国外教育机器人辅助语言学习研究：认知激活与情感驱动

尚巧巧 王晶莹 伦应杰

摘 要：本文系统分析了国外教育机器人辅助语言学习的研究，发现其内容涵盖两个方面。第一是对参与者语言学习结果的认知激活，第二是侧重于对情感方面驱动作用研究。前者的研究以词汇学习为主，还包括如阅读、口语和语法等其他技能;后者关注教育机器人对学习动机的积极影响、教育机器人辅助语言学习的新颖性效应和教育机器人社会行为的复杂性。目前我国的教育机器人辅助语言学习领域研究尚处于萌芽阶段，国外的研究为我国该领域的推进带来了重要启示：探索不同语言学习主题的最佳方式、提高学习兴趣与动机和与教育机器人个性化互动。

关键词：AI;教育机器人;语言学习;认知激活;情感驱动

人工智能（Artificial Intelligence，以下简称AI）是继蒸汽技术、电力技术、计算机及信息技术革命之后的第四次科技革命的核心驱动力。随着新技术的飞速发展，AI不仅被广泛应用于制造、金融、交通、医疗等行业中，还越来越多地被应用于日常生活与教育中，得到了全社会的持续关注，并被提升到国家教育战略的高度。《教育信息化2.0行动计划》提出要加强智能教学助手、教育机器人、智能学伴、语言文字信息化等关键技术的研究与应用。AI技术的应用是信息技术辅助语言学习的最新形式，在计算机和手机/平板电脑等移动终端的信息技术支持环境存在的同时，AI技术促使语言学习研究与实践进入了交互和多元发展的时期。智能教学系统以其信息灵活的反馈、真实的语言情境学习和积极的学习者激励等特征，在教与学的过程中发挥着重要的作用[1]。教育机器人作为AI时代的智能设备，是机器人在教育领域应用的典型代表，是指具有辅助教学、管理教学、处理教学事务乃至主持教学等功能的机器人，它具备教学性、人机友好性、高智能性、自主性、知识丰富性、多功能性、多形态性、专业性和安全性九大特点[2]。教育机器人的出现推动了计算机辅助语言学习融入AI技术的变革。基于计算机的讲授、操练、模拟和工具四大类型的信息化教学手段受到了来自机器人的挑战。本论文将系统分析教育机器人辅助人类语言学习研究，进一步明晰该新兴领域的研究方法和策略，为我国教育机器人辅助人类学习的后续理论和实证研究提供启示。

一、研究背景

随着现代信息技术的不断发展，技术支持下的语言学习研究成为热门领域，涵盖语言教学软件开发、语言教学材料设计、语言学习环境创设、语言教学模式变革、语言学习结果反馈等新兴主题。越来越多的学者开始将教与学的信息化看作是突破语言学习发展瓶颈的重要途径[3]，技术不仅能作为语言学习的辅助工具，还能促进语言能力高效提升。自20世纪80年代以来，信息技术的更迭创新与持续提升，使得计算机辅助语言学习（Computer-assisted language learning，Call）、移动终端辅助语言学习（Mobile-assisted language learning，Mall）等领域在过去的几十年里发展成为全球语言学习研究的热点与核心领域[4]，近年来，人工智能支持的语言学习正在悄然兴起。人工智能支持的语言学习是指以人工智能设备为辅助工具的语言学习，这些设备能智能地帮助人们完成交际任务，实现人与人、人与知识、人与环境进行交互的社会功能[5]。与语言学习紧密联系的智能辅助工具非常多，可以分为三类：教育机器人、专业软件和综合平台，这三类智能工具辅助下的语言学习统称为智能语言学习（Artificial intelligent language learning，Aill），区别在于其智能程度的不同，教育机器人的智能化程度最高，能够发挥出巨大的潜力。

人工智能、语音识别和仿生科技等是教育机器人未来发展的关键技术，是评估其应用价值实现的重要标准[6]。北京师范大学智慧学习研究院在2019年发布的《2019全球教育机器人发展白皮书》中提到，语言学习是用户群体对教育机器人的重要需求[7]。在国外母语教育和外语教育中，教育机器人也越来越多地担任导师的角色。机器人辅助语言学习（Robot-assisted language learning， Rall）领域发展迅速，AI技术的应用带来了语言学习的方法论突破与技术实践的应用创新。国外教育机器人辅助语言学习的研究涵盖两个方面的内容：一方面是对语言学习结果的影响，涉及词汇学习、语法技能、阅读技能和口语技能等;另一方面是情感作用的研究，探讨教育机器人如何影响学习者的动机、教育机器人的新颖性以及教育机器人的社会行为对学习者的影响。目前，我国教育机器人在辅助语言学习应用方面处于实践先导，教育研究则与国外存在一定差距，相关研究仍处于起步阶段，实践方面虽已呈现出巨大潜力，但尚未转化为系统科学的教育策略与行之有效的研究模式。因此，对外国教育机器人辅助语言学习的研究进行系统性综述分析显得尤为必要。

二、教育机器人辅助语言学习对认知结果的影响

教育机器人是为了更好地促进学生的“学”和教师的“教”而研发的，它的出现并不是为了取代人类教师，对教育机器人的研究可以丰富人类在认知和行为等领域的已有经验。整体来看，教育机器人辅助语言学习对学习结果的影响是积极的，在辅助词汇学习和口语技能方面存在差异性结果，而在语法技能、阅读技能方面均表现出良好的辅助效果。

（一）教育机器人有效辅助词汇学习

纵观国际上教育机器人辅助语言学习的研究，三分之一的数量集中在词汇学习领域，研究对象多为学龄前儿童或刚入学的儿童。词汇是一切语言学习的基础，无论学习者处在母語还是外语的听、说、读、写活动过程中，都需要掌握一定的词汇。缺乏词汇练习成为学生学习语言的重要阻碍。教育机器人的出现，使其与教师、学生三者之间有机地融合，形成了一种新的教学模式。部分学者发现学生在此种教学模式中学习的单词数量有限，但是多数学者仍然认为儿童是否与教育机器人互动以及互动的时间长短是影响学习结果的直接因素，只有持续互动的儿童才能取得较好的学习效果。对日本儿童通过与教育机器人互动来学习英语的研究也表明，与教育机器人互动较少的儿童学习收获较少。此外，儿童的投入度也是影响词汇学习的重要因素，互动中足够的认知和情感投入能够大大提高儿童学习词汇的效率。

（二）教育机器人促进语法学习

教育机器人在辅助人类不同语言技能学习时存在着成效的差异。教育机器人对语法学习有促进作用。教育机器人虽然对辅助儿童外语语法学习有促进作用，但是其教育状态对儿童也有较大影响。肯尼迪等人发现，教育机器人对以英语为母语的儿童在法语文章中“le”和“la”的学习中产生积极影响①。教育机器人教给8岁到9岁的儿童三条法语的语法，提高了儿童对法语文章的理解，并且在一周后测试学习效果时得以维持[8]。在另一项研究中，赫伯格等人调查了教育机器人辅助儿童学习语法的情况，教育机器人分别呈现出注视儿童和不注视儿童的两种状态，这一过程中儿童均从教育机器人身上学会了语法，但教育机器人如果一直注视他们，儿童的表现会变得更差[9]。该发现的一个可能解释是，教育机器人并没有表现出有效的社会存在性，其存在或许给儿童增加了压力，从而使他们的表现更差。这一结果表明教育机器人的行为会以意想不到的方式影响儿童的学习。

（三）教育机器人有效辅助阅读学习

阅读是运用语言文字获取信息、认识世界、发展思维、获得审美体验的重要途径，阅读教学可以培养学生感受、理解、欣赏和评价的能力[10]。教育机器人在支持学生阅读技能的提升方面有着很大的潜力，学龄前儿童在教育机器人辅助母语学习环境中的故事制作、故事理解和词汇识别技能方面比传统学习环境中的进步更多。有学者分别通过教育机器人和平板电脑辅助学生的早期母语阅读，两组学生在识字测试中的理解能力、讲故事能力、故事复述能力和词汇识别能力方面均有所提高，与使用平板电脑相比，得到教育机器人辅助学习的儿童在讲故事能力、词汇识别能力和故事复述能力方面的进步更大[11]。在标准化英语阅读测试中，教育机器人辅助课堂中的儿童的学业成就表现优于传统课堂，这一助教的存在对儿童英语阅读技能产生了积极的影响。

（四）教育机器人辅助口语训练的效果各异

外语语言培训的范围会对学习结果产生影响，覆盖听力、阅读和写作等多方面的培训中仅针对口语技能的培训存在着显著差异。韩国的一项旨在提高英语口语和听力技能的研究发现，在与教育机器人互动后，虽然儿童的外语听力技能没有提高，但其口语技能却大幅提升，体现在发音、词汇、语法和沟通能力等四个方面[12]。在比较教育机器人辅助教室与传统教室对中国台湾儿童外语口语教学的研究中也发现相似的结果，研究表明，与传统教室相比，教育机器人辅助教室中儿童的口语技能更高[13]，而有学者则认为教育机器人辅助课堂上的儿童在外语听力上优于传统课堂，但在外语口语上没有显著优势[14]。

三、教育机器人辅助语言学习对学生情感的影响

教育机器人辅助语言学习对学生情感的影响体现在学生出现新奇效应、学习动机受到影响和展现复杂的社会行为等方面。教育机器人对学生学习语言的动机具有促进作用，这可能部分源于教育机器人的新奇效应，但对学生的社会行为方面的作用则较为复杂。

（一）新奇效应的影响与有效维持

教育机器人对用户使用兴趣的激发会产生所谓的新奇效应，即学习者享受新技术的兴趣会导致更好的学习结果，一旦学习者习惯了这项技术，相关的兴趣和动力就会消失。肯达等人在外语词汇学习的研究中发现，儿童希望与教育机器人互动的期望会在两周内迅速减少，这会减弱其学习效果。在他们的研究中，只有继续使用教育机器人的儿童才能获得较好的学习成效，但是儿童持续的互动并非出于持续的兴趣，而是出于对教育机器人的怜悯[15]。教育机器人在英語课上协助老师参与一些活动，如讲故事、回答问题、手势游戏和发音练习。学生对与教育机器人合作的兴趣也出现了类似的下降[16]。同样，在一项学龄前儿童使用教育机器人学习英语词汇的研究中，三个阶段的任务参与度逐渐下降，但并没有影响学习效果，儿童在后续课程中学到的知识甚至比之前更多[17]。还有研究者发现与教育机器人一起工作会使其学习兴趣的持续时间更长。有学者研究发现，教育机器人独立地与儿童互动可以使其保持注意力，这在年龄较小的儿童身上也有效，儿童并没有对教育机器人失去兴趣[18]。综上所述，需要进一步围绕特定主题和技术开发教育机器人辅助语言学习的对标课程和监测机制，以维持儿童的学习兴趣，并使儿童随着时间的推移仍旧享受与教育机器人的互动，以便使教育机器人成为有效的学习伙伴或导师。

（二）教育机器人对学习动机产生积极影响

教育机器人不仅会影响学生语言学习的结果，也会影响他们的学习策略和动机。国外研究通过将教育机器人辅助教室与传统教室进行比较，将教育机器人与其他类型的技术和真人教师进行比较，得出共同的结论，即教育机器人通常对学生的学习动机有积极的影响。儿童在阅读、唱歌和回答问题上的参与度更高，尤其是在教育机器人的帮助下参与阅读的积极性空前高涨。许多研究发现教育机器人辅助教室的学生学习动机高于传统教室，教育机器人提高了学习者自我报告的满意度、兴趣、信心和动机。艾姆勒等人发现教育机器人辅助9岁至11岁儿童学习外语词汇比通过传统纸质词汇表更具有积极的学习成效[19]。对口语技能研究发现，与教育机器人一起学习的儿童比在传统课堂学习的儿童表现出更高的自信、动力和参与度[20]。艾莱米等人在外语词汇学习的研究表明，学生对教育机器人的辅助学习感到特别愉快，比传统课堂上的学生学习更快、学到的知识更多，并且有更好的持续性收获[21]。此外，教育机器人对学生学习动机的影响比平板电脑或网络程序等其他类型的技术更为积极。另一项研究也指出，14岁的学生在英语对话课上使用教育机器人相较于使用电脑有更高的参与度，而且对学业结果更满意[22]。

（三）教育机器人展现学生社会行为的复杂性

教育机器人可能会因为学生的性别而对其产生有利或不利的社会性行为影响，这一发现说明教育机器人的社会性行为会由于学生特征的不同而对任务兴趣和学习效果产生复杂的影响，也可能因为学生的性别而对其产生有利或不利的社会性行为影响。在梅尔别科夫等人的研究中，实验人员用输赢来评估教育机器人犯错误是否会使儿童在学习过程中感到更舒服。研究发现，女孩从获胜的教育机器人身上学会的词汇是男孩的两倍，而男孩从失败的教育机器人身上学会的词汇是女孩的两倍[23]。这表明男孩和女孩在同理心或竞争力上存在差异，他们在理解教育机器人的输赢时与其互动的方式是有差异的。一个具备社交行为的教育机器人可以提升孩子对学习任务的参与度，但同时，教育机器人的社会性行为会分散儿童的学习注意力，从而导致学习效果变差。此外，结果可能会因为学习者的社会文化背景而出现差异，不同的环境会影响儿童对教育机器人行为的个体反应。

四、研究启示

综上所述，教育机器人与大多数其他形式的信息技术辅助教学相比，其重要优势在于为学习者提供了与现实生活环境互动的机会，这是语言发展的重要因素。教育机器人可以支持更多的自然互动，它们的外观通常是人形或动物的形状，其可以使用凝视、指点等非语言的暗示让儿童感到更真实可信。目前我国的教育机器人辅助语言学习领域研究尚处于萌芽阶段，国外的综述性研究将为我国的理论和实践提供启示。

（一）探索不同语言主题的最佳学习方式

教育机器人辅助母语和外语学习的效果具有一定的复杂性。大多数的研究集中在词汇学习上，需要更多的研究来确定教育机器人最有效的角色、教育机器人最有益的年龄组以及词汇学习的最佳次数。对于阅读技能、语法学习及口语技能的研究应该具有多样性，以评估最有效的教育机器人行为、教育机器人互动能力等方面的差异，或者探索通过平板电脑或其他显示词汇或规则的设备与教育机器人相结合的辅助学习方法。同时应当进一步研究当教育机器人和学习者一起练习口语技能时，教育机器人需要具备的如语音识别、自然语言生成等技能。但是与大多数技术相比，教育机器人的重要优势仍然限于理论，技术上的局限性阻碍了这些可能优势的有效实现，需要通过技术更新来充分挖掘教育机器人的潜力，并将这些理论优势付诸实践。

（二）提高儿童语言学习的兴趣与动机

人们在使用技术进行语言学习的内在动机方面存在差异。后续研究可以进一步调查学生与教育机器人合作的内在动机，以及教育机器人对动机的积极影响是否有利于學生的语言学习，探索其具体的影响机制。提高和保持学习者的兴趣是与教育机器人成功互动的重要前提，因此，在今后的教育机器人辅助语言学习研究中，有必要采取遥控机器人的方案，以使教育机器人的言语和行为适合儿童的特定行为。目前，人工智能、视觉识别系统和自动语音识别系统显然还不具备相应技术，以保持儿童对教育机器人的持续兴趣、自主地与教育机器人互动。为了提高或维持学习者的兴趣而采取的行为可能会因目标群体而异，教育机器人的行为应该集中在其受众身上，随着时间的推移，教育机器人可能会产生新的更具适应性的行为。

（三）提倡儿童与教育机器人的个性化互动

个性化学习是当代教育领域积极倡导的学习理念和模式，也是未来教育的发展趋势。教育机器人辅助语言学习以建构主义为基本指导理论，强调以学习者为中心为其提供良好的学习环境与优化的学习策略。因此，教育机器人辅助语言的学习必须是实现从教到学范式转型的能动学习。儿童与教育机器人互动的个性化是未来重要的研究方向。目前，教育机器人还不能达成最理想的方式监控孩子的理解力等认知表现，以及适应个别孩子的辅导策略。因此，要促使教育机器人进一步获得“真正”的适应能力，让其根据孩子的理解来调整自己的课程和行为，获得更趋个性化的辅助学习方案，对技术的革新提出了更高的需求，还有待于人与机器学习理论的进一步发掘来实现。