教育机器人教育导向研究文献综述

罗景文，张淑雅

（云南师范大学信息学院 云南 昆明 650500）

在人工智能技术及机器人技术高速发展的时代，其相关产品在各行各业被推广并应用，更多的智能机器人被应用于生活中，较为普遍的有在家庭中能够完成清洁任务的扫地机器人、商场中引导人们购物的导购机器人、军事领域的反恐排爆机器人以及医学领域的康复机器人等，由于其自身具备特定领域的特殊能力为人类提供了更为专业和可靠的服务，近年来教育领域也开始逐渐研究将机器人技术应用于教学，探究适用于教育领域的教育机器人。在国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》[1]文件中指出需大力发展智能化教育以推动机器智能等在教育领域的多维度应用，促进教育理念与人才培养模式的改革与创新，从而提升我国教育的质量与效率。

教育机器人作为教育人工智能的典型代表，将其引入教育领域在一定程度上能促进教育事业的发展与变革，其为培养学生的分析能力、创造能力、问题解决能力及实践能力而专门研发，近几年里在人工智能技术的支持下，教育机器人的研究得到了迅速的发展，并取得了一定的成果，但仍然处于起步阶段。对于教育机器人的研究大致可以分为计算机科学导向及教育导向，计算机科学导向侧重于机器人技术的软硬件开发，例如虚拟机器人平台，机器人功能部件的研发等，教育导向则关注教育教学中的应用研究。

1 文献来源与梳理情况

本文通过在中国知网数据库和Web of Science数据库两个数据库中以规范具有识别度的题目名检索有关文献资料，并将这些相关文章筛选分类，总结概括，最后通过一定的理论分析，疏通国内外教育机器人教育导向研究的大致方向，获得对该领域的系统认知，对教育机器人教育导向研究展开较为系统的文献研究述评。

1.1 文献来源

本文在中国知网数据库中以 “教育机器人” 为检索词进行检索至2022年，去除报纸、会议等无关文章，分析筛选出523篇文献作为国内文献研究的主要数据，在Web of Science数据库中，根据检索词 “education*robot” or “robot teach*” 检索至2022年，分析筛选出253篇作为国外文献研究的数据。

1.2 梳理情况

国内有关文章的发表大多集中在2016至2022年之间，发文数量迅速增长，以人工智能以及机器人教育为主题的研究方向和内容较为集中，部分学者开始尝试将机器人用于创客教育及STEAM教育中，展开对教育机器人教育教学应用的探究。国外则在2009年开始呈现出上下波动的情况，到2018年发展迅速，研究方向除了普通教育中的常见学科外，还包括医学教育和艺术教育领域，其次是工程等方面的研究，更侧重于提高教育机器人的技术和性能以及应用的评价。本文主要关注教育机器人的教育导向研究，根据检索文章的分类，可将教育机器人教育导向研究分为理论研究、功能特性研究，应用场景研究以及应用测评研究四个方面。

2 教育机器人教育导向研究综述

根据上文的梳理情况，将所检索的文献总结分析，并从以下四个方面进行研究。

2.1 理论研究

理论是一切研究的基础，教育机器人教育导向的理论研究中探索的是教育机器人在教育教学中应用的基本原理和发展趋势。国内外的理论研究都比较靠后，由于机器人早期在工业和商业领域中应用较多，国外也常用于工业示教，后来逐渐过渡到教育领域，所以教育机器人的研究一开始更偏向于技术和机器人的开发研制，当教育领域的研究者们发现机器人在教育领域的发展空间后才开始展开理论的讨论，国内较早的是2002年由彭绍东[2]提出的机器人教育，并将其分为五种基本类型，对于教育领域相关专业的研究和实践奠定了坚实的基础。随后教育领域的学者纷纷加入其中，近年来较有代表性的是黄荣怀等[3]基于教育机器人的应用情景及关键技术提出了教育机器人的十大核心观点。国外的理论研究比国内更早，例如Choi Y[4]开发了小学教育机器人程序模型，根据概念变量确定了教育目标，教育活动和教育课程；近些年，Benitti[5]等对教育机器人的概念、角色、交互理论等方面展开探讨，论述机器人在教育中的潜能。

2.2 功能特性研究

针对上述教育机器人在教学应用中的有关理论，研究者们开始分析这些机器人需要什么样的技术才具备某些功能，从而能够很好地用于教育教学，于是便展开了功能特性研究来探究教育机器人在教育教学中所应具备的能力。方健等[6]提出共融教育机器人的概念，分析出安全、精准、协同、智能四性作为人、机、境三者相互融合的典型特征，同时讨论三者共融的关键技术，最后指出共融教育机器人的发展方向。卢宇等[7]在人工智能的背景下，基于自我决定理论，采用知识图谱、学习者模型、自然语言处理等多项关键技术，设计构建了智能教育机器人的系统架构，对于人工智能技术与教育机器人领域的融合发展具有一定的启示。余新国等[8]研究了教育机器人的内外知识体系，认为内部软硬件框架由三个方面组成，外显能力体系由教学能力、教育角色和评测维度组成，从而共同构建教育机器人的完整知识体系，为人机共融的教育模式提供有力的支持。Gwak等[9]提出一个标准来定义教育机器人的自主程度，通常考虑为1―10之间，按照标准进行改编，可以利用不同自主程度的教育机器人来自主教学，有望为协助教师、教学学生学习做出贡献。在该方面的研究中国内相较于国外更为积极。

2.3 应用场景研究

不同的技术使教育机器人有不同的功能，同时也引出了一个新的问题：什么样的机器人用于什么样的环境。在理论和技术的支持下，在人工智能教育的推动下，研究者们开拓了不一样的应用场景，希望将机器人的不同优势充分发挥出来，作用于不同教育教学场景。因此应用场景研究是探究教育机器人使用的不同环境空间。国内采用教育机器人情景创设的优势辅助学生的语言类学习，例如，华中师范大学的凌敏[10]探究了通过机器人来创建英语口语教育环境的方式，提出机器人应用于英语课堂教学实践的思路和方案，为教育机器人辅助语言教学提供了参考。此外教育机器人还可用于场馆教学，在科学馆等场馆内引导参观者参观，并讲解科学知识，为教育机器人在场馆教育中的发展提供新的思考[11]。Ruben Mitnik等[12]使用自主的移动机器人教授了非机器人领域的学科知识，即使用教育机器人的自主移动性教授小学数学的相关概念，将抽象的概念形象化，帮助学生掌握测量、角度等知识概念；Yang D等[13]结合人工智能技术将教育机器人应用于体育教学，通过建立基于语音交互的人工智能教育机器人，构建混合体育教学模式，实现对学生的个性化教育，为开展人工智能教学、促进教育机器人在不同教学场景的发展开拓新的思路。

2.4 应用测评研究

针对教育机器人是否该使用，以及使用后将会对学生产生怎么样的影响，研究者们积极探索，实践应用，对教育机器人应用于教学各方面态度、实践的评价归为应用测评研究，国外学者们相较于国内学者关注得更多一些。侯浩翔等[14]采用Meta分析法处理了国内外的实验和上千条样本量对教育机器人能够提升学生的创造力展开研究，最后建议建构适用于机器人教学的创客教育模式，促进软硬环境的教育机器人经费投入。Sharkey AJ C等[15]从教育机器人作为同伴、作为课堂教师、作为远程机器人教师以及作为引导伙伴四种角色对教育机器人展开研究和测试，并得出若只是单纯作为教师，则不被学生欢迎，而同伴在不影响学生学习的情况下应该给予支持，最后提出了教育机器人能够在课堂上通过其他无法获得的教育体验来改善目前有限的教学状况；Song J B等[16]考察使用教育机器人进行STEM融合教育对学业成绩和数学与科学学科态度的影响，实验表明对学生的情感态度产生了很多的正向影响，使用教育机器人进行STEM融合教育可以成为激发学生数学和科学学科兴趣的方案之一。

3 教育机器人应用研究现状

通过对上述国内外研究评述进行总结，教育机器人教育导向的研究现状如下：

①理论研究更新较慢，国内外的理论研究都存在相同的问题，较为权威的理论性文章之间间隔年份都比较长，可能的原因是理论需要实践测评来检验，而从理论提出后需要经过功能构建、场景分析，再到最后的测评才能得出一个权威的理论，周期较长，导致更新缓慢。

②功能特性研究是国内的研究热点，国外相对较少。在人工智能快速发展的背景下，近几年里国内有关政策推动人工智能教育的迅速发展，使得研究者们积极投入人工智能各种技术的研究中，并将这些技术应用于教育机器人使其具备特定的功能服务教育教学。

③应用场景的研究一直以来都是国内外的关注重点，从种类较多的语言类教学和工科类示教，到创新性的场馆教育和体育教育学科中，可以看出研究者们对场景应用的重视。

④相较于国外，国内更欠缺应用测评方面的研究，国内侧重于教育机器人对学生核心素养的测试，国外则侧重于对学生学习态度和学习兴趣的影响。

4 展望

时代在不断进步，研究者应该及时提高理论思想，加强国内外理论研究的投入，在关注技术问题的同时也要注意理论知识的更新。不断扩大应用场景研究的范围和学科领域，积极创新，为促进教育机器人与各种教学场景的融合而努力。国内也应该有效借鉴国外的研究成果，促进我国应用测评研究的发展，或者借鉴国外优秀的测评结果应用于教育机器人的技术功能研究和发展。