国际教育机器人研究现状及启示——基于WOS期刊文献（2010—2018）的可视化分析

本题目:国际教诲机械人研讨近况及启迪——基于WOS期刊文献（2010—2018）的可视化剖析
本文宣布于 <> 2019年第6期（总第30期）域中察看栏目，页码:72-79.转载请说明出处.
戴 要:教诲机械人做为教诲手艺的新兴研讨标的目的，正在智能教诲圆里逐步占有主要位置，成为教诲野生智能手艺范畴的热门之一.本研讨以Web of Science中心数据库支录2010-2018年的教诲机械人相干文献为研讨工具，经过Citespace硬件停止要害词共现剖析.研讨发明:国际教诲机械人研讨次要集合正在机械人教研讨.教诲机械人撑持下的东西取情况研讨.教诲机械人使用理论研讨三圆里.并对国际教诲机械人正在先生开展.手艺使用.观点代价圆里的将来开展趋向停止了瞻望.同时，对我国教诲机械人范畴的人材培育.教诲机械人迷信研讨.协作机造.教诲机械人立异使用具有启迪战自创感化.
要害词:教诲机械人；研讨近况；可视化剖析
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1、媒介
2016年，谷歌AlphaGo打败人类围棋顶尖选脚李世石，再一次给众人提高了野生智能的观点，使得人们开端认识到野生智能时期行将到去.教诲机械人做为野生智能的产品，已成为列国教诲部分存眷的重面.我国教诲机械人研讨起步较早，因而，总结国际教诲机械人研讨近况，有助于进步战完美国际教诲机械人研讨程度.
今朝已有教者深化剖析了外洋教诲机械人的研讨近况，黄枯怀等[1]经过对相干文献的剖析，提出齐球排名前十的教诲机械人研讨机构战今朝教诲机械人研讨存眷的七个研讨标的目的，讨论了十两类教诲机械人产物.使用情境战三年夜要害手艺，正在此根底上提出了教诲机械人的十年夜中心观念.周进等[2]搜集国际上闭于机械人教诲研讨的相干文献，梳理了那一范畴国际研讨前沿取热门主题.
本研讨将Web of Science中心数据库2010-2018年地下宣布的文献做为研讨工具，剖析国际教诲机械人的研讨近况取将来开展趋向.
2、研讨设想
为片面剖析国际教诲机械人教术研讨近况，本研讨次要依据国际威望迷信网中心开散Web of Science为检索源，以”教诲”（education）.”教员”（teacher）.”女童”（children）.”先生”（student）.”课堂”（classroom）战”机械人”（robot）做为要害词展开主题检索，正在初级检索中死成式TS=（（（education*AND robot*） or（ teacher AND robot*） or（ children AND robot*）or（ student AND robot*） or（ classroom AND robot*））），工夫跨度为2010年至2018年，共得2217篇文献.2010年至2018年研讨数目的趋向图，如图1所示.能够看出，国际教诲机械人研讨正在远十年处于稳步增加阶段.

为了更准确天掌握教诲机械人的研讨标的目的，本研讨将重面存眷计较机迷信（Computer Science Oriented）.机械人教（Robotics Oriented）和教诲（Education Oriented）三年夜导背.文献范例挑选”文献”（Article）.”综述”（Review）战”集会论文”（Proceedings Paper）.经过文献挑选战精辟，正在计较机迷信导背中共涵盖计较机迷信野生智能（Computer Science Artificial Intelligence）.计较机迷信跨教科使用（Computer Science Interdisciplinary Applications）等共7个范畴，252篇文献；机械人导背只要机械人教（Robotics），文献303篇；教诲导背分为教诲迷信教科（Education Scientific Disciplines）战教诲讲授研讨（Education Educational Research）两个范畴，共242篇文章.
本研讨接纳Citespace V可视化剖析硬件，探求教诲机械人范畴的研讨热门战最新开展静态.研讨思绪次要分为两步:起首，经过运用Citespace V对获得的三个导背的文献停止要害词共现剖析，探究教诲机械人范畴的主题取热门.要害词能表现文章的研讨代价取标的目的，是研讨主题的下度归纳综合取凝炼，因而剖析要害词能无效探测某一研讨范畴的热门成绩[3]；其次，对上述研讨近况停止归结总结，同时连系我国实践开展状况，归结我国教诲机械人研讨理论的启迪.
3、国际教诲机械人研讨近况剖析
教诲机械人属于跨教科.跨范畴的研讨，其研讨范畴涵盖计较机迷信.工程教.机器.资料迷信.进修迷信.心思教.死物教等范畴.经过对国际教诲机械人研讨的三个范畴停止要害词共现剖析，挑选节面范例为要害词（Key word），工夫区段设置为1年，并接纳”pruning sliced network”途径搜刮算法，死成教诲机械人正在计较机迷信标的目的.机械人教标的目的和教诲研讨标的目的的常识图谱.本研讨将提与各常识图谱前20位的下频要害词，并计较此中心度数值，如表1所示.

经过剖析国际教诲机械人正在计较机迷信.机械人教和教诲范畴研讨热门常识图谱及要害词频次战中间度值，发明教诲机械人的研讨热门表示正在以下三个圆里:
（一）机械人教研讨
机械人教导背的下频要害词有”人机交互”（human-robot interaction）.”模拟”（imitation）.”止为”（behavior）.”设想”（design）.”模子”（model）.”零碎”（system）等.机械人教研讨涵盖了机械人的设想.结构.操纵取使用，包罗计较机迷信导背中的零碎节制.觉得反应战疑息处置，目标正在于研讨开辟机械以替代人类处置某些任务[4].从下频要害词的频次及中间度值去看，今朝教诲机械人范畴中机械人教标的目的研讨较为分离，此中针对女童的机械人中形及功用讨论是凸起的热门.有研讨者对教诲机械人所触及的进修勾当范畴战主题停止查询拜访发明，存正在手艺教诲战非手艺教诲那两个次要且普遍的种别[5].此中手艺教诲普通是引见计较机迷信战机械人编程，然后先生经过使他们的机械野生做去实践使用他们的常识[6].而非手艺教诲则以非机械人教科常识为主，夸大将机械人取课表里进修糊口相连系.比方有研讨者经过机械人背女童教授英语常识[7][8]，经过Bee-bot可编程机械人的途径轨迹，使孩子们可以介入注释角度战多少成绩等 [9].正在病院.黉舍战家庭中，交际机械人能够专注于经过交际而非物理互动协助女童[10].取此同时，交际机械人借能吸收并鼓励得了自闭症谱系病（Autism Spectrum Disorder）的孩子停止互动 [11].约安努等[12]应用Nao人形机械人培育自闭症女童的相同交换技艺，研讨标明交际机械人正在自闭症女童教诲上具有潜伏代价.取此同时，机械人中不雅研讨影响着人机互动的结果战条理.最闻名的便是”恐惧谷实际”.以后，交际机械人遍及具有人形特性，比方头部.眼睛.嘴巴.脚臂.腿部等，设定的目标是晋升机械人的交际介入才能，探访用户感知战机械人物理属性之间的干系，如里部特性.机械人巨细.体型战活动等 [13][14].
机械人的挑选凡是与决于实践思索要素和进修者能否正在机械人四周觉得温馨[15].人机交互努力于了解，设想战评价机械人零碎以供人类运用或取人类一同运用.闭于人机互动的研讨取从前战正正在停止的远控机械人.智能车辆零碎.人取计较机的交互等范畴的任务亲密相干[16].正在教诲范畴，人机交互.野生智能等手艺做为要害手艺，旨正在增进人取机械人发作更多相似于人类之间的互动.
跟着机械人教研讨的逐渐深化，研讨者对机械人使用功用战构造的了解更多天是将其做为教诲机械人（涵盖局部交际机械人战挪动机械人），辅佐一般女童的讲授战知足非凡教诲的需求.需求阐明的是，并不是一切的教诲机械人皆需求交际互动[17].因而，相干研讨的展开，有益于明白教诲机械人的本身构造取劣势，防止机械人教研讨范畴的泛化，增进机械人功用系统化开展战使用形式立异.
（两）教诲机械人撑持下的东西取情况研讨
从”交际机械人”（social robot）.”通信”（communication）.”教诲机械人”（educational robotics）等下频要害词得知，教诲机械人研讨品种丰厚，且取讲授情况战相干进修东西稀不成分，应持续存眷教诲机械人撑持下的东西取讲授情况研讨.
为应用古代疑息手艺晋升先生的进修体验，西班牙奥维耶多年夜教丽贝卡等[18]经过改编HolograFX游戏，开辟了一个新的挪动使用顺序”3D齐息机械人”充任实拟的教员脚色，协助西班牙女童操练英语收音.取此同时，AR手艺战VR手艺也逐步使用于各教诲范畴.余晶秀等 [19]探究将加强理想战机械人手艺取讲授模子相连系，开辟了互动进修情况，并将其使用于讲堂讲授.研讨后果标明，先生能够经过连系机械人战加强理想的互动进修经历去进步他们的发明力.纳洒内我等[20]开辟战评价了撑持产业机械人正在线编程培训的实拟理想零碎.后果标明，嵌进正在实拟理想零碎中的认知/感知辅佐对一切义务功能怀抱和实在机械人上的介入者的后果的分歧性具有主动影响.
教诲机械人依照物资形状停止分别，共分为实拟教诲机械人战真体教诲机械人两年夜类.实拟进修仄台正在晋升近程讲授的实在性战互动性圆里具有弱小的劣势，也是今朝教诲机械野生具战情况研讨的趋向.专雷罗等[21]提出了基于加强理想的开辟尝试室零碎（加强近程尝试室），使传授战先生可以正在以后的讲堂尝试室中近程任务，并取实在尝试室交互的实拟元素.经过对电子工程教科的年夜先生停止尝试，发明加强近程尝试室明显改进了以后实拟尝试室战近程尝试室的能够性.波克康亚克等[22]经过创立机械人实拟尝试室，旨正在晋升进修者近程进修体验.
开源硬件Arduino战LEGO机械人，具有低本钱.模块化.可拓展等特性，曾经成为今朝国际上通用教诲机械人的主要载体之一.戈梅斯·德减布瑞我等[23]针对下年级本科工程专业先生，接纳LEGO Mindstorms NXT套件战规范LabVIEW的尝试室，经过实在硬件战代表性硬件去激起设想战尝试.减西亚·绍推等 [24]应用开源3D 挨印机(Printbots)战开源硬件连系的体例定造教诲机械人.该教诲机械人有丰厚的功用，能够针对分歧教诲程度的运用者，同时具有十分低的本钱.值得留意的是，里背各个春秋阶段先生的教诲机械人竞赛愈来愈遭到齐天下的欢送，从而激发对教诲机械人愈来愈多的存眷 [25].维我钦斯基[26]引见了FIRST机械人比赛将下中先生取教诲.工程.贸易战官方社区的意愿者严密联络正在一同，讨论FIRST机械人比赛供给的四门课程模子，以阐明以FIRST机械人比赛为中间的本科课程的开展挨次.
以后教诲机械人撑持下的东西取情况研讨次要存眷设想开辟.使用取评价，关于教诲机械野生具战情况的实际根底和若何临时.下效天使用有待进一步探究.一圆里，研讨教诲机械人撑持下的东西取讲授情况是开展教诲机械人的无效路子之一，可供后绝研讨者参考战自创.另外一圆里，通用野生智能手艺战公用野生智能手艺的开展，凸隐了运用教诲机械人做为教诲东西的宏大潜力[27]，智能时期的东西战情况应私房话知足先生智能素养开展的需供，教诲机械人将成为将来教诲中不成或缺的一局部.
（三）教诲机械人使用理论研讨
从”迷信”（science）.”电机一体化”（mechatronics）.”工程教诲”（engineering education）.”基于项目标进修”（project-based learning）.”技艺”（skill）等下频要害星座词能够看出，教诲机械人使用理论研讨包罗机械人课程设想.教诲机械人讲授设想取理论等，同时对教诲机械人正在教诲范畴的使用取结果评价研讨仍正在探究当中.此中，要害词”技艺”有较下的中间度，阐明技艺培育是年夜少数研讨内容的目的战标的目的.
伊推等[28]为下中死设想了为期七周的机械人进门理论课程——Robotic Autonomy，课程涵盖机器.电子教.机械人止为.导航战近程操纵.并连系机械人战课程设想，评价机械人自治的教诲效能.后果标明，机械人对先生进修发生主动影响，近近超越了机械人教中特定手艺观点的界线.耶我马兹等 [29]引见了基于尝试室战里背设想的机械人教诲模子两门课程，临时的评价得出课程时期具有分歧的成效，标明该机械人教诲形式能够胜利拓展.正在讲授实际战讲授战略圆里，研讨者已开端对教诲机械人范畴遍及的讲授实际停止研讨战探究.阿我通战佩带斯特[30]正在对已宣布的文献停止定性剖析的根底上，得出合作进修.基于成绩的进修.发明进修.基于项目标进修.基于比赛的进修.探求进修等讲授办法经常使用于包括教诲机械人课程.卡里姆战穆宾[31][32]以为教诲机械人范畴契合古代教诲实际中的建构主义进修实际.设想进修.自动进修准绳战社会建构主义.需求阐明的是，今朝教诲机械人范畴的讲授实际战战略固然已有必然的研讨效果，但立异性和若何知足先生智能时期的开展需求是以后存眷的次要成绩之一.
教诲机械人正在教诲范畴中开端停止无缝整开的进程，那种影响对进修者而行更加主要，机械人能够增进先生的开展战才能晋升.教诲机械人正在教诲勾当中次要的脚色是做为进修的东西，可是脚色的不时延长战功用的逐渐扩大将极年夜天发扬教诲机械人的潜伏代价.
机械人正在讲授勾当中，饰演辅佐教员或先生上课进修的东西[33]，并逐步成为进修计较机.电机.工程.迷信战言语的风趣仄台.克鲁兹等[34]扩大了现有的运用LEGO Mindstorms NXT机械人做为培训仄台的替换计划，将其用于数据收罗.节制零碎工程战及时零碎本科课程的讲授.马奎兹 [35]等提出经过实拟仪器节制物理零碎近程拜访尝试室的设想形式，并正在此根底之上，研讨探究机械人电子进修尝试室（LER）项目，该尝试室专注于物理主动化讲授.伯斯 [36]经过TangibleK机械人方案，将合适开展的计较机编程战机械野生具取建构主义课程相连系，旨正在让幼女园女童进修计较思想.机械人.编程息争决成绩.
退职业教诲中，教诲机械人可做为实拟讲授的仄台战情况.洛佩兹-罗德里格斯[37]基于Android战Arduino的开放式教诲低本钱模块化战可扩大挪动机械人的设想，用于通讯手艺（ICT）职业培训.工程课程和正在线进修或年夜范围开放正在线课程（MOOC）.实拟尝试室等.曼苏我等 [38]以6自在度（DOF）系列机器臂为中间，提出了一个用于教术.职业战培训目标的自立机械人仄台.非凡教诲范畴，教诲机械人正在协助自闭症谱系妨碍（ASD）战言语妨碍等医治进程中具有很多劣势.比方，许仁年等 [39]以专业人士为工具，肯定医治机械人KASPAR对自闭症谱系妨碍女童的医治战/或教诲目的的潜伏奉献.克斯等 [40]旨正在经过非野生机械人取女童之间的非言语交换战基于模拟的互动游戏，协助听障女童的脚语（Sign Language）进修.国际中的机械人比赛正在教诲范畴占有着必然的主导位置 [41]，教诲机械人做为参与机械人比赛的间接东西，遭到普遍的存眷.
机械人正在讲授勾当中，饰演进修者或火伴的脚色，做为进修者，或陪同其他进修者配合进修.比方，张志伟等[42]运用夹杂理想手艺战机械人设想了一个具有实在场景的零碎RoboStage，机械人被设想为正在义务中饰演实正的互动脚色.后果标明，RoboStage明显进步了义务的实在性，也对进修念头发生了主动影响.
机械人正在讲授勾当中，做为教员或是专家指点者，教授常识取经历.奥贝德等[43]以移情观点为布景，描绘了机械人导师手艺架构及其组件，并为机械人导师设想讲授战移情战略.经过研讨发明，正在比较前提下，测试前提下的女童的确以为机械人比女童更具共情性.罗斯等[44]探究让机械人饰演教员的脚色，指导孩子经过几个跳舞举措去进修跳舞短语.国际机械人教员战野生智能教员的研讨已处于探究期，机械人教员做为教诲机械人正在教诲范畴使用的初级阶段，相干根底战使用研讨具有宏大开展潜力.需求阐明的是，教诲机械人正在讲授勾当中，不只能够饰演以上三种脚色之一，借能够同时饰演两种以上分歧的脚色，而那也是将来教诲机械人开展的标的目的战趋向.
跟着教诲机械人的提高战研讨者的增加，使用规模涵盖了K12教诲.初等教诲.成人教诲.职业教诲和非凡教诲，教科范畴高出疑息手艺.电机.工程.迷信战言语教等.教诲机械人做为教诲手艺的子散，将逐渐用于增进进修战进步先生的教诲表示.
4、国际教诲机械人将来开展趋向及对我国的启迪
（一）国际教诲机械人将来开展趋向
经过对上述国际教诲机械人三个导背研讨文献中下频要害词共现的剖析取解读可知，今朝教诲机械人研讨数目战使用规模不时扩展，处于疾速增加阶段，但整体上教诲机械人实际根底.讲授使用战评价研讨仍处于探究开展阶段，研讨较为分离，出无形成一致的系统战框架.将来国际教诲机械人研讨将结合齐球研讨者.顶尖手艺战研收力气，正在微观计谋计划的指引下，杂乱无章天改进讲授，培育进修者的智能素养战21世纪技艺.
观点代价圆里，跟着研讨的展开战深化，教诲机械人的界说取特性逐步明晰明白，正在野生智能手艺开展的路途上，研讨者将更多天把教诲机械人做为教诲讲授的辅佐战撑持手腕，教诲机械人正在明白的范围战鸿沟内发扬最年夜功用，完成教诲机械人研讨的代价.
手艺使用圆里，教诲研讨取相干讲授东西战进修情况稀不成分[45].正在教诲机械人取迷信手艺交融的迷信根据下，教诲机械人以东西战讲授仄台情况做为开展中心，扩展机械人教诲使用场景的多元化，无效晋升先生进修体验.
先生开展圆里，教诲机械人愈加契合智能时期的教诲需供，为进修者供给愈加实在.丰厚的智能化进修情况.教诲机械人正在将来将愈加存眷先生立异才能.理论才能.编程思想战21世纪技艺的开展.取此同时，教诲机械人对教员的影响也是没有容无视的，科技没有会代替教员，但运用科技的教员定会代替没有运用科技的教员.
（两）对我国教诲机械人将来开展的启迪
今朝，国际教诲机械人尚处于起步期，为了更好天推进教诲机械人正在教诲范畴的使用，需求进修战自创国际研讨经历战效果.因而，本研讨经过国际教诲机械人研讨近况的剖析息争读，对我国当下教诲机械人的研讨取理论次要带去以下启迪:
人材培育是根底.正在开展教诲机械人战野生智能手艺的进程中，鼎力存眷野生智能适用人材战研收人材的培育.针对分歧的人材，接纳分歧的培育计划战手艺手腕.保证教诲机械人产物的研收力度和教诲机械人产物的使用服从，为教诲机械人的良性.继续开展奠基根底.
迷信研讨是路子.教诲机械人的研讨不该范围于详细的使用研讨，而应重视根底实际研讨取使用研讨并止，正在跨教科交融的布景下讨论基于教诲机械人的讲授形式取战略，并逐渐推行，让教诲机械人实正成为智能时期教诲讲授中的必须品.值得留意的是，有闭教诲机械人的伦理战品德成绩仍需管控战研讨.
协作机造是保证.教诲机械人的研收战使用需求构成”当局—企业—黉舍—研讨机构”协同立异构造.当局增强教诲野生智能的政策指导战规范制定取资金撑持[46].企业战研讨机构正在配合研收的根底之上，供给临时.波动的野生智能开放仄台.黉舍战企业则经过理论不时拓展教诲机械人的使用场景战范畴，推进教诲机械人的片面使用.
立异使用是目的.教诲机械人的使用空间没有行范围于正式教诲，借应背非正式教诲开展.机械人比赛.课中兴味班等也是晋升先生智能素养的主要体例之一，理应让教诲机械人使用存眷黉舍，更存眷糊口，构建调和的”人机协同”重生态.
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张尧（1995—），男，河北郑州人，江苏师范年夜教聪明教诲教院硕士研讨死，研讨标的目的为教诲机械人；
王运武（1980—），男，山东聊乡人，江苏省教诲疑息化工程手艺研讨中间副主任，副传授，硕士研讨死导师，研讨标的目的为聪明校园.教诲疑息化. 前往new.jpwyj.com，检查更多

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