余新國(guó)， 夏 菁

(1.華中師范大學(xué) 人工智能教育學(xué)部， 湖北 武漢 430079；2.華中師范大學(xué) 國(guó)際文化交流學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

一、引言

(一)研究源起

自古以來(lái)教育主要是通過(guò)面對(duì)面“人教人”的途徑實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)代技術(shù)描繪了人機(jī)共融教育的新愿景。人類進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，教育云、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)軟件、教育APP和社交軟件等實(shí)現(xiàn)了人網(wǎng)協(xié)作教育(1)楊宗凱、楊浩、吳砥：《論信息技術(shù)與當(dāng)代教育的深度融合》，《教育研究》2014年第3期。。網(wǎng)絡(luò)連接打破了傳統(tǒng)教學(xué)的“圍墻”而大大突破了面對(duì)面“人教人”的限制。在新冠肺炎疫情帶來(lái)的人與人相互隔絕狀態(tài)中，人網(wǎng)協(xié)作使教與學(xué)能夠“正常”進(jìn)行，現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到極大彰顯，但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題和局限性，比如在互動(dòng)交流方面不如現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中有效。這些問(wèn)題和局限性促使教育技術(shù)向以教育機(jī)器人為特征的人機(jī)共融教育發(fā)展。針對(duì)線上教學(xué)互動(dòng)交流受限的情況，教育機(jī)器人因其擁有仿真教育能力而在互動(dòng)交流、情感表達(dá)等智能功能方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

人機(jī)共融教育的需求推動(dòng)了教育機(jī)器人的研究。通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于教育機(jī)器人的研究主要體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用兩大領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究主要包括通用軟硬件的研發(fā)和特型教育機(jī)器人的研發(fā)。應(yīng)用研究主要集中在四個(gè)方面：(1)應(yīng)用理論探索。應(yīng)用理論探究教育機(jī)器人應(yīng)用于教育的基本原理、應(yīng)用范式和發(fā)展趨勢(shì)。例如黃榮懷等對(duì)教育機(jī)器人的應(yīng)用情境、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了十大核心觀點(diǎn)(2)黃榮懷、劉德建、徐晶晶等：《教育機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2017年第1期。；Benitti和Cheng等從理論上探討教育機(jī)器人的概念、角色、潛能、交互理論、核心應(yīng)用以及人機(jī)共融新教學(xué)模式等在教育方面的作用(3)F. Benitti，“Exploring the Educational Potential of Robotics in Schools：A Systematic Review”，Computers & Education，Vol.58，2012；Y. W. Cheng，P. C. Sun，N. S. Chen，“The Essential Applications of Educational Robot：Requirement Analysis from the Perspectives of Experts，Researchers and Instructors”，Computers & Education，Vol.126，2018.。(2) 應(yīng)用功能需求探究。這方面的研究主要是探究教育機(jī)器人需要具備的功能。例如李艷燕等對(duì)教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)、硬件和軟件的構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行了分析(4)李艷燕、李新、王君秀：《教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵問(wèn)題分析》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2020年第1期。；高博俊等提出了教育機(jī)器人產(chǎn)品功能的分析框架(5)高博俊、徐晶晶、杜靜等：《教育機(jī)器人產(chǎn)品的功能分析框架及其案例研究》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2020年第1期。；盧宇等分析了“智慧學(xué)伴”的系統(tǒng)架構(gòu)(6)盧宇、薛天琪、陳鵬鶴等：《智能教育機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)——以“智慧學(xué)伴”機(jī)器人為例》，《開(kāi)放教育研究》2020年第2期。；肖廣德等從教育需求出發(fā)，提出了教育機(jī)器人功能設(shè)計(jì)的重要“關(guān)注點(diǎn)”(7)肖廣德、劉彤、張香玲：《教育機(jī)器人的需求分析與功能設(shè)計(jì)》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2020年第1期。。(3)應(yīng)用場(chǎng)景研究。應(yīng)用場(chǎng)景研究主要探究在什么場(chǎng)景下應(yīng)用教育機(jī)器人。在授課應(yīng)用方面，采用教育機(jī)器人教授語(yǔ)言是最為普遍的課程類型(8)陸小飛、廖劍、許琪：《教育機(jī)器人在外語(yǔ)口語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及前瞻》，《外語(yǔ)界》2021年第1期。。在中小學(xué)應(yīng)用機(jī)器人教育方面，Chin等和Chen等分別研究了教育機(jī)器人對(duì)于提升學(xué)習(xí)興趣的作用(9)K. Chin，Z. Hong，Y. Chen，“Impact of Using an Educational Robot-based Learning System on Students’Motivation in Elementary Education”，IEEE Transactions on Learning Technologies，Vol.7，No.4，2014；H. Chen，H. W. Park，C. Breazeal，“Teaching and Learning with Children：Impact of Reciprocal Peer Learning with a Social Robot on Children’s Learning and Emotive Engagement”，Computers & Education，Vol.150，2020.，Mitnik等則研究了教育機(jī)器人授課的模式(10)R. Mitnik，M. Nussbaum，A. Soto，“An Autonomous Educational Mobile Robot Mediator”，Autonomous Robots，Vol.25，No.4，2008.。魏雪峰等研發(fā)了教育測(cè)評(píng)機(jī)器人，并在初中數(shù)學(xué)課堂開(kāi)展了教學(xué)應(yīng)用(11)魏雪峰、劉永渤、曲麗娟等：《教育測(cè)評(píng)機(jī)器人的理念構(gòu)想與教學(xué)應(yīng)用研究》，《中國(guó)電化教育》2018年第12期。。(4) 教學(xué)實(shí)踐與評(píng)估研究。這方面著重研究評(píng)估教育機(jī)器人應(yīng)用于教學(xué)的評(píng)估理論、方法和實(shí)踐效果(12)K. Chin，Z. Hong，Y. Chen，“Impact of Using an Educational Robot-Based Learning System on Students’ Motivation in Elementary Education”；I. R. Nourbakhsh，K. Crowley，A. Bhave，et al.，“The Robotic Autonomy Mobile Robotics Course：Robot Design，Curriculum Design and Educational Assessment”，Autonomous Robots，Vol.18，No.1，2005；T. Belpaeme，J. Kennedy，A. Ramachandran，et al.，“Social Robots for Education：A Review”，Science Robotics，Vol.3，No.21，2018.。例如在學(xué)術(shù)期刊Computers&Education上發(fā)表的多篇相關(guān)論文全面系統(tǒng)地評(píng)估了教育機(jī)器人的使用效果，提出了使用教育機(jī)器人的各種量表，從參與度、娛樂(lè)性、焦慮性和意圖四個(gè)方面對(duì)學(xué)習(xí)者態(tài)度進(jìn)行分析，在各種細(xì)分人機(jī)結(jié)合模式下，對(duì)教學(xué)潛能、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)模式、學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了基于數(shù)據(jù)的分析(13)Y. W. Cheng，P. C. Sun，N. S. Chen，“The Essential Applications of Educational Robot：Requirement Analysis from the Perspectives of Experts，Researchers and Instructors”；H. Chen，H. W. Park，C. Breazeal，“Teaching and Learning with Children：Impact of Reciprocal Peer Learning with a Social Robot on Children’s Learning and Emotive Engagement”；S. Kucuk，B. Sisman，“Behavioral Patterns of Elementary Students and Teachers in One-to-One Robotics Instruction”，Computers & Education，Vol.111，2017；E. A. Konijn，J. F. Hoorn，“Robot Tutor and Pupils’ Educational Ability：Teaching the Times Tables”，Computers & Education，Vol.157，2020.。

綜上可知，學(xué)術(shù)界對(duì)教育機(jī)器人的研究涉及了模塊開(kāi)發(fā)、整機(jī)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用理論、課程設(shè)計(jì)、功能組成、實(shí)踐與評(píng)估等方面，為教育機(jī)器人的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。然而囿于現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，教育機(jī)器人的研究還處在起步階段，許多具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題有待探索。其一，在目前研究中教育機(jī)器人十分繁雜，互不兼容，面對(duì)這種“獨(dú)特”能否建立一個(gè)具有高度概括力和包容性的軟硬件框架用于分析和解釋這些彼此各異的教育機(jī)器人？其二，各類教育機(jī)器人有著各自不同的外顯能力，即完成教育動(dòng)作和任務(wù)的能力。然而需要追問(wèn)的是，哪些外顯能力與教育需求相匹配？在教育過(guò)程中它們又是如何發(fā)揮作用？如何選擇適合教育場(chǎng)景需求的教育機(jī)器人？其三，內(nèi)部軟硬件與外顯能力如何支撐人機(jī)共融教育模式？回答這些問(wèn)題需要對(duì)教育機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體系和能力體系作系統(tǒng)性的研究。教育機(jī)器人及其相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展成果為此研究提供了成熟條件?！鞍柗ü贰痹谂c人類頂尖棋手的人機(jī)大戰(zhàn)中取得壓倒性勝利就證明人工智能具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，從而間接地證明了教育機(jī)器人的算法基礎(chǔ)和計(jì)算技術(shù)前提已具備。與教育機(jī)器人相關(guān)的機(jī)器人學(xué)、人工智能在近十年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為教育機(jī)器人發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。清華大學(xué)和微軟亞洲研究院合作開(kāi)發(fā)的“華智冰”具有了先進(jìn)的智能功能，標(biāo)志著智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)的新水平。ScienceRobotics是機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的刊物，經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展影響因子就高達(dá)23.75(14)G. Z. Yang，J. Bellingham，H. Choset，et al.，“Science for Robotics and Robotics for Science”，Science Robotics，Vol.1，No.1，2016；G. Z. Yang，S. H. Collins，P. Dario，et al.，“Five Years of Science Robotics”，Science Robotics，Vol.6，No.1，2021.，其驚人成長(zhǎng)見(jiàn)證了機(jī)器人仿生理論與應(yīng)用方面的快速發(fā)展。相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步昭示著教育機(jī)器人的發(fā)展是可期的，本文從教育機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用的雙向視角出發(fā)，提出教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系，從整體上提升人們對(duì)教育機(jī)器人的認(rèn)知，推動(dòng)構(gòu)建人機(jī)共融教育新模式的發(fā)展。

“教育機(jī)器人”是隨著智能技術(shù)與教育的結(jié)合逐漸走入人們視野，代表了智能教育的前沿狀態(tài)。近年來(lái)教育機(jī)器人在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用兩個(gè)方面取得了重要成就，但究竟何為教育機(jī)器人，目前的定義還是比較籠統(tǒng)和模糊。學(xué)術(shù)界對(duì)教育機(jī)器人也有多種理解，主要關(guān)注機(jī)器人對(duì)教育的輔助功能：認(rèn)為教育機(jī)器人是輔助教學(xué)、管理教學(xué)、處理教學(xué)事務(wù)乃至主持教學(xué)等功能的機(jī)器人[P66，P67](15)本文中的[PXX]上標(biāo)是指腳注以外的文獻(xiàn)，表1給出了它們來(lái)源信息。；或者認(rèn)為教育機(jī)器人是基于教學(xué)理念，遵循教學(xué)教法和內(nèi)置教學(xué)案例而開(kāi)發(fā)的教學(xué)裝備[P24]。這些研究顯示，教育機(jī)器人早期的研究在很大程度上將之歸屬于服務(wù)機(jī)器人之列，但也有學(xué)者認(rèn)識(shí)到教育機(jī)器人并不是服務(wù)機(jī)器人的簡(jiǎn)單延伸，所以將其單獨(dú)劃分為“教育機(jī)器人”(16)H. Chen，H. W. Park，C. Breazeal，“Teaching and Learning with Children：Impact of Reciprocal Peer Learning With a Social Robot on Children’s Learning and Emotive Engagement”.。這樣的界定表明，研究者大多將所有協(xié)助進(jìn)行教學(xué)或?qū)W習(xí)活動(dòng)的“機(jī)器人教育”以及具有教育服務(wù)智能的“教育服務(wù)機(jī)器人”統(tǒng)稱為教育機(jī)器人。這些“界定”表現(xiàn)出“種差+屬”的界定方法，昭示出要給“教育機(jī)器人”一個(gè)準(zhǔn)確的定義比較困難，只得用熟知的事物與學(xué)科相加，但“教育機(jī)器人”的不同定義都包含了機(jī)器人對(duì)于教育的價(jià)值和意義。

教育機(jī)器人的本質(zhì)特征是智能服務(wù)于教育的機(jī)器人，它的落腳點(diǎn)是教育，因而教育機(jī)器人不同于智能事務(wù)服務(wù)機(jī)器人，需要重點(diǎn)關(guān)注和單獨(dú)討論，為此需要理清幾種關(guān)系(17)張鵬：《智能機(jī)器人輔助教育及其應(yīng)用》，《中國(guó)電化教育》2009年第2期。。其一，需要理清種屬關(guān)系。教育機(jī)器人不一定是應(yīng)用于教育的實(shí)體機(jī)器人。教育是智力活動(dòng)，需求的是情景構(gòu)建、知識(shí)流動(dòng)和情感交流，而對(duì)教育者的實(shí)體在場(chǎng)不是絕對(duì)要求的，因而教育機(jī)器人可以是虛擬的。如果把教育機(jī)器人僅視為用于教育的實(shí)體機(jī)器人就“窄化”了，因?yàn)榫哂薪逃δ艿奶摂M機(jī)器人也是教育機(jī)器人。其二，教育機(jī)器人與機(jī)器人學(xué)的研究重點(diǎn)也有本質(zhì)的區(qū)別。機(jī)器人學(xué)所關(guān)注主題主要是機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)生物的功能，如行走、爬行、軟體、潛水、探測(cè)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、情感、群體合作等，而教育機(jī)器人關(guān)注的重點(diǎn)是其教育的功能。其三，教育是一個(gè)復(fù)雜而高級(jí)的智能活動(dòng)，因而教育機(jī)器人強(qiáng)調(diào)的是其智能功能，有其自身的理論基礎(chǔ)和技術(shù)前提。

綜上可以形成如下定義：教育機(jī)器人是融合了計(jì)算、傳感、網(wǎng)絡(luò)和人工智能等信息技術(shù)和智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)體系、教育參與者、教育場(chǎng)景和教育過(guò)程的數(shù)字化建模與計(jì)算，擁有擔(dān)任教育角色、完成教育任務(wù)能力的智能系統(tǒng)或智能體。教育機(jī)器人因其應(yīng)用場(chǎng)景眾多、范圍廣大、對(duì)象廣泛，所以表現(xiàn)形式千差萬(wàn)別：可以是實(shí)體，也可以是虛擬；可以是通用，也可以是專用；可以是人形，也可以是動(dòng)物形、物形等。沿此，我們?cè)谌嬲莆宅F(xiàn)有相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從智能系統(tǒng)研發(fā)的角度，構(gòu)建教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系，從總體上把握教育機(jī)器人的概念，試圖對(duì)教育機(jī)器人作一個(gè)比較全面的、系統(tǒng)性的描述。

(二)研究方法

本文以過(guò)去20年里有關(guān)教育機(jī)器人的研究文獻(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)，采用最新人工智能技術(shù)BERT(18)J. Devlin，M. W. Chang，K. Lee，et al.，“BERT：Pre-Training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding”，https：//arxiv.org/pdf/1810.04805.pdf，2021-07-15.進(jìn)行分析和凝練，形成對(duì)研究問(wèn)題的基本認(rèn)識(shí)架構(gòu)，再采用系統(tǒng)研究法，提出教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系，進(jìn)而整合形成完整的教育機(jī)器人知識(shí)體系，再基于其整體能力探究典型的人機(jī)共融教育模式。具體采取四個(gè)步驟來(lái)完成。第一，廣搜文獻(xiàn)，全面掌握研究資料。從中國(guó)知網(wǎng)收集到240篇論文，從WoS收集到332篇論文，共572篇。第二，挖掘內(nèi)部框架和外顯能力體系構(gòu)成要素。采用BERT將每篇論文用向量序列表示，然后通過(guò)分析得到572篇論文的內(nèi)容體系。第三，采用系統(tǒng)研究法構(gòu)建內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系。將有關(guān)教育機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容體系劃分為開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用研究?jī)刹糠?，再采用系統(tǒng)研究法分別提煉出具有高度概括力和解釋力的“內(nèi)部軟硬件框架”和“外顯能力體系”。第四，精選文獻(xiàn)并列出文獻(xiàn)分類分布，闡明總體框架和能力體系與相關(guān)研究的契合性和相融性，從而證明內(nèi)部框架和外顯能力體系的完備性、概括力、解釋力。具體方法為，從572篇論文中精挑88篇作為參考文獻(xiàn)。從內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系的每一類研究?jī)?nèi)容中抽取10個(gè)關(guān)鍵詞，每篇論文也提取10個(gè)關(guān)鍵詞，這樣可以計(jì)算得出每篇論文與每類內(nèi)容的關(guān)聯(lián)度。當(dāng)關(guān)聯(lián)度大于20%時(shí)，就認(rèn)定此論文屬于該類，所以一篇論文可以屬于1至4類；對(duì)于綜述論文，只要關(guān)聯(lián)度大于10%時(shí)，就認(rèn)定此論文屬于該類，因此綜述論文可以覆蓋所有類別。表1顯示的是本文所提出的教育機(jī)器人的總體框架與相關(guān)研究文獻(xiàn)的關(guān)系。

(表1) 教育機(jī)器人論文的來(lái)源和主題分布及其兩層編碼表示

鑒于88篇相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量仍然較大，于是采用編碼技術(shù)來(lái)呈現(xiàn)，從88篇文獻(xiàn)中挑選20篇作為腳注文獻(xiàn)(腳注文獻(xiàn)中另有4篇不是關(guān)于教育機(jī)器人的論文)，剩下的68篇作為擴(kuò)展文獻(xiàn)。兩類文獻(xiàn)都以兩層編碼的方式分別呈現(xiàn)在表1的下部。第一層是雜志名編碼，采用JXX表示一個(gè)雜志名，比如J06表示《中國(guó)電化教育》。第二層是論文編碼，采用ZXX和PXX分別表示腳注文獻(xiàn)和擴(kuò)展文獻(xiàn)，比如“Z01=J09，2017，27(1)：13-20”表示發(fā)表在《現(xiàn)代教育技術(shù)》2017年第27卷期第1期第13至30頁(yè)的論文，屬于腳注文獻(xiàn)；“P08=J06，2020.12：36-43”表示發(fā)表在《中國(guó)電化教育》2020年第12期第36至43頁(yè)的論文，屬于擴(kuò)展文獻(xiàn)。此外還約定：對(duì)于無(wú)卷號(hào)的雜志在年與期之間加點(diǎn)分開(kāi)，如“2020.12”；對(duì)于有卷號(hào)的雜志在年與卷之間加短號(hào)分開(kāi)，如“2012，58”和“2017，27(1)”，其中卷后括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示期號(hào)。88篇論文在各個(gè)類型上的分布也呈現(xiàn)在表1中。表1的上部分呈現(xiàn)了來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)和WoS的論文在七個(gè)類別“綜論”、“機(jī)體基礎(chǔ)”、“數(shù)據(jù)資源”、“智能計(jì)算”、“五類能力”、“五種角色”、“十個(gè)維度”上的數(shù)量分布；這七個(gè)類別也是七個(gè)主題，表1的中間部分呈現(xiàn)了論文的主題分布。具體做法是將88篇論文分成13組，呈現(xiàn)每一組來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)和WoS的論文數(shù)目，并用“√”表明該組論文涉及七個(gè)類別中的哪些類別。

二、支撐人機(jī)共融教育的教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架

人機(jī)共融教育對(duì)于教育機(jī)器人能力有著各種要求，而這些能力又是由其內(nèi)部的功能框架提供技術(shù)支撐的，所以研究教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架是一個(gè)重要基礎(chǔ)工作。研究者對(duì)教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件的界說(shuō)眾說(shuō)紛紜，那這些“各自界說(shuō)”能否進(jìn)行有效溝通和交流，能否形成統(tǒng)一的具有高度概括力的關(guān)于內(nèi)部框架的“解釋模型”？通過(guò)對(duì)大量相關(guān)研究文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)挖掘和分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上這些“各自界說(shuō)”彼此有共同點(diǎn)，因而可以基于“共同要素”提出具有高度概括力的內(nèi)部軟硬件框架雛形，進(jìn)而經(jīng)過(guò)體系再構(gòu)造、概念再生成和內(nèi)涵再辨析，構(gòu)建一個(gè)總括全貌的內(nèi)部軟硬件框架，每個(gè)具體教育機(jī)器人類型是這個(gè)內(nèi)部軟硬件總體框架的部分體現(xiàn)。教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架由機(jī)體基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)資源、智能計(jì)算三個(gè)方面組成。

(一)機(jī)體基礎(chǔ)

機(jī)體基礎(chǔ)可以劃分為機(jī)器內(nèi)核、移動(dòng)設(shè)備、展示設(shè)備、感知設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外延設(shè)備等六個(gè)部分。第一，機(jī)器內(nèi)核是提供基礎(chǔ)功能的硬件和軟件結(jié)合體，包括算力主板、操作系統(tǒng)、中控系統(tǒng)。機(jī)器內(nèi)核可能不直接提供教育功能，但它是實(shí)現(xiàn)教育功能的基礎(chǔ)內(nèi)核。現(xiàn)有文獻(xiàn)中與機(jī)器內(nèi)核相近的術(shù)語(yǔ)是機(jī)器本體，兩者不同的是：機(jī)器本體強(qiáng)調(diào)的是物理上的機(jī)器人實(shí)體(包括形態(tài)、硬件)和軟件的結(jié)合；而機(jī)器內(nèi)核只包括機(jī)器本體的基礎(chǔ)功能部分，這將更加突出其內(nèi)核的穩(wěn)定性。第二，移動(dòng)設(shè)備是指將教育機(jī)器人從一個(gè)空間點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)空間點(diǎn)的設(shè)備，是對(duì)虛擬移動(dòng)和實(shí)體移動(dòng)的集中概括表述。虛擬教育機(jī)器人的移動(dòng)是通過(guò)數(shù)字傳輸和重構(gòu)完成的，而實(shí)體教育機(jī)器人的移動(dòng)設(shè)備以輪式和足式較為普遍。教育機(jī)器人若要高質(zhì)量地完成教育任務(wù)，其移動(dòng)功能是十分重要的，因?yàn)殡p足移動(dòng)更接近人的能力，因而它在創(chuàng)客教育機(jī)器人方面尤其重要。雙足的技術(shù)門(mén)檻比較高，大規(guī)模地應(yīng)用于教育機(jī)器人還需時(shí)間。相較而言，機(jī)器人的輪式移動(dòng)技術(shù)較為成熟，因而是目前教育機(jī)器人的一種主要移動(dòng)方式。第三，展示設(shè)備是指教育機(jī)器人展示動(dòng)作和多媒體內(nèi)容的設(shè)備。機(jī)器整體都是動(dòng)作展示設(shè)備。多媒體展示設(shè)備則有麥克風(fēng)、顯示屏和投影儀。麥克風(fēng)是教育機(jī)器人的普及技術(shù)。顯示屏技術(shù)已經(jīng)很成熟但是研發(fā)者出于不同的考慮在教育機(jī)器人上不一定安裝顯示屏。投影儀用于教育機(jī)器人已有實(shí)驗(yàn)室原型，這將是一個(gè)新的發(fā)展方向。第四，感知設(shè)備是教育機(jī)器人感知環(huán)境和接收輸入并轉(zhuǎn)化為電子信息的設(shè)備。感知設(shè)備包括傳感器、觸摸屏、麥克風(fēng)、照相機(jī)等各類信息輸入設(shè)備。第五，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是指連接各種信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。教育機(jī)器人通常通過(guò)短距離無(wú)線通信與周?chē)潭ㄔO(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接，固定設(shè)備再與局域網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)通信。這樣既可以擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，又可以保證機(jī)身輕便。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以極大地提高教育機(jī)器人的遠(yuǎn)程服務(wù)能力和擴(kuò)大其信息交流范圍。第六，外延設(shè)備是指教育機(jī)器人的其他設(shè)備，與上述的五類設(shè)備配套的控制器、搶答器、呼叫器都是外延設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的教育機(jī)器人的智能環(huán)境是新的一類外延設(shè)備，與控制器、搶答器、呼叫器等相比，它不僅擴(kuò)展了機(jī)器人的功能性、智能性和趣味性，更拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維空間，提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新積極性。機(jī)體基礎(chǔ)的六個(gè)部分建立在對(duì)現(xiàn)有相關(guān)論文提煉的基礎(chǔ)上，因而對(duì)相關(guān)論文具有兼容性和解釋力，表2以簡(jiǎn)潔和直觀的形式說(shuō)明機(jī)體基礎(chǔ)與相關(guān)論文的關(guān)聯(lián)。

(二)數(shù)據(jù)資源

內(nèi)部軟硬件架構(gòu)的第二個(gè)組成部分是數(shù)據(jù)資源。為了對(duì)教育參與者、教育場(chǎng)景和教育過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化建模和數(shù)字化計(jì)算，教育機(jī)器人必須具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和分析功能[P01，P06，P30]。教育大數(shù)據(jù)是智能教育研究中最為活躍的方向之一，相關(guān)術(shù)語(yǔ)隨之大量產(chǎn)生。對(duì)于這些術(shù)語(yǔ)經(jīng)過(guò)聚類分析發(fā)現(xiàn)：教育機(jī)器人的數(shù)據(jù)資源可以劃分為知識(shí)圖譜、學(xué)情畫(huà)像、教學(xué)資源、常識(shí)圖譜、教育檔案、環(huán)境信息等六類數(shù)據(jù)。這六類數(shù)據(jù)中的前四類已有較多文獻(xiàn)涉及，然而有關(guān)常識(shí)圖譜和教育檔案的文獻(xiàn)較少，基于對(duì)教育機(jī)器人的服務(wù)范圍和潛在能力的考慮，這兩類數(shù)據(jù)同樣具有重要的信息，將其納入就形成了全面的數(shù)據(jù)資源類型。下面就這六類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行描述說(shuō)明，并將每類數(shù)據(jù)資源與對(duì)應(yīng)的論文的編號(hào)呈現(xiàn)在表3，表格的集中呈現(xiàn)有利于理解數(shù)據(jù)資源分類的完備性和科學(xué)性。

(表2) 教育機(jī)器人機(jī)體基礎(chǔ)的六個(gè)部分與相關(guān)論文的關(guān)聯(lián)列表

(表3) 教育機(jī)器人六類數(shù)據(jù)資源與相關(guān)論文的關(guān)聯(lián)列表

第一，知識(shí)圖譜是對(duì)學(xué)科知識(shí)的數(shù)字化體系化描述，其在應(yīng)用中可以通過(guò)解釋程序呈現(xiàn)多樣的表現(xiàn)形態(tài)，可以用于支撐教育機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其教育功能。比如，為了研究學(xué)科知識(shí)本體時(shí)，知識(shí)圖譜可以表現(xiàn)為“圖”的形式；在診斷學(xué)習(xí)成效時(shí)，知識(shí)圖譜可以表現(xiàn)為知識(shí)點(diǎn)的形式[P11]。第二，學(xué)情畫(huà)像是依據(jù)指標(biāo)模型對(duì)教育相關(guān)個(gè)人或單位的數(shù)據(jù)化刻畫(huà)。目前主要研究對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)科知識(shí)、認(rèn)知能力、學(xué)科素養(yǎng)、學(xué)習(xí)風(fēng)格以及情感狀態(tài)等方面的特征描述[P11]。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多維度的行為數(shù)據(jù)，研究者通過(guò)整合學(xué)習(xí)者心理和行為數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析，構(gòu)建學(xué)習(xí)者數(shù)據(jù)化畫(huà)像模型。學(xué)情畫(huà)像構(gòu)建的關(guān)鍵在于如何收集和如何處理學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)，有學(xué)者提出了構(gòu)建學(xué)情畫(huà)像可行的方案，例如有學(xué)者提出以學(xué)習(xí)者為中心的模型，以個(gè)性特征、學(xué)習(xí)特征和社交特征作為個(gè)體特征識(shí)別，以認(rèn)知行為、心智行為、眼動(dòng)行為、臉部行為、交流行為和語(yǔ)言行為作為行為數(shù)據(jù)源，通過(guò)計(jì)算解析出個(gè)性化學(xué)習(xí)特征[P08，P32]。第三，教學(xué)資源是指教學(xué)過(guò)程中所使用的各種數(shù)字化資源，具體包括課程、教案、工具等方面資源，其中課程資源是目前研究重點(diǎn)[P20，P33]。隨著對(duì)教育機(jī)器人的個(gè)性化教學(xué)需求的增加，滿足不同需求的多樣化教學(xué)資源的研究將會(huì)更多。第四，常識(shí)圖譜是指對(duì)常識(shí)知識(shí)的系統(tǒng)化描述。教育機(jī)器人的日常教育服務(wù)需要常識(shí)知識(shí)的支撐，以便它的行為符合人情，所以常識(shí)圖譜也是重要的數(shù)據(jù)資源[P06，P19]。但目前面向教育機(jī)器人的常識(shí)圖譜還只是初級(jí)階段，需要進(jìn)一步探究。第五，教育檔案是指按照一定的原則和方法保管的具有保存價(jià)值的教育文獻(xiàn)資料。教育檔案包括學(xué)生成績(jī)單、鑒定表、招生數(shù)據(jù)、畢業(yè)數(shù)據(jù)、就業(yè)數(shù)據(jù)、職業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)等。教育檔案有助于研究人才培養(yǎng)計(jì)劃與社會(huì)人才需求的優(yōu)化匹配[P52]。這些是提供報(bào)考指導(dǎo)、就業(yè)指導(dǎo)、能力發(fā)展指導(dǎo)等教育事務(wù)智能服務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但這方面研究還在起步階段。第六，環(huán)境信息是指教育機(jī)器人所處環(huán)境的信息，包括空間、地圖、天氣、設(shè)施等?；谖锫?lián)網(wǎng)、傳感器和定位技術(shù)使教育機(jī)器人具有環(huán)境智能感知[P18，P30，P44]，即能在環(huán)境中主動(dòng)感知，實(shí)現(xiàn)自我管理，從而保證自身維護(hù)和提供服務(wù)的智能化。

(三)智能計(jì)算

內(nèi)部軟硬件架構(gòu)的第三個(gè)組成部分是智能計(jì)算。教育是一種智力活動(dòng)，在“人教人”的模式中智能活動(dòng)指令是由人的思考所產(chǎn)生的，教育機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)教育也需要具有產(chǎn)生教育活動(dòng)指令的機(jī)制，這些指令都是根據(jù)教育情景而產(chǎn)生的，所以教育機(jī)器人需要有計(jì)算教育情景的能力。鑒于此，根據(jù)不同的情景需要可以將智能計(jì)算進(jìn)一步劃分為交互計(jì)算、知識(shí)計(jì)算、學(xué)情計(jì)算、資源計(jì)算、用戶計(jì)算、環(huán)境計(jì)算六類。

(圖1) 六類智能計(jì)算構(gòu)筑教育機(jī)器人智能計(jì)算能力的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

第一，交互計(jì)算是指支撐教育機(jī)器人與使用者之間交互的計(jì)算。教育是在交互過(guò)程中進(jìn)行的，因而交互計(jì)算是教育機(jī)器人的核心要素。教育機(jī)器人可以與人進(jìn)行互動(dòng)與交流，并綜合考慮周?chē)h(huán)境和時(shí)間安排積極主動(dòng)地做出反應(yīng)(19)A. Edwards，C. Edwards，P. R. Spence，et al.，“Robots in the Classroom：Differences in Students’ Perceptions of Credibility and Learning between ‘Teacher as Robot’ and ‘Robot as Teacher’”， Computers in Human Behavior，Vol.65，2016.[P52]。機(jī)器人可以識(shí)別學(xué)習(xí)者身份，也可以對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行情感識(shí)別和表達(dá)，并基于這些信息生成個(gè)性化交流內(nèi)容，包括與情景相適配的個(gè)性化問(wèn)候語(yǔ)、游戲、情景對(duì)話，以加強(qiáng)學(xué)習(xí)者與機(jī)器人教育交流的緊密度和親密感[P23，P48]。第二，知識(shí)計(jì)算是指對(duì)教育相關(guān)知識(shí)的計(jì)算。知識(shí)計(jì)算的常見(jiàn)對(duì)象是學(xué)科知識(shí)、社會(huì)知識(shí)、常識(shí)知識(shí)等。知識(shí)計(jì)算可以利用智能算法來(lái)創(chuàng)建符合特定需求的定制教材，甚至可以做到個(gè)性化教材(20)I. R. Nourbakhsh，K. Crowley，A. Bhave，et al.，“The Robotic Autonomy Mobile Robotics Course：Robot Design，Curriculum Design and Educational Assessment”.。學(xué)習(xí)診斷是另一類重要的知識(shí)計(jì)算，依照學(xué)科知識(shí)圖譜和特定學(xué)情畫(huà)像實(shí)現(xiàn)針對(duì)學(xué)習(xí)者的知識(shí)掌握情況的診斷[P22，P35]。第三，學(xué)情計(jì)算是指對(duì)教育參與者全面學(xué)習(xí)狀況的計(jì)算。學(xué)情監(jiān)測(cè)是學(xué)情計(jì)算的數(shù)據(jù)收集階段，它借助人工智能技術(shù)全面了解學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況，并對(duì)其學(xué)習(xí)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)和干預(yù)[P08，P22]。通過(guò)采集學(xué)習(xí)的全過(guò)程數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確分析和可視化展示，可以呈現(xiàn)反映當(dāng)前學(xué)習(xí)狀況的個(gè)性化知識(shí)圖譜[P08，P11，P22]。另一種學(xué)情監(jiān)測(cè)是指對(duì)上課狀況、考場(chǎng)狀況、學(xué)生出勤狀況的監(jiān)測(cè)。目前已有許多學(xué)情計(jì)算方面的研究成果，具備提出研究全面學(xué)習(xí)狀況計(jì)算的基礎(chǔ)。全面學(xué)習(xí)狀況計(jì)算需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)兩個(gè)相關(guān)問(wèn)題，即學(xué)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性問(wèn)題和學(xué)情計(jì)算結(jié)果與人評(píng)結(jié)果的一致性問(wèn)題。第四，資源計(jì)算是指教育中有關(guān)學(xué)習(xí)資源推薦計(jì)算和生成計(jì)算。它可以利用知識(shí)追蹤與推薦算法進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的精準(zhǔn)推薦[P08，P11，P22]，還可以根據(jù)學(xué)習(xí)風(fēng)格和特點(diǎn)提供個(gè)性化的教學(xué)策略和教學(xué)資源[P50，P51]。資源計(jì)算目前是以資源推薦計(jì)算為主流，但是隨著人工智能創(chuàng)作技術(shù)的興起，學(xué)習(xí)資源生成計(jì)算將會(huì)得到發(fā)展。第五，用戶計(jì)算是指對(duì)用戶的個(gè)性化情況的計(jì)算。通過(guò)采集學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)偏好、社會(huì)環(huán)境、身體狀況進(jìn)行準(zhǔn)確分析和可視化展示。人工智能技術(shù)結(jié)合學(xué)情計(jì)算、資源計(jì)算等能為每位學(xué)習(xí)者制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)節(jié)奏、學(xué)習(xí)策略，推送合適的學(xué)習(xí)資源，提升其學(xué)習(xí)效果[P08，P32]。第六，環(huán)境計(jì)算是指基于教育環(huán)境數(shù)據(jù)的計(jì)算。采用多種傳感器是提高機(jī)器人的智能和自適應(yīng)性能的重要途徑。智能移動(dòng)機(jī)器人能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成路徑規(guī)劃、定位和避障等任務(wù)[P18，P30，P44]。實(shí)際上，六類智能計(jì)算并非完全獨(dú)立，而是各有側(cè)重又彼此關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)關(guān)系密切的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

以上對(duì)教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架的論述突出了教育機(jī)器人的教育智能，其中機(jī)體基礎(chǔ)具有硬件特性，數(shù)據(jù)資源、智能計(jì)算都具有教育的智能功能，三者聯(lián)體共存。

三、勝任人機(jī)共融教育的教育機(jī)器人外顯能力體系

內(nèi)部軟硬件框架構(gòu)成了教育機(jī)器人，而它要有外顯能力才能勝任人機(jī)共融教育。本文在考察教育機(jī)器人不同能力維度的基礎(chǔ)上構(gòu)建了具有概括力和解釋力的外顯能力體系，以便全面而系統(tǒng)地研究教育機(jī)器人潛能。教育機(jī)器人的外顯能力體系可由五類教學(xué)能力、五種教育角色和十個(gè)評(píng)測(cè)維度組成。

(一)教育機(jī)器人的五類教學(xué)能力

(圖2) 五類教學(xué)能力合成教育機(jī)器人教學(xué)能力的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

教育是在教育提供者與教育接受者之間的各種交流過(guò)程中完成的，因而教育機(jī)器人所發(fā)展的也就是教學(xué)交流中的五類教學(xué)能力，即教學(xué)交互、課程供給、課業(yè)交流、教學(xué)管理和用戶溝通方面的能力。圖2是對(duì)這五類教學(xué)交流能力的主要方面及其關(guān)系的描述。

第一，教學(xué)交互是指采用信息技術(shù)構(gòu)建的服務(wù)于教學(xué)活動(dòng)的交互。教學(xué)交互采用多模態(tài)協(xié)作的信息交互和多形態(tài)的交互(21)黃榮懷、劉德建、徐晶晶等：《教育機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)》；F. Benitti，“Exploring the Educational Potential of Robotics in Schools：A Systematic Review”；S. Kucuk，B. Sisman，“Behavioral Patterns of Elementary Students and Teachers in One-to-One Robotics Instruction”.。常見(jiàn)模態(tài)有信號(hào)、文本、語(yǔ)音、視覺(jué)等。常見(jiàn)形態(tài)有語(yǔ)言、動(dòng)作、情感等。第二，課程供給是指教育機(jī)器人提供各類型課程的能力。課程是教育中的成熟形式，有較高的接受度，教育機(jī)器人與課程結(jié)合是一種成功的形式[P42]。較為常見(jiàn)的課程類型有微課、語(yǔ)言、拓展、興趣、特教等[P19，P45]。第三，課業(yè)交流是指課程學(xué)習(xí)過(guò)程中各種形式的交流。教育機(jī)器人提供課業(yè)交流的常見(jiàn)形式有課程主講、輔導(dǎo)答疑、收發(fā)作業(yè)、作業(yè)批改、師生扮演、人機(jī)對(duì)練等(22)A. Edwards，C. Edwards，P. R. Spence，et al.，“Robots in the Classroom：Differences in Students’ Perceptions of Credibility and Learning between ‘Teacher as Robot’ and ‘Robot as Teacher’”.[P19，P54]。第四，教學(xué)管理是指有關(guān)學(xué)習(xí)方面的管理。教育機(jī)器人可以提供的教學(xué)管理，常見(jiàn)的有學(xué)情診斷、學(xué)習(xí)引導(dǎo)、規(guī)劃指導(dǎo)、課程管理、作業(yè)管理、資料管理等[P59]。第五，用戶溝通是指機(jī)器與用戶雙向事務(wù)性交流。常見(jiàn)方式有作息提醒、習(xí)慣管理、安保服務(wù)、機(jī)主檔案、事務(wù)輔助等。

(二)教育機(jī)器人的五種教育角色

教育是一種社會(huì)性的活動(dòng)，在傳統(tǒng)的教育中，“人”和“物”按教學(xué)場(chǎng)景的需要扮演不同角色進(jìn)行教育性社會(huì)交流。教育機(jī)器人誕生后如何扮演和提升這些角色是教育機(jī)器人研發(fā)中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。從目前研究來(lái)看，對(duì)教育機(jī)器人角色的研究主要關(guān)注助教、教師、學(xué)伴、教具這四種角色，體現(xiàn)了“以教為主”的理念。但因信息時(shí)代教與學(xué)角色的轉(zhuǎn)變以及教學(xué)相長(zhǎng)的需要，機(jī)器人扮演學(xué)生角色的教學(xué)方式應(yīng)運(yùn)而生，這使得學(xué)習(xí)者從原來(lái)的被動(dòng)的學(xué)習(xí)者變成了主動(dòng)的、構(gòu)建的、意圖的、交流的、情境的以及反思的學(xué)習(xí)者，由此，教育機(jī)器人可以分別扮演助教、教師、學(xué)生、學(xué)伴、教具五種角色參與教育活動(dòng)。表4描述了教育機(jī)器人的五種教育角色以及與每種角色相關(guān)的代表產(chǎn)品和論文，以便了解學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)每種角色的研究成果和研發(fā)熱度。

(表4) 教育機(jī)器人的五種教育角色的代表性研究成果

第一，這里所說(shuō)的“教師”是指教育機(jī)器人扮演教師角色，是一個(gè)需要具有豐富技能、高度智能和專業(yè)情感的教育角色，因而打造一個(gè)完全的機(jī)器教師是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的研究目標(biāo)。目前，在這方面取得了一定的成功，比如許多國(guó)家采用智能系統(tǒng)教授外語(yǔ)課程和拓展課程，這是一種專門(mén)的機(jī)器教師(23)R. Mitnik，M. Nussbaum，A. Soto，“An Autonomous Educational Mobile Robot Mediator”.[P10，P54]。第二，“助教”是指機(jī)器人扮演助教角色。助教職責(zé)主要有作業(yè)輔導(dǎo)、批改作業(yè)、準(zhǔn)備試卷、學(xué)生評(píng)價(jià)、朗讀課文、點(diǎn)名、監(jiān)考等。這方面任務(wù)由于涉及較少情感成分而取得比較多的成熟成果(24)魏雪峰、劉永渤、曲麗娟等：《教育測(cè)評(píng)機(jī)器人的理念構(gòu)想與教學(xué)應(yīng)用研究》；E. A. Konijn，J. F. Hoorn，“Robot Tutor and Pupils’ Educational Ability：Teaching the Times Tables”.[P19，P47]。機(jī)器助教的進(jìn)一步發(fā)展有賴于更基礎(chǔ)性的研究以提高智能水平，如需要機(jī)器解答、學(xué)習(xí)診斷、知識(shí)圖譜等技術(shù)用于提高機(jī)器助教進(jìn)行作業(yè)講解、提供學(xué)習(xí)處方、評(píng)估知識(shí)點(diǎn)掌握程度的智能水平。第三，“學(xué)生”是指教育機(jī)器人扮演學(xué)生。機(jī)器人扮演學(xué)生的用途是讓真正的學(xué)習(xí)者扮演教師，給扮演成學(xué)生的機(jī)器人講授已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)鞏固和提高所學(xué)到的知識(shí)和技能[P54]，從而達(dá)到有效交流，主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)和反思學(xué)習(xí)。另外，教育機(jī)器人學(xué)生還可以用于師范生的虛擬教學(xué)實(shí)習(xí)。就目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，教育機(jī)器人學(xué)生角色的研究有待加強(qiáng)，隨著技術(shù)的成熟，教育機(jī)器人學(xué)生因其不可替代的角色將會(huì)發(fā)揮更大作用。第四，“學(xué)伴”是指教育機(jī)器人扮演陪伴學(xué)生的角色，主要任務(wù)是陪伴、陪練、對(duì)練、交流和保護(hù)等。陪練教育機(jī)器人扮演一個(gè)比學(xué)習(xí)者水平略高的虛擬學(xué)習(xí)者，與真正的學(xué)習(xí)者共同學(xué)習(xí)，一起練習(xí)提高。陪伴機(jī)器人的另一類任務(wù)是陪伴學(xué)生進(jìn)行廣泛交流，比如詢問(wèn)學(xué)生感興趣的百科知識(shí)、歷史知識(shí)、時(shí)事新聞等，與學(xué)生一起進(jìn)行游戲、詩(shī)歌背誦、歌詠等活動(dòng)(25)盧宇、薛天琪、陳鵬鶴等：《智能教育機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)——以“智慧學(xué)伴”機(jī)器人為例》。[P23，P54]。第五，“教具”是指將教育機(jī)器人當(dāng)作教具使用。這方面的研發(fā)主要是：研發(fā)各種教育機(jī)器人套件用于學(xué)生組裝學(xué)習(xí)；研發(fā)各種教育機(jī)器人模塊用于學(xué)生開(kāi)發(fā)自行設(shè)計(jì)的機(jī)器人；研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)教育機(jī)器人用于學(xué)生開(kāi)發(fā)教育機(jī)器人課程或用于學(xué)生編程練習(xí)[P46，P54，P65]。

(三)教育機(jī)器人的十個(gè)評(píng)測(cè)維度

教育機(jī)器人對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象，應(yīng)用場(chǎng)景也豐富多樣，所以需要采用一個(gè)指標(biāo)體系來(lái)觀察、表述與比較。文獻(xiàn)中有相當(dāng)數(shù)量的論文研究教育機(jī)器人的某些方面特性，如網(wǎng)絡(luò)連接[P18，P44]、情感表達(dá)[P48]、主動(dòng)服務(wù)[P27]、外貌設(shè)計(jì)[P60]、服務(wù)場(chǎng)景[P03，P26，P38]。我們?cè)谶@些分散研究的基礎(chǔ)上通過(guò)系統(tǒng)性的提煉，提出教育機(jī)器人應(yīng)該包含十個(gè)評(píng)測(cè)維度的指標(biāo)體系，其中“程度”和“狀態(tài)”維度各五個(gè)。“程度維度”是指可以采用程度來(lái)描述的維度，“狀態(tài)維度”是指采用分狀態(tài)來(lái)描述而分狀態(tài)之間不可以進(jìn)行度量比較的維度。我們將這十維度的簡(jiǎn)要指標(biāo)用表5呈現(xiàn)，并展示其對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的兼容性。

五個(gè)程度維度分別為：第一，網(wǎng)聯(lián)度是連接網(wǎng)絡(luò)程度的度量指標(biāo)。網(wǎng)聯(lián)度值為零時(shí)就是指教育機(jī)器人完全沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能，或稱作網(wǎng)盲；當(dāng)教育機(jī)器人充分與網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)稱為網(wǎng)客，故網(wǎng)客教育機(jī)器人是依賴網(wǎng)絡(luò)而生存的，網(wǎng)絡(luò)為其提供管理、支持和更新。網(wǎng)絡(luò)對(duì)于教育機(jī)器人具有提高和擴(kuò)大其服務(wù)能力的作用。比如，教育機(jī)器人采用遠(yuǎn)程視頻可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同在的教學(xué)形式[P18，P44]。網(wǎng)絡(luò)支撐的教育機(jī)器人服務(wù)隨著5G技術(shù)的推廣應(yīng)用將有更大發(fā)展空間。第二，情感度是情感交流能力的度量指標(biāo)。情感度值為零時(shí)是指教育機(jī)器人完全沒(méi)有情感識(shí)別和表達(dá)功能，稱作無(wú)感；當(dāng)情感度值為最大，即教育機(jī)器人具有全面的情感識(shí)別、情感表達(dá)以及同理心表達(dá)能力時(shí)，則稱作全情。表情識(shí)別和表情表達(dá)的研究在人工智能領(lǐng)域非常活躍，這些技術(shù)在教育機(jī)器人方面的應(yīng)用也有很多[P01，P13，P23]。第三，課程度是教授課程能力的度量指標(biāo)。課程度值為零時(shí)是指教育機(jī)器人沒(méi)有教授課程的能力；當(dāng)具有最高課程度值時(shí)是指教育機(jī)器人可以全面地教授自帶課程和第三方的標(biāo)準(zhǔn)課程。教育機(jī)器人與教育內(nèi)容應(yīng)該是分離的，這是因?yàn)榻逃齼?nèi)容和教育機(jī)器人機(jī)體的更新速度完全不一致，機(jī)器是耐用品，而課程不但要更新快還需要與每位學(xué)生的學(xué)習(xí)速度相關(guān)[P32]。第四，虛擬度是虛擬成分占比的度量指標(biāo)。實(shí)體機(jī)器人是可視、可觸的器件，因?yàn)闊o(wú)虛擬成分，其虛擬度為零。教育主要是一種智力活動(dòng)，可以無(wú)形地進(jìn)行，所以教育機(jī)器人也可以是無(wú)形虛擬機(jī)器人。當(dāng)教育機(jī)器人是無(wú)形時(shí)，它的虛擬度為1。例如批改作業(yè)、組卷、討論等活動(dòng)都可以采用無(wú)形的教育機(jī)器人完成。常見(jiàn)的教育機(jī)器人平臺(tái)有RobotVirtualWorld、LEGONPT、EV3、VEPIQ、VEP、BOE-bot等，其中有的是實(shí)體機(jī)器人，有的是虛擬機(jī)器人平臺(tái)。如RobotVirtualWorld就擁有機(jī)器人虛擬技術(shù)、競(jìng)技仿真以及以探險(xiǎn)故事為主線的游戲教育軟件等。第五，自維度是教育機(jī)器人的重要度量指標(biāo)，特別是面向幼兒園低齡兒童、小學(xué)生和特殊學(xué)生的教育機(jī)器人，需要更好的自主維護(hù)能力。研發(fā)先進(jìn)技術(shù)提高教育機(jī)器人自維度是未來(lái)的發(fā)展方向，比如采用網(wǎng)客教育機(jī)器人是提高其自維度的途徑之一。與此相應(yīng)，外維也同樣重要。外維是指教育機(jī)器人需要的外來(lái)維護(hù)工作，包括維護(hù)其正常工作、供電、移動(dòng)、系統(tǒng)更新和教學(xué)功能更新。

(表5) 教育機(jī)器人的十個(gè)評(píng)測(cè)維度

五個(gè)狀態(tài)維度分別為：第一，場(chǎng)景性是教育機(jī)器人對(duì)教育場(chǎng)景的適用性。常見(jiàn)場(chǎng)景有課內(nèi)、課外、家庭、特教、作業(yè)輔導(dǎo)、語(yǔ)言學(xué)習(xí)、娛樂(lè)活動(dòng)、常識(shí)學(xué)習(xí)、人機(jī)對(duì)練等(26)T. Belpaeme，J. Kennedy，A. Ramachandran，et al.，“Social Robots for Education：A Review”.[P8，P26，P47]。機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景涉及兩個(gè)方面的研究。其一是機(jī)器人的教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)域研究，排在前三的場(chǎng)域是教室、專業(yè)場(chǎng)域和個(gè)人場(chǎng)域，其二是機(jī)器人的適用對(duì)象研究，基礎(chǔ)教育涉及幼兒、小學(xué)生、中學(xué)生三類人群，特殊群體涉及有各種特殊需要的群體，如自閉癥兒童群體，高等教育涉及本科生和研究生兩類人群。第二，外貌性是指教育機(jī)器人的外貌形象。人形機(jī)器人一般具有雙足、雙手和頭部，具有雙足行走功能。人形機(jī)器人可以用作教育機(jī)器人，但由于人形機(jī)器人的雙足不穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)安全隱患，所以市面上大多教育機(jī)器人都是非人形的，采用卡通、動(dòng)物、球體等外貌[P60]。第三，開(kāi)發(fā)性是指支持二次開(kāi)發(fā)的性能。一般而言，面向終端用戶教育機(jī)器人是指用戶買(mǎi)到的是一個(gè)直接使用的機(jī)器人，不允許隨意拆裝，不提供二次開(kāi)發(fā)接口。支持二次開(kāi)發(fā)的教育機(jī)器人需要提供支持二次開(kāi)發(fā)的良好性能，提供機(jī)器人平臺(tái)和元器件或者模塊、便利又多樣的接口，以及豐富的基礎(chǔ)功能，使開(kāi)發(fā)者通過(guò)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、組裝快速形成新型的教育機(jī)器人。第四，主動(dòng)性是指完成工作是主動(dòng)還是被動(dòng)以及主動(dòng)的類型。教育機(jī)器人主動(dòng)協(xié)調(diào)地與人共同工作是人機(jī)共融教育的主要特征之一，因而主動(dòng)性是重要指標(biāo)。主動(dòng)性涉及主動(dòng)收集信息、主動(dòng)計(jì)算情景、主動(dòng)構(gòu)建教育情景和主動(dòng)開(kāi)展教育活動(dòng)。第五，移動(dòng)性是指在空間中移動(dòng)的性能。移動(dòng)性能是一個(gè)基本性能，決定了機(jī)器在虛擬和物理空間中的活動(dòng)范圍，并且自維性能、主動(dòng)性能和情感交流性能等都依存于移動(dòng)性能。

圖2、表4、表5表明，本文構(gòu)建的外顯能力體系是與當(dāng)前相關(guān)研究?jī)?nèi)容緊密關(guān)聯(lián)的，表明教育機(jī)器人外顯能力體系具有高度概況力和兼容性，同時(shí)顯示由五類教學(xué)能力、五種教育角色以及十個(gè)評(píng)測(cè)維度組成的外顯能力系統(tǒng)能夠解釋幾乎所有關(guān)于教育機(jī)器人的角色、作用、性能以及功能等的相關(guān)研究。

四、教育機(jī)器人知識(shí)體系與人機(jī)共融教育模式

教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系是性質(zhì)完全不同但又相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)部分，現(xiàn)有研究資料對(duì)這兩者缺乏清晰的區(qū)別意識(shí)，籠統(tǒng)地進(jìn)行研究，從而導(dǎo)致開(kāi)發(fā)出的教育機(jī)器人功能含糊、標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠。因此，需先對(duì)教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架與外顯能力體系分別進(jìn)行研究，然后對(duì)兩者進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，這樣既有利于界定和建模各自的問(wèn)題，又有利于深入地認(rèn)識(shí)教育機(jī)器人知識(shí)體系。教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架構(gòu)成了教育機(jī)器人，而構(gòu)成的教育機(jī)器人表現(xiàn)出一系列的功能，可以扮演多種多樣的教育角色，還可以用一套度量指標(biāo)從另一個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)這些功能和角色。這樣，功能、角色以及度量指標(biāo)這三種評(píng)判教育機(jī)器人的角度共同構(gòu)成了教育機(jī)器人的外顯能力體系。教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架構(gòu)與外顯能力相互關(guān)聯(lián)，具體表現(xiàn)在：第一，每項(xiàng)外顯能力都是某些內(nèi)部模塊的合力表現(xiàn)。比如，課程供給能力是教學(xué)資源、資源計(jì)算、感知設(shè)備以及展示設(shè)備等協(xié)作的綜合表現(xiàn)，在這當(dāng)中，教學(xué)資源提供課程內(nèi)容，資源計(jì)算挑選課程，感知設(shè)備負(fù)責(zé)接收選課請(qǐng)求，展示設(shè)備顯示交流內(nèi)容。第二，教育機(jī)器人扮演的角色是依據(jù)行為模式對(duì)能力進(jìn)行專門(mén)化重構(gòu)的成果。例如，教師角色就是將五種能力按照講解課程的行為模式而構(gòu)成課堂管理、內(nèi)容講解、課堂交流、課堂練習(xí)等具體的行為模式。第三，十個(gè)評(píng)測(cè)維度是教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件所表現(xiàn)性能的指標(biāo)化評(píng)測(cè)體系。十個(gè)評(píng)測(cè)維度是從基礎(chǔ)能力的角度來(lái)評(píng)測(cè)教育機(jī)器人，而教育服務(wù)的用途評(píng)估則交由角色性能評(píng)測(cè)來(lái)完成。內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系構(gòu)成了完整的教育機(jī)器人知識(shí)體系(見(jiàn)圖3)，進(jìn)而以教育的積極參與方構(gòu)建全新的人機(jī)共融教育模式。

(圖3) 教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系構(gòu)成的知識(shí)體系

教育機(jī)器人與其他教育要素相結(jié)合形成人機(jī)共融的教育需要有兩個(gè)層面的人機(jī)共融。第一個(gè)層面是物理層面的人機(jī)共融，這涉及人機(jī)安全、人機(jī)協(xié)調(diào)和動(dòng)作能力，這方面是機(jī)器人學(xué)研究的內(nèi)容。第二個(gè)層面是教育層面的人機(jī)共融，這涉及的是人機(jī)教育協(xié)作模式(27)柳晨晨、宛平、王佑鎂等：《智能機(jī)器人及其教學(xué)應(yīng)用：創(chuàng)新意蘊(yùn)與現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)》，《遠(yuǎn)程教育雜志》2020年第2期。，在這方面，主要探討“雙師課堂”、“虛擬助教”和“智能助手”三種人機(jī)共融的教育協(xié)作模式。

第一，人機(jī)共融的“雙師課堂”。人機(jī)共融的“雙師課堂”是優(yōu)化人機(jī)分工協(xié)作并采用多樣教育形式的教育形式?！半p師課堂”的技術(shù)環(huán)境包括智慧教室、教育機(jī)器人和教育云?！半p師課堂”的人機(jī)分工協(xié)作原則是發(fā)揮人機(jī)各自優(yōu)勢(shì)。人文交流、自由式即時(shí)教學(xué)和抽象內(nèi)容鏈接是真人教師的優(yōu)勢(shì)，而精準(zhǔn)復(fù)述、精準(zhǔn)診斷、執(zhí)行預(yù)制任務(wù)等是教育機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。因而將一個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)任務(wù)分解成真人教師的任務(wù)和教育機(jī)器人的任務(wù)，然后按教學(xué)程序進(jìn)行編排就可以形成人機(jī)的協(xié)同教學(xué)?！半p師課堂”可以有豐富多樣的人機(jī)協(xié)作方式，這里以三種方式作為樣例。其一，在語(yǔ)言學(xué)習(xí)課堂，真人教師講授教學(xué)內(nèi)容，每位學(xué)生座位上的教學(xué)系統(tǒng)提供課中一對(duì)一練習(xí)。其二，每位學(xué)生一方面在校內(nèi)獲得教師提供的傳統(tǒng)的實(shí)體教學(xué)服務(wù)，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得在線教育機(jī)器人提供的一對(duì)一在線輔導(dǎo)。其三，真人教師和實(shí)體教育機(jī)器人組成教學(xué)團(tuán)隊(duì)在物理空間中的課堂上演繹教學(xué)內(nèi)容。

第二，人機(jī)共融的“虛擬助教”。虛擬助教是具有扮演虛擬助教輔導(dǎo)學(xué)生能力的教育機(jī)器人(28)E. A. Konijn，J. F. Hoorn，“Robot Tutor and Pupils’ Educational Ability：Teaching the Times Tables”.。虛擬助教完成一些常規(guī)的教學(xué)任務(wù)，讓真人教師有更多的精力為學(xué)習(xí)者投入更多深入交流的時(shí)間，以此來(lái)增強(qiáng)學(xué)習(xí)者個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。虛擬助教可以有多種形式，可以是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、虛擬人技術(shù)的三維再現(xiàn)人形的形式，也可以是借助社交網(wǎng)絡(luò)工具的概念上的助教。不管虛擬助教具有什么形態(tài)，它至少由三種能力組成：理解問(wèn)題、解決問(wèn)題、生成反饋的能力。這三種能力表現(xiàn)在許多輔導(dǎo)場(chǎng)景之中，下面舉兩例來(lái)解釋。其一，語(yǔ)音發(fā)音訓(xùn)練輔導(dǎo)。在語(yǔ)言學(xué)習(xí)中，標(biāo)準(zhǔn)而地道的發(fā)音對(duì)學(xué)生至關(guān)重要，而機(jī)器可以勝任這種發(fā)音訓(xùn)練輔導(dǎo)。其中的理解問(wèn)題是要知道學(xué)生練習(xí)發(fā)音的內(nèi)容和發(fā)音的誤差；解決問(wèn)題就是要得到正確的發(fā)音；生成反饋就是要指出產(chǎn)生發(fā)音誤差的原因和示范正確的發(fā)音。其二，家庭作業(yè)輔導(dǎo)。學(xué)生做家庭作業(yè)時(shí)，可能有些題目不會(huì)做，需要虛擬助教的幫助。在這個(gè)過(guò)程中，正確接受學(xué)生對(duì)于某個(gè)題目的輔導(dǎo)請(qǐng)求就是問(wèn)題理解；解答所接受的題目就是解決問(wèn)題；以有效輔導(dǎo)的方式與學(xué)生交互就是生成反饋。

第三，人機(jī)共融的“智能助手”。與虛擬助教不同，智能助手不直接參與教學(xué)，而是隱形地作為教師的助手完成教師指派的任務(wù)(29)T. Belpaeme，J. Kennedy，A. Ramachandran，et al.，“Social Robots for Education：A Review”.。這些任務(wù)包括收發(fā)作業(yè)、批改作業(yè)、課堂管理、學(xué)習(xí)評(píng)估等。智能助手完成每類任務(wù)都有其自身的人機(jī)協(xié)同方式。對(duì)于收發(fā)作業(yè)任務(wù)，智能系統(tǒng)收集教師上課的內(nèi)容和進(jìn)度信息，擬定課后作業(yè)的不同方案供教師挑選，然后在計(jì)劃的時(shí)間點(diǎn)發(fā)布給學(xué)生，到時(shí)間點(diǎn)再收回作業(yè)。對(duì)于批改作業(yè)任務(wù)，智能工具批改批注每份作業(yè)，做出作業(yè)的情況報(bào)告。對(duì)于課堂管理任務(wù)，智能教室系統(tǒng)清點(diǎn)上課出席情況、形成出席報(bào)告、評(píng)估課堂的授課狀態(tài)、報(bào)告異常情況。對(duì)于學(xué)習(xí)評(píng)估任務(wù)，智能系統(tǒng)收集學(xué)生行為信息和學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和班級(jí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

五、結(jié)語(yǔ)

人機(jī)共融教育是以教育機(jī)器人為特征的新教育形態(tài)，這使教育機(jī)器人發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。教育機(jī)器人的技術(shù)先進(jìn)性、體系復(fù)雜性和應(yīng)用多樣性，決定了其發(fā)展是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在從人網(wǎng)協(xié)作教育向人機(jī)共融教育發(fā)展的背景下，教育機(jī)器人的發(fā)展和智能教育的發(fā)展還缺乏相互關(guān)照和全面統(tǒng)籌。研究教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系，以及它們是如何支撐人機(jī)共融教育模式，將對(duì)教育機(jī)器人的研發(fā)和人機(jī)共融教育的發(fā)展起到重要作用。在技術(shù)發(fā)展上，通過(guò)建立教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系，促使教育機(jī)器人技術(shù)朝規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。在推廣應(yīng)用方面，通過(guò)這一框架和體系構(gòu)建教育機(jī)器人知識(shí)體系提升對(duì)教育機(jī)器人的認(rèn)知，進(jìn)而推動(dòng)教育機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。在研究方法上，本文采用人力和技術(shù)相結(jié)合的研究方法，這對(duì)于研究資料的全面掌握、研究問(wèn)題的準(zhǔn)確形成以及研究的客觀性、科學(xué)性均具有創(chuàng)新的意義。在建模了教育機(jī)器人的內(nèi)部軟硬件和外部能力的基礎(chǔ)上，還探討了人機(jī)共融教育的幾個(gè)典型教育模式并具體地探究了各個(gè)模式的要素、工作原理和工作流程。這將對(duì)人機(jī)共融教育的應(yīng)用起到示范作用。

人機(jī)共融教育還處于起步階段，其發(fā)展還需要進(jìn)一步解決挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。其一，人機(jī)共融教育需要怎樣的教育機(jī)器人研究?；诂F(xiàn)有研究資料提出教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系及其知識(shí)體系是一項(xiàng)奠基性工作。在此基礎(chǔ)之上，研究人機(jī)共融教育需要怎樣的教育機(jī)器人是更具挑戰(zhàn)的研究。這需要研究什么樣的人機(jī)共融教育可以提升教育，什么樣的教育機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)這樣的人機(jī)共融教育。這些研究都需要大團(tuán)隊(duì)的多學(xué)科協(xié)作才能完成。其二，深入的教育機(jī)器人知識(shí)體系研究。本文提出的教育機(jī)器人內(nèi)部軟硬件框架和外顯能力體系及其知識(shí)體系，相對(duì)而言是一個(gè)“粗獷”的框架，可以作為教育機(jī)器人知識(shí)體系的大綱，以此為基礎(chǔ)可以深入構(gòu)建和全面論述教育機(jī)器人知識(shí)體系。其三，教育機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)的研究(30)李新、李京津、高博俊等：《教育機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展建議——基于2014～2018年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)文獻(xiàn)分析》，《現(xiàn)代教育技術(shù)》2020年第1期。。由于教育機(jī)器人具有巨大的產(chǎn)業(yè)空間，所以需要研究相對(duì)獨(dú)立的教育機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。同時(shí)，為了教育機(jī)器人領(lǐng)域的健康發(fā)展，國(guó)家需要培養(yǎng)一批有關(guān)教育機(jī)器人研發(fā)、應(yīng)用、教學(xué)方面的人才。其四，人機(jī)共融的教學(xué)模式研究。人機(jī)共融教育的技術(shù)門(mén)檻相對(duì)高，這對(duì)它的推廣帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，有兩個(gè)方向可以努力：首先是加快人機(jī)共融教育的技術(shù)成熟度使其便于應(yīng)用，其次是研發(fā)成熟的教學(xué)模式使教師可以基于這些模式來(lái)進(jìn)行人機(jī)共融教學(xué)。