的教學效果.

機器人代替教師進行課堂教學、課后答疑和互動.一方面可以減輕教師的教學壓力，更重要的是提高了教學效果.此時，教師需要掌握機器人操作技能，包括機器人的啟動停止、知識庫的建立、語音庫的開發(fā)以及機器人教育技術(shù)與課程整合的技能.教師首先對機器人進行編程，擴充機器人的專家知識庫、教學策略庫以及學生特征庫，然后調(diào)試好機器人和教學媒體，通過控制機器人和教學媒體間接向?qū)W習者傳遞教學信息，且不直接根據(jù)學習情況來獲得反饋.通過設置任務型的學習目標讓學習者自主學習，學習者則可通過操作教學媒體或機器人實時從網(wǎng)上資源庫、專家知識庫中獲得與教學內(nèi)容相關(guān)的知識信息.［5］

3 教育機器人如何完成授課

教育機器人集成了許多人工智能技術(shù)，包括語音識別、語音合成、人臉識別、機器學習、專家系統(tǒng)、云計算等，智能化程度非常高，通過移動底盤和機械臂完成行走和肢體語言，語音合成和多媒體設備完成課堂內(nèi)容的講解.機器人的授課方式可借鑒吸收全世界范圍內(nèi)眾多教師的優(yōu)秀成果，構(gòu)建講授式、討論式、情景式、翻轉(zhuǎn)課堂等多種授課方式庫，由機器人根據(jù)學生特征和教學需要靈活調(diào)用.我們將通過以下六個方面來闡述教育機器人如何開展授課任務.

第一，教育機器人類似于服務機器人，應該具備移動底盤和靈活的機械臂；同時，為保證機器人與學生進行互動，教育機器人應該設計為人型機器人，還應具有豐富的表情.為滿足這些場景需要，教育機器人應該配置高性能處理器，才能完成較復雜的計算任務.在教育機器人軟件方面，可以充分利用現(xiàn)有的開源軟件，如ROS機器人操作系統(tǒng)、TensorFlow機器學習框架等.

第二，為完成課堂內(nèi)容的講授，教師利用語音合成技術(shù)將授課內(nèi)容轉(zhuǎn)化成語音，輸入教育機器人存儲器中.機器人在講課過程中，在播放多媒體課件的同時進行語音講解.學生可以通過麥克風進行提問，教育機器人利用語音識別技術(shù)理解問題，在本地知識庫中進行查詢、組織內(nèi)容和解答，完成課堂師生互動交流.

第三，教育機器人配備了先進的視覺傳感器，如Kinect等，在上課前，可以通過人臉識別技術(shù)，完成點名和簽到任務.授課過程中，通過表情識別，可以實時掌握每個學生的學習狀態(tài)，根據(jù)情況靈活決定下一步該怎么講解，是否需要調(diào)入一些有趣的話題提高學生的積極性；還可通過人臉識別和語音識別技術(shù)，進行提問.

第四，為充分模仿人類教學，教育機器人除了在外觀上友好之外，還需要有豐富的肢體語言來表達知識和開展人機互動交流.教育機器人設計時，要借鑒人類肢體動作，構(gòu)建教育機器人肢體語言庫，供教育機器人在講課和互動過程中與語音同步表達.

第五，教育機器人在授課過程中與學生互動，需要隨時在教室中移動和行走，借助GPS、視覺傳感器和激光雷達等多種傳感器，可以完成教育機器人在教室中定位和導航.一般來說，教室里的物體如課桌和椅子擺放相對固定，這樣教育機器人移動可以采用固定軌道，類似于餐廳服務機器人，也可采用先進的SLAM技術(shù)，完成地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃和自主導航.

結(jié) 語

自2016年以來，人類已然進入了數(shù)字經(jīng)濟時代，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算和邊緣計算為代表的數(shù)字技術(shù)與實體經(jīng)濟深入融合，推動了社會進步，改變了人們的思維和生活方式.在全世界掀起STEAM和創(chuàng)客教育的浪潮下，教育機器人走向課堂已逐步成為可能.未來教師需要掌握更多的信息技術(shù)，需要與教育機器人協(xié)同工作，共同完成教學任務.同時我們也看到，本文涉及的許多技術(shù)尚未完全成熟，構(gòu)建一臺高度智能化的教育機器人需要眾多技術(shù)的融合，這些問題還有待進一步研究.