陳宇哲

通過對社區(qū)教育相關(guān)人群的調(diào)研，推斷出社區(qū)教育在機器人應(yīng)用方面的需求，確定總體設(shè)計目標是一款用于課堂教學的教育輔助型機器人。再根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)、成本、應(yīng)用等方面的實際情況，對各類需求進行取舍，整合已有成熟技術(shù)及設(shè)備，采用符合最優(yōu)成本效益的解決方案，形成一個均衡有效的教育輔助智能終端方案。

《中國制造2025》中指出，機器人發(fā)展要圍繞的應(yīng)用需求，教育是主要領(lǐng)域之一。教育類機器人現(xiàn)在主要包含兩類，一類是用于機器人教育的裝備，如機器人開發(fā)學習需要的設(shè)備、模型等;一類是提供教育服務(wù)的機器人，如承擔各類課程授課的機器人教師、機器人助教等。本文研究的是提供教育服務(wù)的機器人，在課堂教學中承擔講課、答疑等工作。

1 教育輔助機器人的總體設(shè)計目標

機器人設(shè)計的目標應(yīng)該是代替人類工作或減輕人類工作的負擔、提高工作效率。在教育領(lǐng)域，現(xiàn)階段由服務(wù)機器人全面取代教師進行獨立授課并不現(xiàn)實。但根據(jù)調(diào)研所得，服務(wù)機器人相對于人類教師有著各種優(yōu)勢，包括跨專業(yè)授課、不會勞累、情感不會波動、兼?zhèn)淦渌δ艿鹊?。因此，教育服?wù)機器人現(xiàn)階段的目標應(yīng)該是輔助授課，優(yōu)先設(shè)計研發(fā)教育輔助機器人并推廣應(yīng)用。教育輔助機器人應(yīng)兼顧成本效益及可行性，具體的設(shè)計目標包括以下方面：

1.1 應(yīng)用目標

（1）各類教育機構(gòu)能接受的購買或租用價格;

（2）功能上能滿足教育機構(gòu)的基本使用，使其在運營上能夠節(jié)省成本;

（3）功能上能提升教學質(zhì)量，有助于推動教學改革;

（4）外觀上能被大多數(shù)人接受，評價正面;

（5）使用機器人不會導致設(shè)備重復建設(shè)，不會產(chǎn)生較大浪費。

1.2 功能目標

（1）能連接課程資源庫，能承擔各種專業(yè)課程的授課;

（2）能進行視頻、語音授課（手部操作示范類授課由于技術(shù)不成熟及成本過高暫不考慮）;

（3）能連接利用原有教學場地設(shè)備，降低設(shè)備自身成本;

（4）出于成本考慮，不設(shè)置自動移動功能，尺寸盡量小巧;

（5）能錄音錄像，記錄課堂情況并分析;

（6）能識別語音及影像，能與教師、學員互動交流。

2 教育輔助機器人的設(shè)計要點

2.1 硬件部分的設(shè)計

硬件部分的設(shè)計是充分考慮成本限制及功能適用的前提下，以小巧實用為原則?？紤]放置于講臺等一定高度的桌面上使用，一人即可隨意搬動。硬件主要包含四個部分：

（1）主機：包含CPU、主板、顯卡、存儲、供電、散熱等部件。

（2）可分離式平板電腦：觸摸式屏幕，可作為主機顯示器使用，可與外接投影同屏顯示。也可獨立顯示并操作，作為主機的控制器。

（3）輸入輸出接口：包括各類型USB數(shù)據(jù)接口、HDMI等音視頻數(shù)據(jù)接口。

（4）監(jiān)控及感應(yīng)：包括攝像頭、麥克風及相關(guān)感應(yīng)器。

2.2 軟件部分的設(shè)計

軟件部分分為課程資源庫平臺與教學交互軟件兩個部分。

（1）課程資源庫平臺

人類教師術(shù)業(yè)有專攻，但也受制于自己的專業(yè)。而課程資源庫能夠?qū)崿F(xiàn)一臺機器人講授不同專業(yè)的課程，這是使用機器人進行教學的優(yōu)勢之一。課程資源庫包含三個方面的內(nèi)容。一是課程教學視頻，真人授課、動畫、實操錄像等都可以，形式不限。二是題庫及答案，包括課堂提問、小測、章節(jié)測驗、考試等。三是答疑數(shù)據(jù)庫，包含各類常見問題及答案。三個方面的內(nèi)容按每門課程進行分類，供機器人進行訪問并調(diào)用數(shù)據(jù)。

（2）教學交互軟件

教學交互軟件包含三個方面的內(nèi)容。一是系統(tǒng)軟件：采用現(xiàn)有的Windows或Android系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，用于支撐整個體系。二是輔助工具：這部分可由用戶自行根據(jù)需要安裝，如辦公軟件、圖片處理軟件、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、常用即時通訊工具等等。三是交互軟件：包含課程管理、教學安排、音像識別、錄音錄像、統(tǒng)計分析、授課監(jiān)控等，這部分是教學輔助機器人工作的核心。四是其他工作軟件，這部分按照用戶選擇進行安裝，如人工智能安防軟件等，主要用于機器人的多功能化。

2.3 外觀的設(shè)計

雖然在數(shù)據(jù)調(diào)研中，選擇服務(wù)機器人像真人的比例比較高，但并不適合本方案的尺度使用。本方案采用了卡通化的形式。整體形象以學習者的成功形象為參考，采用了學位服的形式，眼部參考了代表文化知識知性形象的眼鏡進行抽象處理，加入西裝領(lǐng)帶提煉的元素，更成熟穩(wěn)重。整體形成一個可愛的博士精靈的形象。

攝像頭隱藏在領(lǐng)帶中，眼睛為顯示屏用于表現(xiàn)神情，博士帽實際上是平板電腦（平板電腦部分可取下使用），博士帽的帽穗是USB接口延長線。

3 教育輔助機器人的應(yīng)用方案

3.1 課程資源庫平臺建設(shè)

首先，課程資源庫平臺建設(shè)要根據(jù)機器人運行的要求制定課程資源標準，例如視頻的參數(shù)標準、題庫與答疑庫的文本格式等，要提供詳盡的標準要求與格式模板。其次，應(yīng)組織專業(yè)人士進行課程資源的建設(shè)，包括優(yōu)質(zhì)的授課教師、專業(yè)的視頻拍攝與制作團隊等。同時，機器人的課程資源庫平臺的建設(shè)，應(yīng)考慮與現(xiàn)有的各類精品資源課程平臺形成共享關(guān)系，引導與支持現(xiàn)有平臺課程的資源進行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)與機器人的對接。

3.2 教育輔助機器人的課堂應(yīng)用

本教育輔助機器人方案，可考慮獨立授課，也可以采用人機搭配授課的形式。

1. 獨立授課模式：

由教學管理人員設(shè)定好班級人員，在課程資源庫選擇好課程，設(shè)定好授課視頻播放次序，設(shè)定好每段視頻播放完成后互動答疑時間，安排好對應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的測試題目。課堂實施階段，由機器人連接課室投影及音響設(shè)備。首先進行點名，可使用人像識別，也可以模仿真人教師點名應(yīng)答。課程授課首先播放錄制好的教學視頻。然后機器人根據(jù)答疑庫回答學員疑問。不能解答的問題，由機器人將錄制好的問題反饋給負責課程建設(shè)的專業(yè)教師，教師解答后通過郵件等渠道反饋給提問的學員，并在下一次課進行全班反饋。每次課結(jié)束前可根據(jù)預設(shè)安排測試，形式可以多樣化，例如機器人點名提問，以判斷題或選擇題的方式進行檢測，或通過屏幕投影二維碼，學員掃碼答題。機器人將學員學習檢測情況統(tǒng)計分析并將結(jié)果反饋給教學管理人員及負責課程建設(shè)的專業(yè)教師。在教育輔助機器人獨立授課期間，要同時設(shè)定好各類緊急情況呼叫的設(shè)定，教學管理人員也要通過機器人配置的攝像頭監(jiān)控課堂情況，及時處理突發(fā)情況。

1. 人機搭配授課：

人機搭配授課針對更復雜情況的課堂，例如老年人、兒童課程或者是手工操作性強、涉及教具耗材較多的課程。這里指的“人”，不是指專業(yè)教師，而是教學管理人員或助教，這類人員并不需要特定的專業(yè)知識或?qū)I(yè)技能。能讓輔助教學機器人在非專業(yè)輔助人員的協(xié)助下完成專業(yè)課程教學，才是輔助教學機器人方案的優(yōu)勢所在。一名普通工作人員在機器人協(xié)助下完成各種專業(yè)類別的課堂教學，能解決很多教育機構(gòu)最重要的師資問題。

人機搭配授課的過程與機器人獨立授課相近，教學管理人員主要承擔課堂管理工作。在人機互動方面，教學管理人員根據(jù)課堂學員實際情況，實時控制機器人授課的進度，發(fā)布對各環(huán)節(jié)的起始及暫停指令，同時完成收發(fā)教學耗材及用具等機器人不能完成的工作。教學管理人員在課堂上與機器人進行互動，引導課程的開展，也可以活躍課程的氣氛。在面對學員的層面，教學管理人員要引導學員按機器人的運行次序開展學習，協(xié)助學員與機器人開展互動交流，管理課堂紀律，并協(xié)助學習有困難的個別學員完成機器人布置的教學指令。

3.3 教育輔助機器人的成本控制

成本問題是服務(wù)機器人在教育領(lǐng)域發(fā)展的最大障礙。有效地降低成本，才能盡快發(fā)揮機器人的優(yōu)勢，推動教育領(lǐng)域信息化、智能化的深入發(fā)展，提高教育的質(zhì)與量。充分利用現(xiàn)有資源，挖掘設(shè)備潛力，是教育輔助機器人從開發(fā)到應(yīng)用要遵循的原則。

（1）課程資源庫的建設(shè)是教育輔助機器人建設(shè)投入規(guī)模最大的內(nèi)容。課程內(nèi)容的質(zhì)量與數(shù)量，直接影響機器人的授課能力。因此，課程資源庫的建設(shè)，要盡可能依托現(xiàn)有的各類課程資源平臺，與各級政府、院校及商業(yè)課程平臺建立資源共享關(guān)系。通過合作協(xié)議，將現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)課程資源加以調(diào)整使其適用于機器人平臺。通過按使用次數(shù)付費等方式，無論是院校等教育機構(gòu)的公共開放教學資源，還是企業(yè)的付費網(wǎng)絡(luò)課程資源，都多了一個可產(chǎn)生收益的渠道。而對于機器人的課程資源庫建設(shè)來說，則大大降低了前期的資源開發(fā)成本。

（2）教育輔助機器人的設(shè)計研發(fā)在成本控制上主要包括兩個方面，一是放棄部分非核心功能，二是將目標定位在現(xiàn)有成熟技術(shù)的整合上。

教育輔助機器人首先放棄了手部功能，因為機器人手部仿真技術(shù)還未達到可以模擬真人在手工類課程的操作。然后放棄了機器人自走功能，這樣機器人的尺寸就可以盡量縮小。這兩大功能取消，即取消了大量的機械類部件，而且尺寸得以小型化，無論開發(fā)成本、生產(chǎn)成本還是維護成本都將大大降低，而授課功能并沒有太大的缺失。

教育輔助機器人利用現(xiàn)有成熟技術(shù)進行整合。設(shè)備基礎(chǔ)源自臺式電腦及平板電腦的整合，影像識別與分析等功能可來源于智慧教室使用的軟件系統(tǒng)，語音識別及應(yīng)答同樣是較為成熟與普及的技術(shù)。成熟設(shè)備及技術(shù)的使用，可以有效地降低研發(fā)與生產(chǎn)成本。

（3）教育輔助機器人在應(yīng)用上考慮多用途化，通過多種途徑及方式降低運營成本。

一方面，將機器人作為廣告投放終端，通過與廣告企業(yè)合作，在課間休息等非授課時段，可以播放經(jīng)過相關(guān)機構(gòu)審核的廣告。廣告以不造成學員反感為界限，并針對學員年齡層次進行廣告投放，使廣告盡量貼近客戶需求。在廣告投放過程中教育機構(gòu)及時監(jiān)控受眾對廣告的反應(yīng)，觀感不良的及時撤換。廣告投放的收益可作為機器人使用的補貼，付費方式可以多樣化，降低機構(gòu)使用機器人投入的成本。

另一方面，機器人也可以協(xié)助從事其他工作?？梢愿鶕?jù)需要安裝監(jiān)控軟件或其他問答數(shù)據(jù)庫辦公軟件，非授課時段機器人可以在機構(gòu)前臺提供咨詢服務(wù)功能，以及在非工作時間起到安防監(jiān)控的作用。由于機器人本身具備計算機功能，在安裝相應(yīng)辦公軟件后，也可以在需要的時候當作工作電腦使用。

本文系廣州市社區(qū)教育服務(wù)指導中心2018年社區(qū)教育項目《基于社區(qū)場景的教育服務(wù)機器人交互設(shè)計研究與應(yīng)用》（項目編號：2018SQJY013）的研究成果。

（作者單位：廣州城市職業(yè)學院）