教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響

單俊豪　宮玲玲等

摘要：人工智能時代讓“數(shù)字土著”感受到了科技的魅力。機(jī)器人作為人工智能時代的標(biāo)志性產(chǎn)物，在教學(xué)實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。該研究選取49篇國內(nèi)外實證文獻(xiàn)為研究對象，采用元分析的方法重點探究教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的作用效果，以及學(xué)科、實驗周期、學(xué)段、教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)成果影響的差異。研究結(jié)果表明：（1）教育機(jī)器人對學(xué)習(xí)成果作用的綜合效應(yīng)值為0.501，教育機(jī)器人能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，且在認(rèn)知維度方面的提升效果更為顯著;（2）教育機(jī)器人在不同學(xué)科都能起到正向顯著作用，對數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科作用效果最為顯著;（3）不同實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果都有正向促進(jìn)作用，但實驗周期長不意味著學(xué)習(xí)成果高;（4）教育機(jī)器人在不同學(xué)段都能有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果，在小學(xué)階段效果最佳;（5）不同教學(xué)模式中使用教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果提升不存在顯著差異等。基于研究結(jié)論，該文從教學(xué)者、制造者、研究者和推廣者四個群體職責(zé)出發(fā)，提出進(jìn)一步提升教育機(jī)器人教學(xué)效果的實踐性建議。

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人;元分析;學(xué)習(xí)成果;教育應(yīng)用

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

教育機(jī)器人是面向教育領(lǐng)域?qū)ｉT研發(fā)的以培養(yǎng)學(xué)生分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力為目標(biāo)的機(jī)器人。2017年國務(wù)院也頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)機(jī)器智能在教育領(lǐng)域的深度領(lǐng)用，全面打造智能教育生態(tài)。2018年發(fā)布的《美國機(jī)器智能國家戰(zhàn)略》指出教育機(jī)器人在優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)體驗、提升教師教學(xué)效率方面起到重要作用。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，教育機(jī)器人被認(rèn)為是在STEM、文研究、社會學(xué)、舞蹈、音樂和美術(shù)等學(xué)科中培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力的有效工具。開源編程技術(shù)的普及化以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)的高可重塑性為學(xué)生提供了發(fā)展計算思維的重要工具，也為學(xué)生了解科學(xué)知識提供了真實的體驗活動，更為學(xué)生鍛煉團(tuán)隊合作、組織溝通等社會性技能提供了重要的鍛煉平臺。

對于教育機(jī)器人是否真的能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果，國際上雖然有一部分實證研究嘗試得到這個結(jié)論，但由于實驗對象數(shù)量較少、數(shù)據(jù)分析手段粗放、年齡分布不均，教學(xué)模式差異等現(xiàn)實原因，一直沒有對這一問題形成統(tǒng)一的結(jié)論。如Chang在英語學(xué)科中利用教育機(jī)器人幫助學(xué)生練習(xí)聽力理解，實驗結(jié)果表明機(jī)器人能夠有效幫助學(xué)生提升英語聽力理解成績;Korkmaz通過準(zhǔn)實驗研究的方法驗證了教育機(jī)器人對于提升學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)的積極作用。相反，Nugent指出教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果并沒產(chǎn)生積極影響;Ching也指出教育機(jī)器人對學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)態(tài)度起到了一定的消極作用。綜上，本文擬用元分析法，對2005-2018年間49篇國內(nèi)外實驗或準(zhǔn)實驗研究論文進(jìn)行綜合分析，重點探索教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響程度，以及不同調(diào)節(jié)變量（學(xué)科、實驗周期、學(xué)段、教學(xué)模式）對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異。

二、研究設(shè)計

元分析法是一種綜合多條實驗或準(zhǔn)實驗研究數(shù)據(jù)，并通過平均效應(yīng)值來考察文獻(xiàn)總體效應(yīng)的統(tǒng)計分析方法。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床試驗、診斷等領(lǐng)域。元分析法的主要作用有增加統(tǒng)計學(xué)檢驗效能、定量估計研究效應(yīng)以及發(fā)現(xiàn)既往研究的不足三個方面。在正式開始元分析前需要完成七個步驟：研究問題界定、文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)納入與排除、數(shù)據(jù)及相關(guān)信息提取、分析發(fā)表偏倚、異質(zhì)性分析、效應(yīng)值選擇。為保證元分析法過程的嚴(yán)謹(jǐn)性，本研究在分析數(shù)據(jù)前將從上述七個步驟開展研究，并對每一步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。

（一）研究問題界定

本文的研究問題是探究教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響效果。學(xué)習(xí)成果指的是學(xué)生在特定的學(xué)習(xí)、發(fā)展和表現(xiàn)方面的結(jié)果。學(xué)習(xí)成果主要包含知識、技能、情感態(tài)度與價值觀以及其他高階能力。本文借鑒顧小清等對學(xué)習(xí)效果的分類方法，將知識、技能、情感態(tài)度與價值觀等分為認(rèn)知層面和非認(rèn)知層面。其中認(rèn)知層面包括知識、技能維度，如學(xué)習(xí)成績、問題解決能力、計算思維技能等;非認(rèn)知層面主要包含情感態(tài)度與價值維度，如學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)自我效能、學(xué)習(xí)參與度、學(xué)習(xí)動機(jī)等方面。

（二）文獻(xiàn)檢索

本研究選擇“中國知網(wǎng)（CNKI）”“Web of Science”“ERIC”“IEEE”等國內(nèi)外期刊和碩博士數(shù)據(jù)庫，以及近10年知名教育技術(shù)國際會議“AERA”“AECT”等論文集作為文獻(xiàn)檢索的范圍。檢索時間限定在2005年1月-2018年12月31日（教育機(jī)器人教學(xué)效果的研究最早出現(xiàn)在2005年）。教育機(jī)器人關(guān)鍵詞包括：“教育機(jī)器人”“Educational Robotics”;學(xué)習(xí)成果關(guān)鍵詞包括：“Learning Outcome”“Learning Effectiveness”“Learning Performance”等。

（三）文獻(xiàn)納入與排除

為了保證元分析研究結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，本研究對文獻(xiàn)的納入制定了相關(guān)規(guī)則：第一，研究主題必須是教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響;第二，研究類型必須是實驗研究或者準(zhǔn)實驗研究;第三，研究必須包括實驗組和對照組，即實驗組有機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)干預(yù)，對照組沒有機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)干預(yù)，或者包括前測與后測，前測為使用機(jī)器人教學(xué)前，后測為使用機(jī)器人教學(xué)后;第四，研究中教育機(jī)器人僅作為教學(xué)工具輔助課堂教學(xué)，不能完全作為教學(xué)對象;第五，論文中提供了完整的計算效應(yīng)值的數(shù)據(jù)，如平均數(shù)（M）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、t值或者p值等;第六，實驗對象為在校學(xué)生，包括幼兒園學(xué)生、中小學(xué)生和大學(xué)生，不包含成人學(xué)習(xí)者。

本研究首先在預(yù)選數(shù)據(jù)庫中按照既定關(guān)鍵詞對文獻(xiàn)進(jìn)行搜索，并按照文獻(xiàn)篩選規(guī)則對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。研究者首先將所搜索文獻(xiàn)的第一作者、發(fā)表時間、論文標(biāo)題整合到Excel中，去除重復(fù)文獻(xiàn)，并刪掉與既定實驗對象無關(guān)的文章（重點關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)一、標(biāo)準(zhǔn)五和標(biāo)準(zhǔn)六），得到70篇文獻(xiàn)。其次，兩位編碼者對70篇文獻(xiàn)進(jìn)行深入審核，重點關(guān)注實驗設(shè)計規(guī)范和研究數(shù)據(jù)全面性（重點關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)二、三和四）。最終得到49篇國內(nèi)外有效文獻(xiàn)，包含19篇國內(nèi)期刊、30篇國外期刊、會議及碩博士論文。有效研究效應(yīng)值為90個。

（四）數(shù)據(jù)及相關(guān)信息提取

1.編碼體系確立

本文的研究對象是教育機(jī)器人，因變量為學(xué)習(xí)成果，包含認(rèn)知層面和非認(rèn)知層面。同時，將學(xué)科、學(xué)段、實驗周期、機(jī)器人類別、教學(xué)模式作為調(diào)節(jié)變量。

2.特征值編碼

本研究將因變量編碼為認(rèn)知層面（C）和非認(rèn)知層面（N）。同時，將學(xué)科、學(xué)段等調(diào)節(jié)變量根據(jù)實際情況進(jìn)行編碼，編碼表如表1所示。為保證編碼的準(zhǔn)確性，本研究邀請兩位編碼者（一位博士生，一位碩士生）對15篇文獻(xiàn)進(jìn)行預(yù)編碼。編碼后發(fā)現(xiàn)兩者編碼的一致性為0.85，說明編碼結(jié)果可信。

3.分析工具

常見的元分析工具有Review Manager、STATA、R、Comprehensive Meta Analysis2.0等軟件。根據(jù)研究的實際需求，本文選擇Comprehensive Meta Analysis2.0（CMA）軟件開展數(shù)據(jù)收集和分析工作。具體分析工作包括各文獻(xiàn)的效應(yīng)值計算、整體效應(yīng)值計算、發(fā)表偏倚分析、異質(zhì)性檢驗以及調(diào)節(jié)變量影響分析。

三、元分析法結(jié)果與討論

（一）發(fā)表偏倚檢驗

發(fā)表偏倚是元分析法中常見的系統(tǒng)誤差，指有顯著意義的研究成果比沒有顯著意義的研究成果的發(fā)表可能性更大的一種傾向。判斷元分析法發(fā)表偏倚的方法有很多，本研究選用漏斗圖法、Begg秩相關(guān)法和失安全系數(shù)（Fail-safe N）來綜合評估本研究的發(fā)表偏倚情況。本研究90個效應(yīng)值的漏斗圖如下圖所示。根據(jù)下圖可以看出，絕大多數(shù)研究的效應(yīng)值散點均勻、對稱地分布在平均效應(yīng)值兩側(cè)，初步說明了出版偏差的可能性較小。Begg秩相關(guān)檢驗結(jié)果顯示，t=0.288，p<0.05，說明可能存在發(fā)表偏倚。Classic Fail-safe N主要評估有多少未發(fā)表的研究才能使得已經(jīng)發(fā)表研究的總體效應(yīng)值達(dá)到不顯著的水平。衡量標(biāo)準(zhǔn)為5*n+10，其中n代表本研究中納人元分析的文獻(xiàn)數(shù)量，本研究中失安全系數(shù)為12107，遠(yuǎn)大于265（49*5+10）。這一指標(biāo)說明未發(fā)表研究的效應(yīng)值對已經(jīng)發(fā)表的總體效應(yīng)值影響不大。綜合上述三種檢驗方法，筆者認(rèn)為本元分析結(jié)果穩(wěn)定，發(fā)表偏倚現(xiàn)象不明顯。

（二）異質(zhì)性檢驗

研究樣本的異質(zhì)性檢驗結(jié)果顯示，Q值是545.996（p<0.001），I²值為83.700%，大于70%，說明近84%的異質(zhì)性源自效應(yīng)值的真實差異，只有16%是由誤差造成的。這種真實差異可能源于國家差異、發(fā)表時間跨度、實驗周期差異等因素。結(jié)果表明研究樣本之間存在異質(zhì)性。因此本研究采用隨機(jī)效應(yīng)模型（Random Effects）來評估教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的作用效果。

（三）效應(yīng)值選取

本研究選取標(biāo)準(zhǔn)化均差（SMD）作為效應(yīng)值來評估教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的綜合影響，同時也選取SMD為效應(yīng)值評估調(diào)節(jié)變量的影響差異。

（四）教育機(jī)器人對學(xué)習(xí)成果的整體影響

1.整體效應(yīng)值

根據(jù)隨機(jī)效應(yīng)模型的合并效應(yīng)值情況顯示（如表2所示），教育機(jī)器人對學(xué)習(xí)成果的合并效應(yīng)值SMD為0.501，合并效應(yīng)值為正數(shù)，是正向影響，且達(dá)到了統(tǒng)計顯著水平（P<0.001）。Cohen（1992）認(rèn)為當(dāng)效應(yīng)值為0.2左右，可以認(rèn)為影響較小;當(dāng)效應(yīng)值在0.5上下時，被認(rèn)為有中等影響;當(dāng)效應(yīng)值在0.8左右時，被認(rèn)為是影響顯著。因此本研究認(rèn)為，教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果有中等正向影響。將教育機(jī)器人應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)中有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

2.教育機(jī)器人對認(rèn)知和非認(rèn)知維度學(xué)習(xí)成果的影響差異

如上文所述，學(xué)習(xí)成果分為認(rèn)知和非認(rèn)知兩個維度。統(tǒng)計結(jié)果顯示，認(rèn)知維度和非認(rèn)知維度的效應(yīng)值都大于0，且都達(dá)到統(tǒng)計顯著水平（p<0.001），說明教育機(jī)器人對于學(xué)生認(rèn)知和非認(rèn)知方面的學(xué)習(xí)成果都有著正向顯著影響。如表3所示，認(rèn)知維度的效應(yīng)值大于0.5，非認(rèn)知維度的效應(yīng)值大于0.2且小于0.5，說明教育機(jī)器人在學(xué)生認(rèn)知維度方面有著中等偏上的正向顯著影響;教育機(jī)器人在學(xué)生非認(rèn)知維度方面有著中等偏低的正向顯著影響。異質(zhì)性檢驗結(jié)果（Q=8.492，p=0.004）顯示，兩類學(xué)習(xí)成果之間存在顯著差異，說明教育機(jī)器人對學(xué)生認(rèn)知維度和非認(rèn)知維度學(xué)習(xí)成果的影響效果是不同等的，教育機(jī)器人更有助于促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知維度學(xué)習(xí)成果的提升。

統(tǒng)計歸納文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知方面的學(xué)習(xí)成果主要包括：學(xué)習(xí)成績、創(chuàng)造性思維、社會技能和問題解決能力四個方面。下頁表4呈現(xiàn)出四種認(rèn)知方面的學(xué)習(xí)效果情況，創(chuàng)造性思維、問題解決能力和學(xué)生學(xué)習(xí)成績的效應(yīng)值都在0.6～0.8之間，且都有統(tǒng)計顯著性（p<0.001），說明教育機(jī)器人對這三者都具有中等偏上的顯著正向影響，對學(xué)生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)效果最好;社會技能維度的效應(yīng)值為0.327，p<0.01，表明教育機(jī)器人對于學(xué)生社會技能的提升具有中等偏低的正向顯著影響。根據(jù)異質(zhì)性檢驗結(jié)果（Q=6.746，p=0.080），不同認(rèn)知維度效果間不存在顯著差異，即說明教育機(jī)器人對學(xué)生四種認(rèn)知維度都有積極的提升效果。

（五）調(diào)節(jié)變量對學(xué)習(xí)成果的影響

1.不同學(xué)科對教育機(jī)器人提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異

教育機(jī)器人的教學(xué)功能多樣，不同學(xué)科都在嘗試?yán)媒逃龣C(jī)器人輔助授課以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。根據(jù)編碼結(jié)果顯示，教育機(jī)器人主要用于課外STEM教學(xué)和計算機(jī)學(xué)科教學(xué)中，在數(shù)學(xué)、物理、小學(xué)科學(xué)和英語學(xué)科等基礎(chǔ)學(xué)科中也有少數(shù)應(yīng)用。本研究著重分析了教育機(jī)器人在STEM、計算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理、科學(xué)、英語六個學(xué)科的學(xué)習(xí)成果，如表5所示。結(jié)果顯示，五個學(xué)科的效應(yīng)值都達(dá)到了統(tǒng)計顯著要求（P<0.01），說明教育機(jī)器人在這五個學(xué)科中都能對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果產(chǎn)生正向影響。以學(xué)科為單位，教育機(jī)器人在科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理三個學(xué)科中的效應(yīng)值均大于0.5，而且在數(shù)學(xué)學(xué)科中的效應(yīng)值超過了0.8。說明，教育機(jī)器人在數(shù)學(xué)學(xué)科中有高度正向影響，在科學(xué)、物理兩個學(xué)科中有著中等正向影響。STEM學(xué)科、英語和計算機(jī)三個學(xué)科的效應(yīng)值在0.3～0.5間，屬于中等偏下等級，說明教育機(jī)器人在這三個學(xué)科中有著中等偏低的正向影響。根據(jù)異質(zhì)性檢驗Q值結(jié)果（Q=14.235，p<0.05）表明不同學(xué)科之間的效應(yīng)值存在顯著差異，教育機(jī)器人在不同學(xué)科間影響效果不同。

2.不同實驗周期對教育機(jī)器人提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異

筆者按照編碼表規(guī)定，將三個不同長度的實驗周期對教育機(jī)器人提升學(xué)習(xí)成果的影響進(jìn)行了對比分析（如圖6所示）。結(jié)果顯示，“少于一個月”“一個月到半年”“半年及以上”三個長度的實驗周期的效應(yīng)值均大于0，且都達(dá)到了統(tǒng)計顯著要求（p<0.001），說明這三種實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果都具有顯著正向影響。其中實驗周期為“一個月到半年”這一維度的效應(yīng)值最高，為0.755，說明一個月到半年的實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果產(chǎn)生了中等偏上影響;實驗周期為“半年以上”和“少于一個月”的效應(yīng)值也都大于0.35，說明這兩個實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果產(chǎn)生了中等偏低的正向影響。異質(zhì)性檢驗結(jié)果（Q=7.967，p<0.05）表明不同實驗周期之間存在顯著差異，也就是說不同實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的作用程度是不同的。結(jié)果顯示，實驗周期為一個月到半年的作用效果最顯著。這一現(xiàn)象說明，使用教育機(jī)器人時間越長，并不意味著學(xué)生的學(xué)習(xí)成果越高。

3.不同學(xué)段對教育機(jī)器人提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異

為了檢驗不同學(xué)段對機(jī)器人提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異，筆者計算了六個學(xué)段所對應(yīng)的效應(yīng)值。從下頁表7可以看出，小學(xué)階段效應(yīng)值最高，為0.685（p<0.001），說明教育機(jī)器人在小學(xué)階段具有中等偏高的積極影響;在高中階段的效應(yīng)值為0.5～0.6之間，且都達(dá)到了顯著水平（p<0.001），說明教育機(jī)器人在高中階段對學(xué)生學(xué)習(xí)成果具有中等的正向顯著;大學(xué)、幼兒園和初中階段的效應(yīng)值為0.4～0.5之間，且都達(dá)到了顯著水平（p<0.05），說明教育機(jī)器人在大學(xué)、幼兒園和初中階段對學(xué)生學(xué)習(xí)成果具有中等偏低的正向顯著影響;然而對于混合學(xué)段（本研究中為初中+小學(xué)的混合），效應(yīng)值僅有0.023，不足0.1，且沒有達(dá)到顯著水平（p>0.05），這初步說明教育機(jī)器人在混合學(xué)段中并沒有起到顯著正向作用。深入分析異質(zhì)性檢驗結(jié)果（Q=85.407，p=0.000），不同學(xué)段之間存在顯著差異，即教育機(jī)器人在不同學(xué)段之間的作用效果是不同的。

4.不同教學(xué)模式對教育機(jī)器人提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異

教學(xué)模式指在一定教學(xué)理論指導(dǎo)下所建立起來的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序。STEM教育教學(xué)理念的核心是跨學(xué)科整合，關(guān)注學(xué)生在項目和實際問題中的解決能力;基于設(shè)計的教學(xué)是創(chuàng)新教育的新型教學(xué)模式。綜上，創(chuàng)新教學(xué)實踐中，基于項目的教學(xué)以及基于設(shè)計的教學(xué)是常見的教學(xué)模式，本研究將這兩種教學(xué)模式界定為創(chuàng)新教學(xué)模式，并將教學(xué)模式分為傳統(tǒng)教學(xué)模式和創(chuàng)新教學(xué)模式。如表8顯示，兩類教學(xué)模式的效應(yīng)值均在0.4～0.6之間，且均達(dá)到顯著水平（p<0.001），因此傳統(tǒng)教學(xué)模式和創(chuàng)新教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)成果都存在正向顯著影響。傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)效果稍好于創(chuàng)新教學(xué)模式，但從異質(zhì)性檢驗中能夠看到，兩種教學(xué)模式的教學(xué)效果并不存在顯著差異（Q=1.432，p>0.05）。深入分析不同學(xué)科中教學(xué)模式對學(xué)習(xí)成果的影響可以發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新教學(xué)模式中使用教育機(jī)器人（SMD=0.503，P<0.001）在STEM學(xué)科中的作用效果要好于傳統(tǒng)教學(xué)模式（SMD=0.477，P<0.001）。

四、研究結(jié)論

本文采用元分析法對49篇實驗或準(zhǔn)實驗研究進(jìn)行分析，主要得到如下研究結(jié)論：

第一，教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果具有顯著促進(jìn)作用。教育機(jī)器人在學(xué)生認(rèn)知層面和非認(rèn)知層面都有積極顯著影響，且在認(rèn)知層面的作用效果高于非認(rèn)知層面的作用效果。同時，教育機(jī)器人對學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、問題解決能力和學(xué)習(xí)成績等方面都有著積極的提升作用。進(jìn)一步說明教育機(jī)器人在培養(yǎng)學(xué)生多元能力方面具有較大的潛力。充分利用教育機(jī)器人的教學(xué)輔助功能優(yōu)勢設(shè)計課程將會為學(xué)生帶來不同維度認(rèn)知能力的提升。

第二，教育機(jī)器人在各學(xué)科中都有正向教學(xué)效果，在數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科中影響顯著。通過表5的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，教育機(jī)器人在各學(xué)科中都有正向顯著效果，在科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)科中有著中等偏上乃至高度正向效果，在英語和STEM學(xué)科課程中也有著中等偏低的積極影響。這一發(fā)現(xiàn)表明教育機(jī)器人的基本教學(xué)功能已經(jīng)在單學(xué)科中得到了有效使用，相比之下STEM學(xué)科的作用效果雖然正向顯著，但并沒有突出優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)并不是說明教育機(jī)器人在STEM學(xué)科中應(yīng)用效果不好。筆者認(rèn)為造成這一結(jié)果的原因在于STEM課程中教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動眾多，教育機(jī)器人的使用頻率有限，而單學(xué)科課程教學(xué)內(nèi)容更聚焦，對教育機(jī)器人某一特定教學(xué)功能的使用更有深度，因此對學(xué)生某一維度的能力提升效果更顯著。

第三，不同實驗周期對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的提升效果不同，實驗周期長并不代表學(xué)習(xí)成果好。數(shù)據(jù)結(jié)果表明課堂使用機(jī)器人1個月到半年，學(xué)生學(xué)習(xí)成果最佳。同時，當(dāng)使用機(jī)器人輔助教學(xué)超過半年，學(xué)生學(xué)習(xí)成果反倒降低。筆者認(rèn)為這種結(jié)果可能的原因在于實驗周期過長，學(xué)生對機(jī)器人的熟悉程度增高，新鮮感大大降低，學(xué)習(xí)的積極性變差，因此學(xué)習(xí)效果的提升情況并不如想象的樂觀。

第四，教育機(jī)器人在不同學(xué)段都有積極作用效果，小學(xué)作用效果最佳。分析結(jié)果顯示，教育機(jī)器人在小學(xué)、初中、高中和大學(xué)階段都有正向顯著效果，且在小學(xué)階段效果最佳，達(dá)到了高度顯著作用。本研究認(rèn)為，這一現(xiàn)象說明了小學(xué)階段是學(xué)生掌握機(jī)器人基本功能和利用機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新學(xué)習(xí)活動的重要階段。筆者在數(shù)據(jù)分析階段還發(fā)現(xiàn)，混合學(xué)段中，教育機(jī)器人的作用效果非常不顯著。因此筆者認(rèn)為，教育機(jī)器人課程應(yīng)該以準(zhǔn)確的年級或相近年級開展，不能將跨學(xué)段的學(xué)生放在一起授課。

第五，不同教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)成果提升不存在顯著差異，創(chuàng)新教學(xué)模式中利用教育機(jī)器人開展STEM教學(xué)更有效。本研究發(fā)現(xiàn)，基于項目以及基于設(shè)計教學(xué)模式的整體教學(xué)效果并沒有明顯好于傳統(tǒng)教學(xué)模式。這種現(xiàn)象不能說明創(chuàng)新教學(xué)模式對學(xué)習(xí)成果作用不大，而是應(yīng)該根據(jù)學(xué)科特性分類看待。研究結(jié)果顯示利用教育機(jī)器人開展STEM教學(xué)在創(chuàng)新教學(xué)模式中的效果要好于傳統(tǒng)教學(xué)模式。STEM課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)，教學(xué)活動相對復(fù)雜、教學(xué)目標(biāo)相對多元分散。因此在使用教育機(jī)器人進(jìn)行STEM的教學(xué)過程中，創(chuàng)新教學(xué)模式更容易迎合學(xué)生培養(yǎng)的需求。

五、建議與展望

本研究結(jié)論不僅證明了教育機(jī)器人作為教學(xué)輔助工具，對于學(xué)生學(xué)習(xí)成果具有積極促進(jìn)作用，也從學(xué)科、學(xué)段、教學(xué)模式等視角綜合分析了教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響。筆者從教學(xué)者、制造者、研究者和推廣者四個角色的工作職責(zé)出發(fā)，為有效構(gòu)建未來機(jī)器人輔助教學(xué)生態(tài)提出了若干理論與實踐層面的建議與展望。

（一）教學(xué)者：分析機(jī)器人功能，打造STEAM教育新樣態(tài)

本研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外的機(jī)器人教育應(yīng)用主要集中在數(shù)學(xué)、計算機(jī)、物理、科學(xué)學(xué)科中，可見教育機(jī)器人是開展STEM教育的重要輔助技術(shù)。然而，極少有學(xué)者關(guān)注教育機(jī)器人在文學(xué)和藝術(shù)（如語文、歷史、美術(shù)等）學(xué)科中的教學(xué)應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展的今天，技術(shù)問題已經(jīng)不在成為阻礙機(jī)器人教育創(chuàng)新應(yīng)用的壁壘。教學(xué)者需要做的是深入挖掘和分析機(jī)器人在文科學(xué)科中潛在的教學(xué)輔助功能，如對機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計與美化可以成為美術(shù)課堂的新教學(xué)命題;利用教育機(jī)器人糾正學(xué)生朗讀發(fā)音和發(fā)現(xiàn)演講問題（如停頓，語調(diào)，語病等）也將成為提升語文課堂活躍度的重要利器。STEAM教育是在STEM教育的基礎(chǔ)上增加Art（藝術(shù)與人文）學(xué)科所形成的新型跨學(xué)科教育模式。機(jī)器人功能的多元化為多種學(xué)科提供優(yōu)質(zhì)的教育支持服務(wù)，同時也給以STEAM教育為代表的跨學(xué)科課程帶來了重要的知識融合渠道和知識內(nèi)化途徑。筆者認(rèn)為，深入分析挖掘機(jī)器人在各學(xué)科，尤其是文科和藝術(shù)學(xué)科的教育輔助功能，將進(jìn)一步拓寬機(jī)器人的教育應(yīng)用渠道，為真正實現(xiàn)多元知識與技能內(nèi)化以及STEAM教育生態(tài)提供必要的技術(shù)平臺和工具載體。

（二）制造者：引人人工智能技術(shù)，在學(xué)材中融入創(chuàng)新思維支架

人工智能技術(shù)的興起與高速發(fā)展為創(chuàng)客教育帶來了寶貴的技術(shù)資源。大數(shù)據(jù)分析與挖掘、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人機(jī)交互等人工智能核心技術(shù)帶動了如計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、規(guī)劃調(diào)度、口語識別、智能機(jī)器人等人類認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展。教育機(jī)器人引入先進(jìn)的人工智能技術(shù)不僅僅是機(jī)器人功能的飛躍性進(jìn)步，也為未來機(jī)器人輔助教育應(yīng)用帶來了更多的契機(jī)，其教育輔助功能也趨向多元化和人性化。對于機(jī)器人生產(chǎn)廠商而言，緊跟技術(shù)潮流開發(fā)機(jī)器人功能服務(wù)可以拓寬機(jī)器人使用范疇，也讓學(xué)生更形象理解人工智能技術(shù)的原理和應(yīng)用前景。

元分析法的結(jié)果表明教育機(jī)器人對學(xué)生創(chuàng)造性思維、問題解決能力和社交能力的提升具有促進(jìn)作用。已有研究表明，學(xué)生多元能力培養(yǎng)需要思維框架的支持，如設(shè)計思維關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計師層面的高階思維和技能。楊緒輝和鄭東芳通過教學(xué)實踐驗證了設(shè)計思維在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、社交技能和其他認(rèn)知能力方面的積極作用。因此，在教育機(jī)器人課程中增加相關(guān)思維或能力教學(xué)支架，教育機(jī)器人的教學(xué)效果有希望進(jìn)一步得到提升。

（三）研究者：關(guān)注教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力，構(gòu)建能力培養(yǎng)體系

大量實證研究表明機(jī)器人對教學(xué)存在積極輔助作用。然而不可忽略的是，教師的信息素養(yǎng)對機(jī)器人輔助教學(xué)的效果也存在直接的影響。我國從2014年就開始了教師信息技術(shù)應(yīng)用能力標(biāo)準(zhǔn)和評估方法的研究與實踐。然而標(biāo)準(zhǔn)中對信息技術(shù)的描述并未精細(xì)到教師的機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力。為進(jìn)一步促進(jìn)教師理解教育機(jī)器人的教學(xué)輔助功能、熟練教育機(jī)器人的操作和教學(xué)技巧以及設(shè)計基于機(jī)器人的學(xué)科拓展課程，研究者首先應(yīng)將研究視角放在教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力的標(biāo)準(zhǔn)研制與能力評估上面。值得注意的是，教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力并不簡單指教師使用、操作機(jī)器人的能力，而是在此基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用機(jī)器人教學(xué)輔助功能改善課堂環(huán)境、提升學(xué)生學(xué)習(xí)成效、構(gòu)建良好課堂學(xué)習(xí)生態(tài)的能力。

我國目前以樂高、Arduino機(jī)器人為技術(shù)載體的教師培訓(xùn)日趨火熱，但仍無法脫離技術(shù)本位的困擾。能力標(biāo)準(zhǔn)及評估指南的研發(fā)將有助于課程研究者進(jìn)一步研發(fā)面向教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力提升的師資培訓(xùn)課程。其中，培訓(xùn)課程內(nèi)容應(yīng)以實踐知識導(dǎo)向為特色，培訓(xùn)的評估應(yīng)以微認(rèn)證為驅(qū)動。具體來講，課程內(nèi)容以教師實踐性知識培養(yǎng)為導(dǎo)向，減少不必要理論知識的灌輸，增加教師體驗互動和課堂實操的教學(xué)比重;課程評估關(guān)注教師的機(jī)器人教學(xué)相關(guān)微能力的發(fā)展與認(rèn)證，以微認(rèn)證為技術(shù)路徑取代傳統(tǒng)教師水平考核體制。

教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力是保證機(jī)器人教學(xué)輔助效果的重要基石，它是教師信息技術(shù)應(yīng)用能力的具象表征，也是機(jī)器人這一技術(shù)載體教學(xué)功能得以充分發(fā)揮的重要保障。筆者認(rèn)為，要想建立面向教師機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用能力培養(yǎng)體系，需要從能力標(biāo)準(zhǔn)制定→教師培訓(xùn)課程開發(fā)→教師能力微認(rèn)證三個步驟陸續(xù)開展研究工作。

（四）推廣者：基于區(qū)域教育水平現(xiàn)狀，探索虛擬機(jī)器人的教育應(yīng)用

我國不同區(qū)域基礎(chǔ)教育階段信息化資源建設(shè)水平正在逐步縮減差距。但教育機(jī)器人作為一種新型的教育類技術(shù)產(chǎn)品，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)仍無法有效惠及。因此，虛擬教育機(jī)器人將成為解決機(jī)器人教育服務(wù)差異的有效工具。虛擬教育機(jī)器人除無法完成拼接、組裝等真實動手操作外，在程序編寫、仿真模擬、人工智能技術(shù)體驗等方面均有著較大的優(yōu)勢。如我國自行研發(fā)的虛擬智能機(jī)器人設(shè)計平臺“蘿卜圈”，它是國內(nèi)首款3D機(jī)器人在線互動平臺，學(xué)生可以在平臺上進(jìn)行模塊化編程，設(shè)計3D虛擬現(xiàn)實項目。百度公司也于近期成功研發(fā)了人工智能機(jī)器人，學(xué)生可以在線體驗人臉識別、文字及語言識別等先進(jìn)的人工智能技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展極大促進(jìn)了教育公平。虛擬機(jī)器人以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，為更多偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生帶來先進(jìn)的機(jī)器人教學(xué)互動體驗與學(xué)習(xí)機(jī)會。隨著虛擬機(jī)器人功能的不斷完善，面向不同學(xué)科的虛擬教育機(jī)器人也將營運而生，為全面、普惠性地提升學(xué)生學(xué)習(xí)成果服務(wù)。

六、結(jié)語

本研究采用元分析法綜合評估了教育機(jī)器人對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響效果，并討論了不同學(xué)科、實驗周期、學(xué)段、教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的影響差異情況?；趯嶒灲Y(jié)論，筆者提出了后續(xù)開展機(jī)器人輔助教學(xué)相關(guān)研究與實踐的建議。人工智能時代的到來讓教育機(jī)器人的功能得到了豐富，STEAM教育和創(chuàng)客教育的蓬勃發(fā)展讓教育機(jī)器人有了更廣闊的應(yīng)用市場。如何充分整合教育機(jī)器人的功能特點以支持教學(xué)，幫助學(xué)生提升核心素養(yǎng)是中小學(xué)階段的重要教育研究課題。未來，將會有更多實證研究來驗證學(xué)生多元能力的提升效果，本研究的研究主題甚至結(jié)論將會得到進(jìn)一步的補充和細(xì)化。