【前沿教育】AI+教育:机器人“教师”有望加入课堂教学?
  来源:科学媒介中心
2019-12-06 10:30:13

(本文由黑龙江省科协与黑龙江日报客户端联合发布)

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在日本一所小学,人形机器人“小辣椒”与学生互动(图源:Timeslive/Getty Images)

  • 周俊敏    编译

想一想,一个教室里有几十名学生,却只有一位老师在讲课。一位老师怎么能满足几十个程度不同学生的学习需要呢?非常困难!老师没有足够的时间和精力,对每一位学生进行个性化辅导。

如果能够给学校配备若干机器人老师就好了,它可以不厌其烦的讲授;它可以提供个性化讲解;它的讲解不会出错;它能讲故事、唱歌、播放视频;更棒的是它还不拿工资。

与生产中按照规则冷冰冰的执行命令的工业机器人不同,这种可以在学校里和孩子们互动的机器人被称为教育机器人”,属于“社交机器人”的一种。

训练机器人的社交自主能力

在医疗、教育、养老等领域,社交机器人具有可观的前景;可机器人一旦犯错,就要付出高昂的代价。无论从技术还是从伦理上来讲,在机器人自主性和人为控制之间寻求适当的平衡,都是社会机器人技术的核心挑战。一方面,提高机器人的自主性可以提高其工作效率,减轻人类的负担;另一方面,机器人的自主性必须受到控制,一定要使其在正当的社会规则下活动。

2019年10月23日的Science子刊Robotics上发表了题为《有人指导情境下的机器人社会自主性习得(Teaching robots social autonomy from in situ human guidance)》的文章。

来自英国普利茅斯大学的机器人专家Emmanuel Senft等人SPARC系统进行了评估。SPARC的意思是“有监督的、逐步自主化的机器人技能”,它是一种交互框架,由人来控制机器人与环境交互,从而逐步提高机器人的自主性。

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(图源:Geek.com/Aldebaran Robotics)

在SPARC系统运行中,机器人的控制器最初是一块白板。机器人不会自己行动,只由人类教师远程操作。然而一旦教师开始选择性行为,机器人就会从这些演示中学习,并采用进化策略向老师提出建议。教师可以接受或拒绝机器人的建议,并将决定反馈给学习算法,逐步完善机器策略。
SPARC系统的设计意图是尽量减少人类的干预:教师的作用是演示正确的行为,并防止错误的行为。随着机器人行为的改进,它可以更频繁地执行正确的行为,减少老师的演示和纠正。
SPARC系统的新奇之处在于其学习比较灵活:机器人可以在线学习,也可以在现实中学习,而这在之前的工作中并不常见。例如,在教育环境中,人机交互可以从二元交互(人类老师、学习儿童),转化为三元交互(人类老师、机器人、儿童),教师教机器人如何支持儿童的动态学习。
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SPARC在人机交互中的应用示意图


实证评估

在SPARC系统运行中,机器人的控制器最初是一块白板。机器人不会自己行动,只由人类教师远程操作。然而一旦教师开始选择性行为,机器人就会从这些演示中学习,并采用进化策略向老师提出建议。教师可以接受或拒绝机器人的建议,并将决定反馈给学习算法,逐步完善机器策略。
课题组在一个高维社会任务中评估了SPARC,这个任务让8-10岁的儿童通过玩游戏来学习食物网络。触摸游戏中的10只动物,必须靠消耗植物或其他动物才能获得能量,保持生存。儿童必须尽可能长时间的保持生态系统的活力。机器人通过提供建议(如记录动物的能量,或提示动物喜欢吃什么),和社交互动(如鼓励孩子)来引导孩子。
游戏的逻辑和辅导的交互,被联合建模为一个优化问题,包括210个连续输入值(最后动作、动物之间的距离等),和655个潜在输出动作(动作、手势、口头鼓励等)。在孩子与机器人互动时,一个大触摸屏显示学习活动;旁边有一位老师通过平板电脑监控机器人的学习。
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机器人与一个学生互动,人类老师在监督学习过程

研究表明,在3个多小时的时间里,机器人仅进行了25次独立的互动,就成功地学会了教育儿童所需要的基本行为。实验中的老师是从事儿童教育的,对算法实现或研究意图一无所知。虽然自主机器人行为与教师还是有些不同,但它的确很好习得了已经演示过的行为,而且对儿童有良好的影响。
综上所述,本研究证明了SPARC背后的原则,即可以通过老师的指导,使得机器人在整个教学过程中,保持适当的具有自主性的行为。
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由法国一家公司制造的目前世界上使用最多的教学机器人,售价1万美元(图源:sciencenordic/Aldebaran /Robotics)

应用前景

目前的教育机器人已经朝产业化方向发展了,虽然性能还比较初级,但随着硬件水平的飞跃,相信未来会有巨大提高。Emmanuel Senft等人的研究,展示了SPARC使机器人能够向人类学习的潜力。
不过,目前所展示的学习系统还是比较简单的,如何在更复杂、不确定和真实的环境中,保持机器人与人进行正当的交互,依然是一个需要认真考虑的问题。


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