教育機器人教育導向研究文獻綜述

羅景文，張淑雅

（云南師范大學信息學院 云南 昆明 650500）

在人工智能技術及機器人技術高速發展的時代，其相關產品在各行各業被推廣并應用，更多的智能機器人被應用于生活中，較為普遍的有在家庭中能夠完成清潔任務的掃地機器人、商場中引導人們購物的導購機器人、軍事領域的反恐排爆機器人以及醫學領域的康復機器人等，由于其自身具備特定領域的特殊能力為人類提供了更為專業和可靠的服務，近年來教育領域也開始逐漸研究將機器人技術應用于教學，探究適用于教育領域的教育機器人。在國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》[1]文件中指出需大力發展智能化教育以推動機器智能等在教育領域的多維度應用，促進教育理念與人才培養模式的改革與創新，從而提升我國教育的質量與效率。

教育機器人作為教育人工智能的典型代表，將其引入教育領域在一定程度上能促進教育事業的發展與變革，其為培養學生的分析能力、創造能力、問題解決能力及實踐能力而專門研發，近幾年里在人工智能技術的支持下，教育機器人的研究得到了迅速的發展，并取得了一定的成果，但仍然處于起步階段。對于教育機器人的研究大致可以分為計算機科學導向及教育導向，計算機科學導向側重于機器人技術的軟硬件開發，例如虛擬機器人平臺，機器人功能部件的研發等，教育導向則關注教育教學中的應用研究。

1 文獻來源與梳理情況

本文通過在中國知網數據庫和Web of Science數據庫兩個數據庫中以規范具有識別度的題目名檢索有關文獻資料，并將這些相關文章篩選分類，總結概括，最后通過一定的理論分析，疏通國內外教育機器人教育導向研究的大致方向，獲得對該領域的系統認知，對教育機器人教育導向研究展開較為系統的文獻研究述評。

1.1 文獻來源

本文在中國知網數據庫中以 “教育機器人” 為檢索詞進行檢索至2022年，去除報紙、會議等無關文章，分析篩選出523篇文獻作為國內文獻研究的主要數據，在Web of Science數據庫中，根據檢索詞 “education*robot” or “robot teach*” 檢索至2022年，分析篩選出253篇作為國外文獻研究的數據。

1.2 梳理情況

國內有關文章的發表大多集中在2016至2022年之間，發文數量迅速增長，以人工智能以及機器人教育為主題的研究方向和內容較為集中，部分學者開始嘗試將機器人用于創客教育及STEAM教育中，展開對教育機器人教育教學應用的探究。國外則在2009年開始呈現出上下波動的情況，到2018年發展迅速，研究方向除了普通教育中的常見學科外，還包括醫學教育和藝術教育領域，其次是工程等方面的研究，更側重于提高教育機器人的技術和性能以及應用的評價。本文主要關注教育機器人的教育導向研究，根據檢索文章的分類，可將教育機器人教育導向研究分為理論研究、功能特性研究，應用場景研究以及應用測評研究四個方面。

2 教育機器人教育導向研究綜述

根據上文的梳理情況，將所檢索的文獻總結分析，并從以下四個方面進行研究。

2.1 理論研究

理論是一切研究的基礎，教育機器人教育導向的理論研究中探索的是教育機器人在教育教學中應用的基本原理和發展趨勢。國內外的理論研究都比較靠后，由于機器人早期在工業和商業領域中應用較多，國外也常用于工業示教，后來逐漸過渡到教育領域，所以教育機器人的研究一開始更偏向于技術和機器人的開發研制，當教育領域的研究者們發現機器人在教育領域的發展空間后才開始展開理論的討論，國內較早的是2002年由彭紹東[2]提出的機器人教育，并將其分為五種基本類型，對于教育領域相關專業的研究和實踐奠定了堅實的基礎。隨后教育領域的學者紛紛加入其中，近年來較有代表性的是黃榮懷等[3]基于教育機器人的應用情景及關鍵技術提出了教育機器人的十大核心觀點。國外的理論研究比國內更早，例如Choi Y[4]開發了小學教育機器人程序模型，根據概念變量確定了教育目標，教育活動和教育課程；近些年，Benitti[5]等對教育機器人的概念、角色、交互理論等方面展開探討，論述機器人在教育中的潛能。

2.2 功能特性研究

針對上述教育機器人在教學應用中的有關理論，研究者們開始分析這些機器人需要什么樣的技術才具備某些功能，從而能夠很好地用于教育教學，于是便展開了功能特性研究來探究教育機器人在教育教學中所應具備的能力。方健等[6]提出共融教育機器人的概念，分析出安全、精準、協同、智能四性作為人、機、境三者相互融合的典型特征，同時討論三者共融的關鍵技術，最后指出共融教育機器人的發展方向。盧宇等[7]在人工智能的背景下，基于自我決定理論，采用知識圖譜、學習者模型、自然語言處理等多項關鍵技術，設計構建了智能教育機器人的系統架構，對于人工智能技術與教育機器人領域的融合發展具有一定的啟示。余新國等[8]研究了教育機器人的內外知識體系，認為內部軟硬件框架由三個方面組成，外顯能力體系由教學能力、教育角色和評測維度組成，從而共同構建教育機器人的完整知識體系，為人機共融的教育模式提供有力的支持。Gwak等[9]提出一個標準來定義教育機器人的自主程度，通?？紤]為1―10之間，按照標準進行改編，可以利用不同自主程度的教育機器人來自主教學，有望為協助教師、教學學生學習做出貢獻。在該方面的研究中國內相較于國外更為積極。

2.3 應用場景研究

不同的技術使教育機器人有不同的功能，同時也引出了一個新的問題：什么樣的機器人用于什么樣的環境。在理論和技術的支持下，在人工智能教育的推動下，研究者們開拓了不一樣的應用場景，希望將機器人的不同優勢充分發揮出來，作用于不同教育教學場景。因此應用場景研究是探究教育機器人使用的不同環境空間。國內采用教育機器人情景創設的優勢輔助學生的語言類學習，例如，華中師范大學的凌敏[10]探究了通過機器人來創建英語口語教育環境的方式，提出機器人應用于英語課堂教學實踐的思路和方案，為教育機器人輔助語言教學提供了參考。此外教育機器人還可用于場館教學，在科學館等場館內引導參觀者參觀，并講解科學知識，為教育機器人在場館教育中的發展提供新的思考[11]。Ruben Mitnik等[12]使用自主的移動機器人教授了非機器人領域的學科知識，即使用教育機器人的自主移動性教授小學數學的相關概念，將抽象的概念形象化，幫助學生掌握測量、角度等知識概念；Yang D等[13]結合人工智能技術將教育機器人應用于體育教學，通過建立基于語音交互的人工智能教育機器人，構建混合體育教學模式，實現對學生的個性化教育，為開展人工智能教學、促進教育機器人在不同教學場景的發展開拓新的思路。

2.4 應用測評研究

針對教育機器人是否該使用，以及使用后將會對學生產生怎么樣的影響，研究者們積極探索，實踐應用，對教育機器人應用于教學各方面態度、實踐的評價歸為應用測評研究，國外學者們相較于國內學者關注得更多一些。侯浩翔等[14]采用Meta分析法處理了國內外的實驗和上千條樣本量對教育機器人能夠提升學生的創造力展開研究，最后建議建構適用于機器人教學的創客教育模式，促進軟硬環境的教育機器人經費投入。Sharkey AJ C等[15]從教育機器人作為同伴、作為課堂教師、作為遠程機器人教師以及作為引導伙伴四種角色對教育機器人展開研究和測試，并得出若只是單純作為教師，則不被學生歡迎，而同伴在不影響學生學習的情況下應該給予支持，最后提出了教育機器人能夠在課堂上通過其他無法獲得的教育體驗來改善目前有限的教學狀況；Song J B等[16]考察使用教育機器人進行STEM融合教育對學業成績和數學與科學學科態度的影響，實驗表明對學生的情感態度產生了很多的正向影響，使用教育機器人進行STEM融合教育可以成為激發學生數學和科學學科興趣的方案之一。

3 教育機器人應用研究現狀

通過對上述國內外研究評述進行總結，教育機器人教育導向的研究現狀如下：

①理論研究更新較慢，國內外的理論研究都存在相同的問題，較為權威的理論性文章之間間隔年份都比較長，可能的原因是理論需要實踐測評來檢驗，而從理論提出后需要經過功能構建、場景分析，再到最后的測評才能得出一個權威的理論，周期較長，導致更新緩慢。

②功能特性研究是國內的研究熱點，國外相對較少。在人工智能快速發展的背景下，近幾年里國內有關政策推動人工智能教育的迅速發展，使得研究者們積極投入人工智能各種技術的研究中，并將這些技術應用于教育機器人使其具備特定的功能服務教育教學。

③應用場景的研究一直以來都是國內外的關注重點，從種類較多的語言類教學和工科類示教，到創新性的場館教育和體育教育學科中，可以看出研究者們對場景應用的重視。

④相較于國外，國內更欠缺應用測評方面的研究，國內側重于教育機器人對學生核心素養的測試，國外則側重于對學生學習態度和學習興趣的影響。

4 展望

時代在不斷進步，研究者應該及時提高理論思想，加強國內外理論研究的投入，在關注技術問題的同時也要注意理論知識的更新。不斷擴大應用場景研究的范圍和學科領域，積極創新，為促進教育機器人與各種教學場景的融合而努力。國內也應該有效借鑒國外的研究成果，促進我國應用測評研究的發展，或者借鑒國外優秀的測評結果應用于教育機器人的技術功能研究和發展。