化希耀

（1.四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院；2.達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,四川 達(dá)州 635000）

1 教育機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足課堂教學(xué)的需要，教育機(jī)器人軟硬件需要配置高性能的控制器和先進(jìn)的人工智能芯片，以增強(qiáng)視覺處理性能.同時(shí)為滿足各個(gè)學(xué)科教學(xué)方式的不同，本文認(rèn)為教育機(jī)器人系統(tǒng)還應(yīng)包括二次開發(fā)平臺(tái).［1-2］教育機(jī)器人架構(gòu)分為硬件層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用層，其中硬件層和系統(tǒng)軟件層合稱為教育機(jī)器人本體，應(yīng)用層又稱為二次開發(fā)平臺(tái)，如圖1所示.

教育機(jī)器人硬件層主要由控制器、機(jī)械平臺(tái)、I/O接口、機(jī)械臂和多種傳感器組成.控制器是教學(xué)機(jī)器人的大腦，負(fù)責(zé)管理和控制機(jī)器人的所有軟硬件資源.系統(tǒng)軟件層包括機(jī)器人操作系統(tǒng)、路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航和各類硬件驅(qū)動(dòng)程序.應(yīng)用層包括語(yǔ)音庫(kù)、腦肌電信號(hào)庫(kù)、人臉識(shí)別系統(tǒng)、表情姿態(tài)特征庫(kù)、課程資源庫(kù)、智能答疑系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)及專家系統(tǒng)、授課方式庫(kù)和學(xué)生特征庫(kù)等模塊組成；其中機(jī)器人操作系統(tǒng)主要完成教學(xué)任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行；課程資源庫(kù)是機(jī)器人完成教學(xué)任務(wù)所依賴的知識(shí)庫(kù)，包括多媒體課件、習(xí)題庫(kù)和語(yǔ)音庫(kù)等，由教師在課程開始前開發(fā)，并輸入機(jī)器人存儲(chǔ)器中；智能答疑系統(tǒng)主要用于機(jī)器人教學(xué)過程中與學(xué)生進(jìn)行溝通交流、回答學(xué)生提出的各種問題；機(jī)器學(xué)習(xí)及專家系統(tǒng)是機(jī)器人在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)、積累經(jīng)驗(yàn)和調(diào)整教學(xué)策略的決策系統(tǒng)；機(jī)器人本體手部由兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)手臂組成，主要用來表達(dá)各種肢體語(yǔ)言和抓取動(dòng)作；機(jī)器人頭部包括電機(jī)、超聲波傳感器、視覺傳感器、麥克風(fēng)和音響，其中電機(jī)控制機(jī)器人頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)和面部表情；超聲波傳感器用于檢測(cè)障礙物和機(jī)器人移動(dòng)過程中避開障礙物；視覺傳感器用于學(xué)生身份識(shí)別和學(xué)生狀態(tài)檢測(cè)；麥克風(fēng)和音響用于機(jī)器人講課、與學(xué)生語(yǔ)音交互等.機(jī)器人腿部由兩個(gè)電機(jī)、舵機(jī)、左車輪、右車輪和方向輪組成，主要用于機(jī)器人在教室里移動(dòng).另外，教育機(jī)器人可通過網(wǎng)絡(luò)接口與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)連接，可從網(wǎng)絡(luò)上傳和下載教學(xué)資源.［3］

圖1 教育機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 教育機(jī)器人主持教學(xué)過程

2.1 教育機(jī)器人主持教學(xué)過程

教育機(jī)器人主持教學(xué)是指機(jī)器人完全代替教師開展教學(xué)活動(dòng).［4］如圖2所示，機(jī)器人主持教學(xué)的基本過程大致可以分為準(zhǔn)備、實(shí)施和總結(jié)三個(gè)階段.

在教學(xué)準(zhǔn)備階段，教師需要了解學(xué)生的班級(jí)、年齡等情況，分析課程教學(xué)目標(biāo)，通過對(duì)機(jī)器人編程構(gòu)建機(jī)器人授課方式庫(kù)，包括講授式、情景式、討論式和翻轉(zhuǎn)課堂等，方便后續(xù)機(jī)器人在教學(xué)中根據(jù)授課情況優(yōu)化選取合適的授課方式；構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)資源庫(kù)，包括多媒體課件、語(yǔ)音庫(kù)、習(xí)題課和專家系統(tǒng)庫(kù)以及學(xué)生特征庫(kù)，教學(xué)資源可為后續(xù)機(jī)器人教學(xué)過程中隨堂調(diào)用；此時(shí)學(xué)生則應(yīng)提前做好聽課準(zhǔn)備，熟悉機(jī)器人教學(xué)流程和教學(xué)特點(diǎn).準(zhǔn)備完成后，教師即可向機(jī)器人下達(dá)教學(xué)任務(wù)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)機(jī)器人，開始授課任務(wù).

在教學(xué)實(shí)施階段，機(jī)器人首先分析學(xué)生的特征，確定授課方式，制定教學(xué)計(jì)劃；然后圍繞教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人根據(jù)需要從教學(xué)資源庫(kù)中調(diào)用教學(xué)資源，創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景和問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的觀察以及學(xué)生回答問題的情況，對(duì)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況做出判斷，調(diào)整講課策略；如果學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到問題，可以通過語(yǔ)言對(duì)話、網(wǎng)上提問等方式提出問題，機(jī)器人通過智能答疑系統(tǒng)給學(xué)生完成解答.

在教學(xué)總結(jié)階段，機(jī)器人通過分析課堂記錄、作業(yè)和測(cè)評(píng)成績(jī)，對(duì)教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié)；學(xué)生則可通過教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)；在教師的監(jiān)督下，機(jī)器人通過分析總結(jié)、制定今后的教學(xué)改進(jìn)計(jì)劃.

圖2 機(jī)器人主持教學(xué)過程

圖3 機(jī)器人教學(xué)場(chǎng)景

2.2 教育機(jī)器人教學(xué)場(chǎng)景

機(jī)器人主持教學(xué)是由機(jī)器人完全代替教師完成課堂教學(xué)和課后輔導(dǎo)等教學(xué)工作，而教師則負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)教學(xué)過程，對(duì)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督和管理.如圖3所示為機(jī)器人教學(xué)場(chǎng)景.和傳統(tǒng)多媒體教室類似，機(jī)器人主持課堂多媒體教室中安裝有多媒體投影、無線網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控等設(shè)備，不同之處在于需要規(guī)劃好機(jī)器人走動(dòng)的空間，教育機(jī)器人可以設(shè)計(jì)為無軌道和有軌道行走兩種類型，如果需要軌道，則教室里要安裝行走軌道，以便于教育機(jī)器人在講課過程中與學(xué)生開展互動(dòng)交流.機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)可以控制教室里的多媒體投影、監(jiān)控設(shè)備.在講課過程中，教育機(jī)器人根據(jù)課程的需要自主地播放PPT課件和語(yǔ)音講解，通過視頻監(jiān)控設(shè)備、人臉識(shí)別算法、表情識(shí)別算法，完成學(xué)生簽到點(diǎn)名和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)的識(shí)別，并根據(jù)課堂需要進(jìn)行提問和答疑互動(dòng).而此時(shí)，教師作為教學(xué)管理者，則通過互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)教室的上課狀態(tài).同時(shí)，還需要完成對(duì)機(jī)器人教學(xué)不足之處進(jìn)行課后補(bǔ)充、教育機(jī)器人維護(hù)和教育資源庫(kù)的開發(fā).

2.3 教師需要新的教育技能

傳統(tǒng)教學(xué)方式，教師常常采用黑板和粉筆進(jìn)行講述，它的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生可以根據(jù)教師的思路看到知識(shí)點(diǎn)推導(dǎo)的詳細(xì)過程，但不足之處是它呈現(xiàn)的信息量較少，也不能圖文并茂，缺乏生動(dòng)性.根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些教學(xué)實(shí)踐表明，機(jī)器人教學(xué)可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，海量的教學(xué)資源庫(kù)提供了豐富的教學(xué)內(nèi)容，按照學(xué)生學(xué)習(xí)需求隨時(shí)改變教學(xué)策略，可以達(dá)到教師教學(xué)難以達(dá)到的教學(xué)效果.

機(jī)器人代替教師進(jìn)行課堂教學(xué)、課后答疑和互動(dòng).一方面可以減輕教師的教學(xué)壓力，更重要的是提高了教學(xué)效果.此時(shí)，教師需要掌握機(jī)器人操作技能，包括機(jī)器人的啟動(dòng)停止、知識(shí)庫(kù)的建立、語(yǔ)音庫(kù)的開發(fā)以及機(jī)器人教育技術(shù)與課程整合的技能.教師首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，擴(kuò)充機(jī)器人的專家知識(shí)庫(kù)、教學(xué)策略庫(kù)以及學(xué)生特征庫(kù)，然后調(diào)試好機(jī)器人和教學(xué)媒體，通過控制機(jī)器人和教學(xué)媒體間接向?qū)W習(xí)者傳遞教學(xué)信息，且不直接根據(jù)學(xué)習(xí)情況來獲得反饋.通過設(shè)置任務(wù)型的學(xué)習(xí)目標(biāo)讓學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者則可通過操作教學(xué)媒體或機(jī)器人實(shí)時(shí)從網(wǎng)上資源庫(kù)、專家知識(shí)庫(kù)中獲得與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)信息.［5］

3 教育機(jī)器人如何完成授課

教育機(jī)器人集成了許多人工智能技術(shù)，包括語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、人臉識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、云計(jì)算等，智能化程度非常高，通過移動(dòng)底盤和機(jī)械臂完成行走和肢體語(yǔ)言，語(yǔ)音合成和多媒體設(shè)備完成課堂內(nèi)容的講解.機(jī)器人的授課方式可借鑒吸收全世界范圍內(nèi)眾多教師的優(yōu)秀成果，構(gòu)建講授式、討論式、情景式、翻轉(zhuǎn)課堂等多種授課方式庫(kù)，由機(jī)器人根據(jù)學(xué)生特征和教學(xué)需要靈活調(diào)用.我們將通過以下六個(gè)方面來闡述教育機(jī)器人如何開展授課任務(wù).

第一，教育機(jī)器人類似于服務(wù)機(jī)器人，應(yīng)該具備移動(dòng)底盤和靈活的機(jī)械臂；同時(shí)，為保證機(jī)器人與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，教育機(jī)器人應(yīng)該設(shè)計(jì)為人型機(jī)器人，還應(yīng)具有豐富的表情.為滿足這些場(chǎng)景需要，教育機(jī)器人應(yīng)該配置高性能處理器，才能完成較復(fù)雜的計(jì)算任務(wù).在教育機(jī)器人軟件方面，可以充分利用現(xiàn)有的開源軟件，如ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)、TensorFlow機(jī)器學(xué)習(xí)框架等.

第二，為完成課堂內(nèi)容的講授，教師利用語(yǔ)音合成技術(shù)將授課內(nèi)容轉(zhuǎn)化成語(yǔ)音，輸入教育機(jī)器人存儲(chǔ)器中.機(jī)器人在講課過程中，在播放多媒體課件的同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音講解.學(xué)生可以通過麥克風(fēng)進(jìn)行提問，教育機(jī)器人利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)理解問題，在本地知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行查詢、組織內(nèi)容和解答，完成課堂師生互動(dòng)交流.

第三，教育機(jī)器人配備了先進(jìn)的視覺傳感器，如Kinect等，在上課前，可以通過人臉識(shí)別技術(shù)，完成點(diǎn)名和簽到任務(wù).授課過程中，通過表情識(shí)別，可以實(shí)時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，根據(jù)情況靈活決定下一步該怎么講解，是否需要調(diào)入一些有趣的話題提高學(xué)生的積極性；還可通過人臉識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行提問.

第四，為充分模仿人類教學(xué)，教育機(jī)器人除了在外觀上友好之外，還需要有豐富的肢體語(yǔ)言來表達(dá)知識(shí)和開展人機(jī)互動(dòng)交流.教育機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，要借鑒人類肢體動(dòng)作，構(gòu)建教育機(jī)器人肢體語(yǔ)言庫(kù)，供教育機(jī)器人在講課和互動(dòng)過程中與語(yǔ)音同步表達(dá).

第五，教育機(jī)器人在授課過程中與學(xué)生互動(dòng)，需要隨時(shí)在教室中移動(dòng)和行走，借助GPS、視覺傳感器和激光雷達(dá)等多種傳感器，可以完成教育機(jī)器人在教室中定位和導(dǎo)航.一般來說，教室里的物體如課桌和椅子擺放相對(duì)固定，這樣教育機(jī)器人移動(dòng)可以采用固定軌道，類似于餐廳服務(wù)機(jī)器人，也可采用先進(jìn)的SLAM技術(shù)，完成地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航.

結(jié) 語(yǔ)

自2016年以來，人類已然進(jìn)入了數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和邊緣計(jì)算為代表的數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深入融合，推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步，改變了人們的思維和生活方式.在全世界掀起STEAM和創(chuàng)客教育的浪潮下，教育機(jī)器人走向課堂已逐步成為可能.未來教師需要掌握更多的信息技術(shù)，需要與教育機(jī)器人協(xié)同工作，共同完成教學(xué)任務(wù).同時(shí)我們也看到，本文涉及的許多技術(shù)尚未完全成熟，構(gòu)建一臺(tái)高度智能化的教育機(jī)器人需要眾多技術(shù)的融合，這些問題還有待進(jìn)一步研究.