智能教学机器人

2024年3月29日发(作者：一次相逢一份暖)

智能教学机器人

1.教学机器人及其特征

国际机器人协会给机器人下的定义是，机器人是有一定自制能力的可编程和

多功能的操作机，根据实际环境和感知能力，在没有人工介入的情况下，在特定

环境中执行安排好的任务。未来，如若人工智能跨越了情感交流的屏障，人类或

许真的能与机器心灵相通。目前，人工智能已经进入社交和情感陪护领域，如人

工智能小冰。

在教育领域，教育机器人是以培养学生分析能力、创造能力和实践能力为目

标的机器人。教育机器人使用到的关键技术主要有仿生科技、语音识别和自然语

言理解等，它的发展目标是希望和“真人教师”一样进行感知、思考和互动，达

到减轻教师的工作负担、优化教学效果的目标。教学机器人应具备以下特征：

（1）教学性

教学机器人应该具备广博的知识储备，并且具备自我学习、自我进化的能力，

熟悉最新的科技发展成果。它能像真人教师一样，了解自身的专业结构、了解自

己的教学法、了解学科知识层存在的问题，通过观察记录学生的学习情况，不断

调整教学策略，实现由传统形式单一、经验主导的方式转变为人机协同，达到数

据及时分享并深度挖掘的精准、个性化教学，真正完成传道受业解惑等教师的职

业要求。

（2）自主性

教学机器人应该具备感知能力、思考能力，对教师与学生的状态能够进行及

时准确地分析，能够进行自主决策。

（3）交互友好性

机器人在与学生交流过程中，应该幽默有趣，能够吸引学生兴趣。作为学习

伙伴，教学机器人应该能够进行无障碍人机交流、可以完成问题答疑、提供学习

资源、引导学习互动的氛围等。

2.教学机器人的分类

黄荣怀等将教育机器人分为机器人教育和教育服务机器人：机器人教育主要

是以机器人为载体，通过观察、设计、组装、编程、运行机器人，激发学生学习

兴趣、训练学生逻辑思维能力、培养学生的创新意识和动手实践能力，让学生在

“玩中学”、在实践中获得知识。目前，大部分的学校还未将机器人教育归入正

规课堂，多数还是采取课外活动、兴趣班等形式进行机器人教育。一般是学校预

先购买机器人器材、套装或散件，再由专门教师进行指导教学。教育服务机器人

是指可以执行一系列教与学相关任务的自动化机器。随着人工智能的发展，教育

机器人开始频繁地出现在人们视野内，并逐步应用于教育领域。例如：在2017

年的高考中，智能教育机器人挑战高考数学题，备受瞩目；百度公司利用人工智

能技术积极探索“一人一名师+机器人助教”的教育模式；科大讯飞公司也推出

了一款教育陪伴机器人——“阿尔法大蛋”。

从我国教育机器人的发展现状来看，其应用情境分为两类：一是针对儿童的

益智类机器人，主要陪伴儿童学习玩耍，为儿童提供多样化的教育方式，寓教于

乐地引导儿童学习，促进良好生活习惯的养成，如智能玩具、教育陪伴机器人等；

二是在教学领域中，能够为教学活动提供支持的辅助教学类机器人产品，如机器

人助教、机器人教师、医疗机器人、特殊教育机器人、虚拟教育机器人等。本研

究通过整合当前我国教育机器人的相关案例，分析其中两类七种教育机器人（智

能玩具、教育陪伴机器人、机器人助教、机器人教师、医疗机器人、特殊教育机

器人、虚拟教育机器人）的使用情况，展示在变革教与学方式中教育机器人的广

阔应用前景。

（1）益智陪伴类机器人

比起需要完成固定教学任务的教师来说，机器人可能更容易得到儿童的好感，

吸引儿童的注意力。在儿童与机器人的交互中，可以培养儿童的语言表达能力、

创造力和想象力，这些能力的发展对于处于认知发展阶段的儿童格外重要。如奇

幻工房（Wonder Workshop）公司推出的名为达奇（Dash）和达达（Dot）的两

个小机器人，它们是几个可爱的几何形体组合，可以帮助5岁以上的儿童学习编

程，开发儿童的动手能力和想象力。

（2）辅助教学类机器人

世界上第一个机器人教师“Saya”是由日本科学家在2009年推出的，并在

东京一所小学进行试用，为学生上课。她会讲多种语言，还可与学生互动，回答

学生简单的问题，并可以完成点名、朗读课文、布置作业等基本教学活动，此外

她还会做出喜怒哀乐等多种表情。韩国也大力推广机器人教师，从2009年起，

30个蛋形机器人在韩国小学教学生英语，受到学生的广泛欢迎，并且实践证明，

机器人英语教师有助于提升学生英语学习兴趣。

此外，机器人还在医学教育领域扮演着重要角色，传统学医的学生想要独自

做手术，需要在医院进行实习，而有时患者及其家属会拒绝实习医生的治疗。当

前，亟需借助人工智能、虚拟现实等前沿科技力量提升医学教育水平。医学模拟

通过各种教学系统和场景设置，为学习者提供实践学习，使学习者了解患者的病

症，无需对真实患者进行实际操作。例如，在医学教学中用机器人来训练医科学

生。墨西哥的国立大学，学习者练习了24个机器人患者的各种程序，这些程序

连接到一个可以模拟各种疾病的症状的软件系统。患者均配有机械性器官、模拟

呼吸系统和人造血液。

人工智能虚拟现实医学奠基人凯斯科萨瓦达思指出，“人工智能与虚拟现实

结合是临床医学培训的新模式”。未来，可以将病患的核磁共振、CT扫描等影像

数据，通过人工智能系统处理，得到真实复原的全息化人体三维解剖结构并可将

其投射在虚拟空间里。学习者可以在虚拟空间里全方位、直接看到病患真实的人

体结构的解剖细节，对病变的器官进行观察和立体分析，精确测量病变器官的位

置、体积、距离等数据。观察结束后，学习者还可以设计手术治疗方案、评估手

术风险、虚拟解剖以及模拟手术切除等。

在我国，对机器人教师的报道也此起彼伏，北京师范大学与网龙华渔共同研

发的“未来教师”机器人已经在部分学校开始测试，它不仅可以帮助教师朗读课

文、批改作业，还可以通过传感器识别学生的身体状况，如果学生发烧，机器人

会提示教师，更为神奇的是，它还可以帮助老师监考，发现作弊的学生。江西九

江学院的机器人教师“小美”，走进东北大学为机械工程与自动化学院的学生教

授“机电信号处理及应用课程”的机器人教师“Nao”。

3.教学机器人应用案例分析——Nao

小i机器人Nao是依托小i硬件智能云，通过云与硬件机器人相结合，使

Nao成为能听会说、会跳舞、讲故事的陪伴型机器人。它可结合图片、文字甚至

音频视频等媒体给学习者完整回复，让学习者在交流中解决问题。

（1）智能陪伴机器人的基本架构

智能交互机器人的基本架构主要包括以下模块：

①机器人核心模块及运行框架

包括通讯控制模块、服务接口模块、交互业务逻辑及二次开发框架等组成部

分。该模块主要负责实现终端与后端服务引擎的通信接口服务，包括学习者与机

器人系统的前端交互、响应调度、负载平衡等。

②智能服务引擎

智能服务引擎是自然语言处理和集成专业处理引擎的平台，包括服务控制接

口分词标注引擎、语义分析引擎、聊天对话引擎、场景处理模块、答案处理模块

和知识索引管理等。智能服务引擎相当于机器人的“大脑”，是机器人实现智能

的关键，它的智能性、精准度、并发性能等各个方面都会对系统产生关键影响。

③统一管理平台

通过智能服务引擎提供的应用程序编程接口（API），对机器人进行统一管理

和维护，包括系统管理、运维管理、语音管理、渠道管理、服务管理和知识管理。

（2）陪伴机器人在教学中的作用

陪伴类机器人在定制学习内容、引导学习互动、调节学习情绪方面对学习者

的学习将发挥有效作用。

在定制学习内容方面，教育机器人能够根据学习者的年龄、性别、兴趣爱好

及知识水平为学习者推送适合的学习资源，如情景剧、动画片、电影或者电子图

画书等。通过跟踪学习数据判断学生对当前学习内容是否感兴趣，进而判断是否

进一步转入深度学习和扩展性学习阶段。

在引导学习互动方面，教育机器人的出现为搭建互动的学习环境提供支持。

教育机器可以像人一样行走，它可以随时陪伴在学习者的身边，像父母教师朋友

一样与学习者交流对话。在交流的过程中，教育机器人能够通过“观察”学习者

的表现在合适的时机进行提示引导，辅助学习者完成学习任务。

在调节学习情绪方面，教育机器人目前还不能识别学习者的面部表情的含义、

心理状态等，但随着人脸识别技术、机器学习技术的发展，未来机器能够读懂人

类的情绪。教育机器人在识别到学习者学习有困难时，可以通过情感交流，鼓励

指导学习者，例如“你可以联想某一知识点，结果可能就会出来了”。让学习者

感受到学习伙伴的支持，调整好学习心情，在宽松和谐的交流沟通氛围中，与智

能陪伴机器人对话能够减弱学习者的畏惧感和焦虑感。

4.智能教学机器人的实践困境与发展趋势

（1）实践困境

智能教学机器人驱动教学应用创新，为教学提供新的工具和资源，促进教学

组织方式的进一步变革，有助于吸引学习者的学习兴趣。目前，教学机器人在教

学中的应用还处于探索阶段。网龙华渔、科大讯飞等一些教育公司和研究机构设

计开发出用于陪伴儿童学习的或是专门用于学校教学的教学机器人，形成了一定

的社会影响。

教学机器人在真正的课堂教学中还未发挥其优势，在教学中的普及与推广还

存在很多局限，主要体现在：智能教学机器人的软硬件设施成本高、价格比较贵，

配备教学机器人的家庭和学校需要具有一定的经济基础；教学机器人的智能性还

不够；缺少相应的课程内容，教育机器人的设计与开发不仅要有技术上的突破，

还要有教学设计师的配合，设计对应的教学内容，推动教学机器人的应用与实践。

未来教学机器人的研究应更关注教育教学的理论与教学机器人的深度融合，

实现教学资源的共享。通过研发符合教学需求的新资源和新工具，为教学注入新

的活力，助力教学创新。

（2）发展趋势

未来智能教学机器人能够达到人类的特级教师相当的水平，或者达到特级教

师都做不到的一些事情。智能教学机器人可进行学习障碍诊断与及时反馈，根据

学生的学习状态向其提供帮助；智能机器人可与学生进行对话，在对话过程中，

了解学生的需求，给予及时响应与反馈；感知学生的知识掌握状态，根据知识掌

握程度提供差异化教学方案和个性化陪伴。

未来，希望能够通过智能教学机器人与儿童对话后，对一段时间的对话数据

进行分析，发现学生在这段时间内的情感、情绪、认知方面存在的问题，根据发

现的这些问题，给学生相应的帮助和支持，从而实现类似人类教师的智慧内置到

智能机器人中，具备自然语言理解能力且具有和真人一样的交互性，是教学机器

人的理想发展目标。