我國機器人教育現狀分析與發展趨勢研究

石桐歌　孟祥宇　王朋嬌

摘 ?要： 隨著機器人技術的飛速發展，機器人教育已經成為新興教育方式被大家所認可和普及。機器人教育不僅可以培養學生的學習興趣、創造力和動手實踐能力，更能培養學生21世紀下必備新技能，提升自身的核心素養。本文以中國知網（CNKI）的中國學術期刊網絡出版總庫為數據來源，采用文獻計量法、內容分析法相結合的研究方法，著重分析我國機器人教育的研究現狀，反思我國機器人教育的優勢以及研究中存在的問題，并對機器人教育的未來前景與發展趨勢做出預測，以期為未來機器人教育研究提供可參考和借鑒的價值。

關鍵詞：?機器人教育;人工智能;內容分析法

中圖分類號： TP249????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.025

【Abstract】： With the rapid development of robot technology， robot education has become a new way of education， which has been recognized and popularized.?Robot education can not only cultivate students' learning interest， creativity and practical ability， but also cultivate students' necessary new skills and improve their core literacy in the 21st century.?This paper takes CNKI's China Academic Journal Online Publishing Database as the data source， adopts the research methods of bibliometrics and content analysis， focuses on the analysis of the current research situation of robot education in China， reflects on the advantages of robot education in China and the existing problems in the research， and forecasts the future prospect and development trend of robot education In the future， robot education research will provide reference and reference value.

【Key words】： Robot education;?Artificial intelligence;?Content analysis

0??引言

2018年9月17日，習總書記為2018世界人工智能大會致信祝賀，賀詞中提到人工智能正為經濟社會發展注入新動能，并且正在深刻改變人們的生產生活方式，黨的十九大以來，習總書記強調堅持創新驅動發展，高度重視人工智能發展，為人工智能賦能新時代指明方向。2019年3月14日，國家教育部公布了《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》，其中明確強調推動在中小學階段開設人工智能相關課程，還將編制《中國智能教育發展方案》。近幾年，國家出臺多個政策和草案，將發展人工智能作為提升我國競爭力的重大戰略之一，其實質是欲培養具有高核心素養的高水平人工智能創新人才。新時代賦予教育新使命，智能時代下，人工智能為教育賦能，同時，人工智能+教育熱潮帶動著機器人教育的熱潮，本文厘清國內機器人教育研究現狀，有助于了解我國機器人教育研究亟待解決的問題，為未來機器人教育研究提供可參考的方向。

1 ?數據來源與研究方法

數據來源為中國知網（CNKI）中國學術期刊網絡出版總庫，在專業檢索下以“SU=機器人教育?AND KY=機器人教育”為檢索表達式進行文獻檢索，檢索到發表時間為2010-2019年間的文獻期刊共計329篇，在此基礎上將來源類別改為“核心期刊”，共檢索到24篇核心期刊文獻。本文采用文獻計量法和內容分析法相結合的研究方法。先采用文獻計量法對329篇期刊文獻及24篇核心期刊文獻的年度分布和作者分布進行研究，然后利用內容分析法從理論研究、設計與開發研究、應用研究、管理研究和評價研究幾個領域研究我國機器人教育現狀及發展趨勢。

2??研究過程與分析

2.1 ?研究樣本的文獻計量分析

2.1.1??研究樣本的年度分布

對有關機器人教育的全部329篇期刊文獻按照發表年度進行數量統計，并計算期刊文獻百分比。為了更清晰把握機器人教育的研究趨勢，專門統計了24篇核心期刊文獻發表年度情況。其中，2019年的文獻只以當前統計到的數量為準，預期研究成果可能會存在偏差。統計結果如表1所示。

從表1中可以看出有關機器人教育的文獻數量從2010年到2019年之間整體呈上升趨勢，這反映了機器人教育一直并且愈發受到國內學者的關注。在2017年以前趨勢較為緩慢，可以理解為新技術與教育的融合是需要一個緩慢的過程，另外文獻數量的穩步上升也可以反映出國內學者在源源不斷的熱情下，始終保守著學術研究的嚴謹性，保證了研究質量。2018年是有關機器人教育文獻數量大爆發的一年，這也正符合了智能時代的時代背景，2018年——真正意義上的人工智能元年。

2.1.2 ?研究樣本的作者分布

利用SATI3.2對有關機器人教育的全部329篇期刊文獻進行字段抽取和頻次統計，所有作者總共692人，第一作者共計329人，只發表或者參與一篇論文的作者共計603人，占總數的87.14%，表2給出了發表文獻數量排前十的作者及其發表數量。

根據領域形成核心隊伍的評判標準，即如果發表一篇論文的作者數與全部作者數之比低于60%，則稱該領域已形成核心隊伍來看，目前為止我國機器人教育研究領域尚未形成核心隊伍。從有一半以上的作者未以第一作者發表該領域論文看出，我國學者們普遍缺乏對該領域長期深入的研究。其中作者鐘柏昌在核心期刊的發文數量達到了7篇，期刊分布為《中國電化教育》1篇、《電化教育研究》4篇、《現代遠程教育研究》1篇和《人民教育》1篇，研究主題涵蓋了理論研究的多個層面，主要包括中小學機器人教育核心理論研究、中小學機器人教育現狀調查與分析、中小學機器人教育困境與突圍，由此可見鐘柏昌先生在機器人教育研究領域影響較為廣泛。作者王同聚在核心期刊的發文數量達到2篇，全部發表在《中國電化教育》，主要研究方向為將機器人教育融入微課教學，其文獻被引量和下載量位居其它文獻前列，可以看出王同聚先生在機器人教育領域的影響較為深刻。

2.2??研究樣本的內容分析

2.2.1??類目設計與評判記錄

筆者將目前我國普遍認可的也是國際教育技術影響最為深遠的教育技術學定義—AECT94定義與本文整體研究的特定傾向性相結合，將24篇核心期刊文獻的研究類型劃分為理論研究、設計與開發研究、應用研究、管理研究和評價研究五大類目，具體界定為理論研究包括機器人教育的研究熱點、發展現狀、內容解讀和模式研究，設計與開發研究包括機器人教育的校本課程開發、系統開發和開發的技術與平臺，應用研究包括應用模式、實踐與探究及應用效果，管理研究包括機器人教育的教學管理和系統管理，評價研究包括機器人教育評價標準及評價方法。依照時間順序，以24篇研究樣本的研究主題、研究內容及研究結論為評判依據，對研究樣本進行類目分類，具體如表3所示。在對文章進行類目評判時存在一定的困難，有的文章內容沒有明確的界定范圍，為了盡力克服筆者的個人主觀因素影響，減小評判誤差，設立三組評判員對類目及子類目的分類進行評判。其中一名評判員與筆者一起作為主評判員進行討論并共同確定類目分類，另外兩名評判員作為助理評判員，分別獨立確定類目分類，最后進行三組結果的整合得到最終類目分類結果。

2.2.2??信度分析

信度分析的公式為：R=N*K/1+（N-1）*K，其中R為信度系數，N為評判人數量，K為平均相互同意數，即兩個評判員之間的相互同意度，K值算法：K=2M/（N1+N2），M為兩位評判者都完全同意的類目數，N1、N2分別為第一、第二評判者分析的類目數。其中，R的值（即信度系數）大于0.8，量表的可靠度最佳。根據此公式，計算出本研究的R=0.92，因此可以將主評判員的評判結果作為內容分析的結果。

2.2.3??研究數據與結果分析

將表3進行統計分析可以得到機器人教育相關文獻各類目統計圖，如圖1所示。

從圖1可以明顯看出理論研究類目的文獻所占比重最大，其次是應用研究類目，而管理與評價研究為空白，這與機器人教育的起步時間及發展歷史不夠久遠有很大關系。教育機器人學的萌芽最早源于1989年Parker，Martin，Sargent等人在麻省理工學院創辦了名為6.270的課程，6.270課程的實質是面向本科生的機器人設計競賽。該課程影響十分深遠，為后續的眾多機器人競賽項目以及把機器人設計實踐導入大學工程教育的思想提供了靈感。然而真正最早進行教育機器人的教學實踐嘗試是1998年英國嘗試在小學生中開設的機器人課程;1999年，Beer等研究了如何把機器人用于科學和工程教學;?2006年，智利的Novales系統研究了在大學中導入教育機器人。2007年，Kao等人研究了兒童如何在課程中運用機器人學習角度的概念。與此同時，國內也研究出了教育機器人如何應用于中國的中小學信息技術課程，2002年出版了《信息技術-智能機器人》小學、初中、高中版（廣西科學技術出版社）;華東師范大學陶增樂教授于2002年編寫的《小學信息科技》、《初中信息科技》（華東師范大學出版社）教材，首次在中國把教育機器人編入中小學課程。我國機器人教育仍處于初步探索階段，研究學者更傾向于進行理論的探討與樹立，缺少富有創新性與挑戰性的設計與開發研究。設計、開發與應用研究的不足直接導致管理與評價研究無法跟上腳步。

（1）理論研究

理論研究下的子類目統計分析如表4所示。

其中機器人教育模式研究所占比重最大，這5篇文獻都是作者鐘柏昌分別以第一作者和第二作者發表的，包括培養學生跨學科知識和科學探究能力的科學探究型教學模式[]、培養學生實踐創新素養的核心價值的發明創造型教學模式[2]、能夠明顯改善學生學習機器人的態度，寓教于樂的趣味交互式教學模式[3]和提高學生設計能力和問題解決能力的實驗模擬型教學模式[4]。機器人教育模式的提出為機器人教育的方式方法提供專業的理論指導，為機器人教育的教學實踐提供精準的理論支撐，帶領機器人教育走向內涵式發展道路。

文獻比重第二大的是機器人教育發展現狀，目前我國機器人教育的研究主要集中在教育領域如中小學（最多）、高等教育、職業教育、成人教育等。國內出現較火的教育機器人產品有能力風暴教育機器人、Wonder Workshop、Makeblock、哈工大機器人、科大訊飛（阿爾法蛋機器人）、ROBOO（布丁豆豆）等。機器人教材作為機器人教育的重要組成部分，國內機器人教育教材中比較典型的包括面向小學的《信息技術教材》、面向中小學的《百度中小學人工智能課程》、面向初中的《人工智能（初中版）》以及面向高中的《人工智能基礎高中版》等。競賽不僅可以培養學生形成創新思維、競爭思維、發散思維，還能提高學生實踐操作能力、溝通表達能力、團隊協作能力，更能激發學生對機器人學習的興趣。目前，主流的機器人競賽按照比賽主題可以分為機器人足球競賽、機器人滅火競賽和機器人綜合競賽三種，在全國范圍內開展的機器人賽事主要有：全國機器人足球錦標賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、CCTV-ROBOCON、中國青少年機器人競賽等。我國在中小學開展機器人教學，主要包括機器人課程、課外活動和學科整合這三種形式。

（2）設計與開發研究

設計與開發研究下的子類目統計分析如表5所示。

設計與開發研究類目的兩篇文獻都是有關校本課程開發的，缺少機器人教育設計與機器人教育系統開發的研究，缺少對機器人核心技術的掌握可能是此領域鮮有人觸碰的關鍵。筆者認為，機器人教育的設計與開發研究可以從以下兩方面入手：一是基于技術手段，如Python、人工智能、H5/WEB前端、嵌入式等。二是基于某個理論或視角，如分布式認知視角、泛在學習理論、聯通主義理論、概念圖等。我國機器人教育存在未建立整體的課程體系和缺乏國家層面的示范引領的問題，總體來說缺少明確的解決該如何開展機器人教育、開展什么范圍的機器人教育、運用哪些技術開展機器人教育、建立怎樣的機器人教育系統等問題的風向標。這需要更多國家文件與通知的下達，為我國機器人教育明確方向，需要建立和完善整體的課程體系，為機器人教育提供更加專業的教育設備，培養和提升教師的機器人素養，豐富學習的形式、創造更廣泛的交流和實踐平臺。

（3）應用研究

應用研究下的子類目統計分析如表6所示。

應用研究是繼理論研究之外文獻第二多的類目，其中機器人教育的實踐與探究最受研究者歡迎，包括將“微課導學”教學模式應用于機器人教學之中的實踐;根據現代高等工程教育的“大工程觀”，將機器人教育的本質和內涵科學的滲透到各個學科和專業的實踐;將配對學習模式應用于機器人教育中的探索[5];以機器人教育為平臺培養大學生創新能力和科學素養的實踐等等。因此總結得出目前我國機器人教育的實踐與探究可以分為利用某種教學法或是教學模式來促進機器人教育的發展以及應用機器人技術來促進其它學科的深度學習或學生和教師科學素養的培養這兩個方面。可以見得如何創新教學模式促進人工智能更好地融入學生的學習以達到培養學生的核心素養及達到其它學科的深度學習將會是我國機器人教育研究領域的研究熱點。相應的，實踐與探究類文獻的增多也會促使更多的應用效果、評價反思類文章的產生。

（4）管理與評價研究

AECT1994定義將“管理”和“評價”與“設計”、“開發”和“使用”并稱為教育技術的五大范疇，五個范疇同等重要，它們互相影響，相輔相成，缺一不可。教學管理是幫助高效率實現教育目標而對教育教學系統宏觀調控、組織協調、統籌監督的過程，是任何一個完整的教育系統不可或缺的關鍵步驟。每一個教學模式與系統都需要經過精心維護與管理，才能保證其健康發展。教育評價是指在正確教育價值觀的指導下，依據一定的標準或教育目標，通過使用一定的技術和方法系統的收集信息，在對信息（教育活動、教育過程和教育結果）與標準或目標進行比較的基礎上做出價值判斷的過程。當技術引入教學中，當新模式應用于學生學習中時，我們總是需要得到一個效果反饋，這就需要用一定的評價標準來衡量應用效果的優劣。教育評價能夠幫助學習者認識自身的不足，不斷完善與改進，最終達成預定的發展目標，同樣的，在機器人教育研究的體系中，只有適時的對理論指導下的實踐探索與應用進行管理與評價，才能使機器人教育更好的適用于學習者知識與技能的學習、能力與素養的培養。目前我國機器人教育研究領域嚴重缺少管理與評價方向的研究，我相信隨著機器人教育應用與實踐的更加成熟完善，相應的會逐漸出現機器人教育教學管理與系統管理及機器人教育評價標準和評價方法的研究。

3??研究結論

3.1??我國機器人教育的現狀分析

當前我國機器人教育研究主要集中在理論研究層面。我國機器人教育研究發展迅速，是新技術新媒體被廣泛接受和應用在教育教學之中的必然產物，正因為技術新所以相應的理論研究也要更新換代，結合機器人技術的特點有所創新。其中作者鐘柏昌提出的中小學機器人教育的教育模式新分類在理論研究中獨樹一幟，做好理論基本功，才能為后續的設計應用與實踐打下堅實的基礎。

相比于理論研究，機器人教育的設計與開發研究剛剛起步，文獻數量十分匱乏，缺乏統一的機器人教育系統設計和開發標準，目前學生學習機器人教育主要采取以賽促學的形式促進該學科發展，缺乏其他形式的學習、實踐和交流平臺。應用研究的文獻數量緊隨理論研究其次，研究者們已經開始嘗試將機器人教育實際應用于教育教學中并收到頗豐的成效，新技術應用的成功就是建立在數次實踐與探索基礎上的，隨著理論研究的豐富，應用與實踐研究也應壯大蓬勃。我國機器人教育的管理和評價領域尚屬空白，有待進一步豐富。

整體而言，我國有關機器人教育的實踐已經 ?小試牛刀，但相關經驗的積累和課程化建設依然有相當的提升空間，同樣也亟待相關政策的指導和 ?引領。

3.2 ?我國機器人教育的未來發展研究

機器人教育能夠推進教育的創新，改進教學模式和策略，推動基礎教育改革，因此，機器人教育將會是我國未來教育領域著重關注的熱點，人工智能+教育是大勢所趨。但機器人教育在教學實踐、課程體系、校本教材、教師能力、設備供應等方面，仍然面臨諸多挑戰，亟待解決的主要問題有：未能建成整體的課程體系，對核心的課程和教師專業發展并沒有明確方向;缺乏具備較強科學素養的師資隊伍;缺少以供交流和實踐的機器人教育支撐平臺等。針對存在的問題，給出以下初步建議：首先加強政府的宣傳力度，要想使機器人教育蓬勃發展少不了政策文件的下達和支持，在此基礎上，由權威專家、學者編制整套核心課程，明確教師專業發展方向，建成完整的課程體系;培養智能時代下信息技術及各學科教師的信息能力和科學素養，教師多參與“教育+AI”類型講座、論壇及會議，讓教師切身體會到機器人輔助學習的智能化高效化，吸收國內外已有機器人教學優秀案例為己用;針對不同學科、學習者特點，創設方便交流實踐的機器人教育支撐平臺，在實踐中不斷實現平臺性能優化，另外注意加強平臺的宣傳工作，要讓真正優秀的軟件平臺展露頭角，為廣大師生、學習者所認可、使用。以上，只是一隅之見，但若能將這些存在的問題徹底解決和根治，未來我國機器人教育定會又好又快蓬勃發展。

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