37、教育行为协调中的手势与机器人辅助教学

教育行为协调中的手势与机器人辅助教学

1. 教育技术的转变

过去，技术常被用作 STEM 教育的工具。但如今，像 NAO 或 Pepper 这类机器人的出现，正改变着这一现状。这些新型机器人能够融入教学领域现有的新理论方法中，其中，具身教学法正逐渐兴起。

具身教学法聚焦于知识创造过程中教师与学生之间的互动。教师是引导学生关注问题的核心，随后教师和学生共同构建问题的答案。教师规划答案构建的路径，充当学生世界与新知识之间的中介，激发认知冲突，以衔接学生已有知识、待解决的新问题和相关新知识。新知识确立后，验证其正确性至关重要。在具身教学法中，教师负责验证所构建知识在认识论上的正确性，确保其与现有知识不冲突。而这一验证过程需要教师与学生之间持续的反馈。

然而，现实中许多教育互动过程因各种原因缺乏互动和反馈空间。缺乏真实反馈会导致自我指涉性，这是封闭系统的特征，与具身教学法所描述的主体与环境的互动形式相悖。

2. 具身机器人辅助教学（ERAD）的提出

将基于具身框架的社交机器人技术融入教学，有望通过强化具身教学法中描述的网状互动结构，弥补反馈不足的问题。也就是说，引入作为社交中介的机器人，将加强教师、学生和教学大纲（待教授知识）之间的沟通，这种方法被称为具身机器人辅助教学（ERAD）。

2.1 机器人成功的关键

ERAD 的核心是加强人类参与者之间的沟通。为使机器人发挥作用，其发起沟通的尝试需直观易懂，且最重要的是不能干扰教学流程。机器人要能在不打断课堂节奏的情况下吸引教师或学生的注意力，并以建设性和有帮助的方式进行干预。

2.2 机器人的设计要求

为实现这一目标，需关注人类的非语言交流。人类在进化过程中，会利用身体姿势，特别是头部、手臂和手部动作来吸引注意力和传递信息。若机器人要成功担任社交中介，就需具备利用人类这种行为模式的能力，通过身体动作与人类交流。因此，这类机器人应设计为人形或半人形，即拥有头部、手臂和手部。

2.3 机器人的沟通能力

对于 ERAD，我们提出了一系列使机器人能够从学生和教师那里收集数据的技术，但核心是机器人的沟通能力。在像教室这样嘈杂的环境中，这些能力很大程度上依赖于机器人使用手势的能力。由于机器人已在日本和西欧等不同文化背景中得到应用，仅为机器人配备一套相似的手势是不够的。只有能够根据特定文化背景调整行为的机器人，才能在竞争日益激烈的社交机器人中介市场中取得成功。

以下是具身机器人辅助教学（ERAD）的关键要点总结表格：
|要点|详情|
| ---- | ---- |
|核心目标|加强教师、学生和教学大纲之间的沟通|
|机器人要求|直观易懂、不干扰教学流程、能吸引注意力并建设性干预|
|设计形态|人形或半人形，有头部、手臂和手部|
|关键能力|在嘈杂环境中利用手势进行沟通，具备文化适应性|

下面是具身机器人辅助教学（ERAD）的流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[知识创造过程开始] --> B[教师引导学生关注问题]
    B --> C[教师与学生共同构建答案]
    C --> D[教师验证知识正确性]
    D --> E{是否需要反馈}
    E -- 是 --> F[机器人辅助收集反馈并加强沟通]
    E -- 否 --> G[知识创造过程结束]
    F --> C

3. 具身机器人辅助教学的实践意义

非语言交流信号和行为协调在人类社交互动的进化历程中至关重要，将这些概念应用于社交机器人技术是自然且必要的。我们或许需要从更注重沟通和协调的角度重新思考这类互动技术的设计。

3.1 文化敏感手势的重要性

社交机器人要显得真实可信且易于互动，就必须配备适合其使用文化背景的非语言交流行为库。这意味着需要详细分析不同人群的文化特点，以生成相应的行为库。例如，不同文化中手势的含义和使用频率可能大不相同。

以下是不同文化中部分常见手势含义对比表格：
|文化背景|手势|含义|
| ---- | ---- | ---- |
|日本|鞠躬|表示尊敬|
|西方|握手|表示友好或问候|
|某些中东国家|竖起大拇指|可能是不礼貌的手势|

3.2 教育机器人的应用案例

在教育领域，机器人正逐渐发挥重要作用。亚洲的日本、韩国和新加坡等国家已将机器人融入学前教育和学校教育中。像 TIRO 和 Robovie 等机器人已被纳入学校课程，辅助教师进行课堂教学。这些机器人的应用大多与语言学习相关，它们通过将新单词和语法概念与动作和手势相结合，以多模态的方式帮助孩子们记忆新知识。

4. 具身机器人辅助教学的具体实施

为了给这些教育机器人的应用提供坚实的理论教学基础，我们提出了对现有具身教学法的扩展，赋予社交机器人在教师与学生反馈过程中的核心角色，以强化学习过程中结构耦合的网状特征。

4.1 以 Pepper 机器人为例

我们计划首先使用 Softbank Robotics 的 Pepper 机器人来实施这些想法，它主要具备以下两个功能：

4.1.1 反馈课程结构

Pepper 能帮助教师维持课程的预定结构，同时帮助学生理解课程的整体教育目标。课程开始时，机器人会概述课程内容；结束时，会总结讨论的内容，并使用专门为课程内容设计的手势来辅助说明。在课程进行中，Pepper 还可作为实体计时器。当达到一定时间后，它会开始打哈欠；若教师未反应，它会摆出疲惫的姿势；若教师仍未反应，它会举起手臂、挥手并提醒教师课间休息有益。

以下是 Pepper 机器人反馈课程结构的步骤列表：
1. 课程开始，概述课程内容。
2. 课程进行中，按时间节点表现不同状态（打哈欠、摆疲惫姿势等）。
3. 提醒教师课间休息。
4. 课程结束，总结课程内容。

4.1.2 强化师生反馈

我们将 Pepper 与观众响应系统（ARS）结合使用。ARS 用于直接实时反馈，但它提供的简单统计反馈缺乏实体感，且依赖于教师是否允许学生干扰教学。Pepper 则为反馈增加了实体元素。课程被分为不同部分，每部分结束时，机器人会提示教师让学生用手机在 Google Forms 上填写关于该部分内容的简短问卷。收集数据后，机器人会以包含语言表达和信息性手势的方式给出实体反馈。

下面是 Pepper 机器人强化师生反馈的流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[课程某部分结束] --> B[机器人提示教师让学生填问卷]
    B --> C[学生用手机填问卷]
    C --> D[机器人收集数据]
    D --> E[机器人给出实体反馈]

4.2 机器人应用的潜力与影响

这些例子展示了机器人作为实体反馈设备和师生之间社交中介的潜在用途。未来，人与机器人的互动将越来越具实体性，这将形成相互交织的人机生态，可能对人类社会的进化产生深远影响。随着技术的不断发展，具身机器人辅助教学有望在教育领域发挥更大的作用，为教学带来更多的创新和变革。