智能教學(xué)機(jī)器人

2024年3月29日發(fā)(作者：一次相逢一份暖)

智能教學(xué)機(jī)器人

1.教學(xué)機(jī)器人及其特征

國際機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義是，機(jī)器人是有一定自制能力的可編程和

多功能的操作機(jī)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境和感知能力，在沒有人工介入的情況下，在特定

環(huán)境中執(zhí)行安排好的任務(wù)。未來，如若人工智能跨越了情感交流的屏障，人類或

許真的能與機(jī)器心靈相通。目前，人工智能已經(jīng)進(jìn)入社交和情感陪護(hù)領(lǐng)域，如人

工智能小冰。

在教育領(lǐng)域，教育機(jī)器人是以培養(yǎng)學(xué)生分析能力、創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力為目

標(biāo)的機(jī)器人。教育機(jī)器人使用到的關(guān)鍵技術(shù)主要有仿生科技、語音識別和自然語

言理解等，它的發(fā)展目標(biāo)是希望和“真人教師”一樣進(jìn)行感知、思考和互動，達(dá)

到減輕教師的工作負(fù)擔(dān)、優(yōu)化教學(xué)效果的目標(biāo)。教學(xué)機(jī)器人應(yīng)具備以下特征：

（1）教學(xué)性

教學(xué)機(jī)器人應(yīng)該具備廣博的知識儲備，并且具備自我學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化的能力，

熟悉最新的科技發(fā)展成果。它能像真人教師一樣，了解自身的專業(yè)結(jié)構(gòu)、了解自

己的教學(xué)法、了解學(xué)科知識層存在的問題，通過觀察記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷

調(diào)整教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)形式單一、經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)協(xié)同，達(dá)到數(shù)

據(jù)及時(shí)分享并深度挖掘的精準(zhǔn)、個(gè)性化教學(xué)，真正完成傳道受業(yè)解惑等教師的職

業(yè)要求。

（2）自主性

教學(xué)機(jī)器人應(yīng)該具備感知能力、思考能力，對教師與學(xué)生的狀態(tài)能夠進(jìn)行及

時(shí)準(zhǔn)確地分析，能夠進(jìn)行自主決策。

（3）交互友好性

機(jī)器人在與學(xué)生交流過程中，應(yīng)該幽默有趣，能夠吸引學(xué)生興趣。作為學(xué)習(xí)

伙伴，教學(xué)機(jī)器人應(yīng)該能夠進(jìn)行無障礙人機(jī)交流、可以完成問題答疑、提供學(xué)習(xí)

資源、引導(dǎo)學(xué)習(xí)互動的氛圍等。

2.教學(xué)機(jī)器人的分類

黃榮懷等將教育機(jī)器人分為機(jī)器人教育和教育服務(wù)機(jī)器人：機(jī)器人教育主要

是以機(jī)器人為載體，通過觀察、設(shè)計(jì)、組裝、編程、運(yùn)行機(jī)器人，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)

興趣、訓(xùn)練學(xué)生邏輯思維能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手實(shí)踐能力，讓學(xué)生在

“玩中學(xué)”、在實(shí)踐中獲得知識。目前，大部分的學(xué)校還未將機(jī)器人教育歸入正

規(guī)課堂，多數(shù)還是采取課外活動、興趣班等形式進(jìn)行機(jī)器人教育。一般是學(xué)校預(yù)

先購買機(jī)器人器材、套裝或散件，再由專門教師進(jìn)行指導(dǎo)教學(xué)。教育服務(wù)機(jī)器人

是指可以執(zhí)行一系列教與學(xué)相關(guān)任務(wù)的自動化機(jī)器。隨著人工智能的發(fā)展，教育

機(jī)器人開始頻繁地出現(xiàn)在人們視野內(nèi)，并逐步應(yīng)用于教育領(lǐng)域。例如：在2017

年的高考中，智能教育機(jī)器人挑戰(zhàn)高考數(shù)學(xué)題，備受矚目；百度公司利用人工智

能技術(shù)積極探索“一人一名師+機(jī)器人助教”的教育模式；科大訊飛公司也推出

了一款教育陪伴機(jī)器人——“阿爾法大蛋”。

從我國教育機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀來看，其應(yīng)用情境分為兩類：一是針對兒童的

益智類機(jī)器人，主要陪伴兒童學(xué)習(xí)玩耍，為兒童提供多樣化的教育方式，寓教于

樂地引導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)，促進(jìn)良好生活習(xí)慣的養(yǎng)成，如智能玩具、教育陪伴機(jī)器人等；

二是在教學(xué)領(lǐng)域中，能夠?yàn)榻虒W(xué)活動提供支持的輔助教學(xué)類機(jī)器人產(chǎn)品，如機(jī)器

人助教、機(jī)器人教師、醫(yī)療機(jī)器人、特殊教育機(jī)器人、虛擬教育機(jī)器人等。本研

究通過整合當(dāng)前我國教育機(jī)器人的相關(guān)案例，分析其中兩類七種教育機(jī)器人（智

能玩具、教育陪伴機(jī)器人、機(jī)器人助教、機(jī)器人教師、醫(yī)療機(jī)器人、特殊教育機(jī)

器人、虛擬教育機(jī)器人）的使用情況，展示在變革教與學(xué)方式中教育機(jī)器人的廣

闊應(yīng)用前景。

（1）益智陪伴類機(jī)器人

比起需要完成固定教學(xué)任務(wù)的教師來說，機(jī)器人可能更容易得到兒童的好感，

吸引兒童的注意力。在兒童與機(jī)器人的交互中，可以培養(yǎng)兒童的語言表達(dá)能力、

創(chuàng)造力和想象力，這些能力的發(fā)展對于處于認(rèn)知發(fā)展階段的兒童格外重要。如奇

幻工房（Wonder Workshop）公司推出的名為達(dá)奇（Dash）和達(dá)達(dá)（Dot）的兩

個(gè)小機(jī)器人，它們是幾個(gè)可愛的幾何形體組合，可以幫助5歲以上的兒童學(xué)習(xí)編

程，開發(fā)兒童的動手能力和想象力。

（2）輔助教學(xué)類機(jī)器人

世界上第一個(gè)機(jī)器人教師“Saya”是由日本科學(xué)家在2009年推出的，并在

東京一所小學(xué)進(jìn)行試用，為學(xué)生上課。她會講多種語言，還可與學(xué)生互動，回答

學(xué)生簡單的問題，并可以完成點(diǎn)名、朗讀課文、布置作業(yè)等基本教學(xué)活動，此外

她還會做出喜怒哀樂等多種表情。韓國也大力推廣機(jī)器人教師，從2009年起，

30個(gè)蛋形機(jī)器人在韓國小學(xué)教學(xué)生英語，受到學(xué)生的廣泛歡迎，并且實(shí)踐證明，

機(jī)器人英語教師有助于提升學(xué)生英語學(xué)習(xí)興趣。

此外，機(jī)器人還在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域扮演著重要角色，傳統(tǒng)學(xué)醫(yī)的學(xué)生想要獨(dú)自

做手術(shù)，需要在醫(yī)院進(jìn)行實(shí)習(xí)，而有時(shí)患者及其家屬會拒絕實(shí)習(xí)醫(yī)生的治療。當(dāng)

前，亟需借助人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿科技力量提升醫(yī)學(xué)教育水平。醫(yī)學(xué)模擬

通過各種教學(xué)系統(tǒng)和場景設(shè)置，為學(xué)習(xí)者提供實(shí)踐學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者了解患者的病

癥，無需對真實(shí)患者進(jìn)行實(shí)際操作。例如，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中用機(jī)器人來訓(xùn)練醫(yī)科學(xué)

生。墨西哥的國立大學(xué)，學(xué)習(xí)者練習(xí)了24個(gè)機(jī)器人患者的各種程序，這些程序

連接到一個(gè)可以模擬各種疾病的癥狀的軟件系統(tǒng)?；颊呔溆袡C(jī)械性器官、模擬

呼吸系統(tǒng)和人造血液。

人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)學(xué)奠基人凱斯科薩瓦達(dá)思指出，“人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)

結(jié)合是臨床醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的新模式”。未來，可以將病患的核磁共振、CT掃描等影像

數(shù)據(jù)，通過人工智能系統(tǒng)處理，得到真實(shí)復(fù)原的全息化人體三維解剖結(jié)構(gòu)并可將

其投射在虛擬空間里。學(xué)習(xí)者可以在虛擬空間里全方位、直接看到病患真實(shí)的人

體結(jié)構(gòu)的解剖細(xì)節(jié)，對病變的器官進(jìn)行觀察和立體分析，精確測量病變器官的位

置、體積、距離等數(shù)據(jù)。觀察結(jié)束后，學(xué)習(xí)者還可以設(shè)計(jì)手術(shù)治療方案、評估手

術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、虛擬解剖以及模擬手術(shù)切除等。

在我國，對機(jī)器人教師的報(bào)道也此起彼伏，北京師范大學(xué)與網(wǎng)龍華漁共同研

發(fā)的“未來教師”機(jī)器人已經(jīng)在部分學(xué)校開始測試，它不僅可以幫助教師朗讀課

文、批改作業(yè)，還可以通過傳感器識別學(xué)生的身體狀況，如果學(xué)生發(fā)燒，機(jī)器人

會提示教師，更為神奇的是，它還可以幫助老師監(jiān)考，發(fā)現(xiàn)作弊的學(xué)生。江西九

江學(xué)院的機(jī)器人教師“小美”，走進(jìn)東北大學(xué)為機(jī)械工程與自動化學(xué)院的學(xué)生教

授“機(jī)電信號處理及應(yīng)用課程”的機(jī)器人教師“Nao”。

3.教學(xué)機(jī)器人應(yīng)用案例分析——Nao

小i機(jī)器人Nao是依托小i硬件智能云，通過云與硬件機(jī)器人相結(jié)合，使

Nao成為能聽會說、會跳舞、講故事的陪伴型機(jī)器人。它可結(jié)合圖片、文字甚至

音頻視頻等媒體給學(xué)習(xí)者完整回復(fù)，讓學(xué)習(xí)者在交流中解決問題。

（1）智能陪伴機(jī)器人的基本架構(gòu)

智能交互機(jī)器人的基本架構(gòu)主要包括以下模塊：

①機(jī)器人核心模塊及運(yùn)行框架

包括通訊控制模塊、服務(wù)接口模塊、交互業(yè)務(wù)邏輯及二次開發(fā)框架等組成部

分。該模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端與后端服務(wù)引擎的通信接口服務(wù)，包括學(xué)習(xí)者與機(jī)

器人系統(tǒng)的前端交互、響應(yīng)調(diào)度、負(fù)載平衡等。

②智能服務(wù)引擎

智能服務(wù)引擎是自然語言處理和集成專業(yè)處理引擎的平臺，包括服務(wù)控制接

口分詞標(biāo)注引擎、語義分析引擎、聊天對話引擎、場景處理模塊、答案處理模塊

和知識索引管理等。智能服務(wù)引擎相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能

的關(guān)鍵，它的智能性、精準(zhǔn)度、并發(fā)性能等各個(gè)方面都會對系統(tǒng)產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

③統(tǒng)一管理平臺

通過智能服務(wù)引擎提供的應(yīng)用程序編程接口（API），對機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一管理

和維護(hù)，包括系統(tǒng)管理、運(yùn)維管理、語音管理、渠道管理、服務(wù)管理和知識管理。

（2）陪伴機(jī)器人在教學(xué)中的作用

陪伴類機(jī)器人在定制學(xué)習(xí)內(nèi)容、引導(dǎo)學(xué)習(xí)互動、調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)情緒方面對學(xué)習(xí)者

的學(xué)習(xí)將發(fā)揮有效作用。

在定制學(xué)習(xí)內(nèi)容方面，教育機(jī)器人能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的年齡、性別、興趣愛好

及知識水平為學(xué)習(xí)者推送適合的學(xué)習(xí)資源，如情景劇、動畫片、電影或者電子圖

畫書等。通過跟蹤學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)判斷學(xué)生對當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容是否感興趣，進(jìn)而判斷是否

進(jìn)一步轉(zhuǎn)入深度學(xué)習(xí)和擴(kuò)展性學(xué)習(xí)階段。

在引導(dǎo)學(xué)習(xí)互動方面，教育機(jī)器人的出現(xiàn)為搭建互動的學(xué)習(xí)環(huán)境提供支持。

教育機(jī)器可以像人一樣行走，它可以隨時(shí)陪伴在學(xué)習(xí)者的身邊，像父母教師朋友

一樣與學(xué)習(xí)者交流對話。在交流的過程中，教育機(jī)器人能夠通過“觀察”學(xué)習(xí)者

的表現(xiàn)在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行提示引導(dǎo)，輔助學(xué)習(xí)者完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

在調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)情緒方面，教育機(jī)器人目前還不能識別學(xué)習(xí)者的面部表情的含義、

心理狀態(tài)等，但隨著人臉識別技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，未來機(jī)器能夠讀懂人

類的情緒。教育機(jī)器人在識別到學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)有困難時(shí)，可以通過情感交流，鼓勵(lì)

指導(dǎo)學(xué)習(xí)者，例如“你可以聯(lián)想某一知識點(diǎn)，結(jié)果可能就會出來了”。讓學(xué)習(xí)者

感受到學(xué)習(xí)伙伴的支持，調(diào)整好學(xué)習(xí)心情，在寬松和諧的交流溝通氛圍中，與智

能陪伴機(jī)器人對話能夠減弱學(xué)習(xí)者的畏懼感和焦慮感。

4.智能教學(xué)機(jī)器人的實(shí)踐困境與發(fā)展趨勢

（1）實(shí)踐困境

智能教學(xué)機(jī)器人驅(qū)動教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新，為教學(xué)提供新的工具和資源，促進(jìn)教學(xué)

組織方式的進(jìn)一步變革，有助于吸引學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。目前，教學(xué)機(jī)器人在教

學(xué)中的應(yīng)用還處于探索階段。網(wǎng)龍華漁、科大訊飛等一些教育公司和研究機(jī)構(gòu)設(shè)

計(jì)開發(fā)出用于陪伴兒童學(xué)習(xí)的或是專門用于學(xué)校教學(xué)的教學(xué)機(jī)器人，形成了一定

的社會影響。

教學(xué)機(jī)器人在真正的課堂教學(xué)中還未發(fā)揮其優(yōu)勢，在教學(xué)中的普及與推廣還

存在很多局限，主要體現(xiàn)在：智能教學(xué)機(jī)器人的軟硬件設(shè)施成本高、價(jià)格比較貴，

配備教學(xué)機(jī)器人的家庭和學(xué)校需要具有一定的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；教學(xué)機(jī)器人的智能性還

不夠；缺少相應(yīng)的課程內(nèi)容，教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)不僅要有技術(shù)上的突破，

還要有教學(xué)設(shè)計(jì)師的配合，設(shè)計(jì)對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，推動教學(xué)機(jī)器人的應(yīng)用與實(shí)踐。

未來教學(xué)機(jī)器人的研究應(yīng)更關(guān)注教育教學(xué)的理論與教學(xué)機(jī)器人的深度融合，

實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享。通過研發(fā)符合教學(xué)需求的新資源和新工具，為教學(xué)注入新

的活力，助力教學(xué)創(chuàng)新。

（2）發(fā)展趨勢

未來智能教學(xué)機(jī)器人能夠達(dá)到人類的特級教師相當(dāng)?shù)乃?，或者達(dá)到特級教

師都做不到的一些事情。智能教學(xué)機(jī)器人可進(jìn)行學(xué)習(xí)障礙診斷與及時(shí)反饋，根據(jù)

學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)向其提供幫助；智能機(jī)器人可與學(xué)生進(jìn)行對話，在對話過程中，

了解學(xué)生的需求，給予及時(shí)響應(yīng)與反饋；感知學(xué)生的知識掌握狀態(tài)，根據(jù)知識掌

握程度提供差異化教學(xué)方案和個(gè)性化陪伴。

未來，希望能夠通過智能教學(xué)機(jī)器人與兒童對話后，對一段時(shí)間的對話數(shù)據(jù)

進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在這段時(shí)間內(nèi)的情感、情緒、認(rèn)知方面存在的問題，根據(jù)發(fā)

現(xiàn)的這些問題，給學(xué)生相應(yīng)的幫助和支持，從而實(shí)現(xiàn)類似人類教師的智慧內(nèi)置到

智能機(jī)器人中，具備自然語言理解能力且具有和真人一樣的交互性，是教學(xué)機(jī)器

人的理想發(fā)展目標(biāo)。