應用類人型機器人提升幼兒同伴交往的問題解決能力：基于教育實驗的研究

[摘" "要] 從小掌握同伴交往的問題解決能力，對個體未來工作與生活質量具有深遠影響。在人工智能技術持續迭代發展的當下，關于類人型機器人輔助教育對幼兒同伴交往的問題解決能力的影響成效有待探索。研究從幼兒園中選擇70名4～5歲的幼兒作為干預對象，組成實驗組1（n=27）、實驗組2（n=20）和控制組（n=23），采用教育實驗法探究了類人型機器人對幼兒同伴交往的問題解決能力的影響。結果發現，類人型機器人對幼兒同伴交往的問題解決能力整體影響成效顯著，對同伴問題歸因、多元方法生成、行為策略決策的促進作用明顯，但未能提升幼兒的行為結果預測技能。研究對類人型機器人有效提升幼兒同伴交往的問題解決能力的作用機理進行了討論，構建了由“具身性互動”“教學性互動”“社交性互動”組成的類人型機器人輔助教育教學的三維保障，分析了類人型機器人在干預提升諸如行為結果預測這類復雜性社會技能上的自限性。研究結論有助于為開展基于類人型機器人的教育教學實踐提供科學指導。

[關鍵詞] 類人型機器人； 人工智能教育； 同伴交往的問題解決能力； 幼兒社會性； 教育干預

[中圖分類號] G434" " " " " " [文獻標志碼] A

一、問題的提出

同伴交往的問題解決能力（Peer Interactional Problem-Solving Skill）是指幼兒解決同伴交往問題的內在認知技能，包括同伴問題歸因、行為結果預測、多元方法生成、行為策略決策四個維度。在幼兒時期掌握同伴交往的問題解決能力的人，未來面臨學校、工作、家庭環境中的人際沖突時，能夠最大限度地實現雙方互利，維持良好的人際關系[1]。相反，在同伴問題解決上存在不足的幼兒，未來可能會遭遇學校、生活失敗的風險，如學業困難、社交拒絕[2-3]。幼兒同伴交往的問題解決能力并非天生，而需后天教育的加持。為此，學術界多基于教育干預研究范式探討提升兒童同伴交往的問題解決能力的適宜路徑[4-5]。隨著人工智能的迭代發展，以類人型機器人（Humanoid Robot）為代表的智能技術逐漸被應用于兒童教育干預研究中。類人型機器人指的是一種在現實環境中基于“以人為本”的方式與人類共同互動的實體化機器人，它能通過面部表情、身體和頭部運動、語音交流等與兒童進行互動。研究發現，類人型機器人通過故事講讀、對話引導等方式提升了兒童的情緒理解、社會性模仿技能[6-7]；相比其他學段，機器人對于學前兒童的促進效應最大[8]；相比于非認知技能，機器人對兒童認知技能的影響成效更大[9]；在實施低齡兒童啟蒙教育上，機器人具有合用性、可用性[10-11]。可見，應用類人型機器人輔助教育干預來提升幼兒同伴交往的問題解決能力，是優化傳統教育干預范式的一種新嘗試。本研究選擇類人型機器人作為實施教育干預的輔助性工具，采用教育實驗法探究類人型機器人輔助的教育干預模式對幼兒同伴交往的問題解決能力的影響，以檢驗類人型機器人在幼兒教育干預方面的價值，為高質量提升幼兒同伴交往的問題解決能力提供新的教育方法。

二、研究過程與方法

（一）研究被試

以4～5歲幼兒為干預對象。在一所普惠公立幼兒園抽取了三個中班，分別組成實驗組1（n=27，女童12名）、實驗組2（n=20，女童11名）和控制組（n=23，女童11名）。所有幼兒身心發育正常。為檢驗組別同質性，在實驗開始之前，對三組幼兒實施同伴交往的問題解決能力的前測。方差分析顯示，三組基線水平在統計學上是一致的（F總分=1.115，p=0.334gt;0.05；F同伴問題歸因=0.327，p=0.726gt;0.05；F行為結果預測=2.818，p=0.604gt;0.05；F多元方法生成=2.818，p=0.067gt;0.05；F行為策略決策=0.752，p=0.475gt;0.05），表明三組具有同質性。

（二）實驗設計

采用教育實驗法，通過實驗組、控制組前后測設計，探究類人型機器人對幼兒同伴交往的問題解決能力的影響。實驗組1為“教師使用機器人”干預模式，即：教師將類人型機器人作為教育干預的輔助工具，干預活動由類人型機器人實施，教師在旁引導幼兒與類人型機器人互動。實驗組2為“教師單獨實施”干預模式，即：干預活動由人類教師單獨完成，無類人型機器人輔助，該組幼兒接受人類教師實施的干預活動。實驗組1和2之間，除有無配置類人型機器人，所有干預內容、干預材料、組織模式、干預時間等是一致的?？刂平M不接受任何干預。

（三）實驗材料

材料一，類人型機器人。選擇“悟空機器人”作為干預活動的實驗材料，理由是：一是社交互動優勢。“悟空機器人”支持語音互動、人臉識別、面部情緒表達等，具備較良好的社交功能。例如，它能發出“你好”“謝謝”“不客氣”等語音，并做出“擁抱”“鞠躬”“點贊”等動作；其面部能做出高興、傷心、憂傷、驚訝、苦惱等46組表情。二是情境演繹優勢?！拔蚩諜C器人”具備情境故事講演功能，在編程的支持下能通過語音與動作相協調的方式演繹情境故事。三是圖形化編程功能。用戶可使用機器人自帶的圖形化編程功能實現對機器人事件、動作、語音等的控制。

材料二，情境圖畫。選擇關于幼兒同伴交往主題的若干情境圖畫作為類人型機器人輔助教育干預的關鍵材料。情境圖畫的選擇具有一定程序：首先，檢索相關圖畫書。以幼兒同伴交往為主題，初步選擇了25本圖畫書，并篩選出其中的14本①。邀請11位學前教育專業人員分別對14本圖畫書的年齡適宜性、兒童經驗性、文化適宜性、教育干預契合度進行五點評分。結果發現，14本圖畫書在以上四個方面的平均得分介于4.52～4.71，表明所選圖畫書具有針對性。其次，確定情境圖畫。根據干預需要，從14本圖畫書中選擇23個情境片段。其中，關于社交中的情緒感受及其處理方法的情境片段2個、關于同伴間換位思考的情境片段1個、關于發起交往的情境片段6個、關于維持交往的情境片段6個、關于同伴沖突的情境片段6個、關于同伴問題的建設性和消極性解決策略的情境片段2個。

（四）研究工具

自主研制《幼兒同伴交往的問題解決能力評估工具》，并將其作為教育干預的前、后測工具。整套工具內嵌4個維度，即同伴問題歸因、行為結果預測、多元方法生成、行為策略決策。每個維度由3個項目來衡量，共12個項目。所研制的評估工具具有良好的區分度和信效度。12個項目與評估總分均存在顯著正相關，相關系數介于0.537～0.728；內部一致性系數為0.857；評分者信度達0.911。評估工具的實施以iPad為載體，采用“一對一”的方式，借助iPad為幼兒呈現和解讀情境照片并提問題，幼兒以語音方式回答問題，以此完成評估。

（五）實驗程序

鑒于學前階段兒童的身心發展特征，本研究以“小組”作為干預活動的組織模式。在每次干預活動中，實驗組1中的每一小組由1臺類人型機器人、3～4名幼兒和1名教師組成，實驗組2中的每一小組由1名教師和3～4名幼兒組成。實驗組1、實驗組2的幼兒每周參與干預活動1～2次，每次14～16分鐘，持續8周，共參與活動10次。控制組不接受任何干預，干預流程見表1。

（六）數據統計

采用IBM SPSS Statistics 23軟件對相關數據進行了描述性統計、t檢驗、方差分析等統計分析。

三、結果與分析

（一）類人型機器人對幼兒同伴交往的問題解決能力的整體影響

關于實驗組1（“教師使用機器人”干預模式）、實驗組2（“教師單獨實施”干預模式）和控制組同伴交往的問題解決能力的前、后測總分及其差值（即后測總分與前測總分之差），見表2。

1. 不同組別前測與后測總分的差異分析

分別對實驗組1、2及控制組同伴交往的問題解決能力前測總分、后測總分進行配對樣本t檢驗，結果發現，實驗組1的后測總分顯著大于前測總分（t=10.990，plt;0.01），實驗組2的后測總分顯著大于前測總分（t=7.047，plt;0.01），控制組的后測總分與前測總分無顯著差異（t=-1.085，p=0.290gt;0.05）。這一結果初步說明，兩種干預模式對于幼兒同伴交往的問題解決能力的整體提升均具有顯著正向作用。

2. 不同組別后測總分的差異分析

對不同組別同伴交往的問題解決能力后測總分進行單因素方差分析發現，不同組別后測總分存在顯著差異，F（2，67）=123.597，plt;0.001，偏η2=0.787。多重比較分析發現，實驗組1的后測總分顯著高于其他兩組（plt;0.001），實驗組2的后測總分顯著高于控制組（plt;0.001）?？梢?，盡管兩種干預模式都對幼兒同伴交往的問題解決能力產生顯著促進作用，但“教師使用機器人”干預模式的成效更為明顯。

3. 不同組別前后測總分差值的差異分析

對幼兒同伴交往的問題解決能力前后測總分差值進行單因素方差分析發現，不同組別前后測總分差值存在顯著差異，F（2，67）=53.824，plt;0.001，偏η2=0.616。多重比較分析發現，實驗組1的前后測總分差值顯著大于其他兩組（plt;0.001），實驗組2的前后測總分差值顯著大于控制組（plt;0.001）。如圖1所示，在干預期間，實驗組1和實驗組2的總分處于上升趨勢，但實驗組1的斜率明顯大于實驗組2，說明“教師使用機器人”干預組的幼兒，其整體進步程度更大。

（二）類人型機器人對幼兒同伴交往的問題解決能力各維度的影響

進一步對同伴交往的問題解決能力各維度的前后測得分及其差值（見表3）進行分析，探究類人型機器人對各維度的影響。

1. 不同組別“同伴問題歸因”得分的差異分析

分別對三組幼兒同伴問題歸因的前、后測得分進行配對樣本t檢驗，結果發現，實驗組1的后測得分顯著高于前測得分（t=12.417，plt;0.001），實驗組2的后測得分顯著高于前測得分（t=4.425，plt;0.001），控制組的前、后測得分無顯著差異（t=-0.447，p=0.660gt;0.05）?？梢?，“教師使用機器人”干預模式和“教師單獨實施”干預模式對兒童同伴問題歸因的提升均具有促進作用。對各組同伴問題歸因后測得分進行單因素方差分析，結果發現，組別主效應顯著，F（2，67）=68.840，plt;0.001，偏η2=0.673。多重比較分析發現，實驗組1的得分顯著高于其他兩組（plt;0.001），實驗組2的得分顯著高于控制組（plt;0.001）。

2. 不同組別“行為結果預測”得分的差異分析

分別對三組幼兒行為結果預測的前、后測得分進行配對樣本t檢驗，結果發現，實驗組1的后測得分顯著高于前測（t=7.727，plt;0.001），實驗組2的后測得分顯著高于前測（t=5.619，plt;0.001），控制組的前、后測得分無顯著差異（t=0.075，p=0.941gt;0.05），這一結果與同伴問題歸因維度的結果相一致。進一步對各組幼兒行為結果預測的后測得分進行單因素方差分析，結果發現，組別主效應顯著，F（2，67）=32.595，plt;0.001，偏η2=0.493。多重比較分析發現，實驗組1與實驗組2的得分無顯著差異（pgt;0.05），但都顯著高于控制組（pslt;0.001）。此外，如圖2所示，實驗組1、實驗組2的行為結果預測得分呈現上升趨勢，但兩者的斜率近乎相同，這說明在行為結果預測的干預上，類人型機器人加持下的教育活動未能顯示出獨特優勢。

3. 不同組別“多元方法生成”得分的差異分析

分別對三組幼兒多元方法生成的前、后測得分進行配對樣本t檢驗，結果發現，實驗組1的后測得分顯著高于前測得分（t=12.464，plt;0.001），實驗組2的后測得分顯著高于前測得分（t=8.427，plt;0.001），控制組的前后測得分無顯著差異（t=-0.810，p=0.426gt;0.05）?？梢钥闯?，“教師使用機器人”干預模式和“教師單獨實施”干預模式對幼兒多元方法生成技能的發展均具有促進效應。進一步對各組幼兒多元方法生成的后測得分進行單因素方差分析，結果發現不同組別幼兒的多元方法生成后測得分存在顯著差異，F（2，67）=113.698，plt;0.001，偏η2=0.772。多重比較分析發現，實驗組1的得分顯著高于其他兩組（plt;0.001），實驗組2的得分顯著高于控制組（plt;0.001）。

4. 不同組別“行為策略決策”得分的差異分析

分別對三組幼兒行為策略決策的前、后測得分進行配對樣本t檢驗，結果發現，實驗組1的后測得分顯著高于前測（t=5.251，plt;0.001），實驗組2的后測得分與前測無顯著差異（t=2.044，p=0.06gt;0.05），控制組的前后測得分無顯著差異（t=-1.374，p=0.183gt;0.05）?？梢姡敖處熓褂脵C器人”干預模式對幼兒的行為策略決策具有正向的影響效應，但“教師單獨實施”干預模式的作用并不明顯。進一步對各組幼兒的行為策略決策后測得分進行單因素方差分析，結果發現，不同組別幼兒的行為策略決策后測得分存在顯著性差異，F（2，67）=30.918，plt;0.001，偏η2=0.480。多重比較分析發現，實驗組1的得分顯著高于其他兩組（plt;0.001），實驗組2的得分顯著高于控制組（plt;0.001）。

四、討論與思考

（一） “教師使用機器人”干預模式存在整體優勢，對幼兒同伴問題歸因、多元方法生成、行為策略決策等技能的提升具有顯著作用

本研究發現，“教師使用機器人”干預模式對幼兒同伴交往的問題解決能力的整體影響成效顯著。從各維度看，參與類人型機器人輔助教育干預的幼兒，其同伴問題歸因、多元方法生成和行為策略決策均獲得了更為明顯的改善。為什么類人型機器人輔助教育干預能夠對幼兒同伴交往的問題解決能力整體產生積極影響？本研究認為，具有類人型機器人加持的教育干預具備較為明顯的具身性互動、教學性互動和社交性互動，這三者構成了其獨特的有效性保障。

1. “具身性互動”為幼兒習得同伴交往的問題解決能力創設身體涉入機會

具身性互動體現為幼兒與類人型機器人互動過程中的多感官參與。具身認知理論認為，身體作為真實的生物系統，其接收的信息量遠大于大腦從任何環境中接收處理的信息量[12]。Fridin認為，與傳統的學習模式相比，類人型機器人輔助教學強化了兒童的多感官體驗[13]。Kim等人認為，機器人可被視為激發兒童使用身體進行思考和溝通的催化劑，在與機器人互動的過程中，兒童的思維與其多感官行動是完全協調的[14]。在本研究中，“悟空機器人”可愛的外表形象以及語言、動作等功能極大吸引了實驗組1的幼兒，激發和維持了他們參與教育干預的興趣、好奇心和注意力等。在干預期間，幼兒按照“悟空機器人”的講解內容，適時用手指翻閱旁邊以iPad為呈現載體的情境資料；幼兒在回答問題后需根據“悟空機器人”的指令與其握手或做出擁抱的動作；此外，幼兒在干預期間能根據“悟空機器人”的移動位置而適當改變自己的位置?？傊谂c類人型機器人的互動中，幼兒能將更多的身體感官投入學習任務中。

2. “教學性互動”為幼兒習得同伴交往的問題解決能力提供認知支持

教學性互動體現在類人型機器人的多元化教學技巧。Caruana等人認為，在機器人的教育活動中，兒童的意義構建受益于機器人對各種信息的協調性表達[15]。機器人能否對教學內容中的信息進行綜合性的表達，直接影響幼兒對信息的加工水平。這就好比人類教師在向幼兒講解某一事物時，相比于僅采用語音講解的教師，那些綜合運用語音、軀體動作、實物展示等手段的教師往往能幫助幼兒完成系統性的意義構建。在教育干預中，我們強調了“悟空機器人”在信息表達上的綜合性表現，通過編程促使“悟空機器人”圍繞同伴交往情境，結合語音、肢體動作、面部表情以及圖片等共同傳遞關鍵信息，這無疑提高了幼兒對同伴交往情境信息的理解，促使兒童正確思考同伴交往問題的方法、原因以及策略決策等內容。此外，De Haas等人的研究發現，相比于中性反饋和消極性反饋，機器人的積極性反饋有助于提升兒童的學習收益[16]。在本研究中，我們對“悟空機器人”的反饋進行了多形式的編程，促使“悟空機器人”在幼兒回答問題后即時通過語言贊賞、動作表揚等給予反饋，這種反饋有效維持了幼兒較高水平的積極性和注意力。

3. “社交性互動”為幼兒習得同伴交往的問題解決能力奠定情感基調

社交性互動體現在類人型機器人與幼兒之間良好的社會化關系上。Kahn及Flanagan等人的研究發現，兒童會認為類人型機器人具備智力、興趣、情緒情感等心理狀態，并賦予其友善、可信任等品質[17-18]。Caroline等也發現，即使告知兒童關于類人型機器人的機械屬性，兒童將機器人視為社會化他人的看法仍未減弱[19]。這揭示了一個現象，即當幼兒面對類人型機器人時，他們之間可以形成一種近乎自然的“社會性關系”。顯然，良好的社會性關系是促成高質量幼兒教育的重要條件，正如現實生活中和諧的師幼關系可促進幼兒的學習表現。同理，幼兒與類人型機器人之間的這種近似真實的社會化關系，為幼兒在類人型機器人輔助教育干預中獲得有效的學習成就創設了積極的情感氛圍。在本研究中，實驗組1的幼兒見到“悟空機器人”都會表現出極為熱情的動作和表情，并對“悟空機器人”的語言、動作反饋始終保持關注，這無疑證實了類人型機器人與幼兒之間社會化關系的存在。

綜上所述，具身性互動、教學性互動、社交性互動有機構成了類人型機器人有效輔助幼兒同伴交往的問題解決能力教育干預的三維保障。應當承認，人類教師單獨實施教育干預同樣存在這三類互動。但不同的是，當類人型機器人輔助人類教師來實施教育干預時，這三類互動強度會更強烈。這使得參與類人型機器人輔助教育干預的幼兒，其同伴交往的問題解決能力的提升幅度會更大。

（二） “教師使用機器人”干預模式在提升幼兒行為結果預測技能上與“教師單獨實施”的成效無異

研究發現，相比于教師單獨實施教育干預，具有類人型機器人輔助的教育干預并未在提升幼兒的行為結果預測方面表現出特別優勢。誠然，相比其他維度，行為結果預測是一種較為復雜的社會推理能力。這可能揭示了一個現象，即類人型機器人輔助教育干預在提升諸如行為結果預測這類復雜性社會技能上存在自限性。

1. 作為復雜性社會技能的“行為結果預測”對干預活動的設計提出了更高要求

從能力本身的屬性看，行為結果預測是對個體社交行為的結果事件的推理。一方面，相比于多元方法生成等，行為結果預測技能的發展需要更高級的社會性技能的加持。Rubin以及李紅等人的研究認為，心理理論、執行功能的發展與幼兒的社會性推理和預測技能存在緊密關系[20-21]。這要求機器人輔助教育干預的內容不僅要包含針對行為結果預測的學習內容，還要涉及其他諸如心理理論、執行功能等相關技能的學習。但在本研究中，干預內容的設計僅針對行為結果預測這一范疇。另一方面，行為結果預測技能的發展受到幼兒自身經驗的影響。有研究發現，當幼兒面對同伴交往情境時，其對情境信息的認知廣度、熟悉度以及處理問題的經驗儲備等都會影響到行為結果的預測水平[22]。在現實生活中，教師和家長極少引導幼兒預測自身的行為結果，致使幼兒在行為結果預測方面缺少相應的經驗，熟悉程度不高。因此，在行為結果預測技能方面，類人型機器人輔助教育干預未能彰顯其優勢。

2. 機器人的編程設定使其無法回應幼兒關于行為結果預測的隨機性問題

從類人型機器人的技術看，研究中所使用的“悟空機器人”主要按照預設的編程來推進干預活動，無法回應幼兒在活動期間所提出的個別問題（如未被編程所涵蓋的）。在行為結果預測技能上，一些幼兒原本就缺乏相應的經驗。因此，當機器人講述與行為結果預測相關的內容時，幼兒會隨機提出較多的問題或困惑；但由于“悟空機器人”是按照編程來實施活動的，無法回應幼兒隨機提出的這些問題或困惑。Tolksdorf等人的研究發現，類人型機器人只能在非常有限的環境中自主運行，它們在非結構化環境中的完全自主行為目前幾乎是不可能的[23]。孔蘇等認為，人工智能的預成性腳本化編程，弱化了其教育價值的發揮[24]。因此，要想有效提升幼兒的行為結果預測技能，不僅需要機器人有針對性地傳遞相關教學內容，而且還要求機器人能夠按照幼兒的需求給予個性化回應。但遺憾的是，當前機器人技術仍無法支撐這一目標的實現，使得關于行為結果預測的干預成效并不明顯。

五、結 束 語

本研究將“悟空機器人”作為關鍵工具，為教育干預的順利推進提供了巨大的支持。但由于當前機器人技術的局限性，“悟空機器人”并未能實現完全的自動化和智能化。為此，研究采用了編程方式對“悟空機器人”實施教育干預的過程進行了預設編程。編程有助于機器人實施結構化的教育干預，但也限制了機器人對幼兒的反應范疇。未來研究應選擇更為智能化的類人型機器人作為輔助工具，促使機器人既能實施結構化的干預活動，還能對干預期間幼兒的隨機性問題進行回應。此外，盡管類人型機器人教育干預在短期內取得了一定成效，但其長期影響作用仍未被揭示。未來可采用追蹤研究的方法，探究類人型機器人輔助教育對幼兒同伴交往的問題解決能力的長效影響。

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Applying Humanoid Robots to Enhance Young Children's Problem-solving Skills in Peer Interactions： An Educational Experiment-based Study

LIU Youpeng1，" HONG Xiumin2

（1.Research Institute of Primary Education， China National Institute of Education Sciences， Beijing 100080; 2.Faculty of Education， Beijing Normal University， Beijing 100080）

[Abstract] Mastering problem-solving skill in peer interactions at an early age can have a profound impact on the quality of an individual's future work and life. At a time when artificial intelligence technology continues to evolve， the effectiveness of humanoid robot-assisted education on the problem-solving skills of young children in peer interactions needs to be explored. The study selected 70 4- to 5-year-old children from kindergartens as intervention subjects， forming experimental group 1 （n=27）， experimental group 2 （n=20）， and control group （n=23）. The educational experimental method was used to investigate the effect of humanoid robot on children's" problem-solving skills in peer interactions. The results showed that the humanoid robot had a significant overall impact on children's problem-solving skills in peer interactions， with clear promotional effects on peer problem attribution， generation of diverse methods， and decision-making in behavioral strategies. But they failed to improve children's skill in" predicting behavioral outcomes. The mechanism by which humanoid robots effectively enhance the problem-solving skills of young children in peer interactions was discussed. A three-dimensional guarantee of humanoid robot-assisted education was constructed， consisting of \"embodied interaction\"， \"pedagogical interaction\"， and \"social interaction\". The self-limitation of humanoid robots in intervening to improve complex social skills such as predicting behavioral outcomes" was analyzed. The conclusion of the study is helpful in providing scientific guidance for the implementation of educational and teaching practices based on humanoid robots.

[Keywords]" Humanoid Robot; Artificial Intelligence Education; Problem-solving Skills in Peer Interaction; Young Children's Sociality; Educational Intervention

基金項目：2021年度國家自然科學基金面上項目“基于人機交互游戲的社會情感能力評估”（項目編號：62177010）

[作者簡介] 劉友棚（1994—），男，廣東汕尾人。助理研究員，博士，主要從事人工智能與兒童教育、嬰幼兒心理發展與教育、學前教育政策研究。E-mail：liuyoupeng94@163.com。洪秀敏為通信作者，E-mail：xiuminhong@163.com。