教育輔助機器人設計及應用策略

陳宇哲

通過對社區(qū)教育相關人群的調(diào)研，推斷出社區(qū)教育在機器人應用方面的需求，確定總體設計目標是一款用于課堂教學的教育輔助型機器人。再根據(jù)現(xiàn)階段技術、成本、應用等方面的實際情況，對各類需求進行取舍，整合已有成熟技術及設備，采用符合最優(yōu)成本效益的解決方案，形成一個均衡有效的教育輔助智能終端方案。

《中國制造2025》中指出，機器人發(fā)展要圍繞的應用需求，教育是主要領域之一。教育類機器人現(xiàn)在主要包含兩類，一類是用于機器人教育的裝備，如機器人開發(fā)學習需要的設備、模型等;一類是提供教育服務的機器人，如承擔各類課程授課的機器人教師、機器人助教等。本文研究的是提供教育服務的機器人，在課堂教學中承擔講課、答疑等工作。

1 教育輔助機器人的總體設計目標

機器人設計的目標應該是代替人類工作或減輕人類工作的負擔、提高工作效率。在教育領域，現(xiàn)階段由服務機器人全面取代教師進行獨立授課并不現(xiàn)實。但根據(jù)調(diào)研所得，服務機器人相對于人類教師有著各種優(yōu)勢，包括跨專業(yè)授課、不會勞累、情感不會波動、兼?zhèn)淦渌δ艿鹊?。因此，教育服務機器人現(xiàn)階段的目標應該是輔助授課，優(yōu)先設計研發(fā)教育輔助機器人并推廣應用。教育輔助機器人應兼顧成本效益及可行性，具體的設計目標包括以下方面：

1.1 應用目標

（1）各類教育機構能接受的購買或租用價格;

（2）功能上能滿足教育機構的基本使用，使其在運營上能夠節(jié)省成本;

（3）功能上能提升教學質(zhì)量，有助于推動教學改革;

（4）外觀上能被大多數(shù)人接受，評價正面;

（5）使用機器人不會導致設備重復建設，不會產(chǎn)生較大浪費。

1.2 功能目標

（1）能連接課程資源庫，能承擔各種專業(yè)課程的授課;

（2）能進行視頻、語音授課（手部操作示范類授課由于技術不成熟及成本過高暫不考慮）;

（3）能連接利用原有教學場地設備，降低設備自身成本;

（4）出于成本考慮，不設置自動移動功能，尺寸盡量小巧;

（5）能錄音錄像，記錄課堂情況并分析;

（6）能識別語音及影像，能與教師、學員互動交流。

2 教育輔助機器人的設計要點

2.1 硬件部分的設計

硬件部分的設計是充分考慮成本限制及功能適用的前提下，以小巧實用為原則?？紤]放置于講臺等一定高度的桌面上使用，一人即可隨意搬動。硬件主要包含四個部分：

（1）主機：包含CPU、主板、顯卡、存儲、供電、散熱等部件。

（2）可分離式平板電腦：觸摸式屏幕，可作為主機顯示器使用，可與外接投影同屏顯示。也可獨立顯示并操作，作為主機的控制器。

（3）輸入輸出接口：包括各類型USB數(shù)據(jù)接口、HDMI等音視頻數(shù)據(jù)接口。

（4）監(jiān)控及感應：包括攝像頭、麥克風及相關感應器。

2.2 軟件部分的設計

軟件部分分為課程資源庫平臺與教學交互軟件兩個部分。

（1）課程資源庫平臺

人類教師術業(yè)有專攻，但也受制于自己的專業(yè)。而課程資源庫能夠?qū)崿F(xiàn)一臺機器人講授不同專業(yè)的課程，這是使用機器人進行教學的優(yōu)勢之一。課程資源庫包含三個方面的內(nèi)容。一是課程教學視頻，真人授課、動畫、實操錄像等都可以，形式不限。二是題庫及答案，包括課堂提問、小測、章節(jié)測驗、考試等。三是答疑數(shù)據(jù)庫，包含各類常見問題及答案。三個方面的內(nèi)容按每門課程進行分類，供機器人進行訪問并調(diào)用數(shù)據(jù)。

（2）教學交互軟件

教學交互軟件包含三個方面的內(nèi)容。一是系統(tǒng)軟件：采用現(xiàn)有的Windows或Android系統(tǒng)作為基礎，用于支撐整個體系。二是輔助工具：這部分可由用戶自行根據(jù)需要安裝，如辦公軟件、圖片處理軟件、網(wǎng)絡瀏覽器、常用即時通訊工具等等。三是交互軟件：包含課程管理、教學安排、音像識別、錄音錄像、統(tǒng)計分析、授課監(jiān)控等，這部分是教學輔助機器人工作的核心。四是其他工作軟件，這部分按照用戶選擇進行安裝，如人工智能安防軟件等，主要用于機器人的多功能化。

2.3 外觀的設計

雖然在數(shù)據(jù)調(diào)研中，選擇服務機器人像真人的比例比較高，但并不適合本方案的尺度使用。本方案采用了卡通化的形式。整體形象以學習者的成功形象為參考，采用了學位服的形式，眼部參考了代表文化知識知性形象的眼鏡進行抽象處理，加入西裝領帶提煉的元素，更成熟穩(wěn)重。整體形成一個可愛的博士精靈的形象。

攝像頭隱藏在領帶中，眼睛為顯示屏用于表現(xiàn)神情，博士帽實際上是平板電腦（平板電腦部分可取下使用），博士帽的帽穗是USB接口延長線。

3 教育輔助機器人的應用方案

3.1 課程資源庫平臺建設

首先，課程資源庫平臺建設要根據(jù)機器人運行的要求制定課程資源標準，例如視頻的參數(shù)標準、題庫與答疑庫的文本格式等，要提供詳盡的標準要求與格式模板。其次，應組織專業(yè)人士進行課程資源的建設，包括優(yōu)質(zhì)的授課教師、專業(yè)的視頻拍攝與制作團隊等。同時，機器人的課程資源庫平臺的建設，應考慮與現(xiàn)有的各類精品資源課程平臺形成共享關系，引導與支持現(xiàn)有平臺課程的資源進行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)與機器人的對接。

3.2 教育輔助機器人的課堂應用

本教育輔助機器人方案，可考慮獨立授課，也可以采用人機搭配授課的形式。

1. 獨立授課模式：

由教學管理人員設定好班級人員，在課程資源庫選擇好課程，設定好授課視頻播放次序，設定好每段視頻播放完成后互動答疑時間，安排好對應章節(jié)內(nèi)容的測試題目。課堂實施階段，由機器人連接課室投影及音響設備。首先進行點名，可使用人像識別，也可以模仿真人教師點名應答。課程授課首先播放錄制好的教學視頻。然后機器人根據(jù)答疑庫回答學員疑問。不能解答的問題，由機器人將錄制好的問題反饋給負責課程建設的專業(yè)教師，教師解答后通過郵件等渠道反饋給提問的學員，并在下一次課進行全班反饋。每次課結束前可根據(jù)預設安排測試，形式可以多樣化，例如機器人點名提問，以判斷題或選擇題的方式進行檢測，或通過屏幕投影二維碼，學員掃碼答題。機器人將學員學習檢測情況統(tǒng)計分析并將結果反饋給教學管理人員及負責課程建設的專業(yè)教師。在教育輔助機器人獨立授課期間，要同時設定好各類緊急情況呼叫的設定，教學管理人員也要通過機器人配置的攝像頭監(jiān)控課堂情況，及時處理突發(fā)情況。

1. 人機搭配授課：

人機搭配授課針對更復雜情況的課堂，例如老年人、兒童課程或者是手工操作性強、涉及教具耗材較多的課程。這里指的“人”，不是指專業(yè)教師，而是教學管理人員或助教，這類人員并不需要特定的專業(yè)知識或?qū)I(yè)技能。能讓輔助教學機器人在非專業(yè)輔助人員的協(xié)助下完成專業(yè)課程教學，才是輔助教學機器人方案的優(yōu)勢所在。一名普通工作人員在機器人協(xié)助下完成各種專業(yè)類別的課堂教學，能解決很多教育機構最重要的師資問題。

人機搭配授課的過程與機器人獨立授課相近，教學管理人員主要承擔課堂管理工作。在人機互動方面，教學管理人員根據(jù)課堂學員實際情況，實時控制機器人授課的進度，發(fā)布對各環(huán)節(jié)的起始及暫停指令，同時完成收發(fā)教學耗材及用具等機器人不能完成的工作。教學管理人員在課堂上與機器人進行互動，引導課程的開展，也可以活躍課程的氣氛。在面對學員的層面，教學管理人員要引導學員按機器人的運行次序開展學習，協(xié)助學員與機器人開展互動交流，管理課堂紀律，并協(xié)助學習有困難的個別學員完成機器人布置的教學指令。

3.3 教育輔助機器人的成本控制

成本問題是服務機器人在教育領域發(fā)展的最大障礙。有效地降低成本，才能盡快發(fā)揮機器人的優(yōu)勢，推動教育領域信息化、智能化的深入發(fā)展，提高教育的質(zhì)與量。充分利用現(xiàn)有資源，挖掘設備潛力，是教育輔助機器人從開發(fā)到應用要遵循的原則。

（1）課程資源庫的建設是教育輔助機器人建設投入規(guī)模最大的內(nèi)容。課程內(nèi)容的質(zhì)量與數(shù)量，直接影響機器人的授課能力。因此，課程資源庫的建設，要盡可能依托現(xiàn)有的各類課程資源平臺，與各級政府、院校及商業(yè)課程平臺建立資源共享關系。通過合作協(xié)議，將現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)課程資源加以調(diào)整使其適用于機器人平臺。通過按使用次數(shù)付費等方式，無論是院校等教育機構的公共開放教學資源，還是企業(yè)的付費網(wǎng)絡課程資源，都多了一個可產(chǎn)生收益的渠道。而對于機器人的課程資源庫建設來說，則大大降低了前期的資源開發(fā)成本。

（2）教育輔助機器人的設計研發(fā)在成本控制上主要包括兩個方面，一是放棄部分非核心功能，二是將目標定位在現(xiàn)有成熟技術的整合上。

教育輔助機器人首先放棄了手部功能，因為機器人手部仿真技術還未達到可以模擬真人在手工類課程的操作。然后放棄了機器人自走功能，這樣機器人的尺寸就可以盡量縮小。這兩大功能取消，即取消了大量的機械類部件，而且尺寸得以小型化，無論開發(fā)成本、生產(chǎn)成本還是維護成本都將大大降低，而授課功能并沒有太大的缺失。

教育輔助機器人利用現(xiàn)有成熟技術進行整合。設備基礎源自臺式電腦及平板電腦的整合，影像識別與分析等功能可來源于智慧教室使用的軟件系統(tǒng)，語音識別及應答同樣是較為成熟與普及的技術。成熟設備及技術的使用，可以有效地降低研發(fā)與生產(chǎn)成本。

（3）教育輔助機器人在應用上考慮多用途化，通過多種途徑及方式降低運營成本。

一方面，將機器人作為廣告投放終端，通過與廣告企業(yè)合作，在課間休息等非授課時段，可以播放經(jīng)過相關機構審核的廣告。廣告以不造成學員反感為界限，并針對學員年齡層次進行廣告投放，使廣告盡量貼近客戶需求。在廣告投放過程中教育機構及時監(jiān)控受眾對廣告的反應，觀感不良的及時撤換。廣告投放的收益可作為機器人使用的補貼，付費方式可以多樣化，降低機構使用機器人投入的成本。

另一方面，機器人也可以協(xié)助從事其他工作。可以根據(jù)需要安裝監(jiān)控軟件或其他問答數(shù)據(jù)庫辦公軟件，非授課時段機器人可以在機構前臺提供咨詢服務功能，以及在非工作時間起到安防監(jiān)控的作用。由于機器人本身具備計算機功能，在安裝相應辦公軟件后，也可以在需要的時候當作工作電腦使用。

本文系廣州市社區(qū)教育服務指導中心2018年社區(qū)教育項目《基于社區(qū)場景的教育服務機器人交互設計研究與應用》（項目編號：2018SQJY013）的研究成果。

（作者單位：廣州城市職業(yè)學院）