智能机器人及其教学应用：创新意蕴与现实挑战

/智能机器人及其教学应用：创新意蕴与现实挑战【摘要】第三次人工智能浪潮的到来，掀起了人类历史上最具颠覆性的智能化革命，深刻地改变了技术与人的关系。以人工智能(AI)为驱动力的智能机器人技术，正逐步进入学校与课堂，赋能教学创新，催生了整合智能机器人的新型教学与学习生态系统。基于此，从智能机器人的内涵出发，梳理智能机器人的发展特征与教学功能；结合智能机器人的教学应用典型案例，审视智能机器人作为教学赋能之要素。通过计算与连接工具，探讨智能机器人助力精准教学、实践创新能力培养，开展智慧学伴、智能测评、大数据教学过程管理、人机协同“双师课堂”等方面的教学应用；从教学系统变革层面出发，以智能机器人为增强要素，促进教育系统的协同与治理；支持教师数字素养提升，补偿性教育技术应用，教学管理智能化，助力学校教育“智”理等；同时，结合现实提出智能机器人在教学应用中面临的五大挑战，以期为智能时代智能机器人的教育应用与发展，提供参考与思路。【关键词】人工智能；智能机器人；智能教育；智能学伴；人机协同；双师课堂；AI伦理 一、引言 历经蒸汽革命、电气革命、信息技术革命之后，人类迎来了最具颠覆性的智能化革命。不同于前三次技术革命，智能技术从本质上改变了技术与人的关系，也不可避免会重塑教育与教育生态系统。近年来，探究如何使人工智能技术与教育紧密结合，推动人工智能赋能教育与学习，成为世界各国政府、教育部门、互联网企业等争先关注的焦点。2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》(国发[2017]35号)指出，要在中小学阶段开展与人工智能相关的课程。2018年4月，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出，要以人工智能、物联网等新兴技术为基础，推动教育教学的模式变革与生态重构。这一系列举措，加快了教育智能化的到来。 从国际领域审视，与人工智能相关的机器智能日益受到重视。2018年3月发布的《美国机器智能国家战略》[1]，提出要将机器智能融入课堂教学，为学生提供个性化的学习体验，着重培养学生的“软技能”，提升教师的教学效率。英国开放大学发布的2019版《创新教学报告》[2]，提出“机器人陪伴学习”将成为教育领域的“创新教学法”之一，认为智能机器人融入课堂教学，可以辅助教师的教学活动，并为学生提供个性化的学习服务与体验。 当前，智能机器人正逐步进入各级各类学校与课堂。作为一个全新的教学要素，智能机器人进入学校，它在赋能教育教学的同时，也在催生教学变革和学习创新，这无疑是智能时代教育教学所面临的一个全新命题，需要进行理论与实践的探究。据我们对国内外相关文献的搜索，目前相关研究还比较少。基于此，我们在系统分析智能机器人功能及教学创新应用的基础上，提出并论述了智能机器人教学应用内涵、功能以及所面临的挑战，以期为我国智能机器人的教育教学实践，提供一些参考。 二、进化与超越：智能机器人的特征与功能 (一)智能机器人的产生与发展 机器人是20世纪以来最具创造性的发明。从机器人的发展历程看，它经历了四个阶段：萌芽阶段、起步阶段、发展阶段、成熟阶段。 20世纪40-60年代，世界上第一台工业机器人在美国出现，机器人的历史由此开始；20世纪60-80年代，工业机器人得到大规模的应用，工业机器人又称为第一代机器人，它以完成简单重复的工作为目的，至此，机器人完成了萌芽、起步阶段的发展；20世纪80-90年代，机器人从在工业生产中的广泛使用开始转向服务型机器人；进入21世纪以后，服务型机器人占据了主要市场，分为家用机器人和专业机器人。机器人也逐渐走向智能化，这标志着机器人从发展逐步走向成熟。 近年来，随着人工智能(AI)与机器人、大数据云计算、(移动)互联网、物联网、虚拟现实等的深度融合，人工智能与机器人之间已变得密不可分，由此，进化出的智能机器人，又被称为第二代机器人，正在推动本世纪最重要的“第四次工业革命”[3]。当前，智能机器人的发展仍处于弱人工智能阶段，其特点是具有部分环境感知、决策、规划与自主导航能力，特别是已具有视觉、行为、语音与文本等模式识别与自然交互能力，但其情感识别的精度还较低。 随着人机交互、人机协作与人机协同的发展，智能机器人在教育领域的应用价值得到彰显，智能教育机器人应运而生。智能教育机器人是人工智能赋能课堂的产物，并引领未来教育变革的风向。智能教育机器人集AI编辑器、AI训练器、3D虚/实机器人为一体，帮助学生像计算机科学家一样思考、创作，是“未来课堂”的一部分。智能教育机器人与智能机器人、教育机器人、智能机器人直接相关，目前，对于智能机器人的分类尚没有统一标准，表1显示了智能教育机器人与相关的智能机器人、教育机器人、高级智能机器人概念与特征的比较。 我们从表1可以看出，智能机器人、教育机器人、智能教育机器人、高级智能机器人之间功能相互交叉又各不相同。高级智能机器人作为第三代机器人，是智能机器人的更新与进化，是机器人技术发展的高级形态，成为世界各国的研究热点之一。对高级智能机器人的衡量，侧重于机器人的智能程度。智能教育机器人是智能机器人在教育教学中的应用，教育机器人则是机器人在教育领域的发展。相较而言，教育机器人比智能教育机器人的范围更宽泛。教育机器人从跨学科的角度出发，可分为机器人教育和教育服务机器人；根据机器人存在的形态，又可分为物理形态的机器人和虚拟形态机器人。 表1不同类型机器人概念与特征比较<tableborder=1align="center"><tr><td>类型</td><td>概念</td><td>特征</td><td></tr><tr><td>智能机器人</td><td>又称为第二代机器人，是人工智能与机器人紧密结合的产物。</td><td>具有部分环境感知、决策、规划与自主导航能力，特别是具有视觉、行为、语音与文本等模式识别与自然交互能力。</td><td></tr><tr><td>教育机器人</td><td>是多学科、跨领域的研究，涵盖计算机科学、教育学、自动控制、机械、材料科学、心理学和光学等领域。是一类应用于教育领域的机器人，在于培养学生的分析能力和创造力。</td><td>具备教学适用性、性价比高、开放性和可拓展性高。从跨学科的角度出发，教育机器人可分为机器人教育和教育服务机器人；根据机器人存在的形态，教育机器人可分为物理形态的机器人和虚拟形态机器人。</td><td></tr><tr><td>智能教育机器人</td><td>是一种AI教育产品，是人工智能赋能教育的产物。AI教育机器人是智能机器人在教育教学中的应用。</td><td>集AI编辑器、AI训练器、3D虚/实机器人为一体。</td><td></tr><tr><td>高级智能机器人</td><td>又称为第三代机器人，与一般机器人最大的区别在于它拥有相当发达的“大脑”，这种机器人与操作者有较强的交互。</td><td>至少要具备三个要素：感觉要素，反应要素和思考要素。能够感知多种信息，并将多种感知的数据信息进行融合，快速适应环境变化，具有自适应、自学习和自治能力。</td></tr></table> 当前，智能机器人在教育中的应用有五种基本类型：机器人学科教学(Robot-SubjectInstruction，简称RSI)、机器人辅助教学(Robot-AssistedInstruction，简称RAI)、机器人管理教学(Robot-ManagedInstruction，简称RMI)、机器人代理(师生)事务(Robot-RepresentedRoutine，简称RRR)、机器人主持教学(Robot-DirectedInstruction，简称RDI)。本文主要关注正在广泛应用的第二代机器人即智能机器人，此类智能机器人配备有相应的感觉传感器(如，视觉、听觉、触觉等)，能感知周围作业环境、操作对象等简单的信息，并由机器人体内的计算机进行即时分析、处理，进而控制机器人的动作。虽然此类智能机器人具有一些初级智能，但还是需要技术人员的协同工作，典型代表就是由日本软银集团和法国AldebaranRobotics研发的Pepper。本文阐述的是基于此类智能机器人辅助教学与学习、管理教学、代理师生事务等领域的一些创新性应用。 (二)智能机器人的特征与功能 从AI与教育融合的态势而言，智能机器人进入课堂已成为教育发展的必然趋势，当前，国内已有部分学校引入智能机器人来辅助教学。这里，我们以Pepper机器人、小胖机器人、可穿戴情感机器人Fitbot为例(如图1所示)，分析与阐释新一代智能机器人的特征及功能。 Pepper是一款人形机器人，身高120厘米，体重28千克，利用脚轮移动，最大时速为3Km，胸口配备10.1英寸触摸屏。目前，已经广泛应用于各类学校的教育教学场景中。Pepper机器人的特征及功能，主要有以下几个方面： (1)具有情感识别功能。Pepper机器人头部装有一个麦克风、两个摄像头和一个3D传感器，对人的表情、声调到喜怒哀乐等七情六欲均可识别，还能判断与人的距离以及发声的方向。 (2)具备语音识别功能，具备呈现优美姿态的关节技术。可与人类进行互动与交流，并综合考虑周围环境积极主动地做出反应。 (3)可进行私人订制。为了扩展其应用实践，Alde-baranRobotics公司公开发布了软件开发工具包(SoftwareDevelopmentKit，简称SDK)，使用者可对Pepper做部署和个性化设定。经过这类定制化服务，Pepper可通过表情、动作、语音与人类交流、反馈，甚至能够即兴舞蹈、开玩笑。 (4)能对接各类云服务，支持Wi-Fi接入。Pepper机器人支持通过Wi-Fi无缝对接如百度、阿里、微软、IBM、科大讯飞等公司的相关产品，使得Pepper能够充分满足用户在各个场景的服务需要。在教育领域，Pepper机器人以面向小、中、大学各阶段学生的编程学习为主。 小胖机器人(Fabo)身高103厘米，体重40千克，是由北京进化者机器人科技有限公司研发的一款大型服务机器人。小胖机器人内置核心技术，集情感操作系统(EOS)、系统集成能力、自主导航等多项先进技术于一体，其外观设计以金属质地为主，由平板、投影仪、摄像头、音响、轮子等设备组合。该机器人已广泛进入家用、商用、教学和娱乐场景，其主要特征及功能，详见表2。 可穿戴情感机器人(Fitbot)是在人们穿着的衣服基础上，根据人体的生理结构和习惯，设计了用于存储智能终端(如，智能手机)的隔离层，以促进其物理连接以及与其他模块的交互。该智能机器人可通过智能手机和外部MIC设备实现无线通信，并与各类用户进行视觉和语音交互。 表2智能机器人(Fabo)的技术特征与功能应用<tableborder=1align="center"><tr><td>服务场景</td><td>技术特征</td><td>功能应用</td><td></tr><tr><td>家用商用</td><td>配置交互屏幕配备触控系统，装有安全行走系统，能实现复杂路径安全行走。具备语音交互、移动监测、远程操控、自主导航、物品运送、移动投影、空气净化、家电智控、应急报警等技术。</td><td>居家安全、智控家电、紧急报警、远超遥控、应用商城、定时提醒、演示讲解、迎宾宣传等。</td><td></tr><tr><td>教育教学</td><td>拥有海量教学资源，配置虚拟课堂、自主答疑、DIY知识库、学习伙伴和教学助手。</td><td>学科教学、教学辅导、语言翻译、语言学习、阅读陪伴、学习答疑、AI课件等。</td><td></tr><tr><td>娱乐应用</td><td>配备声源感应、语音系统，内置高清投影仪、预置语音控制机器人进行娱乐互动。</td><td>体感游戏、聊天互动、娱乐资源等。</td></tr></table> 图1Pepper机器人、小胖机器人、可穿戴情感机器人Fitbot 值得一提的是，Fitbot是集成智能情感的交互型机器人，集智能触觉交互设备和智能脑部可穿戴设备于一体，代表了一种新型的可穿戴型机器人，已经具有通过智能衣服的方式进行情感认知的能力。其特征及功能主要有以下几个方面： 一是智能与自主。Fitbot具有智慧和自主权。例如，如果用户请求情感机器人购买垃圾食品，情感机器人则会拒绝该请求，并能说明食用此类垃圾食品所产生的有害影响。 二是舒适性和便携性。可穿戴型机器人以自然的方式，集成到可穿戴设备中。机器人以用户衣服的一部分陪伴用户，具有良好的便携性。同时，Fitbot提供了各种便捷的人机交互模式，使用户感到舒适。 三是多样化的人机交互。Fitbot在语音交互的基础上集成了触觉交互，从而扩展了人机交互的形式。 四是个性化跟踪服务。Fitbot可从第三人称视角收集感知数据，以便更精确地识别用户活动，同时还可以与多个用户共享数据。在教学层面，可穿戴情感机器人Fitbot能够精准识别学生的面部表情，提高教育教学效率，减少校园意外事故的发生。 可见，可穿戴情感机器人Fitbot的设计旨在拓展教育场景，提高教育质量和减少教育费用，实现信息技术与教育教学的深度融合，形成多媒体、互动个性化、自适应和以学习者为中心的人才培养新模式[4]。 综上，上述三种为代表智能机器人的教学功能主要包括：(1)AI服务，包括情感识别、语音识别等人工智能技术，服务于日常教育教学交流与互动；以情感交互与情感操作为教学过程，提供情感化的评价、提醒与帮助；(2)复杂的类人动作，为教学过程提供现实的动作模拟与实操展示；(3)智能学伴，为网络在线学习提供知识与技术服务；(4)支持嵌入式编程教育，可以作为编程教育平台、学习伙伴与程序交互；(5)基于大数据的精准教学；(6)基于多模态数据实现个性化跟踪服务，为差异化学习需求提供指导；(7)特殊教育的情境支持，如，减少校园伤害和网络欺凌；(8)提供云资源服务。在教育教学过程中应用智能机器人，可降低学校预算，节约办学成本。 三、增强与赋能：智能机器人教学应用的创新途径与意蕴 随着新一代人工智能、大数据、云计算、物联网、区块链等技术的应用与发展，智能时代的“智能+教育”正在成为现实。一方面，智能时代的学校教育教学目标、过程与方法已然发生变化，将智能机器人整合于教学，它所产生的新型学习系统与教学场域，可应对智能时代创新人才培养目标之需。另一方面，智能机器人进入课堂，它作为一个全新的教与学要素，与传统学校教育中的宏观和微观诸要素的碰撞与融合，对学校教学、学生学习、教学评价及管理等方面所产生的新影响与变革，将成为“智能+教育”教学创新的“催化剂”。 (一)智能机器人支持精准教学，提高教育情境下学习者的知识水平和情感认知能力 智能机器人可获取学生的学习行为数据，并借助大数据和学习分析技术，为学生提供适切的学习资源和路径，旨在优化教学效果和师生的工作方式[5]。在现有的教育机器人研究中，智能机器人作为导师占据了整体研究的86%[6]，有潜力成为一种常态化的课堂应用。国内外相关研究表明，智能机器人导师可以根据学生学习风格和特点，提供个性化的教学策略和教学资源，以期提高学生的学习效果。与人类教师相比，智能机器人导师更加适切结构良好、目标明确和时间较短的特定课程教与学。 我们认为，智能机器人与传统课堂的融合，将突破原有的教学形态，形成“双师+学习者”的新型教学模式。这里的“双师”是指智能机器人教师与人类教师，这一新型教学模式中的智能机器人和教师在课堂中共同承担教学工作：智能机器人承担教师的部分“教学任务”，并提供个性化学习服务。比如，清华大学与“学堂在线”合作研发的“小木”机器人，借助庞大的高等教育在线学习知识图谱，实现了学习问题的自动解答，为帮助学生克服学习障碍提供了支持[7]。 智能机器人还可充当学习监督者、调节者的角色，当学生学习目标发生偏移时，可对学习者进行引导。在教师授课间隙，智能机器人可对学生学习过程进行监测，及时给予智能化的辅导和干预[8]。目前在美国，研究人员引进智能机器人作为导师，帮助学习者学习拼图游戏[9]。研究人员DanielLeyzberg等还比较三组不同的智能导师系统的效果，如图2所示。 图2三组不同智能导师系统学习场景 这三组分别为：单独声音指导、Keepon机器人图片加声音指导、实体Keepon机器人导师指导，结果表明：实体机器人能更好地帮助学习者提高拼图技巧和思维能力。Keepon机器人由于可爱的外形特点和情感识别功能，Costescu还将其作为训练自闭症儿童的教学人员，有效提高了自闭症儿童的情感表达、抽象思维和情绪管理等[10]，如图3所示。因此，智能机器人不仅是传授知识、提高学生认知水平的重要助手，还能有效提高学习者的情感认知能力。 图3Keepon机器人的教育情境 (二)智能机器人提供嵌入式STEAM与编程教育，促进综合实践与创新能力的培养 智能机器人作为学习工具，可提高学生的综合实践和创新能力，尤其对于多学科的整合至关重要。随着蓝牙、红外和传感器等技术的普及和模块化，各类智能机器人教育套件均融合了先进技术手段，学生可线上使用虚拟机器人进行编程和再设计，实现随时随地参与学习。如，网龙AI教育机器人进入STEAM综合教育课程，学生使用AI编辑器的图形化积木进行拼搭编程，还可通过实体机器人进行智能演绎。 著名的人工智能专家Papert在课堂上使用可编程、积木化的材料，教小学生控制机器人，研究表明，机器人教学对学生的学习有正面促进效果[11]。Merkouris等研究也表明，机器人对学生的编程学习有显著正面影响[12]。另外，Danahy等分析表明“乐高机器人”15年来在工程教育中所起的作用：允许学生对同一个问题有不同答案，并建立了学习化社[13]。Kim等探究如何帮助在校师范生运用机器人设计和实施STEM教育，学生的教学设计表明，他们的STEM教学能力正朝着良性轨道发展[14]。 Musio是由AKA公司开发的智能机器人，可将教材上传到服务器来更新数据，用于学校英语课程中的对话[15]。智能机器人既可作为辅助教学的工具，还可被视为教学对象，学生在努力教会教学对象的过程中，提高了自身的学习成效。在日本，人形智能机器人Pepper被引入3至6岁的学生课堂进行词汇的学习：幼儿向机器人Pepper展示红色物体，在互动时会收到Pepper的鼓励、表扬等，学生在教的过程中也自主学习了颜色[16]，如图4所示。 图4学生教机器人Pepper学习颜色 在瑞士一些学校，小学生向机器人NAO展示需要书写的单词，NAO接收信息后，询问并确认需要完成的书写任务并进行书写。之后，小学生向NAO提出反馈并进行交流[17]。可见，将智能机器人作为教学对象，通过“教”中学、“玩”中学(LearningbyTeaching&Play)的方式，实现学生创新能力的培养。 (三)智能机器人作为智能学习伙伴，为学习者提供情感交互与具象社交 智能机器人在教育中除了可作为学习工具之外，还可充当智慧学伴[18]。相比导师角色，同伴的角色会给学习者营造更轻松舒适的学习环境。人形学伴机器人的优势在于：不仅可以向学习者精准推送学习资源，还可通过扮演知识丰富的同伴，提高学习者的学习动机，并给予情感支撑。比如，北京师范大学未来教育高精尖创新中心自主研发的陪伴型的教学机器人“智慧学伴”，其设计原则采用经典的自决理论(SelfDeterminationTheory，SDT)，可在学习过程中为学习者提供良好的学习体验，从而激发学生的学习兴趣。当学生在学习时遇到不懂的或疑难问题时，机器人可进行讲授和即时回答。 我们认为，智能机器人“智慧学伴”是一种具象化的智能陪伴[19]。这种智能学伴教育机器人可根据学习者自主性、能力感、社交关联性，实现相应功能。同样，学习者也需要具备与机器共同学习的信息素养与技能，增强人机互动[20]。比如，Robovie作为第一个自主社会性机器人，被应用到小学阶段的互动学习中，学生和Robovie进行简单的互动交流，可完成握手、拥抱、石头剪子布等简单动作，如图5所示。另外，Robovie也是一个讲英语的教育机器人，可帮助学生学习英语。 图5Robovie机器人与学生进行互动交流 在学伴型智能机器人的应用进程中，共情策略的引进推动了学伴型智能机器人和教育目标的融合。意大利智能机器人iCat在和学习者的互动过程中，可以识别学习者的情绪变化，并提供及时的情感反馈。iCat既可陪伴学习者学习国际象棋的相关规则并给予相应的下棋建议；还能作为下棋双方的观察者，并与下棋者一方产生共情反应(EmpathyConcern)，如图6所示[21]。 图6智能机器人iCat陪伴学习者学习国际象棋 (四)智能机器人助力智能化测评，提供个性化学习策略指导 伴随教育服务由标准化走向个性化[22]，具有增强教师功能的智能机器人，对传统教学评价产生着巨大的变革影响。一方面减轻了教师的日常教学负担，另一方面提供个性化干预并给予策略指导。比如，科大讯飞的“讯飞教育超脑”可进行智能阅卷、作业批改、口语测试，有效地减轻了教师负担。魏雪峰等人研究的教育测评机器人(EducationalEvaluationRobot)，在不改变学生手写习惯的前提下，可全程记录学生解题过程和步骤，实现客观题和主观题的自动评测，并自动给出评测结果[23]。 教育测评机器人其实扮演着“学习诊断医生”角色，收集、记录并分析学生解题过程中出现的问题，形成诊断报告；分析解题困难的原因，自动生成学生个人学习报告；精准锁定薄弱学习环节，并给予个性化精准干预，包括：自动推送个性化学习资源，清晰呈现个性化知识图谱，实时推断学习状态等。前几年，美国佐治亚理工大学一名智能机器人还被学生评价为最优秀的助教，这名助教在午夜凌晨学生提问时，能在线对学生的问题进行推理识别，然后搜索往届类似的问题，给予学生回答。学生的问题不仅得到解答，同时，精神上也得到激励。 上述这些智能机器人大多应用了语音识别、文字识别、人脸识别、自然语言处理等技术，可帮助教师做出智能化的评测，提供个性化的策略指导。 (五)智能机器人支持基于大数据的教学过程管理，实现教学全程智能化 德国一份关于数字时代高等教育的研究报告指出，随着社会数字化进程的不断扩大，可以利用数据优化管理流程，减轻大学工作人员的负担。智能机器人教学管理应用，包括课堂教学管理、教务管理、学校财务管理、人事管理、教学设备管理、图书馆管理[24]。 我们认为，智能机器人的课堂教学管理应用，主要包括四点：一是实时采集与分析课堂中的教学信息，及时为教师教学决策、学生的学习方法提供参考；二是课堂状况实录；三是辅助师生考勤；四是开展课堂教学评估、学生成绩测试。 智能机器人在教务管理中的应用，包括教学计划管理、课程表管理、学籍学分管理、学生成绩分析、招生咨询等。智能机器人在学校财务管理中的应用，可充分发挥机器人在财务计划、核算、记账、分析等方面迅速、准确的独特优势，可有效提升学校财务管理的效率。智能机器人在学校人事管理中的应用，主要是优化人力资源配置，充分发挥每位员工的优势。智能机器人结合自身数据分析的优势，可为校园人事管理的分配提供参考。智能机器人在教学设备中的应用，可根据实验室管理员事先制定的标准，定期搬运、清洁、维修和调节室温，并在实验室维护、防盗等方面发挥良好作用。 智能机器人作为智慧图书馆建设的重要组成部分，在图书馆的服务领域开始得到广泛应用。清华大学、南京大学等多家大学图书馆，已研发和应用智能盘点、管理、咨询的机器人，取得了一定的实践成效。在图书馆日常管理方面，智能机器人主要负责图书借还、占座管理和预约研讨时间等。智能机器人的工作给高校图书馆带来了高效的服务能力，而自动化管理只是智慧图书馆的基础。例如，清华大学图书馆的机器人“小图”，不仅可以快速准确地回答读者的问题，还可以和读者交流并进行导航[25]。智能机器人在学校管理过程的引入，将进一步加快数字校园建设，但定期分析和优化数据过程需引起重视。 (六)智能机器人支持人机协同教学，打造新型“双师课堂” 余胜泉教授指出，面对人工智能挑战，未来的教育将进入教师与人工智能协作共存的时代，教师与人工智能将发挥各自的优势，协同实现个性化的教育、包容的教育、公平的教育与终身的教育，促进学生的全面发展[26]。UNESCO在2019年发布了《教育中的人工智能：可持续发展的机遇和挑战》研究报告，该报告系统提出了人工智能作为虚拟教学助理，开展人机协同教学，实施“双师课堂”的融合策略，引起了较大关注[27]。从字面上看，“双师课堂”并不是一个新概念，传统的远程教育通过屏幕共享技术进入课堂，与物理课堂教师相互配合开展教学，就是一种协同教学的“双师课堂”，这种模式有效弥补了不同区域优质教育资源的不足。进入人工智能时代，依靠智能机器人正构建起一种新型的“双师课堂”：智能教育机器人和教师共同在课堂中承担教学工作，并提供学生个性化学习服务[28]。 具体而言，人工智能技术支持下的“双师课堂”，智能机器人以教学助理等角色，与教师一起构成“双教师模式”，智能机器人所具有的“虚拟教学助理”等功能，可以代替教师完成日常任务。比如，不仅可以作为数字化评估工具来学习教师如何评分，还能用于评估学生的论文或作业，使教师有更多时间对学生进行个性化指导和一对一交流。这种新型的“双师课堂”充分利用机器学习、语音识别、知识图谱、自然语言处理、人机交互等人工智能技术，来支持优化学生的学习策略。比如，帮助绘制每个学生的个人学习计划和学习轨迹、长处和弱点以及学习偏好和活动方式；为异步协作学习的有效开展提供强有力支持，在学习时间、地点方面为学习者提供多项选择；对学习过程进行有效监控，能够为教师提供学习者参与讨论的过程性信息与多模态数据，以此可以为学习者提供个性化的学习支持。从技术角度看，智能机器人支持下的“双师课堂”，能够很好地支持泛在学习环境和包容性强的学习方式并获取更多的机会，有助于确保提供公平和包容的教育目标，促进个性化学习并提升学习质量。 四、协同与治理：智能机器人教学应用带来的生态系统变革 以智能机器人为代表的智能化革命，正在给各行各业带来巨大的变革与挑战。教育亦如此，智能机器人促进教学的应用创新，在于对原有教学生态系统的一种整体变革。为此，我们需要从系统层面对相关要素进行协同整合，才能获得智能机器人教学应用的全新价值。从这个视角出发，我们认为，智能机器人对教育教学中的教师发展、特殊教育、常规教学业务替代、家校协同等方面，将产生深刻的影响和变革。 (一)智能机器人促进教师数字素养的提升 随着智能机器人进入校园成为现实，新型“双师课堂”将快速落地，人类教师角色发生了转变。芬兰赫尔辛基大学的Niemi教授指出，教师应当在扩展可用资源、支持有意义学习和开展协作学习方面有所突破，教师的业务重心需从知识传递转为关注成长[29]。未来教师的育人角色更加重要，将成为学生学习过程的创设者、帮助者、指导者、评价者。比如，未来智能机器人将引领STEAM教育和创客教育，使理论知识更多地运用到实践中来，使编程教育落地。与此同时，在课堂中引入智能机器人，对教师的数字化学习能力和信息素养也有一定的要求。教师必须熟悉常见的AI编程软件，具备创设数字化学习环境的能力。满堂灌的教学方式和不使用新型技术的教师，将不再适应当今多元化的课堂。教师要从教学的主导者转变为辅助者、支持者，从教学资源的开发和提供者转变为组织者、设计者。未来教师专业发展将会走向人机协同，AI教师可能会代替人类教师进行知识性教学[30]。因此，教师必须加快提升信息化素养乃至智能化素养，加快完成角色转变。 (二)智能机器人进一步实现面向特殊教育中的补偿性教育 全纳教育提倡不让一个孩子掉队，让所有学生在合适的教育环境中接受教学。缺陷补偿是特殊教育的重要目的，AI技术已成功应用于特殊教育领域，以技术手段弥补其智力或身体的不足。例如，罗纳德·科尔教授团队研发出了智能导学系统，来帮助聋哑儿童进行词汇学习。在健康教育方面，应用智能机器人可以促进特殊人群的康复专业化，尤其是自闭症患者的康复治疗。自闭症患者最缺乏社会沟通能力，而智能虚拟代理或智能社交机器人，可以很好地与自闭症患者进行对话交流，通过获取其社交行为数据，判断患者是否理解活动或进行轻微的技能改进，以培养自闭症患者的社会沟通能力。例如，哈尔滨医科大学开发的情感智能机器人RoBoHoN能帮助自闭症患者进行康复治疗。国外赫特福德郡大学研究小组开发的智能情感社交机器人Kaspar，可帮助自闭症患者进行学习，帮助其康复治疗，重获语言和社交技能[31]。总之，智能机器人可有效实现特殊教育中的补偿性教育，帮助其回归主流社会。 (三)智能机器人支持教育教学管理的智能化 正如前述，智能机器人可替代教师执行的常规业务，主要体现在考试结果判定、作业及练习效果检查两个方面[32]。以自然语言处理和机器学习为核心技术的智能批阅系统，能够实现机器智能阅卷、作文自动批改。教育测评机器人通过模式识别、自然语言理解和机器学习等技术，可全程记录学生解题的过程和步骤，进行自动评价和错题分析，可及时诊断学习者的学习困难并做出适当的干预等[33]。智能阅卷系统使教师从数以万计试卷批改中解脱出来；智能机器人为教师创造了一个良好的工作环境，使教师从繁杂的教学事务中解脱出来，为真正学习有困难的学生投入更多的学习支持。比如，当学生上传作业时，机器人能够根据大数据的记录，分析学生在解题过程中出现的问题，并形成诊断报告，帮助学生巩固知识，完成自主学习。再如，机器人具有储存记忆的功能，对于家长的疑问，能根据已有的记忆快速解答，使教师能节省大量时间，专注于教学。 (四)智能机器人促进学校管理走向“智”理 智能机器人作为智慧学习环境的重要组成部分，是学校和家庭之间的新纽带，成为学校、家长、教师的协同者，并改善学校“智”理。随着人工智能、机器学习、语音识别等技术的发展，智能机器人在教育中扮演着学习工具、学伴、智能导师等多重角色。在这个以智能手机为主的时代，学生对智能化产品的接受度非常高。随着家庭教育的重视以及智能机器人产品的发展，家庭智能机器人开始走向大众视野，作为学生的学伴或辅导教师成为“家庭一员”，用以辅助学生课后学习，促进孩子的学习和发展。例如，益思特旗下的儿童智能机器人，内置智能对话与学生发生互动，提高儿童的兴趣，使其尽量远离手机。同时，智能机器人包含海量资源和优选教材，是家庭教育的最佳伴侣。而在学校，智能机器人成为教师的教学助手，及时生成诊断报告向家长、教师反馈，协助共建家校联盟，改善学校“智”理。 五、挑战与应对：智能机器人教学应用的着力点与价值追求 智能机器人作为技术工具看似中立、客观，其实具有深刻的社会变革与价值重塑作用。教育者如果缺少对智能机器人的充分认识，将无法积极应对人工智能时代教育教学变革的全新挑战，有可能会深陷智能机器人囹圄，进而沦为人工智能背景下的“AI臣民”。所以，对这种挑战我们必须全力应对。 (一)挑战之一：从学习工具到智能同伴，改变了人类学习认知与思维方式 智能机器人在教学中的应用主要有两种：比赛型机器人和教育性机器人[34]。机器人在教育中的应用前期以比赛型机器人为主，如今逐渐向教育性机器人方向偏移。比赛型机器人对于学生而言，工具的属性更加突出，主要是为了训练学生的设计与创造能力。伴随大数据、深度学习等技术的发展，智能机器人的教育意义开始凸现。当学生遇到困惑的问题，机器人可即时讲解；对于学习者而言，智能机器人既是学习伙伴又是家庭助理。语音对话、情感识别、强交互等特性，吸引了学生的注意力。由于寓教于乐，使得学生更适应于人机交互的智能化学习环境，以一种互动交流的新方式去获取资源，不断学习。 (二)挑战之二：从在线获取到精准推送，优化教育资源供给侧结构 以人工智能、机器人技术、虚拟现实等技术为代表的第四次工业革命的到来，AI教育机器人应运而生，加快了个性化教育的步伐。5G等新型技术的发展，使得广大学习者可以便捷在线搜索和获取各种所需要信息。智能机器人作为助教，全程记录着学生的在线学习过程，并根据学生的学习行为向学习者精确推送学习资源，定期发布诊断报告，帮助学生查漏补缺。智能机器人给教育创新带来了多种可能性，作为一种颠覆性技术，我们需要确保人工智能在教育中的包容性、公平性与向善性，给受教育者提供更多、更好的教育选择，从而化解制约教育发展的瓶颈问题。 (三)挑战之三：从“教”堂到“学”堂，重塑课堂中的学与教模式 智能机器人在课堂中的引入，使教师“一言堂”时代一去不复返。比如，继101虚拟实验室、AI助教之后，网龙AI教育机器人STEAM课程进入小学课堂。学生们应用已知的简单算法和指令，控制智能机器人向全体同学问好。对于入门级学生可采用图形化AI编辑器进行拼搭编程，对于进阶型学生可通过Python语言编程。可见，智能机器人在课堂中的引入，使得学习者不再只是一个听众，而是学习者、参与者，教师需要转变功能，帮助学生像计算机科学家一样去思考、去创作，培养他们的设计思维和创造性设计能力。教师也可通过编程“私人订制”的智能机器人，更加高效赋能课堂。当课堂重心从“教”向“学”进行转移时，教师必须要为人工智能技术所支撑的教育教学做好准备，让学生具备在线学习的知识储备与相关技能[35]。 (四)挑战之四：从教育治理到教育“智”理，重构未来学校的教育形态 新技术的发展，将使得未来教育发生重大的结构性变革，学习变得无所