機器人在教育中的應用研究分析：現狀與思考

張瑞陽

（南京郵電大學教育科學與技術學院，江蘇南京 210000）

0 引言

目前，機器人正逐步走進大、中、小學課堂。2017 年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》對教育機器人在全國范圍內的推廣和普及起到了極大的推動作用。教育機器人的應用為各級教育提供了極大便利［1］，對于普及素質教育、培養學生信息素養、提高學生創新與實踐能力具有重要現實意義。

“教育+機器人”既指將機器人技術應用于教育教學環節，也指機器人知識與技術的教授，前者同教育機器人含義相關，從存在形態來看，可分為實體教育機器人與虛擬教育機器人；從功能來看，可分為主講型、輔導型、情感型機器人輔助教學系統等［2］。對“教育+機器人”的分析與研究能更好地促進教育智能化發展，激發機器人在教育領域的發展潛力，擴大其應用范圍。

文獻計量方法為“教育+機器人”的研究分析提供了新的視角與框架，可有效揭示當前研究熱點與未來發展趨勢，為反饋研究的精準定位、路徑分析、發展前景提供重要參考與指導。本文選擇CiteSpace 文獻計量工具對近10 年來機器人在教育中應用的相關文獻進行分析，以期掌握該領域的研究趨勢并提出建設性發展建議。

1 研究方法

在Web of Science（WOS）平臺采用基本檢索方式，主題詞設為“education”并含“robot”，檢索時間范圍設為2011-2020 年，檢索數據庫為SSCI 和SCI，剔除會議摘要、報告文檔等，得到代表性文獻666 篇。在Windows10 操作系統中運行CiteSpace5.7.R2 版本，時間設置為2011-2020年，切片為1，節點類型根據分析需求進行選擇，勾選“Pathfinder”和“Pruning silced networks”，對檢索文獻進行計量學分析。

2 研究結果

2.1 年度發文量

2011-2020 年，WOS 平臺上發表的關于“教育+機器人”主題的年度文獻數量分布如圖1 所示?？梢钥闯觯l文量整體呈現增長態勢。2011 年左右，早教故事機出現在大眾視野，受到廣泛追捧，自此教學機器人開始迅速發展；2014 年，諸多企業涌入教育機器人領域，推動了機器人行業的發展；2015 年，人工智能技術取得突破性進展，擁有精密算法與豐富數據的智能機器人走上舞臺，開始為教育行業提供更高端的技術支持；《2019 全球教育機器人發展白皮書》在北京發布，探討了教育機器人的創新應用途徑，同年發文量開始跨越式增長；2020 年，中央印發《教育機器人行業發展“十三五規劃綱要”》，指出要擴大機器人行業規模，提高教育機器人滲透率，各地隨后紛紛出臺政策吸引大批教育機器人企業入駐。同時，擁有較高信息素養的90后、00 后開始成為教育機器人的消費主力軍，為該領域帶來了不小的資金流。因此，該年發文量達到頂峰。隨著計算機理論與技術的變革創新，以及越來越多的人資投入，教育與機器人將更加緊密融合，前景可期。

Fig.1 Distribution of annual"education+robot"literatures issued by WOS platform from 2011 to 2020圖1 2011-2020年WOS平臺“教育+機器人”年度發文量分布

2.2 文獻被引頻次與分布領域

在CiteSpace 主操作界面選擇節點類型為“Reference”，按照被引頻次對666 篇文獻進行降序排列，被引次數排名前10 位的文章信息見表1。然后選擇節點類型為“Category”，按照相關文獻發表數量對期刊進行降序排列，相關發文量排名前10 位的期刊信息見表2。

Table 1 Top ten cited literatures表1 被引次數排名前10位的文章

Table 2 Top 10 journals in terms of related publication volume表2 相關發文量排名前10 位的期刊

從被引文獻與期刊類型可以看出，涉及教育領域的機器人研究主要圍繞特殊教育中的機器人應用、校內機器人應用、機器人與醫療教育相結合3個方面展開。

2.2.1 特殊教育中的機器人應用

特殊教育一直是教育機器人領域關注的重點方向之一。特殊教育中的學生主要包括自閉癥學生、視盲學生、聽障學生等。目前機器人主要從兩個方面實現對特殊學生的教育輔助：一是以技術彌補身體缺陷，縮小特殊學生與普通學生的差距［3］。例如科大訊飛公司研發的“聽見語音轉寫系統”在聽障兒童學習課堂中廣泛應用，實現了對聽障學生的授課，提高了其認知水平；二是緩解部分心理疾病兒童的交流負擔，漸進式促進學習效果提升。一些患有自閉癥的學生可能更喜歡使用機器人而不是人類作為技能教師［4］。有研究表明，機器人與兒童的互動有助于引發特征行為，如持續性交流［5］。當前針對自閉癥兒童康復和學習的機器人設計較多，例如基于NAO 平臺設計的陪護機器人能在一定程度上緩解自閉癥兒童病情［6］，并提高其社交能力。特殊學生的現代化教育極其必要，今后應深入研發特殊教育機器人的交互功能，實現對特殊學生技能的培養、情緒的及時獲知以及情感上的自然溝通。

2.2.2 校內機器人應用

機器人在校內教學環境中的應用可以分為兩大類，一類是將機器人或與機器人有關的技術應用于學科教學中［7］，如計算機編程或工程設計等學科，通過程序編寫和機器人功能的直觀呈現，促進理論學習與實踐操作相結合，提高學生的動手能力；另一類是較為智能的教學輔助機器人技術，能夠幫助教師進行管理、決策或執行重復性任務，對學生進行測評和輔導。例如，斯坦福大學成立的人工智能機器人和教育研究中心利用機器人等人工智能技術設計了較為完善的教育系統，有效實現了智能輔導、智能測評等，一定程度緩解了教師的教學負擔，增強了學生能力評估的科學性［8］。然而，目前部分學者認為機器人技術引入教育環境的方式過于狹隘［9］，教育機器人具有廣泛的教學適用性、友好的人機交互性等特點，能夠提升學生的學習興趣并改善教師教學效果，未來需要探索更多機器人與教育教學相結合的設計以發揮其最大效用。

2.2.3 機器人與醫療教育結合

隨著外科手術復雜性的增加，在手術室外使用機器人模擬器對醫技人員進行培訓變得越來越常見［10］，可有效提高受訓者的操作技能水平［11］。例如，達芬奇手術機器人是一種高級醫療機器人平臺，由于具有高自由度、高精確度以及豐富的輔助功能而受到醫務人員的青睞，成為許多外科手術的主流選擇［12］。這樣的高精度機器人平臺需要適配相應的機器人模擬器，模擬器是實習生在正式操作手術系統前用于學習與鍛煉技能的工具，研究表明，經過模擬器訓練后受訓者所掌握的技能可以支持其直接進入手術室進行操作［13］。機器人模擬器的相關研究一直受到國內外學者重視，尤其是虛擬現實技術、仿真模擬技術在醫療領域的不斷應用使模擬器功能得到了進一步擴展與完善。

3 文本分析

3.1 關鍵詞頻次與中心性分析

關鍵詞頻次分析是指對文獻中關鍵詞出現的次數進行統計，以分析某個時間段內的研究熱點。如表3 所示，對666 篇文獻中關鍵詞的出現頻次進行降序排列，分別為教育、機器人、機器人學（技術）、系統、技術、仿真、設計、兒童等。中心度表示關鍵詞在某一研究領域的重要程度，按照中心度大小降序排列依次為技術、機器人科學（技術）、性能、教育機器人、虛擬現實、機器人、系統、增強現實、人工智能、學習曲線、系統等。兩種方法對關鍵詞的排序結果接近，可以看出目前“教育+機器人”的研究主要圍繞機器人系統的設計開發展開，涉及的技術新穎且范圍較廣，如仿真模擬、增強現實、虛擬現實等。“教育+機器人”涉及的學科包括教育學、機械工程學、計算機學、外科學等，其通過多學科理論與技術的高度交叉融合為現代教育提供信息化支撐。

3.2 關鍵詞突現性分析

突現性關鍵詞是指短時間內發生躍遷現象的關鍵詞，突現性數值越高，說明該關鍵詞在某一時間段內的頻次增長率越高，反映了該領域的研究方向變化情況。由圖2 可知，機械工程、機器人教育、工程教育、機器人學、移動機器人、教育機器人等關鍵詞在早期便已受到極大關注，且突現持續時間長，其中機械工程、機器人教育、工程教育突現強度較高，這是由于機器人教育與工程教育持續火熱，結合2019 年“新工科再深化”的呼吁，預測未來其熱度將有增無減。計算思維、學生主體、手術技能等關鍵詞于近年開始突現，其中計算思維、學生主體等突現強度較高，這是由于學習者的信息技術知識和技能是《教育信息化2.0 行動計劃》中強調的重點，相關研究必將持續熱門。重視學生主體地位、提高個性化學習效果是教育界長久以來改革的方向，結合智能技術的教育如何創新，以滿足學習者的個性化需求將成為未來很長一段時間內的研究要點。

Table 3 Frequency and centrality rank of keywords表3 關鍵詞頻次與中心度排序

3.3 多學科交叉融合

機器人納入教育教學的基礎可分為兩個方面進行構建：一是從技術教育的角度，與機器人相關的技術、工程知識和技能的傳授必不可少；二是從教育技術的角度，機器人的教育應用需要計算機科學技術的支撐，關鍵技術要圍繞學生主體特征進行匹配設計。技術應用于教育的最終目的是培養人，機器人在教育中的最終發展走向是服務學習。

3.3.1 機器人與工程教育

工程教育在時代發展潮流中不斷進步，“五大深化”的號召對于其學科理念、組織創新、產教深化起到關鍵作用［14］。同時，工程教育持續保持“以學生為中心”的理念，并落實于人才培養方案的制定和實施、人才培養模式改革以及教育教學資源建設的全過程［15］。

Fig.2 Emergence analysis of keywords圖2 關鍵詞突現性分析

目前，人們已經意識到工程教育不能僅集中于某一階段，中小學工程教育、大學工程教育、繼續工程教育的聯系日益緊密［16］。中小學工程教育在培養學生工程素養、動手能力等方面具有極大價值。我國中小學工程教育起步較晚［17］，但持續受到重視。研究表明，中小學機器人教育對于推進創客教育、STEM 教育和人工智能教育，培養創新型人才、提高中小學生科學素養具有重要現實意義［18］，未來需投入更多指引和輔導。大學工程教育偏專業性，為我國的社會發展培養了大批工程科技人才。機器人在大學工程教育中扮演的角色多為機械工程工具、計算機比賽機器人、管理類智能機器人系統等，應用于其他學科的機會較少。未來工程教育正在向跨學科、跨領域、跨文化合作方向轉變［19］，這有利于“教育+機器人”獲得更為廣闊的發展空間。

3.3.2 機器人與計算機技術

計算機技術為機器人的應用奠定了軟件基礎，網絡工程、軟件工程、智能科學與技術等持續推動機器人的創新設計與長久發展。當前時代背景下要求教育機器人要具有“類人”特點，要求其能獲取學生學習過程中的認知特點、能夠存儲、分析、推斷個性化信息，認知計算與知識圖譜技術可支持這些功能的實現。

認知計算是計算機模仿人腦處理信息并增強人類決策能力的技術［20］，涉及計算機科學、人工智能、認知心理學等領域知識。了解認知規律與模擬認知過程可以幫助教學組織者掌握學生認知狀態，提高其認知水平。例如Duolingo 聊天機器人可獲取、分析與反饋信息，通過與用戶對話不斷學習從而變得越來越智能，以便為用戶提供個性化外語學習服務。

教育機器人需要能夠轉化、存儲和理解與人互動過程中獲得的信息，并對其進行結構化處理，這其中涉及到知識圖譜技術。知識圖譜可以結構化形式對客觀世界中概念實體之間的關系進行描述，便于組織、管理和理解大量信息［21-22］。目前知識圖譜很大程度上依賴人工建構，工作量大且成本高昂［23］。教育過程中海量非結構化信息不斷生成，亟需研發自動化知識圖譜建構方法。

4 視圖分析

4.1 共現圖譜分析

選擇節點類型為“Keyword”，其他設置不變，運行后得到關鍵詞共現圖譜，結果見圖3。圖譜中節點數量代表關鍵詞數，節點大小表示該關鍵詞所受關注程度?？梢钥闯觯皺C器人+教育”領域的研究熱點為教育、機器人技術、技術、外科學、學生本體等，多學科融合特點顯著，注重學生技能學習和作為教學主體的思想也能從中窺見一斑。虛擬現實、人機交互、虛擬仿真等新興技術也在不斷與機器人融合，“智慧+”環境下的教育也在嘗試突破固有框架。

通過節點之間的連線可以了解關鍵詞之間是否具有某些關聯，如機器人手術與仿真模擬有一定聯系，通過對實習生進行仿真模擬培訓可使其熟練操作機器人手術系統；再如兒童與技能有一定聯系，兒童在學習過程中不僅要掌握學科知識，還要具備基礎的動手能力、思維能力，如在兒童機器人編程課程上進行機器人的簡易組裝。

Fig.3 Co-occurrence map of keywords圖3 關鍵詞共現圖譜

4.2 時間線視圖分析

在“Control Panel”中選擇“Layout”，下拉框中選擇“Timeline View”得到時間線視圖，結果見圖4。該圖是將聚類包含的關鍵詞按照時間順序展開，右側為關鍵詞聚類結果，側重于描述研究領域的知識結構，對關鍵詞進行分類以顯示研究熱點，用于了解研究方向分布及未來趨勢；左側為時間線以及各種關鍵詞（特征詞）。

Fig.4 Timeline view圖4 時間線視圖

“教育+機器人”領域的關鍵詞聚類包括機器人手術、傳感器、自閉癥、工程教育、基礎教育、力值計量、機器人輔助手術、樂高NXT、社會機器人等。由機器人手術、機器人輔助手術等聚類結果可知該領域持續聚焦醫學教育與機器人相結合的研究；由傳感器、力值計量等聚類結果可以看出，機器人的設計、開發與應用依舊是重中之重。作為智能系統的載體，機器人承擔著上通下達的任務，優良的機械操作能給操作者帶來舒適體驗，完備的技術支撐能帶來更好的教學效果；工程教育、基礎教育等聚類結果表明研究回歸了學習主體，信息時代下的智能教學始終要堅持以學習者為中心、為學習者服務的根基。教師在教育機器人的輔助下識別、掌握學生的學習狀態，并隨之進行針對性教學任務調整，做到因材施教。

5 存在問題

機器人的存在為教學帶來了便利，為教育創新輸送了活力，同時也帶來了一些值得思考的問題。

5.1 學生幼稚化問題

教育機器人能幫助學生查詢、獲取、交流與傳遞知識信息，對學習路徑進行記錄、分析和規劃，對學習內容進行記錄、調用、分析和調整，可以說教育機器人是貼心學習管家，為學生提供周到的學習服務，省事省力且提升成績效果明顯，給予學生十足的成就感。但換個角度思考，以往需要學生自我反思、整理錯題的環節被智能分析系統逐漸取代，自我探索學習與內化知識的過程逐漸被淡化，一切被機器人規劃好的學習計劃所代替。學生自己查詢資料并探索篩選所需知識的整個學習過程是立體的，而由機器人對學生學習狀態分析后提供的精準知識點學習路徑雖然更加便捷，但卻省去了大量自我探索過程，少了幾分深度。知識的內化過程需要學生親自體會，在整個過程中培養探索性與創新性思維。

5.2 學生隱私問題

基于人工智能和計算機技術，教育機器人能夠獲取學生的個性化信息，包括基本信息、學習狀態、生活狀態、情感狀態、身體素質、個體缺陷等。正規的教育機器人會充分利用這些信息，為學生提供合適的學習支持。然而目前有些關于學生的隱私數據被儲存在科技公司的數據庫中，一些公司會通過數據分析獲取學生個人薄弱點，方便“對癥下藥”，通過這些數據操控學生，進而為公司謀取更大利益。若這些數據落入不法分子手中，后果將更難以預想。

5.3 教師角色問題

目前尚處于弱人工智能時代，機器人在課堂中主要以輔助學習工具的角色存在，教師對于課堂教學的把握權較為集中。隨著智能機器人水平的提高，其開始有能力承擔起部分教學任務，教師是選擇棄之不用？還是適當接受？接受了又該如何恰當地嵌入教學環節？一些教師選擇了棄用，認為多了一個課堂角色，一切都要重新規劃；還有一些教師因為沒有類似的人機合作教學經歷而不善使用。如何正確處理與機器人之間的關系，如何使合作有序，如何定位各自的角色，都是值得教師去思考的。但是有一點是可以確定的，即教師的主體地位不會被取代。機器人進入課堂需要長期規劃和不斷優化，就像當初計算機進入課堂，都需要一個熟能生巧的過程。教師應不斷提高自身信息素養，正確定位自身與機器人的合作關系，摸索最適合自身課堂講授的教學方式。

6 結語

基于以上對“教育+機器人”的文獻計量學分析，認為機器人對教育環節的創新改良、學習環境的改善等起到了積極促進作用。當前，多學科融合教育、個性化培養等備受關注，筆者思考了教育教學與機器人的融合方式，從多學科融合、教師主體、學生主體3 個方向對“教育+機器人”的發展路徑提出了建議。

6.1 加強多學科融合

工程教育思想應滲透到各個學習階段，而多學科融合將有效促進工程教育中學生思維與技能的培養。創客教育、STEAM 教育以及STREAM 教育都起到了促進多學科實踐與創新能力培養的作用，為多學科融合教育提供了堅實保障。其中創客教育融合科學、技術、工程、藝術、數學等知識與技能［24］，遵循提高學生創新精神與創造能力、促成學生腦與手相結合的教育理念；STEAM 重視學生跨學科綜合能力的培養，促進學生動手實踐能力養成，以培養適應社會發展的復合型人才［25］；STREAM 是對STEAM 的補充和完善，在STEAM 教育的基礎上增加了閱讀和寫作技能培養。目前常用STEAM 教學工具包括AELOS 機器人、Cellrobot 機器人等［26］。AELOS 機器人擁有不同版本，其教育版可提供編程訓練、學生培訓、機器人競賽等服務，包括硬件操作與軟件編寫，充分給予教師靈活進行STEAM 和創客教育的權力；Cellrobot 機器人更為友好與靈活，模塊化的設計使其能夠充分提高學習者的創新和實踐能力，預設的程序也可使初學者快速體驗到學習的樂趣。

6.2 培養學生自覺性

教育機器人能夠便捷和精確定位學生的學習狀態，使其從繁瑣、復雜、機械性的學習過程中解脫出來，獲得清晰的學習規劃。然而，難免會有學生不假思索地跟著規劃好的方向學習而丟失自身節奏；還有學生會產生功利心態，只學習機器人篩選好的知識，不再額外進行探索，這與教育機器人設計的初衷相違背。學生在使用機器人進行輔助學習的過程中要正確意識到自身主體地位，首先要對自身情況有清晰的判斷，同時詢問教師與同學們的建議，再結合機器人規劃，綜合考量后調整學習方法，并時刻保持求真、冒險和探索的心態。教育機器人的輔助確實會使學習更具針對性，但也少了很多有趣的知識探索與挖掘過程。安排和規劃不應成為學習的主導，每位學習者都應發揮主觀能動性，成為教育機器人的主人，而非被主導者。

6.3 肯定教師指導權

圍繞教育主體問題的討論一直在持續，無論是教師主體論、學生主體論還是雙主體論，對于“教師在教育教學環境中的引導和指導作用極為重要”這一觀點均持肯定態度。然而，教育機器人的出現給這種觀點打上了一個問號，一是教師的智能教育素養能否支持教育機器人的教學輔助應用？二是未來智能機器人具備“類人”或“超人”能力后是否還需要教師對學生進行學習指導？

關于第一個問題，智能教育素養是在人工智能技術融合教育背景下提出的概念。2018 年，教育部出臺《教育部辦公廳關于開展人工智能助推教師隊伍建設行動試點工作的通知》，其中提到幫助教師把握人工智能技術進展，推動教師積極運用人工智能技術，改進教育教學、創新人才培養模式［27］。教師智能教育素養包含兩方面內容：一是教師要掌握有關人工智能技術的知識概念；二是教師要能夠將相關技術應用于教學改革創新和人才培養中。由此可以從兩個方面解決第一個問題：從教師層面看，教育機器人不應被孤立，教師的教學設計要體現機器人的輔助作用；從學校層面看，要組織教師參與提升智能教育素養的相關活動，重視教師、學生的反饋意見，以便及時發現問題并積極改善。

關于第二個問題，《教育的目的》一書中提及：“在教育過程中，一旦你忘記了你的學生是有血有肉的，那么你就會遭遇悲慘的失敗。”［28］學生是擁有思維、情感、性格、態度等一系列復雜屬性的能動的人，使其獲取知識的方法不能是簡單的灌輸，還要結合學生的思維方式、學習特點、學習態度、學習情緒等設計和采取不同的教學方法。智能教育機器人雖能給予學生豐富的學科知識，推薦合適的學習路徑，但一旦學生的情緒出現波動需要交流宣泄，或者學習態度消極，機器人能捕捉到的信息會很少，難以準確判斷學生的學習狀態，而此時教師能夠快速回應學生傾訴并準確給予指導，及時調整其學習狀態。因此，未來教師與教育機器人應該是人機協同的關系，且教師一定要具備足夠的智能教育素養，能夠嫻熟地運用教育機器人提供的各種教學資源［29］。相信未來機器人技術的發展會給教育行業帶來更大應用價值，注入更多新鮮活力。