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【天富娱乐代理】将社交机器人应用到夏令营中供孩子们学习

社交机器人正逐渐被纳入教育体系。然而,在课外环境中,如夏令营,教育机器人通常是为了教授STEM相关的材料而融入的。研究者研究了一种新颖、易用、可扩展的机器人平台对社交机器人融入夏令营的影响。为此,研究者比较了两种截然不同的机器人形态,即新颖的、非商业的、3D打印的、类似木偶的、低成本的Patricc和常用的人形的、外观硬朗的、高成本的、复杂的Nao,在一个夏令营三周的课程中,向多达9个孩子的群体提供单词形态相关活动的能力。研究者提出了定量的结果和对整合过程的定性见解。研究者的结果表明,孩子们令人印象深刻的学习成果并没有受到他们与哪个机器人平台互动的影响。这表明,无论机器人的形态如何,幼儿与社交机器人的教育夏令营活动都是有效的。本文以“Learning in Summer Camp with Social Robots: A Morphological Study”为题于2020年8月28日发布于《International Journal of Social Robotics》杂志上。

《【天富娱乐代理】将社交机器人应用到夏令营中供孩子们学习》

实验背景与研究

教育机器人在教育系统中经常被用作教授科学、技术、工程和数学技能的工具。它们是为学习计算机科学和工程课程而建立和编写的。另一方面,社会机器人的目标在于社会领域,它们与人类的互动是其编程和功能的重点。它们在教育领域的潜在贡献可能特别大;考虑到教育领域的财政限制、通过小组更个人化教学的目标以及对新的创新学习方法的渴望加速了教育机器人的发展。

社会机器人导师已在不同环境下融入教育系统,但机器人在课外环境中的应用主要集中在STEM教育上。加入机器人技术的夏令营正变得越来越受欢迎,但通常不使用社交机器人来教授非STEM相关的材料。更多的情况是,社交机器人被用作营地中的同伴,例如为患有自闭症的儿童提供帮助,帮助儿童发展社交和职业技能。

此外,许多关于人类与机器人互动(HRI)的研究都以幼儿园和学龄儿童为目标的夏令营机器人活动通常是为年龄较大的孩子设计的。

由于夏令营为学习提供了重要的机会,社交机器人正在成为充满希望的教育和参与平台,研究者探索了如何在夏令营中将社交机器人集成到与教育无关的活动中。研究者的目标是在面向幼儿的夏令营活动中,使用一种新颖的、低成本的机器人平台来测试这种大规模集成的可行性。这项研究是在为期三周的夏令营期间进行的,在这个充满挑战的“野外”环境中,孩子们更习惯于以水为基础的活动,而不是学习更多“枯燥”的语言活动。

具体来说,研究者使用了两种不同的社交机器人平台,Patricc和Nao。

教5-9岁的儿童如何识别希伯来语的词根,即带有单词基本含义的辅音,通过简短的、引人入胜的活动。目前发展起来的语法教学方法并不仅仅是针对社会机器人而设计的,从理论上讲,人类教师也可以使用它,但效果不太好。一项非正式的试点研究(未在此报告)显示,对幼儿园、一年级和二年级儿童根系统的教学取得了令人惊讶的良好效果。根据这些结果,研究者与以色列教育部的高级官员进行了接触。尽管他们对结果印象深刻,但他们否认在学校中使用这种方法的可能性。主要的论点是,尽管识别根是希伯来语课程的一部分,但在实践中,教师没有深入的语法知识;因此,这样的方案是不可行的。调整社交机器人的方法是研究者解决这个内置困难的方法。

在这里提出的研究中,研究者没有直接比较人和机器人导师。相反,研究者将二年级学生的初步知识作为人类教学实践的反映,将根作为识别“单词家庭”的基础,应该在二年级结束前在学校教授,并将其与机器人平台的互动所获得的知识进行比较。

此外,研究者还考察了教育机器人与更大群体接触的能力。研究者比较了不同的机器人平台的不同形态对儿童学习进度和经验的影响。

为了评估他们的进展,研究者对希伯来人的根鉴定进行了事后定量评估。互动之后,研究者对孩子们对机器人的态度进行了定性的访谈。研究者还向营地辅导员提出了有关活动的问题,以便定性地评估儿童的设置和他们对儿童态度的看法。

研究者介绍了整合的过程,包括研究的初步设置,前后测试,活动和辅导员的调查。研究者报告了有关成功的、大规模的社会机器人导师融入夏令营环境的最相关因素的新见解。

研究者的定量分析显示,这些儿童在提取希伯来人根的能力方面取得了显著进步,而不论他们的年龄、性别、参加的次数或群体规模如何。研究者还发现,他们取得了这一进步,无论他们与哪个机器人互动最多,或按什么顺序。研究者的定性分析揭示了孩子们将来更愿意与机器人而不是人类老师一起学习根。此外,研究者对辅导员的答复进行的定性分析为如何改进这一活动提供了更多的见解。从整体上看,这些结果支持研究者将低成本、可伸缩和有效的社交机器人集成到夏令营环境中的方法。

社会辅助机器人最有希望的场所之一是儿童教育领域。近年来,这些机器人已经从实验室转移到了更自然的场景,比如学前教育、学校和儿童之家。他们被用来促进各种学科的学习,例如语言和科学。

各种机器人平台,从低成本的成套设备,如乐高头脑风暴,到高成本的类人机器人(如NAO)已被用于教育。

乐高思维风暴工具包主要用于与STEM相关的活动。相对低成本的非商业社会机器人广泛用于研究各种儿童-机器人之间的相互作用。

机器人的形态直接影响着人类对它的感知。一般期望具有拟人化特征的机器人具有更多的类人能力,而被漫画化或动物化的机器人则被期望具有较少的类人或熟悉的能力,并且可能被期望具有有限的功能。

然而,相对较少的研究直接比较了教育环境中不同的机器人平台,也没有直接证据表明高成本机器人与低成本的互动性有限的机器人相比,其对教育成果的表现力、功能性和交互性的增强。在研究者的研究中,研究者比较了非商业性、低成本、木偶般的机器人和商业的、高成本的仿人机器人的效果,以展示如何将低成本的机器人集成为教育工具,而不会对教育产生有害的影响。

机器人夏令营每年都很受欢迎,但他们的主要目的是教孩子们如何建造和编码机器人,鼓励孩子们去探索STEM领域,就像课间机器人一样。社会机器人已被用作同伴,例如,为患有自闭症的儿童提供朋友。

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研究者为夏令营选择的活动是与社交机器人一起学习希伯来语的形态特征。希伯来语的两个主要形态特征是词根和句型,两者的结合和紧密联系是希伯来语的本质。希伯来语的词根本身不是可发音的词,而是带有名词、动词和形容词的核心意义和“辅音骨架”的抽象实体,而周围的成分则有助于描绘语法和范畴意义。

明确和有意识地操纵和转换语素以改变其含义的能力称为形态觉知。由于这个原因,基于根和模式的语法似乎没有那么彻底地传授给低年级的学生。鉴于希伯来语是一种依赖于形态的语言,甚至学龄前儿童也能够无意识地行使形态意识,因此,发展希伯来语幼儿根和模式的方法应该成为一个更高的优先事项。

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图为帕特里克机器人平台,a为机械素描,b–d为帕特里克木偶服装

为了增加孩子们与机器人的接触,它被设计成一个类似人类的躯干.该机器人有8个DOF,使其能够执行类似于儿童的动作,例如凝视孩子。

实验设置是用Python编写的,使用ROS协议。研究者故意对这两个机器人使用相同的代码,这只是它们的简单、通用和表达行为不同。两个机器人都有相同的语言成分,由预先录制的希伯来语组成。Patricc的动作是使用研究者的创作工具预先记录的简单行为,包括Kinect传感器和简单的人-机器人骨架-角度转换矩阵。研究者使用了Nao的通用“解释”行为,这些行为是机器人预先编码的行为库的一部分。为了支持可扩展、易于使用的软件,研究者开发了一个简单的基于文本的行为和声音序列协议。于是,将录音分别上传到Patricc/Nao的计算机/机器人上,文该研究件列出了播放的音频文件和行为序列。这使得研究者能够轻松地改变和增加一般系统的内容,这在将设置集成到夏令营中是至关重要的。

参与者是从研究者学院的夏令营招募来的。虽然所有儿童都参加了机器人活动,但研究者只收集和分析了父母签署同意书的儿童的数据,该同意书作为夏令营相关文件的一部分分发。共有46名儿童参加了这项研究。

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图为研究流程的示意图

通过实验研究者的结论数据发现,测试前后的测试包括相同的问题,但孩子们没有收到任何一个测试的反馈或正确的答案。测试前正确答案的数量显著低于测试后(预测试)。平均而言,孩子们在测试后比测试前成功地识别出5个单词。

这里报告的研究采取了一种整体的方法,并讨论了将社会机器人融入夏令营的几个互补方面。研究者首先讨论有关夏令营设置的一般方面,然后讨论设置的规模化。机器人形态学相关的洞察力之后,在社会机器人导师的背景下讨论学习结果。

研究者已经证明,社交机器人可以成功地引入夏令营。尽管夏令营的设置与学校的互动相比带来了一些具有挑战性的条件,比如不熟悉同龄人,不熟悉夏令营时间表,不熟悉辅导员,不熟悉房间,不熟悉机器人。此外,来到夏令营的孩子们整天都在期待新奇、有趣和令人兴奋的活动。考虑到所有的新事物和对夏令营的预先设定的期望,孩子们不太容易接受一堂课的重点和规律。此外,每项活动的时间框架相对较短,并根据某一组何时到达该活动而有所不同。出勤率并不总是固定的,有些孩子与机器人的互动也不如同龄人那么多。出于这一原因,各群体也在发生变化。

因此,由于夏令营的背景,需要对学校中标准的儿童-机器人交互设置进行几次调整。所提出的活动和刺激应缩短至最多7分钟,应通过鼓励更多的运动和对不同感官的吸引力来增强互动性,并应尽量减少一届会议内活动之间的过渡。

研究者在同一个用户研究中比较了两种截然不同的机器人形态。一些质量上的差异可能是孩子们偏爱NAO的原因之一。帕特里克,尽管看上去更像木偶,但有更多的“机器人般的”动作,机器的声音是可以听到的。

在这项研究中,儿童和机器人之间缺乏充分的交互作用。这是经过深思熟虑的,因为活动的简单性和小组的规模限制了每个孩子与机器人之间的互动。

据报道,这项研究是在野外进行的,有很多限制,比如辅导员之间的复杂互动,夏令营的物理环境和机器人平台。此外,四种条件下相对较少的参与者不允许研究者进行适当的显着性检验,因此,虽然研究者的分析表明,条件之间的差异很小,但并不能显着地证实研究者的条件依赖假说。

实验结论

综上所述,研究者已经证明,社会机器人可以成功地集成到夏令营使用简单,可伸缩和低成本设置。儿童参与者在与任何一个机器人平台的几次短暂互动中获得了高而显著的学习成果。

在未来的工作中,研究者的目标是大幅度提高Patricc平台的交互性,并引入视觉和听觉感知能力,使机器人能够对儿童的表达和回答做出直接反应。此外,研究者打算在幼稚园、学校和额外的夏令营,更广泛地推行这些活动,以更好地确定研究者的设置是否具有普遍性。研究者还计划延长从机器人口中学习根的纵向效果的研究,并通过研究者的教学方法来了解学生学习根的典型方法的纵向效果,以及通过研究者的教学方法来了解信息的保留率。最后,还将调查如何让辅导员和幼儿园教师自行管理这一机构。

参考文献: Leigh Levinson, Omer Gvirsman, Iris Melamed Gorodesky, Almogit Perez, Einat Gonen & Goren Gordon     Learning in Summer Camp with Social Robots: A Morphological Study  International Journal of Social Robotics (2020)

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