利用人工智能实现全民学习（英）

通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育学术文章机器人2通过 AI 为所有人学习？教育机器人100篇有影响力的学术论文© 北京师范大学智慧学习研究院， 2023权利和权限本出版物根据 Attribution 4.0 International （CC BY 4.0） 许可 （https:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/） 以开放获取形式提供。请引用的工作如下:黄瑞，刘丹，陈，Y.，阿达克华，M.A.，张，X.L.，肖，G.D.，李，X.，张，J.J.，Da，T.（2023）。通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育机器人学术文章。北京： 北京师范大学智慧学习研究院. 通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育学术文章机器人3学习所有与人工智能?教育机器人100篇有影响力的学术论文 通过 AI 为所有人学习？教育机器人100篇有影响力的学术论文4 前言拥抱新时代：通过机器人技术促进教与学▍人工智能与机器人技术在教育中的应用人工智能（AI）正在迅速发展，这已经将我们带入了可以被认为是“智能时代”的时代，人工智能几乎渗透到社会的各个方面。这可以从一系列复杂的产品和服务中看出，这些产品和服务已经形成一个“人工智能生态系统”，为个人、企业和公共利益服务带来了技术的好处。2019年，教科文组织发布了《人工智能与教育北京共识》（UNESCO，2019），这是有史以来第一份就如何最好地利用人工智能技术实现《2030年教育议程》提供指导和建议的文件。2021 年，联合国教育、科学及文化组织（教科文组织）发布了《人工智能与教育：政治制定者指南》（苗等人，2021 年），共同认为，在教育中使用人工智能或“智能”机器人是利用人工智能加强教育的一种方式。在斯坦福大学发布的“积聚力量，聚集风暴：人工智能（AI100）研究小组报告”（Michael等人，2021年）中，机器人技术也被认为是人工智能最重要的进步之一，其发展部分是由于在COVID-19大流行期间支持社交距离的需要。2022年，教科文组织发布了《K-12人工智能课程：政府认可的人工智能课程地图》(2019年联合国教科文组织)指导未来政策规划、国家课程或机构学习计划的设计以及人工智能能力发展的实施战略。图1 《人工智能与教育北京共识》（左）和《人工智能与教育：对政策制定者的指导》（右） 通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育学术文章机器人5▍推进教育机器人的指导政策世界各国都发表了关于教育领域人工智能的声明。美国国家科学基金会发布了《2021 年美国创新和竞争法案》（美国，2021 年），明确人工智能被确定为一个关键领域，将成为美国应对挑战的重点。英国国防部发布了“国防人工智能战略”（英国国防部，2022 年），其中阐述了人工智能的重要性、英国政府对人工智能的战略愿景、英国人工智能发展的优势、四个战略目标以及实现这些战略目标的方法。德国政府同样在2018年发布了人工智能战略（德国，2018年）。该战略为德国人工智能技术的发展提出了三个核心目标、十二个行动领域和相关推广措施，以加快人工智能技术的开发和应用，确保德国未来的竞争力。在竞争激烈的背景下，中国国务院于2017年发布了《新一代人工智能发展规划》（中国国务院，2017年），提出了中国新一代人工智能发展的指导思想、战略目标、重点任务和保障措施。中国教育部还于2018年发布了《教育信息化2.0行动计划》（中华人民共和国教育部，2018年）和《关于推进新型教育基础设施建设和构建高质量教育支撑体系的指导意见》（教育部和中国其他六个部门， 2021 年）在 2021 年。所有这些声明都设定了教育转型和现代化的战略，通过加强智能助教、教育机器人、智能伴侣等关键技术及语言文本信息化相关技术的研究与应用。▍学习与教育机器人教育机器人是智能学习环境的重要组成部分。近年来，有机器人在教育中的应用越来越受欢迎，为教师和学生提供互动和引人入胜的方式来增强学习过程。在世界各地，各国政府正在发起旨在优化使用机器人的举措，这些机器人将人工智能纳入这个智能时代的教育。在中国，包括工业和信息化部在内的15个部门已经发布了2021年机器人产业发展的“十四五”规划。报告中提出，服务机器人和特种机器人应应用于仓储物流、教育娱乐、保洁服务、安检、医疗康复等领域。在过去的几十年里，上述每个领域都取得了科学突破和实际探索，预计这一趋势将在不久的将来持续下去。许多公开的研究强调通过机器人技术提高学习成绩和实现教学目标。将机器人技术纳入教育对于寻求提供使学生掌握二十一世纪技能所需的新颖和创新的学习方法的教育环境至关重要，例如培养和提高思维技能（Evripidou 等人，2020 年）、解决问题的技能（At- matzidou 等人，2017 年）、创造力（Nemiro 等人，2017 年）、动机（Master 等人，2017 年;Daniela & Strods，2018）和计算思维（Chen等人，2017）。机器人在有特殊需要的学生中的应用也越来越重要（Di Lieto 通过 AI 为所有人学习？教育机器人100篇有影响力的学术论文6等人，2020 年）。因此，随着如此广泛的用途，机器人产品和平台不断涌现，以满足不同的教育场景要求。在家庭中，教育机器人可用作儿童娱乐的智能玩具 机器人可以与学龄前儿童一起玩游戏，监测他们的安全和健康状况，语言学习伙伴（特别是3-5岁儿童在语言习得的关键时期），以及个人发展的学习伙伴。在课堂上，机器人可以帮助学生完成作业，被利用作为科学、技术、工程师的教具-图2 Web of Science Core（SSCI+SCI索引）中的条目编号数学（STEM）课程，并扮演助教的角色，为教师提供课前准备、课内协助和课后辅导三种服务。在培训中心，机器人可以协助特殊教育，例如为自闭症儿童提供社会援助治疗。在学校，机器人还可以扮演智能教室管理者的角色，为硬件和软件设施提供情境感知控制。在职业培训中，机器人还可以帮助工业制造培训、外科医疗培训和康复。机器人还可以为老年人提供陪伴和认知训练。总之，教育机器人满足了广泛的教育需求。他们不仅可以创新现有的教学活动，还可以创造新的教育服务。由于教育服务范围涵盖广泛的用户群体和多种教育环境，因此覆盖不同年龄段和应用场景的教育机器人市场广阔。图3 《下一件大事：全球教育机器人发展现状与趋势》（左）和《教育机器人白皮书2019：全球发展》（右） 7通过 AI 为所有人学习？教育机器人100篇有影响力的学术论文▍这本手册的目的北京师范大学智慧学习研究院（SLI）是一个致力于科学研究、技术开发和社会实验的综合性研究站，致力于推动智慧教育战略的全球参与和发展。2016年，SLI出版了《下一件大事：教育机器人的全球发展现状和趋势》，这是中国首本以教育机器人为主题的出版物。它有效地推动了教育机器人的研发，从而加快了教育信息化进程。2019年，SLI发布了《教育机器人白皮书2019：全球发展》，试图分析全球教育机器人的现状和发展趋势。本手册的主要目标是介绍最先进的教育机器人技术以及如何利用它们来促进学习。为此，在过去六年（2018-2023 年）中，我们采用了一种系统的方法来展示教育机器人领域数百篇有影响力的期刊文章的发现和讨论。为教育工作者和研究人员提供了将机器人技术纳入教育带来的潜在教育机遇和挑战，以探索使用机器人技术进行学习的最佳实践，并制定有效的解决方案来解决新出现的问题。通过分析教育机器人技术，该手册试图强调如何利用机器人技术提供健全的教学原则，这些原则对于发展当代社会所需的可转移技能至关重要。该手册为读者提供了过去六年中为教育机器人领域做出广泛贡献的主要研究机构和期刊年。此外，教育领域的流行和相关术语和理论图4 研究文章生成的词云提供Botics是为了帮助读者获得主题的背景知识。通过文献系统检索获得的百篇有影响力的学术文章，进一步分为教育机器人的七个主题领域，以突出研究人员关注的重点领域。该手册旨在指导读者理解如何利用不同类型的机器人来促进不同背景和不同学科中不同类型的学生的学习。▍承认首先，我们要向选定的100篇文章的作者表示最诚挚的感谢，包括但不限于根特大学的Tony Belpaeme，乌得勒支大学的Rianne Van Den Berghe，塔夫茨大学的Marina Umaschi Bers，麻省理工学院的Huili Chen，帕尔马大学的Olimpia Pino，西班牙国立远程教育大学的José-Manuel Sáez-López， 谢里夫理工大学的Mojtaba Shahab，他的努力极大地丰富了教育机器人研究领域。哎呀—— 8通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育学术文章机器人由于篇幅所限，本手册仅收录了40篇文章供摘录。但是，我们强调所有文章都具有很高的学术价值。我们要感谢几位专家为提高本手册的质量提出的有益意见和建议，特别是首都师范大学的范磊教授、孟菲斯大学的胡翔根教授、贝尔格莱德大学的佐兰·米尔科维奇教授、贝尔格莱德大学的丹尼米尔·曼迪奇教授、萨格勒布大学的马里奥·杜曼契奇教授， 和北京师范大学的李艳艳。我们要感谢所有参与我们访谈的专家，为本书的编写提供了坚实的基础，即清华大学的陶林米教授、首都师范大学的方海光教授、天津大学的Chungming Own教授、优必选机器人有限公司的庞建新教授、乐高教育的王康清先生和优必选机器人有限公司的崔宁先生。我们还要感谢北京师范大学的张廷雯博士和王俊秀女士，他们一直积极参与本手册项目的讨论和规划。许多人帮助我们完成了这本手册。我们要感谢那些协调编写和制作本手册的研究人员的辛勤努力，即王玉和、林兆宇、杨志超和斯蒂芬妮·霍林斯。 通过 AI 为所有人学习？100篇有影响力的教育学术文章机器人9 阅读本手册的指导方针▍定义教育机器人本手册涵盖了两种类型的教育机器人：教育机器人和教育服务机器人。教育机器人是一系列旨在协助教学活动的活动、课程、物理平台、教育资源或教育理念。通过设计、组装、编程和操作，教育机器人激发了学生的兴趣和好奇心，培养了学习者的能力。模块化机器人和机器人套件是教育机器人中的常见配件，如乐高头脑风暴，mBot是常用的教育机器人，通过动手活动进行机器人教学。教育服务机器人是具有智能的服务机器人，能够教学和学习。它们通常用于STEM教育，语言学习和特殊需求学习计划等领域的辅助和管理教学。与教育机器人中常用的产品不同，教育服务机器人具有固定的结构。此外，用户不会自行拆卸这些机器人。教育服务机器人可以是人类、动物或不同形状和大小的车辆。图5 教育机器人和教育服务机器人▍文件和用户的选择指导本手册评选的100篇有影响力的学术文章必须被高度引用，并提出前沿的提案，代表其领域，最流行。为了找到这些文章，遵循以下过程：来自Web of Science Core Collection的高引用文章首先，我们从Web of Science Core Collection中检索了数据，其中包含在线的大量资源。 10通过 AI 为所有人学习？教育机器人100篇有影响力的学术论文平台。它是众所周知的学术研究可信引用索引，包括全球不少于21，000种经过同行评审的高质量学术期刊。收录的出版物涵盖自然科学、社会科学和人文科学的250多个学科，以及各种学科的会议论文集和书籍。由于其中包含大量数据，我们将Web of Science Core Collection作为本报告中使用的主要数据来源。我们处理了从已发表的文档中收集的数据，这些数据是根据以下标准选择的：（1）出版物必须严格设计;（2）出版物必须通过可靠和有效的实证研究得出结论;（3）出版物必须在严格的同行评审程序后出版;（4）出版物必须与机器人在教育领域的使用有关。这些数据是通过在线数据库Web of Science Core Collection（包括SCIE，SSCI，A&HCI和CPCI-S的数据库）中的出版物获得的，使用术语（教育*和机器人*）