教育辅助机器人设计及应用策略

陈宇哲

通过对社区教育相关人群的调研，推断出社区教育在机器人应用方面的需求，确定总体设计目标是一款用于课堂教学的教育辅助型机器人。再根据现阶段技术、成本、应用等方面的实际情况，对各类需求进行取舍，整合已有成熟技术及设备，采用符合最优成本效益的解决方案，形成一个均衡有效的教育辅助智能终端方案。

《中国制造2025》中指出，机器人发展要围绕的应用需求，教育是主要领域之一。教育类机器人现在主要包含两类，一类是用于机器人教育的装备，如机器人开发学习需要的设备、模型等;一类是提供教育服务的机器人，如承担各类课程授课的机器人教师、机器人助教等。本文研究的是提供教育服务的机器人，在课堂教学中承担讲课、答疑等工作。

1 教育辅助机器人的总体设计目标

机器人设计的目标应该是代替人类工作或减轻人类工作的负担、提高工作效率。在教育领域，现阶段由服务机器人全面取代教师进行独立授课并不现实。但根据调研所得，服务机器人相对于人类教师有着各种优势，包括跨专业授课、不会劳累、情感不会波动、兼备其他功能等等。因此，教育服务机器人现阶段的目标应该是辅助授课，优先设计研发教育辅助机器人并推广应用。教育辅助机器人应兼顾成本效益及可行性，具体的设计目标包括以下方面：

1.1 应用目标

（1）各类教育机构能接受的购买或租用价格;

（2）功能上能满足教育机构的基本使用，使其在运营上能够节省成本;

（3）功能上能提升教学质量，有助于推动教学改革;

（4）外观上能被大多数人接受，评价正面;

（5）使用机器人不会导致设备重复建设，不会产生较大浪费。

1.2 功能目标

（1）能连接课程资源库，能承担各种专业课程的授课;

（2）能进行视频、语音授课（手部操作示范类授课由于技术不成熟及成本过高暂不考虑）;

（3）能连接利用原有教学场地设备，降低设备自身成本;

（4）出于成本考虑，不设置自动移动功能，尺寸尽量小巧;

（5）能录音录像，记录课堂情况并分析;

（6）能识别语音及影像，能与教师、学员互动交流。

2 教育辅助机器人的设计要点

2.1 硬件部分的设计

硬件部分的设计是充分考虑成本限制及功能适用的前提下，以小巧实用为原则。考虑放置于讲台等一定高度的桌面上使用，一人即可随意搬动。硬件主要包含四个部分：

（1）主机：包含CPU、主板、显卡、存储、供电、散热等部件。

（2）可分离式平板电脑：触摸式屏幕，可作为主机显示器使用，可与外接投影同屏显示。也可独立显示并操作，作为主机的控制器。

（3）输入输出接口：包括各类型USB数据接口、HDMI等音视频数据接口。

（4）监控及感应：包括摄像头、麦克风及相关感应器。

2.2 软件部分的设计

软件部分分为课程资源库平台与教学交互软件两个部分。

（1）课程资源库平台

人类教师术业有专攻，但也受制于自己的专业。而课程资源库能够实现一台机器人讲授不同专业的课程，这是使用机器人进行教学的优势之一。课程资源库包含三个方面的内容。一是课程教学视频，真人授课、动画、实操录像等都可以，形式不限。二是题库及答案，包括课堂提问、小测、章节测验、考试等。三是答疑数据库，包含各类常见问题及答案。三个方面的内容按每门课程进行分类，供机器人进行访问并调用数据。

（2）教学交互软件

教学交互软件包含三个方面的内容。一是系统软件：采用现有的Windows或Android系统作为基础，用于支撑整个体系。二是辅助工具：这部分可由用户自行根据需要安装，如办公软件、图片处理软件、网络浏览器、常用即时通讯工具等等。三是交互软件：包含课程管理、教学安排、音像识别、录音录像、统计分析、授课监控等，这部分是教学辅助机器人工作的核心。四是其他工作软件，这部分按照用户选择进行安装，如人工智能安防软件等，主要用于机器人的多功能化。

2.3 外观的设计

虽然在数据调研中，选择服务机器人像真人的比例比较高，但并不适合本方案的尺度使用。本方案采用了卡通化的形式。整体形象以学习者的成功形象为参考，采用了学位服的形式，眼部参考了代表文化知识知性形象的眼镜进行抽象处理，加入西装领带提炼的元素，更成熟稳重。整体形成一个可爱的博士精灵的形象。

摄像头隐藏在领带中，眼睛为显示屏用于表现神情，博士帽实际上是平板电脑（平板电脑部分可取下使用），博士帽的帽穗是USB接口延长线。

3 教育辅助机器人的应用方案

3.1 课程资源库平台建设

首先，课程资源库平台建设要根据机器人运行的要求制定课程资源标准，例如视频的参数标准、题库与答疑库的文本格式等，要提供详尽的标准要求与格式模板。其次，应组织专业人士进行课程资源的建设，包括优质的授课教师、专业的视频拍摄与制作团队等。同时，机器人的课程资源库平台的建设，应考虑与现有的各类精品资源课程平台形成共享关系，引导与支持现有平台课程的资源进行调整优化，实现与机器人的对接。

3.2 教育辅助机器人的课堂应用

本教育辅助机器人方案，可考虑独立授课，也可以采用人机搭配授课的形式。

1. 独立授课模式：

由教学管理人员设定好班级人员，在课程资源库选择好课程，设定好授课视频播放次序，設定好每段视频播放完成后互动答疑时间，安排好对应章节内容的测试题目。课堂实施阶段，由机器人连接课室投影及音响设备。首先进行点名，可使用人像识别，也可以模仿真人教师点名应答。课程授课首先播放录制好的教学视频。然后机器人根据答疑库回答学员疑问。不能解答的问题，由机器人将录制好的问题反馈给负责课程建设的专业教师，教师解答后通过邮件等渠道反馈给提问的学员，并在下一次课进行全班反馈。每次课结束前可根据预设安排测试，形式可以多样化，例如机器人点名提问，以判断题或选择题的方式进行检测，或通过屏幕投影二维码，学员扫码答题。机器人将学员学习检测情况统计分析并将结果反馈给教学管理人员及负责课程建设的专业教师。在教育辅助机器人独立授课期间，要同时设定好各类紧急情况呼叫的设定，教学管理人员也要通过机器人配置的摄像头监控课堂情况，及时处理突发情况。

1. 人机搭配授课：

人机搭配授课针对更复杂情况的课堂，例如老年人、儿童课程或者是手工操作性强、涉及教具耗材较多的课程。这里指的“人”，不是指专业教师，而是教学管理人员或助教，这类人员并不需要特定的专业知识或专业技能。能让辅助教学机器人在非专业辅助人员的协助下完成专业课程教学，才是辅助教学机器人方案的优势所在。一名普通工作人员在机器人协助下完成各种专业类别的课堂教学，能解决很多教育机构最重要的师资问题。

人机搭配授课的过程与机器人独立授课相近，教学管理人员主要承担课堂管理工作。在人机互动方面，教学管理人员根据课堂学员实际情况，实时控制机器人授课的进度，发布对各环节的起始及暂停指令，同时完成收发教学耗材及用具等机器人不能完成的工作。教学管理人员在课堂上与机器人进行互动，引导课程的开展，也可以活跃课程的气氛。在面对学员的层面，教学管理人员要引导学员按机器人的运行次序开展学习，协助学员与机器人开展互动交流，管理课堂纪律，并协助学习有困难的个别学员完成机器人布置的教学指令。

3.3 教育辅助机器人的成本控制

成本问题是服务机器人在教育领域发展的最大障碍。有效地降低成本，才能尽快发挥机器人的优势，推动教育领域信息化、智能化的深入发展，提高教育的质与量。充分利用现有资源，挖掘设备潜力，是教育辅助机器人从开发到应用要遵循的原则。

（1）课程资源库的建设是教育辅助机器人建设投入规模最大的内容。课程内容的质量与数量，直接影响机器人的授课能力。因此，课程资源库的建设，要尽可能依托现有的各类课程资源平台，与各级政府、院校及商业课程平台建立资源共享关系。通过合作协议，将现有优质课程资源加以调整使其适用于机器人平台。通过按使用次数付费等方式，无论是院校等教育机构的公共开放教学资源，还是企业的付费网络课程资源，都多了一个可产生收益的渠道。而对于机器人的课程资源库建设来说，则大大降低了前期的资源开发成本。

（2）教育輔助机器人的设计研发在成本控制上主要包括两个方面，一是放弃部分非核心功能，二是将目标定位在现有成熟技术的整合上。

教育辅助机器人首先放弃了手部功能，因为机器人手部仿真技术还未达到可以模拟真人在手工类课程的操作。然后放弃了机器人自走功能，这样机器人的尺寸就可以尽量缩小。这两大功能取消，即取消了大量的机械类部件，而且尺寸得以小型化，无论开发成本、生产成本还是维护成本都将大大降低，而授课功能并没有太大的缺失。

教育辅助机器人利用现有成熟技术进行整合。设备基础源自台式电脑及平板电脑的整合，影像识别与分析等功能可来源于智慧教室使用的软件系统，语音识别及应答同样是较为成熟与普及的技术。成熟设备及技术的使用，可以有效地降低研发与生产成本。

（3）教育辅助机器人在应用上考虑多用途化，通过多种途径及方式降低运营成本。

一方面，将机器人作为广告投放终端，通过与广告企业合作，在课间休息等非授课时段，可以播放经过相关机构审核的广告。广告以不造成学员反感为界限，并针对学员年龄层次进行广告投放，使广告尽量贴近客户需求。在广告投放过程中教育机构及时监控受众对广告的反应，观感不良的及时撤换。广告投放的收益可作为机器人使用的补贴，付费方式可以多样化，降低机构使用机器人投入的成本。

另一方面，机器人也可以协助从事其他工作。可以根据需要安装监控软件或其他问答数据库办公软件，非授课时段机器人可以在机构前台提供咨询服务功能，以及在非工作时间起到安防监控的作用。由于机器人本身具备计算机功能，在安装相应办公软件后，也可以在需要的时候当作工作电脑使用。

本文系广州市社区教育服务指导中心2018年社区教育项目《基于社区场景的教育服务机器人交互设计研究与应用》（项目编号：2018SQJY013）的研究成果。

（作者单位：广州城市职业学院）