國(guó)際視野下教育機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)——基于對(duì)25項(xiàng)系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述的再綜述

楊 凝

國(guó)際視野下教育機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)——基于對(duì)25項(xiàng)系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述的再綜述

楊 凝

（北京科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083）

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，教育機(jī)器人成為了提升學(xué)生能力和素養(yǎng)的重要路徑。基于此，文章采用系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述的方法，對(duì)來(lái)源于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)的25篇教育機(jī)器人系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述進(jìn)行再綜述，先從研究主題、研究對(duì)象、研究結(jié)論與討論三個(gè)方面分析了研究現(xiàn)狀；隨后提出了教育機(jī)器人的四個(gè)研究與發(fā)展趨勢(shì)，包括加強(qiáng)跨學(xué)科取向的機(jī)器人教育課程開(kāi)發(fā)和教學(xué)研究，完善機(jī)器人教育學(xué)習(xí)成效的測(cè)量、評(píng)估和驗(yàn)證，強(qiáng)調(diào)教育機(jī)器人的角色及情感交互，審視教育機(jī)器人發(fā)展的倫理問(wèn)題。以期為教育機(jī)器人的研究者提供參考并為國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)提供支撐。

教育機(jī)器人；機(jī)器人教育；社交機(jī)器人；系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述

國(guó)務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和教育部頒布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》相繼將研發(fā)智能教學(xué)助手、教育機(jī)器人等作為發(fā)展智能教育的重要舉措，同時(shí)強(qiáng)調(diào)在中小學(xué)階段開(kāi)設(shè)人工智能和編程課程等相關(guān)內(nèi)容[1][2]。2018年，教育部要求在高中通用技術(shù)課程增加“機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作”模塊[3]。2021年，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）發(fā)布《數(shù)字教育展望2021》報(bào)告，明確提出教育機(jī)器人的出現(xiàn)使教師角色開(kāi)始轉(zhuǎn)變[4]。事實(shí)上，伴隨人工智能、大數(shù)據(jù)分析、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，教育機(jī)器人被越來(lái)越多地整合到STEAM課程中，成為跨學(xué)科教育、人機(jī)協(xié)同教育等的重要工具和手段，對(duì)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的問(wèn)題解決、元認(rèn)知、計(jì)算思維、系統(tǒng)思維、創(chuàng)新等高階能力具有重要意義[5][6]。一般來(lái)說(shuō)，教育機(jī)器人涉及機(jī)器人教育（Educational Robotics）和教育服務(wù)機(jī)器人（Educational Robot）兩大領(lǐng)域，前者往往是一種鼓勵(lì)學(xué)生使用編程語(yǔ)言操作模型解決問(wèn)題的教學(xué)工具（如樂(lè)高機(jī)器人），而后者往往是輔助與管理教或?qū)W過(guò)程的服務(wù)型機(jī)器人（如社交機(jī)器人）[7][8]。目前，國(guó)際上有關(guān)教育機(jī)器人的研究呈井噴式增長(zhǎng)，為了更加全面、系統(tǒng)地梳理教育機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)，本研究對(duì)已有的系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述進(jìn)行再綜述，以期為教育機(jī)器人的研究者、實(shí)踐者和設(shè)計(jì)者提供參考，并為國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)提供支撐。

一 研究方法

系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述是一種可以識(shí)別、評(píng)估、解釋與某一特定研究問(wèn)題、主題領(lǐng)域或感興趣的現(xiàn)象相關(guān)的所有可獲得研究的方法[9]。本研究采用系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述的方法，對(duì)發(fā)表在國(guó)際期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議上的教育機(jī)器人系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述進(jìn)行再綜述。

1 文獻(xiàn)檢索與篩選

2021年12月，本研究對(duì)發(fā)表于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，并于2022年5月做進(jìn)一步補(bǔ)充。檢索主題詞為“robot*”并含“educat*”“l(fā)earn*”“teach*”并含“review”“meta-analys”“research synthesis”，發(fā)表年份不限，前后共檢索到45篇英文文獻(xiàn)。本研究的文獻(xiàn)納入納出標(biāo)準(zhǔn)如下：①研究主題為教育機(jī)器人，與教育機(jī)器人無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)予以排除；②研究應(yīng)為系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述，故敘述性文獻(xiàn)綜述、原始研究等方面的文獻(xiàn)予以排除。依據(jù)文獻(xiàn)納入納出標(biāo)準(zhǔn)，本研究首先根據(jù)文獻(xiàn)的標(biāo)題和摘要，初步排除不符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)3篇；接著通過(guò)瀏覽全文，進(jìn)一步排除不符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)17篇。最終納入符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)有25篇，其中期刊論文21篇、會(huì)議論文4篇，有22篇進(jìn)行系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述、有3篇進(jìn)行元分析。

2 文獻(xiàn)編碼

為便于整合分析，本研究對(duì)納入文獻(xiàn)的關(guān)鍵信息進(jìn)行編碼，提取了研究基本信息、研究主題與問(wèn)題、研究設(shè)計(jì)與方法、研究結(jié)論與討論四個(gè)維度的信息，文獻(xiàn)編碼表如表1所示。其中，研究方法分為系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述和元分析兩種。同時(shí)，本研究將研究主題劃分為六個(gè)類別：①教育機(jī)器人與課程教學(xué)；②教育機(jī)器人與特殊教育；③教育機(jī)器人與學(xué)生素養(yǎng)和能力發(fā)展；④教育機(jī)器人與教學(xué)策略；⑤教育機(jī)器人倫理；⑥教育機(jī)器人論文常用研究設(shè)計(jì)與方法。

表1 文獻(xiàn)編碼表

二 研究現(xiàn)狀

在納入的25篇與教育機(jī)器人有關(guān)的文獻(xiàn)中，最早一篇發(fā)表于2012年，發(fā)表于近五年（2018～2022年）的有22篇，發(fā)表于近三年的（2020～2022年）的有17篇；納入文獻(xiàn)數(shù)量最多的為256篇，最少的為9篇，平均37篇；在文獻(xiàn)發(fā)表來(lái)源中，發(fā)表相關(guān)綜述數(shù)量最多的期刊是（=4）。下文主要從研究主題、研究對(duì)象、研究結(jié)論與討論三方面進(jìn)行現(xiàn)狀分析。

1 研究主題

在研究主題方面，已納入的研究綜述較多關(guān)注“教育機(jī)器人與學(xué)生素養(yǎng)和能力發(fā)展”（=14），其次是“教育機(jī)器人與課程教學(xué)”（=10）、“教育機(jī)器人與教學(xué)策略”（=7）和“教育機(jī)器人相關(guān)論文常用研究設(shè)計(jì)與方法”（7），而關(guān)注“教育機(jī)器人與特殊教育”（4）和“教育機(jī)器人倫理”的研究綜述最少（1）。

可見(jiàn)，“教育機(jī)器人與學(xué)生素養(yǎng)和能力發(fā)展”和“教育機(jī)器人與課程教學(xué)”兩個(gè)主題一直以來(lái)備受關(guān)注，也是今后持續(xù)受關(guān)注的主題；而伴隨教育機(jī)器人的教學(xué)應(yīng)用越來(lái)越多，教育機(jī)器人倫理也將成為亟需關(guān)注的問(wèn)題。

2 研究對(duì)象

大多數(shù)綜述關(guān)注的研究對(duì)象是適用于所有年齡階段的教育機(jī)器人（=9），其次是中小學(xué)階段的學(xué)習(xí)者（=8），也有部分研究關(guān)注教育機(jī)器人在特殊群體（如孤獨(dú)癥譜系障礙患者）（=5）中的應(yīng)用。此外，少數(shù)研究關(guān)注學(xué)齡前兒童（=2）和大中專學(xué)習(xí)者（=1）。

3 研究結(jié)論與討論

絕大多數(shù)研究明確肯定了教育機(jī)器人的積極作用，但也提到了機(jī)器人采用的角色和個(gè)性化程度、學(xué)習(xí)者的年齡及所處學(xué)段、學(xué)習(xí)內(nèi)容和策略、交互類型等因素的調(diào)節(jié)作用。已有研究綜述較多地聚焦于教育機(jī)器人在教學(xué)中的應(yīng)用潛力，關(guān)注教育機(jī)器人在支持學(xué)生素養(yǎng)和能力發(fā)展（如問(wèn)題解決、自我效能、計(jì)算思維、創(chuàng)造力、動(dòng)機(jī)等）方面的積極作用[10]。此外，教育機(jī)器人還可以幫助特殊群體的學(xué)生培養(yǎng)社會(huì)心理技能和進(jìn)行語(yǔ)言學(xué)習(xí)[11]。

不少機(jī)器人教育類研究鼓勵(lì)要設(shè)計(jì)低成本機(jī)器人和開(kāi)源硬件，甚至遠(yuǎn)程或虛擬機(jī)器人，以控制開(kāi)展機(jī)器人教育的成本，幫助更多學(xué)校開(kāi)設(shè)相關(guān)課程[12]。而對(duì)于教育機(jī)器人來(lái)說(shuō)，機(jī)器人行業(yè)要將道德價(jià)值觀融入輔導(dǎo)類機(jī)器人的設(shè)計(jì)之中[13]。

目前，有關(guān)教育機(jī)器人的研究成果多以非實(shí)驗(yàn)研究為主，而使用實(shí)驗(yàn)研究和準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究的研究成果相對(duì)較少，尤其是具有良好實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的研究成果非常少。有關(guān)教育機(jī)器人在教學(xué)實(shí)踐中有效性的檢驗(yàn)，還需借助良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、有效的實(shí)驗(yàn)樣本選擇和詳細(xì)可行的評(píng)估工具。

三 研究趨勢(shì)

本研究從國(guó)際視角切入，通過(guò)對(duì)25篇系統(tǒng)化文獻(xiàn)綜述的再綜述，總結(jié)提煉出教育機(jī)器人的四個(gè)研究趨勢(shì)：前兩個(gè)趨勢(shì)主要針對(duì)機(jī)器人教育，后兩個(gè)趨勢(shì)則主要面向教育機(jī)器人。

1 加強(qiáng)跨學(xué)科取向的機(jī)器人教育課程開(kāi)發(fā)和教學(xué)研究

為惠及更多的學(xué)習(xí)者，不僅需要設(shè)計(jì)低成本的機(jī)器人、開(kāi)設(shè)更多的選修課程或課外項(xiàng)目，更需要將機(jī)器人教育整合到學(xué)科教學(xué)中。在課程開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，要關(guān)注學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特征，滿足其學(xué)習(xí)需求。未來(lái)不僅要重視機(jī)器人教育與學(xué)科課程的整合，還要加強(qiáng)相關(guān)的教學(xué)應(yīng)用研究，特別是面向少數(shù)群體或低年齡階段學(xué)習(xí)者的教學(xué)應(yīng)用研究，驗(yàn)證其教學(xué)成效，以制定跨學(xué)科取向的機(jī)器人教育的有效教學(xué)策略。更為重要的是，要為教師提供個(gè)性化且可持續(xù)的專業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)，既要向教師提供關(guān)于機(jī)器人本身的學(xué)科內(nèi)容知識(shí)培訓(xùn)，也要向教師提供相關(guān)教學(xué)法的培訓(xùn)。

2 完善機(jī)器人教育學(xué)習(xí)成效的測(cè)量、評(píng)估和驗(yàn)證

將機(jī)器人技術(shù)整合到學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程中，會(huì)更好地激發(fā)原本對(duì)科學(xué)或技術(shù)相關(guān)學(xué)科沒(méi)有直接興趣的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升其高階能力；另外，機(jī)器人教育支持許多高階能力的發(fā)展，如解決問(wèn)題、自我效能、計(jì)算思維、創(chuàng)造力、協(xié)作等。然而，多數(shù)關(guān)于在教育中使用機(jī)器人技術(shù)的文獻(xiàn)都是描述性的，關(guān)于機(jī)器人教育效果的實(shí)證研究特別是設(shè)計(jì)精良的實(shí)驗(yàn)研究還相對(duì)比較缺乏。基于此，如何驗(yàn)證機(jī)器人教育對(duì)學(xué)生高階能力的培養(yǎng)、如何評(píng)估學(xué)生的高階能力，將是未來(lái)關(guān)注的研究話題。

3 強(qiáng)調(diào)教育機(jī)器人的角色及情感交互

教育機(jī)器人扮演助教或?qū)W習(xí)伙伴的角色，將其整合到課堂中將會(huì)引發(fā)人類教師與機(jī)器人教師如何共存、交互等相關(guān)問(wèn)題。另外，機(jī)器人教師和人類教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、情感體驗(yàn)的比較研究也需要關(guān)注。以語(yǔ)言學(xué)習(xí)為例，首先，由于機(jī)器人可以記錄每個(gè)學(xué)習(xí)者的中介狀態(tài)和目標(biāo)活動(dòng)的進(jìn)度，這就使機(jī)器人個(gè)性化反饋對(duì)語(yǔ)言學(xué)習(xí)的影響成為了一個(gè)重要的研究主題。其次，應(yīng)驗(yàn)證不同的語(yǔ)言和非語(yǔ)言即時(shí)性對(duì)機(jī)器人助教或機(jī)器人教師的影響[14]，其中，語(yǔ)言即時(shí)性是指使用語(yǔ)言試圖創(chuàng)造一種親密的感覺(jué)，而非言語(yǔ)即時(shí)性是指通過(guò)微笑、手勢(shì)、眼神交流、聲調(diào)、縮短身體距離等方式，創(chuàng)造與他人的聯(lián)系感。因?yàn)檫@些變量可能會(huì)促進(jìn)語(yǔ)言學(xué)習(xí)者的認(rèn)知和情感學(xué)習(xí)。最后，作為對(duì)話伙伴，未來(lái)應(yīng)著眼于探索機(jī)器人對(duì)提高語(yǔ)言學(xué)習(xí)者口語(yǔ)能力的研究[15]。

4 審視教育機(jī)器人發(fā)展的倫理問(wèn)題

目前，倫理問(wèn)題尚未引起教育研究者的重視。雖有研究明確指出，兒童在被允許與機(jī)器人互動(dòng)之前需獲得父母的知情同意，還要給教師提供可操作化的倫理指南[16]。然而，最易被忽視的核心倫理問(wèn)題是：兒童如何平等地獲得機(jī)器人？從教育公平的角度來(lái)看，這是一個(gè)需要重視的問(wèn)題，畢竟考慮到教育機(jī)器人的造價(jià)及其在課堂上部署的難度，能使用機(jī)器人的學(xué)生是少數(shù)[17]。

另外，機(jī)器人導(dǎo)師可能會(huì)對(duì)兒童、教師、家長(zhǎng)等利益相關(guān)者的價(jià)值觀產(chǎn)生負(fù)面影響，具體涉及人際交往的價(jià)值判斷、欺騙和信任、隱私、安全和責(zé)任等方面。對(duì)此，本研究建議在設(shè)計(jì)和運(yùn)行機(jī)器人導(dǎo)師時(shí)，要綜合考慮解決教師和兒童的價(jià)值觀。由于目前機(jī)器人導(dǎo)師引入對(duì)其他利益相關(guān)者價(jià)值觀影響的相關(guān)文獻(xiàn)較少，未來(lái)的研究還應(yīng)側(cè)重于以實(shí)證研究的方式確定機(jī)器人導(dǎo)師的價(jià)值觀和規(guī)范[18]。

四 結(jié)語(yǔ)

國(guó)際視野下教育機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)預(yù)測(cè)可為我國(guó)開(kāi)展教育機(jī)器人課程提供重要的參考。目前，教育機(jī)器人在我國(guó)學(xué)校課程中的應(yīng)用程度較低，原因可能主要在于：一方面，學(xué)校的支持力度不夠，資金投入不足，然而隨著科學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，借助相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)教育機(jī)器人課程、在中小學(xué)課堂普及教育機(jī)器人指日可待。另一方面，教師的機(jī)器人教學(xué)能力水平不高。在高等教育階段開(kāi)設(shè)教育機(jī)器人相關(guān)課程，對(duì)于未來(lái)教師相關(guān)能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。未來(lái)應(yīng)鼓勵(lì)科技工作者投入到教育機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，由此促進(jìn)我國(guó)教育機(jī)器人實(shí)用人才和研發(fā)人才的培養(yǎng)，從而更好地服務(wù)于教育教學(xué)。

需要指出的是，本研究也存在一定的局限，如受篇幅所限，很多重要的研究過(guò)程未能呈現(xiàn)；本研究是針對(duì)已發(fā)表的25篇研究綜述進(jìn)行再綜述，而研究綜述本身具有一定的時(shí)間滯后性，因此可能未關(guān)注到一些新近的教育機(jī)器人研究成果等。

[1]國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[OL].

[2]教育部.教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃[OL].

[3]教育部.教育部關(guān)于印發(fā)普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)的通知[OL].

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Research Status and Trends of Educational Robots in the International Perspective——A Review of 25 Systematic Reviews

YANG Ning

With the continuous maturity of artificial intelligence technology, educational robots/robotics are increasingly considered to be an important path to improve students’ ability and literacy. This paper uses the method of systematic review to re-summarize 25 systematic literature reviews of educational robots/robotics, and analyzes them from six aspects: curriculum teaching, special education, students’ literacy and ability development, teaching strategies, educational ethics, and common research design and methods. It digs out four major research trends of international educational robots, including strengthening interdisciplinary educational robotics curriculum research, measuring the effectiveness of robotics education evaluate and verify, emphasize the role and emotional interaction of educational robots, and examine the ethical issues of the development of educational robots, in order to provide reference for researchers of educational robots and support for the national educational digitalization strategic action.

educational robots; educational robotics; social robot; systematic review

G40-057

A

1009—8097（2022）06—0122—05

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.06.014

本文受2021年深圳市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題一般項(xiàng)目“人工智能倫理研究”（項(xiàng)目編號(hào)：SZ2021B005）資助。

楊凝，在讀本科，研究方向?yàn)闄C(jī)器人教育，郵箱為41907218@xs.ustb.edu.cn。

2022年1月10日

編輯：小時(shí)