我国机器人教育现状分析与发展趋势研究

石桐歌　孟祥宇　王朋娇

摘  要： 随着机器人技术的飞速发展，机器人教育已经成为新兴教育方式被大家所认可和普及。机器人教育不仅可以培养学生的学习兴趣、创造力和动手实践能力，更能培养学生21世纪下必备新技能，提升自身的核心素养。本文以中国知网（CNKI）的中国学术期刊网络出版总库为数据来源，采用文献计量法、内容分析法相结合的研究方法，着重分析我国机器人教育的研究现状，反思我国机器人教育的优势以及研究中存在的问题，并对机器人教育的未来前景与发展趋势做出预测，以期为未来机器人教育研究提供可参考和借鉴的价值。

关键词： 机器人教育;人工智能;内容分析法

中图分类号： TP249    文献标识码： 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，習总书记为2018世界人工智能大会致信祝贺，贺词中提到人工智能正为经济社会发展注入新动能，并且正在深刻改变人们的生产生活方式，党的十九大以来，习总书记强调坚持创新驱动发展，高度重视人工智能发展，为人工智能赋能新时代指明方向。2019年3月14日，国家教育部公布了《2019年教育信息化和网络安全工作要点》，其中明确强调推动在中小学阶段开设人工智能相关课程，还将编制《中国智能教育发展方案》。近几年，国家出台多个政策和草案，将发展人工智能作为提升我国竞争力的重大战略之一，其实质是欲培养具有高核心素养的高水平人工智能创新人才。新时代赋予教育新使命，智能时代下，人工智能为教育赋能，同时，人工智能+教育热潮带动着机器人教育的热潮，本文厘清国内机器人教育研究现状，有助于了解我国机器人教育研究亟待解决的问题，为未来机器人教育研究提供可参考的方向。

1  数据来源与研究方法

数据来源为中国知网（CNKI）中国学术期刊网络出版总库，在专业检索下以“SU=机器人教育 AND KY=机器人教育”为检索表达式进行文献检索，检索到发表时间为2010-2019年间的文献期刊共计329篇，在此基础上将来源类别改为“核心期刊”，共检索到24篇核心期刊文献。本文采用文献计量法和内容分析法相结合的研究方法。先采用文献计量法对329篇期刊文献及24篇核心期刊文献的年度分布和作者分布进行研究，然后利用内容分析法从理论研究、设计与开发研究、应用研究、管理研究和评价研究几个领域研究我国机器人教育现状及发展趋势。

2  研究过程与分析

2.1  研究样本的文献计量分析

2.1.1  研究样本的年度分布

对有关机器人教育的全部329篇期刊文献按照发表年度进行数量统计，并计算期刊文献百分比。为了更清晰把握机器人教育的研究趋势，专门统计了24篇核心期刊文献发表年度情况。其中，2019年的文献只以当前统计到的数量为准，预期研究成果可能会存在偏差。统计结果如表1所示。

从表1中可以看出有关机器人教育的文献数量从2010年到2019年之间整体呈上升趋势，这反映了机器人教育一直并且愈发受到国内学者的关注。在2017年以前趋势较为缓慢，可以理解为新技术与教育的融合是需要一个缓慢的过程，另外文献数量的稳步上升也可以反映出国内学者在源源不断的热情下，始终保守着学术研究的严谨性，保证了研究质量。2018年是有关机器人教育文献数量大爆发的一年，这也正符合了智能时代的时代背景，2018年——真正意义上的人工智能元年。

2.1.2  研究样本的作者分布

利用SATI3.2对有关机器人教育的全部329篇期刊文献进行字段抽取和频次统计，所有作者总共692人，第一作者共计329人，只发表或者参与一篇论文的作者共计603人，占总数的87.14%，表2给出了发表文献数量排前十的作者及其发表数量。

根据领域形成核心队伍的评判标准，即如果发表一篇论文的作者数与全部作者数之比低于60%，则称该领域已形成核心队伍来看，目前为止我国机器人教育研究领域尚未形成核心队伍。从有一半以上的作者未以第一作者发表该领域论文看出，我国学者们普遍缺乏对该领域长期深入的研究。其中作者钟柏昌在核心期刊的发文数量达到了7篇，期刊分布为《中国电化教育》1篇、《电化教育研究》4篇、《现代远程教育研究》1篇和《人民教育》1篇，研究主题涵盖了理论研究的多个层面，主要包括中小学机器人教育核心理论研究、中小学机器人教育现状调查与分析、中小学机器人教育困境与突围，由此可见钟柏昌先生在机器人教育研究领域影响较为广泛。作者王同聚在核心期刊的发文数量达到2篇，全部发表在《中国电化教育》，主要研究方向为将机器人教育融入微课教学，其文献被引量和下载量位居其它文献前列，可以看出王同聚先生在机器人教育领域的影响较为深刻。

2.2  研究样本的内容分析

2.2.1  类目设计与评判记录

笔者将目前我国普遍认可的也是国际教育技术影响最为深远的教育技术学定义—AECT94定义与本文整体研究的特定倾向性相结合，将24篇核心期刊文献的研究类型划分为理论研究、设计与开发研究、应用研究、管理研究和评价研究五大类目，具体界定为理论研究包括机器人教育的研究热点、发展现状、内容解读和模式研究，设计与开发研究包括机器人教育的校本课程开发、系统开发和开发的技术与平台，应用研究包括应用模式、实践与探究及应用效果，管理研究包括机器人教育的教学管理和系统管理，评价研究包括机器人教育评价标准及评价方法。依照时间顺序，以24篇研究样本的研究主题、研究内容及研究结论为评判依据，对研究样本进行类目分类，具体如表3所示。在对文章进行类目评判时存在一定的困难，有的文章内容没有明确的界定范围，为了尽力克服笔者的个人主观因素影响，减小评判误差，设立三组评判员对类目及子类目的分类进行评判。其中一名评判员与笔者一起作为主评判员进行讨论并共同确定类目分类，另外两名评判员作为助理评判员，分别独立确定类目分类，最后进行三组结果的整合得到最终类目分类结果。

2.2.2  信度分析

信度分析的公式为：R=N*K/1+（N-1）*K，其中R为信度系数，N为评判人数量，K为平均相互同意数，即两个评判员之间的相互同意度，K值算法：K=2M/（N1+N2），M为两位评判者都完全同意的类目数，N1、N2分别为第一、第二评判者分析的类目数。其中，R的值（即信度系数）大于0.8，量表的可靠度最佳。根据此公式，计算出本研究的R=0.92，因此可以将主评判员的评判结果作为内容分析的结果。

2.2.3  研究数据与结果分析

将表3进行统计分析可以得到机器人教育相关文献各类目统计图，如图1所示。

从图1可以明显看出理论研究类目的文献所占比重最大，其次是应用研究类目，而管理与评价研究为空白，这与机器人教育的起步时间及发展历史不够久远有很大关系。教育机器人学的萌芽最早源于1989年Parker，Martin，Sargent等人在麻省理工学院创办了名为6.270的课程，6.270课程的实质是面向本科生的机器人设计竞赛。该课程影响十分深远，为后续的众多机器人竞赛项目以及把机器人设计实践导入大学工程教育的思想提供了灵感。然而真正最早进行教育机器人的教学实践尝试是1998年英国尝试在小学生中开设的机器人课程;1999年，Beer等研究了如何把机器人用于科学和工程教学; 2006年，智利的Novales系統研究了在大学中导入教育机器人。2007年，Kao等人研究了儿童如何在课程中运用机器人学习角度的概念。与此同时，国内也研究出了教育机器人如何应用于中国的中小学信息技术课程，2002年出版了《信息技术-智能机器人》小学、初中、高中版（广西科学技术出版社）;华东师范大学陶增乐教授于2002年编写的《小学信息科技》、《初中信息科技》（华东师范大学出版社）教材，首次在中国把教育机器人编入中小学课程。我国机器人教育仍处于初步探索阶段，研究学者更倾向于进行理论的探讨与树立，缺少富有创新性与挑战性的设计与开发研究。设计、开发与应用研究的不足直接导致管理与评价研究无法跟上脚步。

（1）理论研究

理论研究下的子类目统计分析如表4所示。

其中机器人教育模式研究所占比重最大，这5篇文献都是作者钟柏昌分别以第一作者和第二作者发表的，包括培养学生跨学科知识和科学探究能力的科学探究型教学模式[]、培养学生实践创新素养的核心价值的发明创造型教学模式[2]、能够明显改善学生学习机器人的态度，寓教于乐的趣味交互式教学模式[3]和提高学生设计能力和问题解决能力的实验模拟型教学模式[4]。机器人教育模式的提出为机器人教育的方式方法提供专业的理论指导，为机器人教育的教学实践提供精准的理论支撑，带领机器人教育走向内涵式发展道路。

文献比重第二大的是机器人教育发展现状，目前我国机器人教育的研究主要集中在教育领域如中小学（最多）、高等教育、职业教育、成人教育等。国内出现较火的教育机器人产品有能力风暴教育机器人、Wonder Workshop、Makeblock、哈工大机器人、科大讯飞（阿尔法蛋机器人）、ROBOO（布丁豆豆）等。机器人教材作为机器人教育的重要组成部分，国内机器人教育教材中比较典型的包括面向小学的《信息技术教材》、面向中小学的《百度中小学人工智能课程》、面向初中的《人工智能（初中版）》以及面向高中的《人工智能基础高中版》等。竞赛不仅可以培养学生形成创新思维、竞争思维、发散思维，还能提高学生实践操作能力、沟通表达能力、团队协作能力，更能激发学生对机器人学习的兴趣。目前，主流的机器人竞赛按照比赛主题可以分为机器人足球竞赛、机器人灭火竞赛和机器人综合竞赛三种，在全国范围内开展的机器人赛事主要有：全国机器人足球锦标赛、中国机器人大赛暨RoboCup公开赛、CCTV-ROBOCON、中国青少年机器人竞赛等。我国在中小学开展机器人教学，主要包括机器人课程、课外活动和学科整合这三种形式。

（2）设计与开发研究

设计与开发研究下的子类目统计分析如表5所示。

设计与开发研究类目的两篇文献都是有关校本课程开发的，缺少机器人教育设计与机器人教育系统开发的研究，缺少对机器人核心技术的掌握可能是此领域鲜有人触碰的关键。笔者认为，机器人教育的设计与开发研究可以从以下两方面入手：一是基于技术手段，如Python、人工智能、H5/WEB前端、嵌入式等。二是基于某个理论或视角，如分布式认知视角、泛在学习理论、联通主义理论、概念图等。我国机器人教育存在未建立整体的课程体系和缺乏国家层面的示范引领的问题，总体来说缺少明确的解决该如何开展机器人教育、开展什么范围的机器人教育、运用哪些技术开展机器人教育、建立怎样的机器人教育系统等问题的风向标。这需要更多国家文件与通知的下达，为我国机器人教育明确方向，需要建立和完善整体的课程体系，为机器人教育提供更加专业的教育设备，培养和提升教师的机器人素养，丰富学习的形式、创造更广泛的交流和实践平台。

（3）应用研究

应用研究下的子类目统计分析如表6所示。

应用研究是继理论研究之外文献第二多的类目，其中机器人教育的实践与探究最受研究者欢迎，包括将“微课导学”教学模式应用于机器人教学之中的实践;根据现代高等工程教育的“大工程观”，将机器人教育的本质和内涵科学的渗透到各个学科和专业的实践;将配对学习模式应用于机器人教育中的探索[5];以机器人教育为平台培养大学生创新能力和科学素养的实踐等等。因此总结得出目前我国机器人教育的实践与探究可以分为利用某种教学法或是教学模式来促进机器人教育的发展以及应用机器人技术来促进其它学科的深度学习或学生和教师科学素养的培养这两个方面。可以见得如何创新教学模式促进人工智能更好地融入学生的学习以达到培养学生的核心素养及达到其它学科的深度学习将会是我国机器人教育研究领域的研究热点。相应的，实践与探究类文献的增多也会促使更多的应用效果、评价反思类文章的产生。

（4）管理与评价研究

AECT1994定义将“管理”和“评价”与“设计”、“开发”和“使用”并称为教育技术的五大范畴，五个范畴同等重要，它们互相影响，相辅相成，缺一不可。教学管理是帮助高效率实现教育目标而对教育教学系统宏观调控、组织协调、统筹监督的过程，是任何一个完整的教育系统不可或缺的关键步骤。每一个教学模式与系统都需要经过精心维护与管理，才能保证其健康发展。教育评价是指在正确教育价值观的指导下，依据一定的标准或教育目标，通过使用一定的技术和方法系统的收集信息，在对信息（教育活动、教育过程和教育结果）与标准或目标进行比较的基础上做出价值判断的过程。当技术引入教学中，当新模式应用于学生学习中时，我们总是需要得到一个效果反馈，这就需要用一定的评价标准来衡量应用效果的优劣。教育评价能够帮助学习者认识自身的不足，不断完善与改进，最终达成预定的发展目标，同样的，在机器人教育研究的体系中，只有适时的对理论指导下的实践探索与应用进行管理与评价，才能使机器人教育更好的适用于学习者知识与技能的学习、能力与素养的培养。目前我国机器人教育研究领域严重缺少管理与评价方向的研究，我相信随着机器人教育应用与实践的更加成熟完善，相应的会逐渐出现机器人教育教学管理与系统管理及机器人教育评价标准和评价方法的研究。

3  研究结论

3.1  我国机器人教育的现状分析

当前我国机器人教育研究主要集中在理论研究层面。我国机器人教育研究发展迅速，是新技术新媒体被广泛接受和应用在教育教学之中的必然产物，正因为技术新所以相应的理论研究也要更新换代，结合机器人技术的特点有所创新。其中作者钟柏昌提出的中小学机器人教育的教育模式新分类在理论研究中独树一帜，做好理论基本功，才能为后续的设计应用与实践打下坚实的基础。

相比于理论研究，机器人教育的设计与开发研究刚刚起步，文献数量十分匮乏，缺乏统一的机器人教育系统设计和开发标准，目前学生学习机器人教育主要采取以赛促学的形式促进该学科发展，缺乏其他形式的学习、实践和交流平台。应用研究的文献数量紧随理论研究其次，研究者们已经开始尝试将机器人教育实际应用于教育教学中并收到颇丰的成效，新技术应用的成功就是建立在数次实践与探索基础上的，随着理论研究的丰富，应用与实践研究也应壮大蓬勃。我国机器人教育的管理和评价领域尚属空白，有待进一步丰富。

整体而言，我国有关机器人教育的实践已经  小试牛刀，但相关经验的积累和课程化建设依然有相当的提升空间，同样也亟待相关政策的指导和  引领。

3.2  我国机器人教育的未来发展研究

机器人教育能够推进教育的创新，改进教学模式和策略，推动基础教育改革，因此，机器人教育将会是我国未来教育领域着重关注的热点，人工智能+教育是大势所趋。但机器人教育在教学实践、课程体系、校本教材、教师能力、设备供应等方面，仍然面临诸多挑战，亟待解决的主要问题有：未能建成整体的课程体系，对核心的课程和教师专业发展并没有明确方向;缺乏具备较强科学素养的师资队伍;缺少以供交流和实践的机器人教育支撑平台等。针对存在的问题，给出以下初步建议：首先加强政府的宣传力度，要想使机器人教育蓬勃发展少不了政策文件的下达和支持，在此基础上，由权威专家、学者编制整套核心课程，明确教师专业发展方向，建成完整的课程体系;培养智能时代下信息技术及各学科教师的信息能力和科学素养，教师多参与“教育+AI”类型讲座、论坛及会议，让教师切身体会到机器人辅助学习的智能化高效化，吸收国内外已有机器人教学优秀案例为己用;针对不同学科、学习者特点，创设方便交流实践的机器人教育支撑平台，在实践中不断实现平台性能优化，另外注意加强平台的宣传工作，要让真正优秀的软件平台展露头角，为广大师生、学习者所认可、使用。以上，只是一隅之见，但若能将这些存在的问题彻底解决和根治，未来我国机器人教育定会又好又快蓬勃发展。

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