國外教育機器人輔助語言學習研究：認知激活與情感驅動

尚巧巧 王晶瑩 倫應杰

摘 要：本文系統分析了國外教育機器人輔助語言學習的研究，發現其內容涵蓋兩個方面。第一是對參與者語言學習結果的認知激活，第二是側重于對情感方面驅動作用研究。前者的研究以詞匯學習為主，還包括如閱讀、口語和語法等其他技能;后者關注教育機器人對學習動機的積極影響、教育機器人輔助語言學習的新穎性效應和教育機器人社會行為的復雜性。目前我國的教育機器人輔助語言學習領域研究尚處于萌芽階段，國外的研究為我國該領域的推進帶來了重要啟示：探索不同語言學習主題的最佳方式、提高學習興趣與動機和與教育機器人個性化互動。

關鍵詞：AI;教育機器人;語言學習;認知激活;情感驅動

人工智能（Artificial Intelligence，以下簡稱AI）是繼蒸汽技術、電力技術、計算機及信息技術革命之后的第四次科技革命的核心驅動力。隨著新技術的飛速發展，AI不僅被廣泛應用于制造、金融、交通、醫療等行業中，還越來越多地被應用于日常生活與教育中，得到了全社會的持續關注，并被提升到國家教育戰略的高度。《教育信息化2.0行動計劃》提出要加強智能教學助手、教育機器人、智能學伴、語言文字信息化等關鍵技術的研究與應用。AI技術的應用是信息技術輔助語言學習的最新形式，在計算機和手機/平板電腦等移動終端的信息技術支持環境存在的同時，AI技術促使語言學習研究與實踐進入了交互和多元發展的時期。智能教學系統以其信息靈活的反饋、真實的語言情境學習和積極的學習者激勵等特征，在教與學的過程中發揮著重要的作用[1]。教育機器人作為AI時代的智能設備，是機器人在教育領域應用的典型代表，是指具有輔助教學、管理教學、處理教學事務乃至主持教學等功能的機器人，它具備教學性、人機友好性、高智能性、自主性、知識豐富性、多功能性、多形態性、專業性和安全性九大特點[2]。教育機器人的出現推動了計算機輔助語言學習融入AI技術的變革。基于計算機的講授、操練、模擬和工具四大類型的信息化教學手段受到了來自機器人的挑戰。本論文將系統分析教育機器人輔助人類語言學習研究，進一步明晰該新興領域的研究方法和策略，為我國教育機器人輔助人類學習的后續理論和實證研究提供啟示。

一、研究背景

隨著現代信息技術的不斷發展，技術支持下的語言學習研究成為熱門領域，涵蓋語言教學軟件開發、語言教學材料設計、語言學習環境創設、語言教學模式變革、語言學習結果反饋等新興主題。越來越多的學者開始將教與學的信息化看作是突破語言學習發展瓶頸的重要途徑[3]，技術不僅能作為語言學習的輔助工具，還能促進語言能力高效提升。自20世紀80年代以來，信息技術的更迭創新與持續提升，使得計算機輔助語言學習（Computer-assisted language learning，Call）、移動終端輔助語言學習（Mobile-assisted language learning，Mall）等領域在過去的幾十年里發展成為全球語言學習研究的熱點與核心領域[4]，近年來，人工智能支持的語言學習正在悄然興起。人工智能支持的語言學習是指以人工智能設備為輔助工具的語言學習，這些設備能智能地幫助人們完成交際任務，實現人與人、人與知識、人與環境進行交互的社會功能[5]。與語言學習緊密聯系的智能輔助工具非常多，可以分為三類：教育機器人、專業軟件和綜合平臺，這三類智能工具輔助下的語言學習統稱為智能語言學習（Artificial intelligent language learning，Aill），區別在于其智能程度的不同，教育機器人的智能化程度最高，能夠發揮出巨大的潛力。

人工智能、語音識別和仿生科技等是教育機器人未來發展的關鍵技術，是評估其應用價值實現的重要標準[6]。北京師范大學智慧學習研究院在2019年發布的《2019全球教育機器人發展白皮書》中提到，語言學習是用戶群體對教育機器人的重要需求[7]。在國外母語教育和外語教育中，教育機器人也越來越多地擔任導師的角色。機器人輔助語言學習（Robot-assisted language learning， Rall）領域發展迅速，AI技術的應用帶來了語言學習的方法論突破與技術實踐的應用創新。國外教育機器人輔助語言學習的研究涵蓋兩個方面的內容：一方面是對語言學習結果的影響，涉及詞匯學習、語法技能、閱讀技能和口語技能等;另一方面是情感作用的研究，探討教育機器人如何影響學習者的動機、教育機器人的新穎性以及教育機器人的社會行為對學習者的影響。目前，我國教育機器人在輔助語言學習應用方面處于實踐先導，教育研究則與國外存在一定差距，相關研究仍處于起步階段，實踐方面雖已呈現出巨大潛力，但尚未轉化為系統科學的教育策略與行之有效的研究模式。因此，對外國教育機器人輔助語言學習的研究進行系統性綜述分析顯得尤為必要。

二、教育機器人輔助語言學習對認知結果的影響

教育機器人是為了更好地促進學生的“學”和教師的“教”而研發的，它的出現并不是為了取代人類教師，對教育機器人的研究可以豐富人類在認知和行為等領域的已有經驗。整體來看，教育機器人輔助語言學習對學習結果的影響是積極的，在輔助詞匯學習和口語技能方面存在差異性結果，而在語法技能、閱讀技能方面均表現出良好的輔助效果。

（一）教育機器人有效輔助詞匯學習

縱觀國際上教育機器人輔助語言學習的研究，三分之一的數量集中在詞匯學習領域，研究對象多為學齡前兒童或剛入學的兒童。詞匯是一切語言學習的基礎，無論學習者處在母語還是外語的聽、說、讀、寫活動過程中，都需要掌握一定的詞匯。缺乏詞匯練習成為學生學習語言的重要阻礙。教育機器人的出現，使其與教師、學生三者之間有機地融合，形成了一種新的教學模式。部分學者發現學生在此種教學模式中學習的單詞數量有限，但是多數學者仍然認為兒童是否與教育機器人互動以及互動的時間長短是影響學習結果的直接因素，只有持續互動的兒童才能取得較好的學習效果。對日本兒童通過與教育機器人互動來學習英語的研究也表明，與教育機器人互動較少的兒童學習收獲較少。此外，兒童的投入度也是影響詞匯學習的重要因素，互動中足夠的認知和情感投入能夠大大提高兒童學習詞匯的效率。

（二）教育機器人促進語法學習

教育機器人在輔助人類不同語言技能學習時存在著成效的差異。教育機器人對語法學習有促進作用。教育機器人雖然對輔助兒童外語語法學習有促進作用，但是其教育狀態對兒童也有較大影響。肯尼迪等人發現，教育機器人對以英語為母語的兒童在法語文章中“le”和“la”的學習中產生積極影響①。教育機器人教給8歲到9歲的兒童三條法語的語法，提高了兒童對法語文章的理解，并且在一周后測試學習效果時得以維持[8]。在另一項研究中，赫伯格等人調查了教育機器人輔助兒童學習語法的情況，教育機器人分別呈現出注視兒童和不注視兒童的兩種狀態，這一過程中兒童均從教育機器人身上學會了語法，但教育機器人如果一直注視他們，兒童的表現會變得更差[9]。該發現的一個可能解釋是，教育機器人并沒有表現出有效的社會存在性，其存在或許給兒童增加了壓力，從而使他們的表現更差。這一結果表明教育機器人的行為會以意想不到的方式影響兒童的學習。

（三）教育機器人有效輔助閱讀學習

閱讀是運用語言文字獲取信息、認識世界、發展思維、獲得審美體驗的重要途徑，閱讀教學可以培養學生感受、理解、欣賞和評價的能力[10]。教育機器人在支持學生閱讀技能的提升方面有著很大的潛力，學齡前兒童在教育機器人輔助母語學習環境中的故事制作、故事理解和詞匯識別技能方面比傳統學習環境中的進步更多。有學者分別通過教育機器人和平板電腦輔助學生的早期母語閱讀，兩組學生在識字測試中的理解能力、講故事能力、故事復述能力和詞匯識別能力方面均有所提高，與使用平板電腦相比，得到教育機器人輔助學習的兒童在講故事能力、詞匯識別能力和故事復述能力方面的進步更大[11]。在標準化英語閱讀測試中，教育機器人輔助課堂中的兒童的學業成就表現優于傳統課堂，這一助教的存在對兒童英語閱讀技能產生了積極的影響。

（四）教育機器人輔助口語訓練的效果各異

外語語言培訓的范圍會對學習結果產生影響，覆蓋聽力、閱讀和寫作等多方面的培訓中僅針對口語技能的培訓存在著顯著差異。韓國的一項旨在提高英語口語和聽力技能的研究發現，在與教育機器人互動后，雖然兒童的外語聽力技能沒有提高，但其口語技能卻大幅提升，體現在發音、詞匯、語法和溝通能力等四個方面[12]。在比較教育機器人輔助教室與傳統教室對中國臺灣兒童外語口語教學的研究中也發現相似的結果，研究表明，與傳統教室相比，教育機器人輔助教室中兒童的口語技能更高[13]，而有學者則認為教育機器人輔助課堂上的兒童在外語聽力上優于傳統課堂，但在外語口語上沒有顯著優勢[14]。

三、教育機器人輔助語言學習對學生情感的影響

教育機器人輔助語言學習對學生情感的影響體現在學生出現新奇效應、學習動機受到影響和展現復雜的社會行為等方面。教育機器人對學生學習語言的動機具有促進作用，這可能部分源于教育機器人的新奇效應，但對學生的社會行為方面的作用則較為復雜。

（一）新奇效應的影響與有效維持

教育機器人對用戶使用興趣的激發會產生所謂的新奇效應，即學習者享受新技術的興趣會導致更好的學習結果，一旦學習者習慣了這項技術，相關的興趣和動力就會消失。肯達等人在外語詞匯學習的研究中發現，兒童希望與教育機器人互動的期望會在兩周內迅速減少，這會減弱其學習效果。在他們的研究中，只有繼續使用教育機器人的兒童才能獲得較好的學習成效，但是兒童持續的互動并非出于持續的興趣，而是出于對教育機器人的憐憫[15]。教育機器人在英語課上協助老師參與一些活動，如講故事、回答問題、手勢游戲和發音練習。學生對與教育機器人合作的興趣也出現了類似的下降[16]。同樣，在一項學齡前兒童使用教育機器人學習英語詞匯的研究中，三個階段的任務參與度逐漸下降，但并沒有影響學習效果，兒童在后續課程中學到的知識甚至比之前更多[17]。還有研究者發現與教育機器人一起工作會使其學習興趣的持續時間更長。有學者研究發現，教育機器人獨立地與兒童互動可以使其保持注意力，這在年齡較小的兒童身上也有效，兒童并沒有對教育機器人失去興趣[18]。綜上所述，需要進一步圍繞特定主題和技術開發教育機器人輔助語言學習的對標課程和監測機制，以維持兒童的學習興趣，并使兒童隨著時間的推移仍舊享受與教育機器人的互動，以便使教育機器人成為有效的學習伙伴或導師。

（二）教育機器人對學習動機產生積極影響

教育機器人不僅會影響學生語言學習的結果，也會影響他們的學習策略和動機。國外研究通過將教育機器人輔助教室與傳統教室進行比較，將教育機器人與其他類型的技術和真人教師進行比較，得出共同的結論，即教育機器人通常對學生的學習動機有積極的影響。兒童在閱讀、唱歌和回答問題上的參與度更高，尤其是在教育機器人的幫助下參與閱讀的積極性空前高漲。許多研究發現教育機器人輔助教室的學生學習動機高于傳統教室，教育機器人提高了學習者自我報告的滿意度、興趣、信心和動機。艾姆勒等人發現教育機器人輔助9歲至11歲兒童學習外語詞匯比通過傳統紙質詞匯表更具有積極的學習成效[19]。對口語技能研究發現，與教育機器人一起學習的兒童比在傳統課堂學習的兒童表現出更高的自信、動力和參與度[20]。艾萊米等人在外語詞匯學習的研究表明，學生對教育機器人的輔助學習感到特別愉快，比傳統課堂上的學生學習更快、學到的知識更多，并且有更好的持續性收獲[21]。此外，教育機器人對學生學習動機的影響比平板電腦或網絡程序等其他類型的技術更為積極。另一項研究也指出，14歲的學生在英語對話課上使用教育機器人相較于使用電腦有更高的參與度，而且對學業結果更滿意[22]。

（三）教育機器人展現學生社會行為的復雜性

教育機器人可能會因為學生的性別而對其產生有利或不利的社會性行為影響，這一發現說明教育機器人的社會性行為會由于學生特征的不同而對任務興趣和學習效果產生復雜的影響，也可能因為學生的性別而對其產生有利或不利的社會性行為影響。在梅爾別科夫等人的研究中，實驗人員用輸贏來評估教育機器人犯錯誤是否會使兒童在學習過程中感到更舒服。研究發現，女孩從獲勝的教育機器人身上學會的詞匯是男孩的兩倍，而男孩從失敗的教育機器人身上學會的詞匯是女孩的兩倍[23]。這表明男孩和女孩在同理心或競爭力上存在差異，他們在理解教育機器人的輸贏時與其互動的方式是有差異的。一個具備社交行為的教育機器人可以提升孩子對學習任務的參與度，但同時，教育機器人的社會性行為會分散兒童的學習注意力，從而導致學習效果變差。此外，結果可能會因為學習者的社會文化背景而出現差異，不同的環境會影響兒童對教育機器人行為的個體反應。

四、研究啟示

綜上所述，教育機器人與大多數其他形式的信息技術輔助教學相比，其重要優勢在于為學習者提供了與現實生活環境互動的機會，這是語言發展的重要因素。教育機器人可以支持更多的自然互動，它們的外觀通常是人形或動物的形狀，其可以使用凝視、指點等非語言的暗示讓兒童感到更真實可信。目前我國的教育機器人輔助語言學習領域研究尚處于萌芽階段，國外的綜述性研究將為我國的理論和實踐提供啟示。

（一）探索不同語言主題的最佳學習方式

教育機器人輔助母語和外語學習的效果具有一定的復雜性。大多數的研究集中在詞匯學習上，需要更多的研究來確定教育機器人最有效的角色、教育機器人最有益的年齡組以及詞匯學習的最佳次數。對于閱讀技能、語法學習及口語技能的研究應該具有多樣性，以評估最有效的教育機器人行為、教育機器人互動能力等方面的差異，或者探索通過平板電腦或其他顯示詞匯或規則的設備與教育機器人相結合的輔助學習方法。同時應當進一步研究當教育機器人和學習者一起練習口語技能時，教育機器人需要具備的如語音識別、自然語言生成等技能。但是與大多數技術相比，教育機器人的重要優勢仍然限于理論，技術上的局限性阻礙了這些可能優勢的有效實現，需要通過技術更新來充分挖掘教育機器人的潛力，并將這些理論優勢付諸實踐。

（二）提高兒童語言學習的興趣與動機

人們在使用技術進行語言學習的內在動機方面存在差異。后續研究可以進一步調查學生與教育機器人合作的內在動機，以及教育機器人對動機的積極影響是否有利于學生的語言學習，探索其具體的影響機制。提高和保持學習者的興趣是與教育機器人成功互動的重要前提，因此，在今后的教育機器人輔助語言學習研究中，有必要采取遙控機器人的方案，以使教育機器人的言語和行為適合兒童的特定行為。目前，人工智能、視覺識別系統和自動語音識別系統顯然還不具備相應技術，以保持兒童對教育機器人的持續興趣、自主地與教育機器人互動。為了提高或維持學習者的興趣而采取的行為可能會因目標群體而異，教育機器人的行為應該集中在其受眾身上，隨著時間的推移，教育機器人可能會產生新的更具適應性的行為。

（三）提倡兒童與教育機器人的個性化互動

個性化學習是當代教育領域積極倡導的學習理念和模式，也是未來教育的發展趨勢。教育機器人輔助語言學習以建構主義為基本指導理論，強調以學習者為中心為其提供良好的學習環境與優化的學習策略。因此，教育機器人輔助語言的學習必須是實現從教到學范式轉型的能動學習。兒童與教育機器人互動的個性化是未來重要的研究方向。目前，教育機器人還不能達成最理想的方式監控孩子的理解力等認知表現，以及適應個別孩子的輔導策略。因此，要促使教育機器人進一步獲得“真正”的適應能力，讓其根據孩子的理解來調整自己的課程和行為，獲得更趨個性化的輔助學習方案，對技術的革新提出了更高的需求，還有待于人與機器學習理論的進一步發掘來實現。