我國教育機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析

摘要：并對教育機器人未來的未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單的預(yù)測，以期為我國未來教育機器人的研發(fā)提供數(shù)據(jù)參考，給予我國在教育機器人相關(guān)人才培養(yǎng)、相關(guān)研究室的開發(fā)以及教育機器人的廣泛應(yīng)用等方面一定的啟發(fā)。

為促進(jìn)新時期教育計算機化的建設(shè)與發(fā)展，結(jié)合國家“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、新一代人工智能等重大戰(zhàn)略目標(biāo)和任務(wù)安排，《教育信息化2.0 行動計劃》明確提出了應(yīng)當(dāng)加強對智能教學(xué)助手、教育機器人等相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究和應(yīng)用。^[1]由于我國在教育機器人方面的科學(xué)研究工作起步較晚，因此，梳理我國這20 年來教育機器人的科學(xué)研究進(jìn)程，有助于提高國內(nèi)教育機器人科學(xué)研究的水平，同時也給未來教育機器人的相關(guān)發(fā)展予以啟示。

近幾年，圍繞著教育型機器人，我國的研究性專家和學(xué)者們對其進(jìn)行多方面、多視野和多角度地研究，得到了許多跟教育型機器人密切相關(guān)的科學(xué)技術(shù)研究論著和文獻(xiàn)。張堯等^[2]通過對2010-2018 年國際教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)的分析，提出了國際教育機器人的研究主要重點是機器人科學(xué)研究、教育機器人技術(shù)支撐下的工具和環(huán)境研究、教育機器人的應(yīng)用實踐研究三大領(lǐng)域。李新等^[3]對2014-2018 年教育機器人相關(guān)的文獻(xiàn)和資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)教育機器人的研究課題可以大致劃分成包括本體性研究、設(shè)計性研究、實踐性研究、角色性研究四個范疇。龔禮林等^[4]通過對2010-2019 年國際K-12 機器人教育的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出STEM領(lǐng)域是國際機器人教育實證研究的熱門主題。大部分的課題研究學(xué)者都主要是基于國際上有關(guān)教育機器人相關(guān)資料和文獻(xiàn)進(jìn)行的分析，梳理了教育機器人的國際動態(tài)和其研究熱點，來針對未來教育機器人的研究發(fā)展方向提出一些相關(guān)的建議。在此基礎(chǔ)上，本研究將CNKI 中國知網(wǎng) 2001-2021 年共20 年公開發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)為主要研究對象，分析我國教育機器人的科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢。

1.1 研究方法

文獻(xiàn)計量學(xué)是指集數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和文獻(xiàn)學(xué)為一體的定量地分析一切知識載體的交叉科學(xué)。其研究方法主要是采用數(shù)理統(tǒng)計分析的方法，將計量對象如文獻(xiàn)數(shù)（文獻(xiàn)類型）、作者數(shù)（作者、第一作者單位）、詞匯數(shù)以圖表的形式呈現(xiàn)^[5]。本研究主要采用了文獻(xiàn)計量法，對樣本文獻(xiàn)中有關(guān)教育機器人的文獻(xiàn)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)計量法是內(nèi)容分析法的一類，是對文獻(xiàn)形式的傳播內(nèi)容進(jìn)行定量描述的一種研究方法。^[6]

1.2 研究思路

為了能夠更好地分析和梳理當(dāng)前我國教育機器人的發(fā)展脈絡(luò)，展望我國教育機器人的未來發(fā)展趨勢，推進(jìn)我國教育機器人在教育領(lǐng)域中的可持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，本研究以CNKI 中國知網(wǎng)作為數(shù)據(jù)來源，使用“教育機器人”、“機器人教育應(yīng)用”等關(guān)鍵詞在平臺上進(jìn)行初步檢索，檢索時間設(shè)為2001 年07 月01 日～ 2021年07 月01 日，累計得到777 篇相關(guān)文獻(xiàn)。除去完全與主題不相關(guān)的會議、通告以及報紙等，共得到待研究文章753 篇，其中中英文期刊共482 篇，碩博士論文共171 篇。這些文獻(xiàn)構(gòu)成了本次研究的數(shù)據(jù)樣本，檢索后通過CNKI“導(dǎo)出參考文獻(xiàn)”功能的保存為可以分析的EndNote 格式的題錄文件。

因為計量分析的樣本通常都是基數(shù)大、層次多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，所以對于文獻(xiàn)信息的計量統(tǒng)計分析大多采用自動化的形式來完成。故本研究使用了文獻(xiàn)題錄信息統(tǒng)計工具 (SATI）和社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件（UCINET）來對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化分析和可視化展示。SATI 是由浙江大學(xué)學(xué)者葉鷹開發(fā)的一種題錄分析軟件。SATI可以自動對樣本數(shù)進(jìn)行字段抽?。ㄎ墨I(xiàn)標(biāo)題、關(guān)鍵字、作者、源出版物等），并對提取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行頻次分析，然后生成各種矩陣導(dǎo)出為excel 文件。在實踐中，SATI在許多領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用。UCINET 是社會網(wǎng)絡(luò)分析中常用的軟件，它可以很容易地計算出社會網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的中心度，并找出網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)聚子群，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行共詞關(guān)系分析。此外，UCINET 還嵌入了開源軟件Netdraw，可以方便地繪制社會網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系圖，直觀地顯示社會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的關(guān)系，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。

2.1 教育機器人相關(guān)研究的時間分布研究

教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)的時間分布可以反映其研究熱度的變化，也可以根據(jù)研究文獻(xiàn)在時間上的散步情況，觀察分析相關(guān)研究的發(fā)展階段，進(jìn)而可以根據(jù)時間分布上的轉(zhuǎn)折點，探索教育機器人相關(guān)研究在我國的發(fā)展情況。通過對CNKI 中所獲取樣本數(shù)據(jù)的發(fā)表時間進(jìn)行提取，并進(jìn)行頻次統(tǒng)計，可以看到我國教育機器人相關(guān)研究的時間分布情況（如表1 所示）。

表1 教育機器人相關(guān)研究文獻(xiàn)的時間分布情況表

圖1 教育機器人相關(guān)研究文獻(xiàn)年度分布圖

由圖1可見，我國教育機器人的相關(guān)研究發(fā)展大致可以分為三個階段。第一階段是2007 年之前，屬于我國教育機器人研究的起步階段，研究數(shù)量相對較少。分析這一階段的相關(guān)文獻(xiàn)，可以看到我國早期教育機器人相關(guān)研究的基本情況。在這一階段，我國教育機器人的研究事業(yè)剛剛起步，國內(nèi)有關(guān)教育機器人研究開發(fā)的技術(shù)不夠成熟，能夠參考借鑒的理論基礎(chǔ)大多都來源于國外學(xué)者的研究成果，針對于我國教育形式的教育機器人研究較少，機器人教學(xué)剛剛開始進(jìn)入人們視野，人們的接受程度不高，跟教育機器人研發(fā)相關(guān)的人才培養(yǎng)受到阻礙。根據(jù)對針對性文獻(xiàn)的分析，這一階段我國有關(guān)于教育機器人的研究點主要是教育機器人技術(shù)與平臺的初步開發(fā)。

第二階段大致從2008 年至2015 年，屬于我國教育機器人研究的緩慢發(fā)展階段，無論是期刊文獻(xiàn)還是碩博士論文文獻(xiàn)的數(shù)量都有較為明顯的增長。這一階段，隨著教育學(xué)、心理學(xué)和人工智能的融合發(fā)展，我國的教育機器人相關(guān)的科學(xué)技術(shù)水平有了顯著的提升，教育機器人對人類認(rèn)知、決策、智能和情感的影響越來越受到重視，我國的研究學(xué)者開始在國外教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出自己的思想，機器人教育開始出現(xiàn)，促進(jìn)了教育機器人在我國的落地應(yīng)用。分析這一階段相關(guān)文獻(xiàn)，我國相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者開始將關(guān)注點轉(zhuǎn)到教育機器人在教育中的實際應(yīng)用上面來，機器人教學(xué)成為教育機器人應(yīng)用的主流，跟教育機器人相關(guān)的技術(shù)和平臺開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。

第三階段大致是從2016 年開始，我國教育機器人的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段，相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)量呈現(xiàn)爆炸式增加。這一階段，由于信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、自動化等新一代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和深度融合，機器人的技術(shù)、功能和價值都有了明顯的改善和提升，其產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，并逐漸地融入到了人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ?、學(xué)習(xí)等現(xiàn)實場景中。^[7]我國的教育機器人教學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展的階段，這一時期的碩博士論文文獻(xiàn)數(shù)量有了明顯的增長，證明教育機器人的相關(guān)研究在高等教育中處于突出的位置。同時，基礎(chǔ)教育階段的機器人教育也進(jìn)入高度發(fā)展階段，創(chuàng)客教育實驗室、智慧教室的出現(xiàn)使得我國現(xiàn)有的教學(xué)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，開始更加注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維以及編程能力。這一階段的相關(guān)文獻(xiàn)更多的關(guān)注于機器人教育教學(xué)以及機器人課程的開發(fā)應(yīng)用。

2.2 教育機器人相關(guān)研究的學(xué)科專業(yè)及機構(gòu)分布研究

通過對我國教育機器人的相關(guān)樣本文獻(xiàn)中的碩博士論文進(jìn)行學(xué)科專業(yè)分布統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)收錄進(jìn)CNKI 的171篇碩博士論文涉及到了21個相關(guān)學(xué)科，說明我國進(jìn)行研究教育機器人研究的隊伍龐大，其中教育技術(shù)學(xué)(58 篇) 計算機應(yīng)用技術(shù)(11 篇) 課程與教學(xué)論(6 篇)控制理論與控制工程(4 篇) 機械制造及其自動化(4 篇)信息與通信工程(4 篇) 是主要進(jìn)行教育機器人相關(guān)研究的學(xué)科，教育技術(shù)學(xué)是我國進(jìn)行教育機器人落地應(yīng)用研究的主力軍。

在已經(jīng)發(fā)表的跟我國教育機器人研究相關(guān)的482 篇期刊中，涉及到的學(xué)校機構(gòu)十分廣泛，離散程度較大，主要集中于我國各類師范類大學(xué)中，其中北京師范大學(xué)(13 篇) 華中師范大學(xué)(7 篇) 江蘇師范大學(xué)(6 篇) 浙江師范大學(xué)(6 篇) 陜西師范大學(xué)(6 篇) 是各類機構(gòu)中致力于進(jìn)行教育機器人研究的機構(gòu)，為我國教育機器人的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。

2.3 教育機器人相關(guān)研究的高頻關(guān)鍵詞詞頻研究

文章的關(guān)鍵詞能反映出文章的焦點，如果某一個關(guān)鍵詞在某一類研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻次較多，說明是這個研究領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞。高頻關(guān)鍵詞代表中這一領(lǐng)域中研究學(xué)者的主要研究方向。我們通過提取樣本數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞并進(jìn)行詞頻統(tǒng)計可以看到，本研究階段中我國教育機器人出現(xiàn)了許多高頻關(guān)鍵詞（如圖2）。

通過對這些關(guān)鍵詞的觀察分析我們發(fā)現(xiàn)，圍繞教育機器人，我國的主要研究方向一方面是教育機器人本身的研究開發(fā)，借助人工智能的高速發(fā)展來完善開發(fā)新型教育機器人；另一方面，我國教育機器人的研究聚焦在機器人教育，通過開發(fā)機器人教學(xué)，借助創(chuàng)客教育模式與機器人課程的融合，建立我國中小學(xué)的信息化教學(xué)新模式。

圖2 教育機器人相關(guān)研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計圖

3.1 教育機器人研究相關(guān)的高頻關(guān)鍵詞共詞關(guān)系分析

關(guān)鍵詞是標(biāo)志文章主題、代表文章主旨的核心詞。如果一篇文章中同時出現(xiàn)兩個關(guān)鍵詞，就意味著這兩個關(guān)鍵詞之間存在“共線”關(guān)系，說明這兩個關(guān)鍵詞可能同時屬于同一個主題。因此，通過多個關(guān)鍵詞的共詞關(guān)系可以看出一段時間內(nèi)的研究重點。

將教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)構(gòu)成的數(shù)據(jù)樣本，通過CNKI“導(dǎo)出參考文獻(xiàn)”功能保存為可以分析的EndNote格式題錄文件后導(dǎo)入SATI，分別進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換、字段抽取、頻次統(tǒng)計后提取文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，最后生成共線矩

陣導(dǎo)出。將共線矩陣導(dǎo)入UCINET 軟件生成.##h，隨后導(dǎo)入NetDraw 軟件進(jìn)行處理后得到教育機器人研究文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞共線關(guān)系圖示（如圖3）。

圖3 教育機器人相關(guān)研究文獻(xiàn)高頻關(guān)鍵詞共線關(guān)系圖

根據(jù)張豪鋒教授等^[8]人的研究，處于網(wǎng)絡(luò)圖中間的關(guān)鍵詞與其他關(guān)鍵詞共同出現(xiàn)在同一篇文獻(xiàn)中的次數(shù)多，處于研究的核心地位，即其他研究領(lǐng)域是圍繞這些核心展開的；處于網(wǎng)絡(luò)圖邊緣位置的關(guān)鍵詞是相關(guān)研究的熱點；而處于前兩者之間位置的關(guān)鍵詞是連接核心問題與熱點問題的中介。由此我們可以通過上述圖示直觀地看出，以“教育機器人”、“Educational Robot”為核心，借助“人工智能”、“機器人”，學(xué)者們對“機器人教育”、“創(chuàng)客教育”、“STEAM 教育”、“Programming”等教育機器人相關(guān)擴(kuò)展方面進(jìn)行研究，并進(jìn)行“教學(xué)模式”、“教學(xué)改革”方面的探索，研究點主要集中在教育機器人本身的設(shè)計開發(fā)以及機器人教育的擴(kuò)展應(yīng)用。共詞關(guān)系圖外圍的智能機器人、仿人機器人、人工智能技術(shù)、高等教育、智能教育、教學(xué)活動設(shè)計以及課程設(shè)計等關(guān)鍵詞，都是與教育機器人發(fā)展密切相關(guān)的詞匯，說明這些內(nèi)容正在成為教育機器人研究的熱點。

3.2 我國教育機器人未來發(fā)展趨勢的分析

本研究通過對2001-2021年這個階段我國教育機器人的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，我國的教育機器人研究正處于快速發(fā)展的階段。通過分析得出的教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)高頻關(guān)鍵詞貢獻(xiàn)關(guān)系圖，對我國未來教育機器人發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單的預(yù)測。

4.1 教育機器人本身的設(shè)計開發(fā)

通過教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞共線關(guān)系圖我們可以看到，存在在外圍的“智能機器人”、“仿人機器人”、“智能教育機器人”、“VEX 機器人”以及“人工智能技術(shù)”等跟機器人本身設(shè)計開發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵詞，是正在成為教育機器人行業(yè)研究的熱點領(lǐng)域。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、報告等發(fā)現(xiàn)， 其中借助于“人工智能技術(shù)”對“智能教育機器人”進(jìn)行設(shè)計開發(fā)是我國正在致力于，并且在將來很長時間都會專注于研究開發(fā)的熱點領(lǐng)域，隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，還會有更多的新型智能教育機器人設(shè)計理念被提出，基于此開發(fā)出更加智能的教育機器人以供教育領(lǐng)域使用?！胺氯藱C器人”是教育機器人領(lǐng)域的新興分支，目前我國的仿人教育機器人研究受限于參考國外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行完善開發(fā)的階段，獨立進(jìn)行研究開發(fā)仿人機器人的企業(yè)、機構(gòu)還較少。因此在將來，仿人教育機器人也將成為教育機器人領(lǐng)域的一大研究熱點。

4.2 教育機器人教學(xué)相關(guān)的探索

從教育機器人教學(xué)層面來看，技術(shù)應(yīng)用方面，教育研究與相關(guān)教學(xué)工具和學(xué)習(xí)環(huán)境密不可分^[9]?！案叩冉逃薄ⅰ爸悄芙逃?、“教學(xué)活動設(shè)計”以及”課程設(shè)計”是存在于教育機器人相關(guān)文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞共線關(guān)系圖外圍的詞匯，是教育機器人教學(xué)方面正在成為熱點的研究領(lǐng)域。

目前我國有關(guān)機器人教育教學(xué)的開展如火如荼，在選擇課外輔導(dǎo)課程時獲得了很多中小學(xué)生的青睞，在北京以及江浙一帶教育發(fā)達(dá)地區(qū)非常受歡迎，相較教育相對落后的地區(qū)，這些地區(qū)機器人課程普及性更廣、認(rèn)可度更高。機器人在教學(xué)活動中，更多的是扮演輔助教師或?qū)W生上課學(xué)習(xí)的工具^[10]。通過對學(xué)校課程開發(fā)現(xiàn)狀的檢索發(fā)現(xiàn)，教育機器人在學(xué)校課程中的應(yīng)用程度較低，大部分的中小學(xué)未在該部分投入資金。但隨著科學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，借助相應(yīng)的教學(xué)活動設(shè)計和教育機器人課程的開發(fā)，未來教育機器人在中小學(xué)課堂的普及指日可待。

現(xiàn)有教育機器人的相關(guān)文獻(xiàn)，都是高等教育層面的學(xué)者進(jìn)行開發(fā)案研究所得。但在高等教育階段開展教育機器人教學(xué)還頗受時間、教學(xué)環(huán)境、資金等方面的限制，只有部分有相關(guān)投入學(xué)校的學(xué)生可以學(xué)習(xí)相關(guān)課程。在未來，有關(guān)教育機器人的設(shè)計開發(fā)課程在高等教育領(lǐng)域的開展也將成為一大研究熱點，更多的學(xué)生可以學(xué)習(xí)到相關(guān)課程，以促進(jìn)我國教育機器人實用人才和研發(fā)人才的培養(yǎng)，從而更好服務(wù)于教育教學(xué)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）