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三、机器人辅助教学(rai)
(一)机器人辅助教学的定义、特点和作用
1机器人辅助教学的定义
机器人辅助教学是指师生以机器人为主要教学媒体和工具所进行的教与学活动。与机器人辅助教学概念相近的还有机器人辅助学习(robot-ass**ted learning，简称ral)，机器人辅助训练(robot-ass**ted training，简称rat)，机器人辅助教育(robot-ass**ted education，简称rae)，以及基于机器人的教育(robot-based education，简称rbe)。ral强调用机器人帮助“学”的方面甚于“教”的方面。强调以学习者为中心，主动帮助学习者建立良好的学习环境，提供优化的学习策略；强调个别化的学习指导与帮助。rat强调用机器人帮助训练学习者的技能，巩固学习成果。包括机器人在学习技能、生活技能、工作技能训练中的各种应用。rae强调用机器人帮助教师进行教学活动以提高教学效率，强调用机器人帮助开展**思想、**道德教育。rbe的涵义丰富，涵盖机器人在教育中的各种应用，包括rsi、rai、rmi、rrr、rdi。2机器人辅助教学的特点
(1)智能化。机器人辅助教学系统具有智能识别、自主判断、优化决策等功能，能自主建构学习环境，实施个性化的因材施教。(2)自动化。机器人辅助教学系统能在外界干预少的情况下全自动运行。(3)人性化。教学机器人一般具有人性化的图像识别、语音识别与合成、逻辑推理、知识记忆等功能，能与师生进行多种语言符号的对话。(4)自学习性。机器人辅助教学系统本身具有一定的自学能力，能不断更新学习者特征库，跟踪学习过程，记录学习情况，以便不断调整教学策略，提高教学水平。(5)可控性。可以对教学机器人的知识库、推理机、决策器、解释器等模块进行预设，通过编程控制与外表装饰，使教学机器人具有温柔型、睿智型、幽默型、活泼型等可供选择的人性化特征类型。(6)可移动性。教学机器人可以采用轮式、履带式，甚至步行式机械移动装置，改变其在教学中的站位与角度，以获得最佳的传播效果。还可搬运、操作多种实验仪器，代替教师、学生进行一些风险较大的实验演示。3机器人辅助教学的作用
(1)从社会学角度看，机器人在教学系统这个微型社区中可以扮演教师、学习伙伴、助手等多个角色，承担相应的任务，发挥相应的作用：
充当教师。教学机器人可以像学识渊博、观察细致、才思敏捷、诲人不倦的教师那样，从事知识传授、答疑解惑、学习指导、训练技能等工作。充当学习伙伴。教学机器人可以扮演与学生友好合作、平等竞争、相互启发、共同探索的学习伙伴及竞争对手，使学生在合作与竞争中获得激励与进步。充当助手。机器人可以充当教师备课与科研的助手，学生写作、阅读、思考、实验的助手，帮助搜集、整理、传递有关信息，提高教与学的工作效率。(2)从传播学角度看，机器人辅助教学可以使教学信息的传播产生质的升华：
极大扩充传者的知识面。教学机器人贮存的知识库以及所连通的因特网，可以集成全人类的智慧，这是任何优秀教师个人都无法媲美的。降低受者的学习负担。教学机器人可以成为学习伙伴与助手，替代学生记笔记、整理资料与贮存课堂信息，减轻学习者机械劳动之苦。信息编码数字化。教学机器人将所有视、听、触信息数字化编码后，贮存在电脑数据库中，并能非线性迅速提取、传递与使用。信息译码自动化。教学机器人可利用模式识别技术对语音、文字、图像自动识别与翻译。信道多样化。机器人辅助教学系统的信息传播通道有视通道、听通道、触通道，以及宽带网络信号传输通道等。反馈调控智能化。教学机器人具有丰富的人机对话、高速的数据处理、智能化的推理、决策与优化控制功能，使得教学系统的反馈调控智能化。自动分析与排除干扰作用。教学机器人具有的信息过滤与净化功能，能自动排除各种干扰因素，提高信息传播质量。(3)从教育心理学角度看，机器人辅助教学可发挥如下几个方面的作用：
激发兴趣。机器人辅助教学能激发学生的好奇心、上进心，并产生浓厚的学习兴趣。促进感知。机器人辅助教学能突出感知对象，拓展感知通道，促进多感官的协同作用，提高感知效果。加深理解。学生通过与机器人的多维度对话，可对知识与技能的掌握情况进行自我检测，查漏补缺，从而提高比较、分析、判断、归纳能力，提高理解的深度与准确性。巩固记忆。机器人辅助教学可以增加学生对知识技能的识记、保持、再认、回忆的方式，提高记忆效果。综合运用。机器人辅助教学能为学生综合运用所学知识技能提供新的平台与途径。然而，机器人辅助教学并不是万能的，其局限性与负面影响依然存在。对此，我们必须保持清醒的认识。(二)机器人辅助教学系统的类型与组成
1机器人辅助教学系统的类型
(1)按形态分，有人形机器人辅助教学系统和非人形机器人辅助教学系统。人形机器人辅助教学系统由人形(或类人形)机器人承担辅助教学任务，有较熟悉的交互界面，师生在与机器人的对话中，心理障碍较少。非人形机器人辅助教学系统可以是动物形，或者器物形，使用较简便、有趣。(2)按移动性能分，有活动型机器人辅助教学系统与固定型机器人辅助教学系统。前者的活动方式有平移、转动、走动以及其他复杂运动。其优势在于教学中具有较大的灵活性。后者的安装、使用与维护一般较简便，常装备在智能化教室中。例如，可以将机器人的眼睛(摄像机)、耳朵(拾音器)、口(喇叭)装在教室四周甚至课桌上，将机器人的大脑(电脑)装在讲台内，将电子白板挂在讲台前，将预先编制的课程计划、课程内容存在电脑中，从而使整个教室变为一个机器人教学系统。(3)按智能水平分，有编程控制型机器人辅助教学系统和智能自控型机器人辅助教学系统。前者能感知外界的部分信息，通过人机对话，能按预先编制的教学程序选择教学策略进行教学，是计算机辅助教学(cai)的一种延伸。后者能主动辨识学习者特征，能与师生进行自然语言的有声对话，能自主确定教学策略，具有较强的推理与决策能力。(4)按适用范围分，有通用型机器人辅助教学系统与专用型机器人辅助教学系统。前者具有较广泛的适应能力、较大的知识库、较一般的外在形象，多用于学校公共课的教学。后者则具有较强的针对性与专业特色，多用于专业教学或特定对象的个别教学。(5)按功能分，有主讲型机器人辅助教学系统、辅导机器人辅助教学系统、训练型机器人辅助教学系统、情感型机器人辅助教学系统。主讲型机器人具有较强的语言表达能力，能讲述、讲解、讲读、讲演教学内容。辅导型机器人具有较强的思辨能力，能准确理解师生提出的各种问题，帮助求解，给予正确的提示、启发、诱导乃至给出答案。训练型机器人多用于训练学生的某种技能，训练过程**别注意及时反馈与强化。情感型教学机器人能理解与表达某些情感，能对师生给予某些关爱，特别适合于对学生的心理疾病进行矫治，以及进行思想道德教育。2机器人辅助教学系统的组成
机器人辅助教学系统的基本组成可分为以下八个部分。(1)感觉系统。包括视觉、听觉、触觉、位移觉、接近觉传感器及其附属组件。每种传感器上都配有模数转换部件，以便将采集到的各种模拟量转换成计算机能处理的数字量。其中，视觉系统要求能摄取师生的形象特征；听觉系统要求能拾取师生的声音特征；触觉系统主要用于判断机器人与外界物接触的力度(压觉)、光滑度(滑觉)，以便用它来感测物体搬运及各种操作的情况；位移觉主要用于判断机器人的位置移动情况，以便精确定位；接近觉用于判断一定范围内是否有其他物体存在，以便使机器人在移动时能避开障碍物，提高安全性能。(2)运算、推理、决策系统。这是机器人辅助教学系统的神经中枢。要求能进行数字运算、逻辑运算、模糊运算及神经运算，具有归纳、演绎推理能力，能根据系统目标、环境状况、自身条件等因素进行高级求解与决策。(3)专家知识库系统。该系统可采用分布式、协同式结构，将与各科课程有关的知识以素材单元或微教学单元的形式积聚成库。该知识库应对知识单元的难度、适用对象、相关知识等加以表征。为了使该库不断更新，应使其具有自主学习与智能搜索能力。(4)教学策略库系统。该系统应具有下列智能特征：能诊断、评价学生的学习情况与教学目标的达成难易，并根据教学内容特征，自动选择教学策略、模式与方法，自动调整教学进度，自动生成各种问题与练习，自动解决问题生成答案。(5)学生特征库系统。该系统建有多种学生模型，在运行过程中，能不断将学生的形象特征、知识特征、能力特征、学习过程特征、学习需求特征等特征参数提取、贮存，以便针对学生情况因材施教。在建库时还应注意区分共有特征与个体特征，以免学生特征库过于庞杂。建构学生模型的方法主要有覆盖法、差错法、规划法、学习历史法等。(6)运动系统。该系统包括动力子系统、机械子系统、定位子系统，能使机器人整体运动与各部件活动，还具有支持自身重量与平衡以及精确定位等功能。(7)输出系统。该系统包括显示子系统、打印子系统、语音合成(说话)子系统、网络接口子系统乃至表情动作等体态语输出子系统等。蓝牙(bluetooth)技术在该系统中将发挥重要作用。(8)协调、控制与安全系统。该系统具有并行处理、整体协调、实时控制、安全保护等功能。其核心职能是解决机器人辅助教学系统内外的各种冲突。(三)机器人辅助教学的过程与模式
1机器人辅助教学的过程
机器人辅助教学的基本过程可分为三个阶段：准备阶段、实施阶段、总结阶段。教师、学生、机器人在这三个阶段都有着各自的任务和职能，见下表。2机器人辅助教学的主要模式
(1)机器人模拟教学模式
该模式利用机器人模拟自然科学或社会科学的某些规律，产生各种与现实世界相类似的现象，供学生观察，帮助学生认识(发现)和理解这些规律与现象的本质。其具体应用类型有：演示模拟、操作模拟、过程模拟等。该模式在有关人体结构、功能与行为的学科教育中有较广泛的应用。例如，英国布里斯托尔医疗模拟中心的医生利用机器人模拟“病人”，进行了诊断治疗操作的辅助教学。该模拟型机器“病人”体内充满电子元件与管路，能模拟脉搏、心跳、呼吸、血液循环、排尿等人体现象，可进行药物注射，并对其他治疗作出反应。(2)机器人个别辅导模式
现代社会是一个张扬人性的时代。充分尊重学习者的个性是现代教育得以有效实施的前提。批量化的班级教学与大面积的广播教学，也无不以个别化学习为基础。机器人个别辅导模式发挥了机器人的并行处理与多样化设置的优势，使每一位学习者都能得到度身定制的学习指导。机器人个别辅导模式可用于下面几种情况：
微型机器人个别辅导。微型机器人以其重量轻、体积小、携带方便等优势，使学习者可以随时随地穿戴或携带它，在任何时候都可以得到学习帮助。家庭机器人个别辅导。在婴幼儿教育、中小学生课外教育以及成人自学教育中，家庭机器人可以担负起“家庭教师”的职责。软件机器人个别辅导。软件机器人存在于电脑及网络中，可对每个学习者的学习情况进行跟踪记录与分析，实施个别化的学习咨询与指导。(3)机器人辅助训练模式
在各种技能技巧的教学训练中，教师往往要做大量重复性的操作示范，其人力消耗较大。采用机器人做操作示范，可以使教师从疲劳泛味的劳动中解放出来，可节省教师工资成本。机器人辅助训练模式在各级各类教育中都有适用领域。例如，体育运动、舞蹈、绘画、唱歌等动作技巧的训练示范与指导中可采用机器人，机器设备使用技能、医疗手术技能的训练中也可采用机器人。(4)机器人游戏教学模式
机器人游戏教学可以创设一种富有趣味性和竞争性的教学环境，激发学生的学习动机，使学生在富有教育意义而且教学目标明确的游戏活动中学习知识、掌握技能、培养良好的心理素质。机器人游戏教学中应注意：一是游戏内容必须与教学内容有关，游戏主题思想必须积极、健康。二是游戏规则中应包含所要达到的教学目标。三是可以让机器人扮演竞争者及裁判者角色。四是要提出明确的竞争目标、游戏时间。游戏应在有限的时间内达到目标状态，而不能无休止地持续下去。(5)机器人远程教学模式
该模式注重发挥机器人的通讯、交互、并行处理与数据库功能，在网上论坛、网上图书馆、网上bbs(电子公告板)的教育应用中，机器人可发挥较大作用。机器人用于远程教学，一方面可以提高远程教学的智能化水平，另一方面可望通过建立远程学生模型特征库，同时对多名学习者实施个别化教学，从而完成以往教师难以完成或无法完成的许多工作。此外，还有机器人辅助讲授模式、机器人辅助听