我國教育機器人的研究現狀及發(fā)展分析

摘要：并對教育機器人未來(lái)的未來(lái)的發(fā)展趨勢進(jìn)行簡(jiǎn)單的預測，以期為我國未來(lái)教育機器人的研發(fā)提供數據參考，給予我國在教育機器人相關(guān)人才培養、相關(guān)研究室的開(kāi)發(fā)以及教育機器人的廣泛應用等方面一定的啟發(fā)。

為促進(jìn)新時(shí)期教育計算機化的建設與發(fā)展，結合國家“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數據、新一代人工智能等重大戰略目標和任務(wù)安排，《教育信息化2.0 行動(dòng)計劃》明確提出了應當加強對智能教學(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(lái)教育機器人的科學(xué)研究進(jìn)程，有助于提高國內教育機器人科學(xué)研究的水平，同時(shí)也給未來(lái)教育機器人的相關(guān)發(fā)展予以啟示。

近幾年，圍繞著(zhù)教育型機器人，我國的研究性專(zhuān)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(zhù)和文獻。張堯等^[2]通過(guò)對2010-2018 年國際教育機器人相關(guān)文獻的分析，提出了國際教育機器人的研究主要重點(diǎn)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、教育機器人的應用實(shí)踐研究三大領(lǐng)域。李新等^[3]對2014-2018 年教育機器人相關(guān)的文獻和資料進(jìn)行了分析，發(fā)現教育機器人的研究課題可以大致劃分成包括本體性研究、設計性研究、實(shí)踐性研究、角色性研究四個(gè)范疇。龔禮林等^[4]通過(guò)對2010-2019 年國際K-12 機器人教育的相關(guān)文獻進(jìn)行統計分析，得出STEM領(lǐng)域是國際機器人教育實(shí)證研究的熱門(mén)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)資料和文獻進(jìn)行的分析，梳理了教育機器人的國際動(dòng)態(tài)和其研究熱點(diǎn)，來(lái)針對未來(lái)教育機器人的研究發(fā)展方向提出一些相關(guān)的建議。在此基礎上，本研究將CNKI 中國知網(wǎng) 2001-2021 年共20 年公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)文獻為主要研究對象，分析我國教育機器人的科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展現狀與未來(lái)發(fā)展趨勢。

1.1 研究方法

文獻計量學(xué)是指集數學(xué)、統計學(xué)和文獻學(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理統計分析的方法，將計量對象如文獻數（文獻類(lèi)型）、作者數（作者、第一作者單位）、詞匯數以圖表的形式呈現^[5]。本研究主要采用了文獻計量法，對樣本文獻中有關(guān)教育機器人的文獻進(jìn)行研究。文獻計量法是內容分析法的一類(lèi)，是對文獻形式的傳播內容進(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(lái)發(fā)展趨勢，推進(jìn)我國教育機器人在教育領(lǐng)域中的可持續發(fā)展和廣泛應用，本研究以CNKI 中國知網(wǎng)作為數據來(lái)源，使用“教育機器人”、“機器人教育應用”等關(guān)鍵詞在平臺上進(jìn)行初步檢索，檢索時(shí)間設為2001 年07 月01 日～ 2021年07 月01 日，累計得到777 篇相關(guān)文獻。除去完全與主題不相關(guān)的會(huì )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。這些文獻構成了本次研究的數據樣本，檢索后通過(guò)CNKI“導出參考文獻”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大、層次多、結構復雜的數據，所以對于文獻信息的計量統計分析大多采用自動(dòng)化的形式來(lái)完成。故本研究使用了文獻題錄信息統計工具 (SATI）和社會(huì )網(wǎng)絡(luò )分析軟件（UCINET）來(lái)對樣本數據進(jìn)行自動(dòng)化分析和可視化展示。SATI 是由浙江大學(xué)學(xué)者葉鷹開(kāi)發(fā)的一種題錄分析軟件。SATI可以自動(dòng)對樣本數進(jìn)行字段抽?。ㄎ墨I標題、關(guān)鍵字、作者、源出版物等），并對提取的數據信息進(jìn)行頻次分析，然后生成各種矩陣導出為excel 文件。在實(shí)踐中，SATI在許多領(lǐng)域得到了一些應用。UCINET 是社會(huì )網(wǎng)絡(luò )分析中常用的軟件，它可以很容易地計算出社會(huì )網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的中心度，并找出網(wǎng)絡(luò )中的內聚子群，對樣本數據進(jìn)行共詞關(guān)系分析。此外，UCINET 還嵌入了開(kāi)源軟件Netdraw，可以方便地繪制社會(huì )網(wǎng)絡(luò )的關(guān)系圖，直觀(guān)地顯示社會(huì )網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)之間的關(guān)系，對樣本數據進(jìn)行可視化展示。

2.1 教育機器人相關(guān)研究的時(shí)間分布研究

教育機器人相關(guān)文獻的時(shí)間分布可以反映其研究熱度的變化，也可以根據研究文獻在時(shí)間上的散步情況，觀(guān)察分析相關(guān)研究的發(fā)展階段，進(jìn)而可以根據時(shí)間分布上的轉折點(diǎn)，探索教育機器人相關(guān)研究在我國的發(fā)展情況。通過(guò)對CNKI 中所獲取樣本數據的發(fā)表時(shí)間進(jìn)行提取，并進(jìn)行頻次統計，可以看到我國教育機器人相關(guān)研究的時(shí)間分布情況（如表1 所示）。

表1 教育機器人相關(guān)研究文獻的時(shí)間分布情況表

圖1 教育機器人相關(guān)研究文獻年度分布圖

由圖1可見(jiàn)，我國教育機器人的相關(guān)研究發(fā)展大致可以分為三個(gè)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，研究數量相對較少。分析這一階段的相關(guān)文獻，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，國內有關(guān)教育機器人研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)不夠成熟，能夠參考借鑒的理論基礎大多都來(lái)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(kāi)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)的人才培養受到阻礙。根據對針對性文獻的分析，這一階段我國有關(guān)于教育機器人的研究點(diǎn)主要是教育機器人技術(shù)與平臺的初步開(kāi)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(wú)論是期刊文獻還是碩博士論文文獻的數量都有較為明顯的增長(cháng)。這一階段，隨著(zhù)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(zhù)的提升，教育機器人對人類(lèi)認知、決策、智能和情感的影響越來(lái)越受到重視，我國的研究學(xué)者開(kāi)始在國外教育機器人相關(guān)文獻的基礎上提出自己的思想，機器人教育開(kāi)始出現，促進(jìn)了教育機器人在我國的落地應用。分析這一階段相關(guān)文獻，我國相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者開(kāi)始將關(guān)注點(diǎn)轉到教育機器人在教育中的實(shí)際應用上面來(lái)，機器人教學(xué)成為教育機器人應用的主流，跟教育機器人相關(guān)的技術(shù)和平臺開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展階段。

第三階段大致是從2016 年開(kāi)始，我國教育機器人的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段，相關(guān)的文獻數量呈現爆炸式增加。這一階段，由于信息技術(shù)、大數據、人工智能、云計算、自動(dòng)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(jià)值都有了明顯的改善和提升，其產(chǎn)業(yè)及應用領(lǐng)域也在不斷擴大，并逐漸地融入到了人們日常生活、工作、學(xué)習等現實(shí)場(chǎng)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(shí)期的碩博士論文文獻數量有了明顯的增長(cháng)，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(shí)，基礎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(shí)驗室、智慧教室的出現使得我國現有的教學(xué)模式發(fā)生轉變，開(kāi)始更加注重培養學(xué)生的創(chuàng )造性思維以及編程能力。這一階段的相關(guān)文獻更多的關(guān)注于機器人教育教學(xué)以及機器人課程的開(kāi)發(fā)應用。

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

通過(guò)對我國教育機器人的相關(guān)樣本文獻中的碩博士論文進(jìn)行學(xué)科專(zhuān)業(yè)分布統計發(fā)現，已經(jīng)收錄進(jìn)CNKI 的171篇碩博士論文涉及到了21個(gè)相關(guān)學(xué)科，說(shuō)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(dòng)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)校機構十分廣泛，離散程度較大，主要集中于我國各類(lèi)師范類(lèi)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(lèi)機構中致力于進(jìn)行教育機器人研究的機構，為我國教育機器人的發(fā)展做出了較大的貢獻。

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(diǎn)，如果某一個(gè)關(guān)鍵詞在某一類(lèi)研究文獻中出現頻次較多，說(shuō)明是這個(gè)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(guò)提取樣本數據中的關(guān)鍵詞并進(jìn)行詞頻統計可以看到，本研究階段中我國教育機器人出現了許多高頻關(guān)鍵詞（如圖2）。

通過(guò)對這些關(guān)鍵詞的觀(guān)察分析我們發(fā)現，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(kāi)發(fā)，借助人工智能的高速發(fā)展來(lái)完善開(kāi)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(guò)開(kāi)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)研究文獻關(guān)鍵詞詞頻統計圖

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)鍵詞是標志文章主題、代表文章主旨的核心詞。如果一篇文章中同時(shí)出現兩個(gè)關(guān)鍵詞，就意味著(zhù)這兩個(gè)關(guān)鍵詞之間存在“共線(xiàn)”關(guān)系，說(shuō)明這兩個(gè)關(guān)鍵詞可能同時(shí)屬于同一個(gè)主題。因此，通過(guò)多個(gè)關(guān)鍵詞的共詞關(guān)系可以看出一段時(shí)間內的研究重點(diǎn)。

將教育機器人相關(guān)文獻構成的數據樣本，通過(guò)CNKI“導出參考文獻”功能保存為可以分析的EndNote格式題錄文件后導入SATI，分別進(jìn)行文件轉換、字段抽取、頻次統計后提取文獻的關(guān)鍵詞，最后生成共線(xiàn)矩

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

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

根據張豪鋒教授等^[8]人的研究，處于網(wǎng)絡(luò )圖中間的關(guān)鍵詞與其他關(guān)鍵詞共同出現在同一篇文獻中的次數多，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(kāi)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(diǎn)；而處于前兩者之間位置的關(guān)鍵詞是連接核心問(wèn)題與熱點(diǎn)問(wèn)題的中介。由此我們可以通過(guò)上述圖示直觀(guān)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(diǎn)主要集中在教育機器人本身的設計開(kāi)發(fā)以及機器人教育的擴展應用。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(dòng)設計以及課程設計等關(guān)鍵詞，都是與教育機器人發(fā)展密切相關(guān)的詞匯，說(shuō)明這些內容正在成為教育機器人研究的熱點(diǎn)。

3.2 我國教育機器人未來(lái)發(fā)展趨勢的分析

本研究通過(guò)對2001-2021年這個(gè)階段我國教育機器人的相關(guān)文獻進(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(guò)分析得出的教育機器人相關(guān)文獻高頻關(guān)鍵詞貢獻關(guān)系圖，對我國未來(lái)教育機器人發(fā)展趨勢進(jìn)行簡(jiǎn)單的預測。

4.1 教育機器人本身的設計開(kāi)發(fā)

通過(guò)教育機器人相關(guān)文獻的高頻關(guān)鍵詞共線(xiàn)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)”等跟機器人本身設計開(kāi)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(diǎn)領(lǐng)域。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻、報告等發(fā)現， 其中借助于“人工智能技術(shù)”對“智能教育機器人”進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)是我國正在致力于，并且在將來(lái)很長(cháng)時(shí)間都會(huì )專(zhuān)注于研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，隨著(zhù)人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，還會(huì )有更多的新型智能教育機器人設計理念被提出，基于此開(kāi)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(kāi)發(fā)的階段，獨立進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)仿人機器人的企業(yè)、機構還較少。因此在將來(lái)，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(diǎn)。

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(lái)看，技術(shù)應用方面，教育研究與相關(guān)教學(xué)工具和學(xué)習環(huán)境密不可分^[9]?！案叩冉逃?、“智能教育”、“教學(xué)活動(dòng)設計”以及”課程設計”是存在于教育機器人相關(guān)文獻的高頻關(guān)鍵詞共線(xiàn)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(diǎn)的研究領(lǐng)域。

目前我國有關(guān)機器人教育教學(xué)的開(kāi)展如火如荼，在選擇課外輔導課程時(shí)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)達地區非常受歡迎，相較教育相對落后的地區，這些地區機器人課程普及性更廣、認可度更高。機器人在教學(xué)活動(dòng)中，更多的是扮演輔助教師或學(xué)生上課學(xué)習的工具^[10]。通過(guò)對學(xué)校課程開(kāi)發(fā)現狀的檢索發(fā)現，教育機器人在學(xué)校課程中的應用程度較低，大部分的中小學(xué)未在該部分投入資金。但隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)應用范圍的不斷擴大，借助相應的教學(xué)活動(dòng)設計和教育機器人課程的開(kāi)發(fā)，未來(lái)教育機器人在中小學(xué)課堂的普及指日可待。

現有教育機器人的相關(guān)文獻，都是高等教育層面的學(xué)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)案研究所得。但在高等教育階段開(kāi)展教育機器人教學(xué)還頗受時(shí)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)習相關(guān)課程。在未來(lái)，有關(guān)教育機器人的設計開(kāi)發(fā)課程在高等教育領(lǐng)域的開(kāi)展也將成為一大研究熱點(diǎn)，更多的學(xué)生可以學(xué)習到相關(guān)課程，以促進(jìn)我國教育機器人實(shí)用人才和研發(fā)人才的培養，從而更好服務(wù)于教育教學(xué)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）