國際視野下教育機器人的研究現狀與發展趨勢——基于對25項系統化文獻綜述的再綜述

楊 凝

國際視野下教育機器人的研究現狀與發展趨勢——基于對25項系統化文獻綜述的再綜述

楊 凝

（北京科技大學 經濟管理學院，北京 100083）

隨著人工智能技術的不斷發展，教育機器人成為了提升學生能力和素養的重要路徑。基于此，文章采用系統化文獻綜述的方法，對來源于Web of Science數據庫的25篇教育機器人系統化文獻綜述進行再綜述，先從研究主題、研究對象、研究結論與討論三個方面分析了研究現狀；隨后提出了教育機器人的四個研究與發展趨勢，包括加強跨學科取向的機器人教育課程開發和教學研究，完善機器人教育學習成效的測量、評估和驗證，強調教育機器人的角色及情感交互，審視教育機器人發展的倫理問題。以期為教育機器人的研究者提供參考并為國家教育數字化戰略行動提供支撐。

教育機器人；機器人教育；社交機器人；系統化文獻綜述

國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》和教育部頒布的《教育信息化2.0行動計劃》相繼將研發智能教學助手、教育機器人等作為發展智能教育的重要舉措，同時強調在中小學階段開設人工智能和編程課程等相關內容[1][2]。2018年，教育部要求在高中通用技術課程增加“機器人設計與制作”模塊[3]。2021年，經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）發布《數字教育展望2021》報告，明確提出教育機器人的出現使教師角色開始轉變[4]。事實上，伴隨人工智能、大數據分析、傳感器等技術的不斷發展，教育機器人被越來越多地整合到STEAM課程中，成為跨學科教育、人機協同教育等的重要工具和手段，對培養和發展學生的問題解決、元認知、計算思維、系統思維、創新等高階能力具有重要意義[5][6]。一般來說，教育機器人涉及機器人教育（Educational Robotics）和教育服務機器人（Educational Robot）兩大領域，前者往往是一種鼓勵學生使用編程語言操作模型解決問題的教學工具（如樂高機器人），而后者往往是輔助與管理教或學過程的服務型機器人（如社交機器人）[7][8]。目前，國際上有關教育機器人的研究呈井噴式增長，為了更加全面、系統地梳理教育機器人的發展現狀與未來趨勢，本研究對已有的系統化文獻綜述進行再綜述，以期為教育機器人的研究者、實踐者和設計者提供參考，并為國家教育數字化戰略行動提供支撐。

一 研究方法

系統化文獻綜述是一種可以識別、評估、解釋與某一特定研究問題、主題領域或感興趣的現象相關的所有可獲得研究的方法[9]。本研究采用系統化文獻綜述的方法，對發表在國際期刊和學術會議上的教育機器人系統化文獻綜述進行再綜述。

1 文獻檢索與篩選

2021年12月，本研究對發表于Web of Science數據庫的文獻進行檢索，并于2022年5月做進一步補充。檢索主題詞為“robot*”并含“educat*”“learn*”“teach*”并含“review”“meta-analys”“research synthesis”，發表年份不限，前后共檢索到45篇英文文獻。本研究的文獻納入納出標準如下：①研究主題為教育機器人，與教育機器人無關的文獻予以排除；②研究應為系統化文獻綜述，故敘述性文獻綜述、原始研究等方面的文獻予以排除。依據文獻納入納出標準，本研究首先根據文獻的標題和摘要，初步排除不符合標準的文獻3篇；接著通過瀏覽全文，進一步排除不符合標準的文獻17篇。最終納入符合標準的文獻有25篇，其中期刊論文21篇、會議論文4篇，有22篇進行系統化文獻綜述、有3篇進行元分析。

2 文獻編碼

為便于整合分析，本研究對納入文獻的關鍵信息進行編碼，提取了研究基本信息、研究主題與問題、研究設計與方法、研究結論與討論四個維度的信息，文獻編碼表如表1所示。其中，研究方法分為系統化文獻綜述和元分析兩種。同時，本研究將研究主題劃分為六個類別：①教育機器人與課程教學；②教育機器人與特殊教育；③教育機器人與學生素養和能力發展；④教育機器人與教學策略；⑤教育機器人倫理；⑥教育機器人論文常用研究設計與方法。

表1 文獻編碼表

二 研究現狀

在納入的25篇與教育機器人有關的文獻中，最早一篇發表于2012年，發表于近五年（2018～2022年）的有22篇，發表于近三年的（2020～2022年）的有17篇；納入文獻數量最多的為256篇，最少的為9篇，平均37篇；在文獻發表來源中，發表相關綜述數量最多的期刊是（=4）。下文主要從研究主題、研究對象、研究結論與討論三方面進行現狀分析。

1 研究主題

在研究主題方面，已納入的研究綜述較多關注“教育機器人與學生素養和能力發展”（=14），其次是“教育機器人與課程教學”（=10）、“教育機器人與教學策略”（=7）和“教育機器人相關論文常用研究設計與方法”（7），而關注“教育機器人與特殊教育”（4）和“教育機器人倫理”的研究綜述最少（1）。

可見，“教育機器人與學生素養和能力發展”和“教育機器人與課程教學”兩個主題一直以來備受關注，也是今后持續受關注的主題；而伴隨教育機器人的教學應用越來越多，教育機器人倫理也將成為亟需關注的問題。

2 研究對象

大多數綜述關注的研究對象是適用于所有年齡階段的教育機器人（=9），其次是中小學階段的學習者（=8），也有部分研究關注教育機器人在特殊群體（如孤獨癥譜系障礙患者）（=5）中的應用。此外，少數研究關注學齡前兒童（=2）和大中專學習者（=1）。

3 研究結論與討論

絕大多數研究明確肯定了教育機器人的積極作用，但也提到了機器人采用的角色和個性化程度、學習者的年齡及所處學段、學習內容和策略、交互類型等因素的調節作用。已有研究綜述較多地聚焦于教育機器人在教學中的應用潛力，關注教育機器人在支持學生素養和能力發展（如問題解決、自我效能、計算思維、創造力、動機等）方面的積極作用[10]。此外，教育機器人還可以幫助特殊群體的學生培養社會心理技能和進行語言學習[11]。

不少機器人教育類研究鼓勵要設計低成本機器人和開源硬件，甚至遠程或虛擬機器人，以控制開展機器人教育的成本，幫助更多學校開設相關課程[12]。而對于教育機器人來說，機器人行業要將道德價值觀融入輔導類機器人的設計之中[13]。

目前，有關教育機器人的研究成果多以非實驗研究為主，而使用實驗研究和準實驗研究的研究成果相對較少，尤其是具有良好實驗研究設計的研究成果非常少。有關教育機器人在教學實踐中有效性的檢驗，還需借助良好的實驗設計、有效的實驗樣本選擇和詳細可行的評估工具。

三 研究趨勢

本研究從國際視角切入，通過對25篇系統化文獻綜述的再綜述，總結提煉出教育機器人的四個研究趨勢：前兩個趨勢主要針對機器人教育，后兩個趨勢則主要面向教育機器人。

1 加強跨學科取向的機器人教育課程開發和教學研究

為惠及更多的學習者，不僅需要設計低成本的機器人、開設更多的選修課程或課外項目，更需要將機器人教育整合到學科教學中。在課程開發的過程中，要關注學習者的認知特征，滿足其學習需求。未來不僅要重視機器人教育與學科課程的整合，還要加強相關的教學應用研究，特別是面向少數群體或低年齡階段學習者的教學應用研究，驗證其教學成效，以制定跨學科取向的機器人教育的有效教學策略。更為重要的是，要為教師提供個性化且可持續的專業發展機會，既要向教師提供關于機器人本身的學科內容知識培訓，也要向教師提供相關教學法的培訓。

2 完善機器人教育學習成效的測量、評估和驗證

將機器人技術整合到學習和教學過程中，會更好地激發原本對科學或技術相關學科沒有直接興趣的學習者的學習興趣，進而提升其高階能力；另外，機器人教育支持許多高階能力的發展，如解決問題、自我效能、計算思維、創造力、協作等。然而，多數關于在教育中使用機器人技術的文獻都是描述性的，關于機器人教育效果的實證研究特別是設計精良的實驗研究還相對比較缺乏。基于此，如何驗證機器人教育對學生高階能力的培養、如何評估學生的高階能力，將是未來關注的研究話題。

3 強調教育機器人的角色及情感交互

教育機器人扮演助教或學習伙伴的角色，將其整合到課堂中將會引發人類教師與機器人教師如何共存、交互等相關問題。另外，機器人教師和人類教師對學生的學習效果、學習動機、情感體驗的比較研究也需要關注。以語言學習為例，首先，由于機器人可以記錄每個學習者的中介狀態和目標活動的進度，這就使機器人個性化反饋對語言學習的影響成為了一個重要的研究主題。其次，應驗證不同的語言和非語言即時性對機器人助教或機器人教師的影響[14]，其中，語言即時性是指使用語言試圖創造一種親密的感覺，而非言語即時性是指通過微笑、手勢、眼神交流、聲調、縮短身體距離等方式，創造與他人的聯系感。因為這些變量可能會促進語言學習者的認知和情感學習。最后，作為對話伙伴，未來應著眼于探索機器人對提高語言學習者口語能力的研究[15]。

4 審視教育機器人發展的倫理問題

目前，倫理問題尚未引起教育研究者的重視。雖有研究明確指出，兒童在被允許與機器人互動之前需獲得父母的知情同意，還要給教師提供可操作化的倫理指南[16]。然而，最易被忽視的核心倫理問題是：兒童如何平等地獲得機器人？從教育公平的角度來看，這是一個需要重視的問題，畢竟考慮到教育機器人的造價及其在課堂上部署的難度，能使用機器人的學生是少數[17]。

另外，機器人導師可能會對兒童、教師、家長等利益相關者的價值觀產生負面影響，具體涉及人際交往的價值判斷、欺騙和信任、隱私、安全和責任等方面。對此，本研究建議在設計和運行機器人導師時，要綜合考慮解決教師和兒童的價值觀。由于目前機器人導師引入對其他利益相關者價值觀影響的相關文獻較少，未來的研究還應側重于以實證研究的方式確定機器人導師的價值觀和規范[18]。

四 結語

國際視野下教育機器人的研究現狀與趨勢預測可為我國開展教育機器人課程提供重要的參考。目前，教育機器人在我國學校課程中的應用程度較低，原因可能主要在于：一方面，學校的支持力度不夠，資金投入不足，然而隨著科學技術應用范圍的不斷擴大，借助相應的教學活動設計和開發教育機器人課程、在中小學課堂普及教育機器人指日可待。另一方面，教師的機器人教學能力水平不高。在高等教育階段開設教育機器人相關課程，對于未來教師相關能力的培養至關重要。未來應鼓勵科技工作者投入到教育機器人課程的設計與開發中，由此促進我國教育機器人實用人才和研發人才的培養，從而更好地服務于教育教學。

需要指出的是，本研究也存在一定的局限，如受篇幅所限，很多重要的研究過程未能呈現；本研究是針對已發表的25篇研究綜述進行再綜述，而研究綜述本身具有一定的時間滯后性，因此可能未關注到一些新近的教育機器人研究成果等。

[1]國務院.國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[OL].

[2]教育部.教育信息化2.0行動計劃[OL].

[3]教育部.教育部關于印發普通高中課程方案和語文等學科課程標準(2017年版2020年修訂)的通知[OL].

[4]OECD. OECD digital education outlook 2021: Pushing the frontiers with artificial intelligence, blockchain and robots[R]. Paris: OECD Publishing, 2021.

[5][10]Evripidou S, Georgiou K, Doitsidis L, et al. Educational robotics: Platforms, competitions and expected learning outcomes[J]. IEEE Access, 2020,(8),219534-219562.

[6]Kubilinskiene S, Zilinskiene I, Dagiene V, et al. Applying robotics in school education: A systematic review[J]. Baltic Journal Modern Computing, 2017,(1):50-69.

[7]黃榮懷.2016全球教育機器人發展白皮書[R].北京:北京師范大學智慧學習研究院,2016:2.

[8]Uslu N A, Yavuz G ?, Usluel Y K. A systematic review study on educational robotics and robots[J]. Interactive Learning Environments, 2022,1-25.

[9]Kitchenham B A, Charters S. Guidelines for performing systematic literature reviews in software engineering. [R]. UK: University of Durham: Technical report, EBSE Technical Report EBSE,2007:3.

[11]Lorenzo G, Lledó A, Pérez-Vázquez E, et al. Action protocol for the use of robotics in students with autism spectrum disoders: A systematic-review[J]. Education and Information Technologies, 2021,(26):4111-4126.

[12]Spolaor N, Benitti F. Robotics applications grounded in learning theories on tertiary education: A systematic review[J]. Computers & Education, 2017,112:97-107.

[13][16][18]Smakman M, Konijn E A. Robot Tutors: Welcome or Ethically Questionable?[C].Merdan M, Lepuschitz W, Koppensteiner G, et al. Robotics in Education. Cham: Springer International Publishing, 2020: 376-386.

[14]Randall N. A survey of robot-assisted language learning (RALL)[J]. ACM Transactions on Human-Robot Interaction (THRI), 2019,(1):1-36.

[15]Chang C W, Lee J H, Po-Yao C, et al. Exploring the possibility of using humanoid robots as instructional tools for teaching a second language in primary school[J]. Journal of Educational Technology & Society, 2010,(2):13-24.

[17]?etin M, Demircan H ?. Empowering technology and engineering for STEM education through programming robots: a systematic literature review[J]. Early Child Development and Care, 2020,(9):1323-1335.

Research Status and Trends of Educational Robots in the International Perspective——A Review of 25 Systematic Reviews

YANG Ning

With the continuous maturity of artificial intelligence technology, educational robots/robotics are increasingly considered to be an important path to improve students’ ability and literacy. This paper uses the method of systematic review to re-summarize 25 systematic literature reviews of educational robots/robotics, and analyzes them from six aspects: curriculum teaching, special education, students’ literacy and ability development, teaching strategies, educational ethics, and common research design and methods. It digs out four major research trends of international educational robots, including strengthening interdisciplinary educational robotics curriculum research, measuring the effectiveness of robotics education evaluate and verify, emphasize the role and emotional interaction of educational robots, and examine the ethical issues of the development of educational robots, in order to provide reference for researchers of educational robots and support for the national educational digitalization strategic action.

educational robots; educational robotics; social robot; systematic review

G40-057

A

1009—8097（2022）06—0122—05

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.06.014

本文受2021年深圳市哲學社會科學規劃課題一般項目“人工智能倫理研究”（項目編號：SZ2021B005）資助。

楊凝，在讀本科，研究方向為機器人教育，郵箱為41907218@xs.ustb.edu.cn。

2022年1月10日

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