陳宇哲

通過(guò)對(duì)社區(qū)教育相關(guān)人群的調(diào)研，推斷出社區(qū)教育在機(jī)器人應(yīng)用方面的需求，確定總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是一款用于課堂教學(xué)的教育輔助型機(jī)器人。再根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)、成本、應(yīng)用等方面的實(shí)際情況，對(duì)各類(lèi)需求進(jìn)行取舍，整合已有成熟技術(shù)及設(shè)備，采用符合最優(yōu)成本效益的解決方案，形成一個(gè)均衡有效的教育輔助智能終端方案。

《中國(guó)制造2025》中指出，機(jī)器人發(fā)展要圍繞的應(yīng)用需求，教育是主要領(lǐng)域之一。教育類(lèi)機(jī)器人現(xiàn)在主要包含兩類(lèi)，一類(lèi)是用于機(jī)器人教育的裝備，如機(jī)器人開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)需要的設(shè)備、模型等;一類(lèi)是提供教育服務(wù)的機(jī)器人，如承擔(dān)各類(lèi)課程授課的機(jī)器人教師、機(jī)器人助教等。本文研究的是提供教育服務(wù)的機(jī)器人，在課堂教學(xué)中承擔(dān)講課、答疑等工作。

1 教育輔助機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

機(jī)器人設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)該是代替人類(lèi)工作或減輕人類(lèi)工作的負(fù)擔(dān)、提高工作效率。在教育領(lǐng)域，現(xiàn)階段由服務(wù)機(jī)器人全面取代教師進(jìn)行獨(dú)立授課并不現(xiàn)實(shí)。但根據(jù)調(diào)研所得，服務(wù)機(jī)器人相對(duì)于人類(lèi)教師有著各種優(yōu)勢(shì)，包括跨專(zhuān)業(yè)授課、不會(huì)勞累、情感不會(huì)波動(dòng)、兼?zhèn)淦渌δ艿鹊?。因此，教育服?wù)機(jī)器人現(xiàn)階段的目標(biāo)應(yīng)該是輔助授課，優(yōu)先設(shè)計(jì)研發(fā)教育輔助機(jī)器人并推廣應(yīng)用。教育輔助機(jī)器人應(yīng)兼顧成本效益及可行性，具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括以下方面：

1.1 應(yīng)用目標(biāo)

（1）各類(lèi)教育機(jī)構(gòu)能接受的購(gòu)買(mǎi)或租用價(jià)格;

（2）功能上能滿(mǎn)足教育機(jī)構(gòu)的基本使用，使其在運(yùn)營(yíng)上能夠節(jié)省成本;

（3）功能上能提升教學(xué)質(zhì)量，有助于推動(dòng)教學(xué)改革;

（4）外觀上能被大多數(shù)人接受，評(píng)價(jià)正面;

（5）使用機(jī)器人不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備重復(fù)建設(shè)，不會(huì)產(chǎn)生較大浪費(fèi)。

1.2 功能目標(biāo)

（1）能連接課程資源庫(kù)，能承擔(dān)各種專(zhuān)業(yè)課程的授課;

（2）能進(jìn)行視頻、語(yǔ)音授課（手部操作示范類(lèi)授課由于技術(shù)不成熟及成本過(guò)高暫不考慮）;

（3）能連接利用原有教學(xué)場(chǎng)地設(shè)備，降低設(shè)備自身成本;

（4）出于成本考慮，不設(shè)置自動(dòng)移動(dòng)功能，尺寸盡量小巧;

（5）能錄音錄像，記錄課堂情況并分析;

（6）能識(shí)別語(yǔ)音及影像，能與教師、學(xué)員互動(dòng)交流。

2 教育輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 硬件部分的設(shè)計(jì)

硬件部分的設(shè)計(jì)是充分考慮成本限制及功能適用的前提下，以小巧實(shí)用為原則。考慮放置于講臺(tái)等一定高度的桌面上使用，一人即可隨意搬動(dòng)。硬件主要包含四個(gè)部分：

（1）主機(jī)：包含CPU、主板、顯卡、存儲(chǔ)、供電、散熱等部件。

（2）可分離式平板電腦：觸摸式屏幕，可作為主機(jī)顯示器使用，可與外接投影同屏顯示。也可獨(dú)立顯示并操作，作為主機(jī)的控制器。

（3）輸入輸出接口：包括各類(lèi)型USB數(shù)據(jù)接口、HDMI等音視頻數(shù)據(jù)接口。

（4）監(jiān)控及感應(yīng)：包括攝像頭、麥克風(fēng)及相關(guān)感應(yīng)器。

2.2 軟件部分的設(shè)計(jì)

軟件部分分為課程資源庫(kù)平臺(tái)與教學(xué)交互軟件兩個(gè)部分。

（1）課程資源庫(kù)平臺(tái)

人類(lèi)教師術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻，但也受制于自己的專(zhuān)業(yè)。而課程資源庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人講授不同專(zhuān)業(yè)的課程，這是使用機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)勢(shì)之一。課程資源庫(kù)包含三個(gè)方面的內(nèi)容。一是課程教學(xué)視頻，真人授課、動(dòng)畫(huà)、實(shí)操錄像等都可以，形式不限。二是題庫(kù)及答案，包括課堂提問(wèn)、小測(cè)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、考試等。三是答疑數(shù)據(jù)庫(kù)，包含各類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題及答案。三個(gè)方面的內(nèi)容按每門(mén)課程進(jìn)行分類(lèi)，供機(jī)器人進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)并調(diào)用數(shù)據(jù)。

（2）教學(xué)交互軟件

教學(xué)交互軟件包含三個(gè)方面的內(nèi)容。一是系統(tǒng)軟件：采用現(xiàn)有的Windows或Android系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，用于支撐整個(gè)體系。二是輔助工具：這部分可由用戶(hù)自行根據(jù)需要安裝，如辦公軟件、圖片處理軟件、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、常用即時(shí)通訊工具等等。三是交互軟件：包含課程管理、教學(xué)安排、音像識(shí)別、錄音錄像、統(tǒng)計(jì)分析、授課監(jiān)控等，這部分是教學(xué)輔助機(jī)器人工作的核心。四是其他工作軟件，這部分按照用戶(hù)選擇進(jìn)行安裝，如人工智能安防軟件等，主要用于機(jī)器人的多功能化。

2.3 外觀的設(shè)計(jì)

雖然在數(shù)據(jù)調(diào)研中，選擇服務(wù)機(jī)器人像真人的比例比較高，但并不適合本方案的尺度使用。本方案采用了卡通化的形式。整體形象以學(xué)習(xí)者的成功形象為參考，采用了學(xué)位服的形式，眼部參考了代表文化知識(shí)知性形象的眼鏡進(jìn)行抽象處理，加入西裝領(lǐng)帶提煉的元素，更成熟穩(wěn)重。整體形成一個(gè)可愛(ài)的博士精靈的形象。

攝像頭隱藏在領(lǐng)帶中，眼睛為顯示屏用于表現(xiàn)神情，博士帽實(shí)際上是平板電腦（平板電腦部分可取下使用），博士帽的帽穗是USB接口延長(zhǎng)線(xiàn)。

3 教育輔助機(jī)器人的應(yīng)用方案

3.1 課程資源庫(kù)平臺(tái)建設(shè)

首先，課程資源庫(kù)平臺(tái)建設(shè)要根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行的要求制定課程資源標(biāo)準(zhǔn)，例如視頻的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、題庫(kù)與答疑庫(kù)的文本格式等，要提供詳盡的標(biāo)準(zhǔn)要求與格式模板。其次，應(yīng)組織專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行課程資源的建設(shè)，包括優(yōu)質(zhì)的授課教師、專(zhuān)業(yè)的視頻拍攝與制作團(tuán)隊(duì)等。同時(shí)，機(jī)器人的課程資源庫(kù)平臺(tái)的建設(shè)，應(yīng)考慮與現(xiàn)有的各類(lèi)精品資源課程平臺(tái)形成共享關(guān)系，引導(dǎo)與支持現(xiàn)有平臺(tái)課程的資源進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的對(duì)接。

3.2 教育輔助機(jī)器人的課堂應(yīng)用

本教育輔助機(jī)器人方案，可考慮獨(dú)立授課，也可以采用人機(jī)搭配授課的形式。

1. 獨(dú)立授課模式：

由教學(xué)管理人員設(shè)定好班級(jí)人員，在課程資源庫(kù)選擇好課程，設(shè)定好授課視頻播放次序，設(shè)定好每段視頻播放完成后互動(dòng)答疑時(shí)間，安排好對(duì)應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的測(cè)試題目。課堂實(shí)施階段，由機(jī)器人連接課室投影及音響設(shè)備。首先進(jìn)行點(diǎn)名，可使用人像識(shí)別，也可以模仿真人教師點(diǎn)名應(yīng)答。課程授課首先播放錄制好的教學(xué)視頻。然后機(jī)器人根據(jù)答疑庫(kù)回答學(xué)員疑問(wèn)。不能解答的問(wèn)題，由機(jī)器人將錄制好的問(wèn)題反饋給負(fù)責(zé)課程建設(shè)的專(zhuān)業(yè)教師，教師解答后通過(guò)郵件等渠道反饋給提問(wèn)的學(xué)員，并在下一次課進(jìn)行全班反饋。每次課結(jié)束前可根據(jù)預(yù)設(shè)安排測(cè)試，形式可以多樣化，例如機(jī)器人點(diǎn)名提問(wèn)，以判斷題或選擇題的方式進(jìn)行檢測(cè)，或通過(guò)屏幕投影二維碼，學(xué)員掃碼答題。機(jī)器人將學(xué)員學(xué)習(xí)檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)分析并將結(jié)果反饋給教學(xué)管理人員及負(fù)責(zé)課程建設(shè)的專(zhuān)業(yè)教師。在教育輔助機(jī)器人獨(dú)立授課期間，要同時(shí)設(shè)定好各類(lèi)緊急情況呼叫的設(shè)定，教學(xué)管理人員也要通過(guò)機(jī)器人配置的攝像頭監(jiān)控課堂情況，及時(shí)處理突發(fā)情況。

1. 人機(jī)搭配授課：

人機(jī)搭配授課針對(duì)更復(fù)雜情況的課堂，例如老年人、兒童課程或者是手工操作性強(qiáng)、涉及教具耗材較多的課程。這里指的“人”，不是指專(zhuān)業(yè)教師，而是教學(xué)管理人員或助教，這類(lèi)人員并不需要特定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)或?qū)I(yè)技能。能讓輔助教學(xué)機(jī)器人在非專(zhuān)業(yè)輔助人員的協(xié)助下完成專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)，才是輔助教學(xué)機(jī)器人方案的優(yōu)勢(shì)所在。一名普通工作人員在機(jī)器人協(xié)助下完成各種專(zhuān)業(yè)類(lèi)別的課堂教學(xué)，能解決很多教育機(jī)構(gòu)最重要的師資問(wèn)題。

人機(jī)搭配授課的過(guò)程與機(jī)器人獨(dú)立授課相近，教學(xué)管理人員主要承擔(dān)課堂管理工作。在人機(jī)互動(dòng)方面，教學(xué)管理人員根據(jù)課堂學(xué)員實(shí)際情況，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人授課的進(jìn)度，發(fā)布對(duì)各環(huán)節(jié)的起始及暫停指令，同時(shí)完成收發(fā)教學(xué)耗材及用具等機(jī)器人不能完成的工作。教學(xué)管理人員在課堂上與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)，引導(dǎo)課程的開(kāi)展，也可以活躍課程的氣氛。在面對(duì)學(xué)員的層面，教學(xué)管理人員要引導(dǎo)學(xué)員按機(jī)器人的運(yùn)行次序開(kāi)展學(xué)習(xí)，協(xié)助學(xué)員與機(jī)器人開(kāi)展互動(dòng)交流，管理課堂紀(jì)律，并協(xié)助學(xué)習(xí)有困難的個(gè)別學(xué)員完成機(jī)器人布置的教學(xué)指令。

3.3 教育輔助機(jī)器人的成本控制

成本問(wèn)題是服務(wù)機(jī)器人在教育領(lǐng)域發(fā)展的最大障礙。有效地降低成本，才能盡快發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)教育領(lǐng)域信息化、智能化的深入發(fā)展，提高教育的質(zhì)與量。充分利用現(xiàn)有資源，挖掘設(shè)備潛力，是教育輔助機(jī)器人從開(kāi)發(fā)到應(yīng)用要遵循的原則。

（1）課程資源庫(kù)的建設(shè)是教育輔助機(jī)器人建設(shè)投入規(guī)模最大的內(nèi)容。課程內(nèi)容的質(zhì)量與數(shù)量，直接影響機(jī)器人的授課能力。因此，課程資源庫(kù)的建設(shè)，要盡可能依托現(xiàn)有的各類(lèi)課程資源平臺(tái)，與各級(jí)政府、院校及商業(yè)課程平臺(tái)建立資源共享關(guān)系。通過(guò)合作協(xié)議，將現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)課程資源加以調(diào)整使其適用于機(jī)器人平臺(tái)。通過(guò)按使用次數(shù)付費(fèi)等方式，無(wú)論是院校等教育機(jī)構(gòu)的公共開(kāi)放教學(xué)資源，還是企業(yè)的付費(fèi)網(wǎng)絡(luò)課程資源，都多了一個(gè)可產(chǎn)生收益的渠道。而對(duì)于機(jī)器人的課程資源庫(kù)建設(shè)來(lái)說(shuō)，則大大降低了前期的資源開(kāi)發(fā)成本。

（2）教育輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)在成本控制上主要包括兩個(gè)方面，一是放棄部分非核心功能，二是將目標(biāo)定位在現(xiàn)有成熟技術(shù)的整合上。

教育輔助機(jī)器人首先放棄了手部功能，因?yàn)闄C(jī)器人手部仿真技術(shù)還未達(dá)到可以模擬真人在手工類(lèi)課程的操作。然后放棄了機(jī)器人自走功能，這樣機(jī)器人的尺寸就可以盡量縮小。這兩大功能取消，即取消了大量的機(jī)械類(lèi)部件，而且尺寸得以小型化，無(wú)論開(kāi)發(fā)成本、生產(chǎn)成本還是維護(hù)成本都將大大降低，而授課功能并沒(méi)有太大的缺失。

教育輔助機(jī)器人利用現(xiàn)有成熟技術(shù)進(jìn)行整合。設(shè)備基礎(chǔ)源自臺(tái)式電腦及平板電腦的整合，影像識(shí)別與分析等功能可來(lái)源于智慧教室使用的軟件系統(tǒng)，語(yǔ)音識(shí)別及應(yīng)答同樣是較為成熟與普及的技術(shù)。成熟設(shè)備及技術(shù)的使用，可以有效地降低研發(fā)與生產(chǎn)成本。

（3）教育輔助機(jī)器人在應(yīng)用上考慮多用途化，通過(guò)多種途徑及方式降低運(yùn)營(yíng)成本。

一方面，將機(jī)器人作為廣告投放終端，通過(guò)與廣告企業(yè)合作，在課間休息等非授課時(shí)段，可以播放經(jīng)過(guò)相關(guān)機(jī)構(gòu)審核的廣告。廣告以不造成學(xué)員反感為界限，并針對(duì)學(xué)員年齡層次進(jìn)行廣告投放，使廣告盡量貼近客戶(hù)需求。在廣告投放過(guò)程中教育機(jī)構(gòu)及時(shí)監(jiān)控受眾對(duì)廣告的反應(yīng)，觀感不良的及時(shí)撤換。廣告投放的收益可作為機(jī)器人使用的補(bǔ)貼，付費(fèi)方式可以多樣化，降低機(jī)構(gòu)使用機(jī)器人投入的成本。

另一方面，機(jī)器人也可以協(xié)助從事其他工作?？梢愿鶕?jù)需要安裝監(jiān)控軟件或其他問(wèn)答數(shù)據(jù)庫(kù)辦公軟件，非授課時(shí)段機(jī)器人可以在機(jī)構(gòu)前臺(tái)提供咨詢(xún)服務(wù)功能，以及在非工作時(shí)間起到安防監(jiān)控的作用。由于機(jī)器人本身具備計(jì)算機(jī)功能，在安裝相應(yīng)辦公軟件后，也可以在需要的時(shí)候當(dāng)作工作電腦使用。

本文系廣州市社區(qū)教育服務(wù)指導(dǎo)中心2018年社區(qū)教育項(xiàng)目《基于社區(qū)場(chǎng)景的教育服務(wù)機(jī)器人交互設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用》（項(xiàng)目編號(hào)：2018SQJY013）的研究成果。

（作者單位：廣州城市職業(yè)學(xué)院）