國際教育機器人研究現狀及啟示

張堯 王運武

摘 要：教育機器人作為教育技術的新興研究方向，在智能教育方面逐漸占據重要地位，成為教育人工智能技術領域的熱點之一。本研究以Web of Science核心數據庫收錄2010-2018年的教育機器人相關文獻為研究對象，通過Citespace軟件進行關鍵詞共現分析。研究發現：國際教育機器人研究主要集中在機器人學研究、教育機器人支持下的工具與環境研究、教育機器人應用實踐研究三方面。并對國際教育機器人在學生發展、技術應用、概念價值方面的未來發展趨勢進行了展望。同時，對我國教育機器人領域的人才培養、教育機器人科學研究、合作機制、教育機器人創新應用具有啟示和借鑒作用。

關鍵詞：教育機器人;研究現狀;可視化分析

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）06-0072-08

收稿日期：2019-06-18

基金項目：2018年度江蘇高校哲學社會科學研究重點項目“人類命運共同體視野下‘一帶一路’國家信息化發展現狀及協同推進戰略研究”（2018SJZDI176）;江蘇師范大學研究生創新實踐項目“教育機器人促進創新人才培養研究”（2018YXJ694）

作者簡介：張堯（1995— ），男，河南鄭州人，江蘇師范大學智慧教育學院碩士研究生，研究方向為教育機器人;王運武（1980— ），男，山東聊城人，江蘇省教育信息化工程技術研究中心副主任，副教授，碩士研究生導師，研究方向為智慧校園、教育信息化。

一、前言

2016年，谷歌AlphaGo戰勝人類圍棋頂尖選手李世石，再一次給世人普及了人工智能的概念，使得人們開始意識到人工智能時代即將到來。教育機器人作為人工智能的產物，已成為各國教育部門關注的重點。我國教育機器人研究起步較晚，因此，總結國際教育機器人研究現狀，有助于提高和完善國內教育機器人研究水平。

目前已有學者深入分析了國外教育機器人的研究現狀，黃榮懷等[1]通過對相關文獻的分析，提出全球排名前十的教育機器人研究機構和目前教育機器人研究關注的七個研究方向，探討了十二類教育機器人產品、應用情境和三大關鍵技術，在此基礎上提出了教育機器人的十大核心觀點。周進等[2]收集國際上關于機器人教育研究的相關文獻，梳理了這一領域國際研究前沿與熱點主題。

本研究將Web of Science核心數據庫2010-2018年公開發表的文獻作為研究對象，分析國際教育機器人的研究現狀與未來發展趨勢。

二、研究設計

為全面分析國際教育機器人學術研究現狀，本研究主要根據國際權威科學網核心合集Web of Science為檢索源，以“教育”（education）、“教師”（teacher）、“兒童”（children）、“學生”（student）、“教室”（classroom）和“機器人”（robot）作為關鍵詞開展主題檢索，在高級檢索中生成式TS=（（（education* AND robot*） or （teacher AND robot*） or （children AND robot*）or （student AND robot*） or （classroom AND robot*））），時間跨度為2010年至2018年，共得2217篇文獻。2010年至2018年研究數量的趨勢圖，如圖1所示。可以看出，國際教育機器人研究在近十年處于穩步增長階段。

為了更精確地把握教育機器人的研究方向，本研究將重點關注計算機科學（Computer Science Oriented）、機器人學（Robotics Oriented）以及教育（Education Oriented）三大導向。文獻類型選擇“文獻”（Article）、“綜述”（Review）和“會議論文”（Proceedings Paper）。通過文獻篩選和精煉，在計算機科學導向中共涵蓋計算機科學人工智能（Computer Science Artificial Intelligence）、計算機科學跨學科應用（Computer Science Interdisciplinary Applications）等共7個領域，252篇文獻;機器人導向只有機器人學（Robotics），文獻303篇;教育導向分為教育科學學科（Education Scientific Disciplines）和教育教學研究（Education Educational Research）兩個領域，共242篇文章。

本研究采用Citespace V可視化分析軟件，探究教育機器人領域的研究熱點和最新發展動態。研究思路主要分為兩步：首先，通過使用Citespace V對獲取的三個導向的文獻進行關鍵詞共現分析，探索教育機器人領域的主題與熱點。關鍵詞能體現文章的研究價值與方向，是研究主題的高度概括與凝練，因此分析關鍵詞能有效探測某一研究領域的熱點問題[3];其次，對上述研究現狀進行歸納總結，同時結合我國實際發展情況，歸納我國教育機器人研究實踐的啟示。

三、國際教育機器人研究現狀分析

教育機器人屬于跨學科、跨領域的研究，其研究領域涵蓋計算機科學、工程學、機械、材料科學、學習科學、心理學、生物學等領域。通過對國際教育機器人研究的三個領域進行關鍵詞共現分析，選擇節點類型為關鍵詞（Key word），時間區段設置為1年，并采用“pruning sliced network”路徑搜索算法，生成教育機器人在計算機科學方向、機器人學方向以及教育研究方向的知識圖譜。本研究將提取各知識圖譜前20位的高頻關鍵詞，并計算其中心度數值，如表1所示。

通過分析國際教育機器人在計算機科學、機器人學以及教育領域研究熱點知識圖譜及關鍵詞頻次和中心度值，發現教育機器人的研究熱點表現在以下三個方面：

（一）機器人學研究

機器人學導向的高頻關鍵詞有“人機交互”（human-robot interaction）、“模仿”（imitation）、“行為”（behavior）、“設計”（design）、“模型”（model）、“系統”（system）等。機器人學研究涵蓋了機器人的設計、構造、操作與應用，包括計算機科學導向中的系統控制、感覺反饋和信息處理，目的在于研究開發機器以代替人類從事某些工作[4]。從高頻關鍵詞的頻次及中心度值來看，目前教育機器人領域中機器人學方向研究較為分散，其中針對兒童的機器人外形及功能探討是突出的熱點。有研究者對教育機器人所涉及的學習活動領域和主題進行調查發現，存在技術教育和非技術教育這兩個主要且廣泛的類別[5]。其中技術教育一般是介紹計算機科學和機器人編程，然后學生通過使他們的機器人工作來實際運用他們的知識[6]。而非技術教育則以非機器人學科知識為主，強調將機器人與課內外學習生活相結合。例如有研究者通過機器人向兒童傳授英語知識[7][8]，通過Bee-bot可編程機器人的路徑軌跡，使孩子們能夠參與解釋角度和幾何問題等[9]。在醫院、學校和家庭中，社交機器人可以專注于通過社交而非物理互動幫助兒童[10]。與此同時，社交機器人還能吸引并激勵患有自閉癥譜系病（Autism Spectrum Disorder）的孩子進行互動[11]。約安努等[12]利用Nao人形機器人培養自閉癥兒童的溝通交流技能，研究表明社交機器人在自閉癥兒童教育上具有潛在價值。與此同時，機器人外觀研究影響著人機互動的效果和層次。最著名的就是“恐怖谷理論”。當前，社交機器人普遍具有人形特征，例如頭部、眼睛、嘴巴、手臂、腿部等，設定的目的是提升機器人的社交參與能力，探尋用戶感知和機器人物理屬性之間的關系，如面部特征、機器人大小、體型和運動等[13][14]。

機器人的選擇通常取決于實際考慮因素以及學習者是否在機器人周圍感覺舒適[15]。人機交互致力于理解，設計和評估機器人系統以供人類使用或與人類一起使用。關于人機互動的研究與以前和正在進行的遙控機器人、智能車輛系統、人與計算機的交互等領域的工作密切相關[16]。在教育領域，人機交互、人工智能等技術作為關鍵技術，旨在促進人與機器人發生更多類似于人類之間的互動。

隨著機器人學研究的逐步深入，研究者對機器人應用功能和結構的理解更多地是將其作為教育機器人（涵蓋部分社交機器人和移動機器人），輔助正常兒童的教學和滿足特殊教育的需要。需要說明的是，并非所有的教育機器人都需要社交互動[17]。因此，相關研究的開展，有利于明確教育機器人的自身結構與優勢，避免機器人學研究領域的泛化，促進機器人功能體系化發展和應用模式創新。

（二）教育機器人支持下的工具與環境研究

從“社交機器人”（social robot）、“通訊”（communication）、“教育機器人”（educational robotics）等高頻關鍵詞得知，教育機器人研究種類豐富，且與教學環境和相關學習工具密不可分，應繼續關注教育機器人支持下的工具與教學環境研究。

為利用現代信息技術提升學生的學習體驗，西班牙奧維耶多大學麗貝卡等[18]通過改編HolograFX游戲，開發了一個新的移動應用程序“3D全息機器人”充當虛擬的教師角色，幫助西班牙兒童練習英語發音。與此同時，AR技術和VR技術也逐漸應用于各教育領域。余晶秀等[19]探索將增強現實和機器人技術與教學模型相結合，開發了互動學習環境，并將其應用于課堂教學。研究結果表明，學生可以通過結合機器人和增強現實的互動學習經驗來提高他們的創造力。納撒內爾等[20]開發和評估了支持工業機器人在線編程培訓的虛擬現實系統。結果表明，嵌入在虛擬現實系統中的認知/感知輔助對所有任務性能度量以及真實機器人上的參與者的結果的一致性具有積極影響。

教育機器人按照物質形態進行劃分，共分為虛擬教育機器人和實體教育機器人兩大類。虛擬學習平臺在提升遠程教學的真實性和互動性方面具有強大的優勢，也是目前教育機器人工具和環境研究的趨勢。博雷羅等[21]提出了基于增強現實的開發實驗室系統（增強遠程實驗室），使教授和學生能夠在當前的課堂實驗室中遠程工作，并與真實實驗室交互的虛擬元素。通過對電子工程學科的大學生進行實驗，發現增強遠程實驗室顯著改善了當前虛擬實驗室和遠程實驗室的可能性。波克康亞克等[22]通過創建機器人虛擬實驗室，旨在提升學習者遠程學習體驗。

開源硬件Arduino和LEGO機器人，具有低成本、模塊化、可拓展等特點，已經成為目前國際上通用教育機器人的重要載體之一。戈梅斯·德加布瑞爾等[23]針對高年級本科工程專業學生，采用LEGO? Mindstorms NXT套件和標準LabVIEW的實驗室，通過真實硬件和代表性軟件來激發設計和實驗。加西亞·紹拉等[24]利用開源3D 打印機（Printbots）和開源硬件結合的方式定制教育機器人。該教育機器人有豐富的功能，可以針對不同教育水平的使用者，同時具有非常低的成本。值得注意的是，面向各個年齡階段學生的教育機器人比賽越來越受到全世界的歡迎，從而引發對教育機器人越來越多的關注[25]。維爾欽斯基[26]介紹了FIRST機器人競賽將高中學生與教育、工程、商業和民間社區的志愿者緊密聯系在一起，探討FIRST機器人競賽提供的四門課程模型，以說明以FIRST機器人競賽為中心的本科課程的發展順序。

當前教育機器人支持下的工具與環境研究主要關注設計開發、應用與評價，對于教育機器人工具和環境的理論基礎以及如何長期、高效地應用有待進一步探索。一方面，研究教育機器人支持下的工具與教學環境是發展教育機器人的有效途徑之一，可供后續研究者參考和借鑒。另一方面，通用人工智能技術和專用人工智能技術的發展，凸顯了使用教育機器人作為教育工具的巨大潛力[27]，智能時代的工具和環境應滿足學生智能素養發展的需求，教育機器人將成為未來教育中不可或缺的一部分。

（三）教育機器人應用實踐研究

從“科學”（science）、“機電一體化”（mechatronics）、“工程教育”（engineering education）、“基于項目的學習”（project-based learning）、“技能”（skill）等高頻關鍵詞可以看出，教育機器人應用實踐研究包括機器人課程設計、教育機器人教學設計與實踐等，同時對教育機器人在教育領域的應用與效果評價研究仍在探索之中。其中，關鍵詞“技能”有較高的中心度，說明技能培養是大多數研究內容的目標和方向。

伊拉等[28]為高中生設計了為期七周的機器人入門實踐課程——Robotic Autonomy，課程涵蓋機械、電子學、機器人行為、導航和遠程操作。并結合機器人和課程設計，評估機器人自治的教育效能。結果表明，機器人對學生學習產生積極影響，遠遠超出了機器人學中特定技術概念的界限。耶爾馬茲等[29]介紹了基于實驗室和面向設計的機器人教育模型兩門課程，長期的評估得出課程期間具有一致的功效，表明該機器人教育模式可以成功拓展。在教學理論和教學策略方面，研究者已開始對教育機器人領域普遍的教學理論進行研究和探索。阿爾通和佩戴斯特[30]在對已發表的文獻進行定性分析的基礎上，得出協作學習、基于問題的學習、發現學習、基于項目的學習、基于競賽的學習、探究學習等教學方法常用于包含教育機器人課程。卡里姆和穆賓[31][32]認為教育機器人領域符合現代教育理論中的建構主義學習理論、設計學習、主動學習原則和社會建構主義。需要說明的是，目前教育機器人領域的教學理論和策略雖然已有一定的研究成果，但創新性以及如何滿足學生智能時代的發展需要是當前關注的主要問題之一。

教育機器人在教育領域中開始進行無縫整合的過程，這種影響對學習者而言更為重要，機器人可以促進學生的發展和能力提升。教育機器人在教育活動中主要的角色是作為學習的工具，但是角色的不斷延伸和功能的逐步擴展將極大地發揮教育機器人的潛在價值。

機器人在教學活動中，扮演輔助教師或學生上課學習的工具[33]，并逐漸成為學習計算機、機電、工程、科學和語言的有趣平臺。克魯茲等[34]擴展了現有的使用LEGO Mindstorms NXT機器人作為培訓平臺的替代方案，將其用于數據采集、控制系統工程和實時系統本科課程的教學。馬奎茲[35]等提出通過虛擬儀器控制物理系統遠程訪問實驗室的設計模式，并在此基礎之上，研究探索機器人電子學習實驗室（LER）項目，該實驗室專注于物理自動化教學。伯斯[36]通過TangibleK機器人計劃，將適合發展的計算機編程和機器人工具與建構主義課程相結合，旨在讓幼兒園兒童學習計算思維、機器人、編程和解決問題。

在職業教育中，教育機器人可作為虛擬教學的平臺和環境。洛佩茲-羅德里格斯[37]基于Android和Arduino的開放式教育低成本模塊化和可擴展移動機器人的設計，用于通信技術（ICT）職業培訓、工程課程以及在線學習或大規模開放在線課程（MOOC）、虛擬實驗室等。曼蘇爾等[38]以6自由度（DOF）系列機械臂為中心，提出了一個用于學術、職業和培訓目的的自主機器人平臺。特殊教育領域，教育機器人在幫助自閉癥譜系障礙（ASD）和語言障礙等治療過程中具有許多優勢。例如，許仁年等[39]以專業人士為對象，確定治療機器人KASPAR對自閉癥譜系障礙兒童的治療和/或教育目標的潛在貢獻。克斯等[40]旨在通過非人工機器人與兒童之間的非語言交流和基于模仿的互動游戲，幫助聽障兒童的手語（Sign Language）學習。國內外的機器人競賽在教育領域占據著一定的主導地位[41]，教育機器人作為參加機器人競賽的直接工具，受到廣泛的關注。

機器人在教學活動中，扮演學習者或同伴的角色，作為學習者，或陪伴其他學習者共同學習。例如，張志偉等[42]使用混合現實技術和機器人設計了一個具有真實場景的系統RoboStage，機器人被設計為在任務中扮演真正的互動角色。結果表明，RoboStage顯著提高了任務的真實性，也對學習動機產生了積極影響。

機器人在教學活動中，作為教師或是專家指導者，傳授知識與經驗。奧貝德等[43]以移情概念為背景，描述了機器人導師技術架構及其組件，并為機器人導師設計教學和移情策略。通過研究發現，在對照條件下，測試條件下的兒童確實認為機器人比兒童更具共情性。羅斯等[44]探索讓機器人扮演教師的角色，引導孩子通過幾個舞蹈動作來學習舞蹈短語。國際機器人教師和人工智能教師的研究已處于探索期，機器人教師作為教育機器人在教育領域應用的高級階段，相關基礎和應用研究擁有巨大發展潛力。需要說明的是，教育機器人在教學活動中，不僅可以扮演以上三種角色之一，還可以同時扮演兩種以上不同的角色，而這也是未來教育機器人發展的方向和趨勢。

隨著教育機器人的普及和研究者的增多，應用范圍涵蓋了K12教育、高等教育、成人教育、職業教育以及特殊教育，學科領域橫跨信息技術、機電、工程、科學和語言學等。教育機器人作為教育技術的子集，將逐步用于促進學習和提高學生的教育表現。

四、國際教育機器人未來發展趨勢及對我國的啟示

（一）國際教育機器人未來發展趨勢

通過對上述國際教育機器人三個導向研究文獻中高頻關鍵詞共現的分析與解讀可知，目前教育機器人研究數量和應用范圍不斷擴大，處于快速增長階段，但總體上教育機器人理論基礎、教學應用和評估研究仍處于探索發展階段，研究較為分散，沒有形成統一的體系和框架。未來國際教育機器人研究將聯合全球研究者、頂尖技術和研發力量，在宏觀戰略規劃的指引下，有條不紊地改善教學，培養學習者的智能素養和21世紀技能。

概念價值方面，隨著研究的開展和深入，教育機器人的定義與特征逐漸清晰明確，在人工智能技術發展的道路上，研究者將更多地把教育機器人作為教育教學的輔助和支持手段，教育機器人在明確的范疇和邊界內發揮最大功能，實現教育機器人研究的價值。

技術應用方面，教育研究與相關教學工具和學習環境密不可分[45]。在教育機器人與科學技術融合的科學依據下，教育機器人以工具和教學平臺環境作為發展核心，擴大機器人教育應用場景的多元化，有效提升學生學習體驗。

學生發展方面，教育機器人更加符合智能時代的教育需求，為學習者提供更加真實、豐富的智能化學習環境。教育機器人在未來將更加關注學生創新能力、實踐能力、編程思維和21世紀技能的發展。與此同時，教育機器人對教師的影響也是不容忽視的，科技不會取代教師，但使用科技的教師定會取代不使用科技的教師。

（二）對我國教育機器人未來發展的啟示

目前，國內教育機器人尚處于起步期，為了更好地推動教育機器人在教育領域的應用，需要學習和借鑒國際研究經驗和成果。因此，本研究通過國際教育機器人研究現狀的分析和解讀，對我國當下教育機器人的研究與實踐主要帶來以下啟示：

人才培養是基礎。在發展教育機器人和人工智能技術的過程中，大力關注人工智能實用人才和研發人才的培養。針對不同的人才，采用不同的培養方案和技術手段。保障教育機器人產品的研發力度以及教育機器人產品的應用效率，為教育機器人的良性、持續發展奠定基礎。

科學研究是途徑。教育機器人的研究不應局限于具體的應用研究，而應注重基礎理論研究與應用研究并行，在跨學科融合的背景下探討基于教育機器人的教學模式與策略，并逐步推廣，讓教育機器人真正成為智能時代教育教學中的必需品。值得注意的是，有關教育機器人的倫理和道德問題仍需管控和研究。

合作機制是保障。教育機器人的研發和應用需要形成“政府—企業—學校—研究機構”協同創新結構。政府加強教育人工智能的政策引導和標準制訂與資金支持[46]。企業和研究機構在共同研發的基礎之上，提供長期、穩定的人工智能開放平臺。學校和企業則通過實踐不斷拓展教育機器人的應用場景和領域，推動教育機器人的全面應用。

創新應用是目標。教育機器人的應用空間不止局限于正式教育，還應向非正式教育發展。機器人競賽、課外興趣班等也是提升學生智能素養的重要方式之一，理應讓教育機器人應用關注學校，更關注生活，構建和諧的“人機協同”新生態。

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（責任編輯 王策）