现代奇趣

上课注意力不集中?以后难逃机器人导师的法眼

大家的儿时记忆不知有没有这样的印象:以前的科幻电影或动画里,总是会有个好像「导师」功能的机器人,引导着主人翁认识世界。比如说《星际大战》的 C3PO、《魔鬼终结者 2》里的阿诺终结者、哆啦 A 梦(旧译小叮噹)等,随着年纪渐长,应该会觉得这种幻想的东西做不出来吧?不过现在有人把这样的机器人导师实现了

现代奇趣2020.06.14

上课注意力不集中?以后难逃机器人导师的法眼

大家的儿时记忆不知有没有这样的印象:以前的科幻电影或动画里,总是会有个好像「导师」功能的机器人,引导着主人翁认识世界。比如说《星际大战》的 C3PO、《魔鬼终结者 2》里的阿诺终结者、哆啦 A 梦(旧译小叮噹)等,随着年纪渐长,应该会觉得这种幻想的东西做不出来吧?不过现在有人把这样的机器人导师实现了!

这个想法的契机有两点,第一点,是这几年机器人从只有专业人士才能掌握的科技,渐渐普及,而且有可能运用到学习的领域,成为帮助学生发展认知与社交技能的有利工具。特别是在孩童的早期教育中,在教室里运用机器人导师有潜力大为提高学习效率。

第二点,现代的新科技主导了学生的生活,直接影响了现代教育的两个基本目标:知识的传播和社会化。教师们终究必须学习如何运用这些科技而非排拒之,以在教室和家庭中达成学生最好的学习效果。由于我们越来越多地使用电子设备和社群媒体,学生不再像过去那样只用纸、笔与书本学习,教师也要相应地调整他们的方法(每个学生都看着萤幕控制着滑鼠跟键盘使用 CAI 教学软体,一名老师要如何知道每个学生有没有在「专心」在上课?)机器人导师可以帮得上忙吗?

来自西班牙马德里的远距离教育大学(Universidad Nacional de Educación a Distancia)人工智慧系的一组研究人员,就针对此,开发了一套用于小学教育软体的「有效机器人导师整合环境」(Affective Robot Tutor Integrated Environment,ARTIE),且在计算神经科学边界期刊(Journal Frontiers in Computational Neuroscience)上发表了他们的论文。

机器人导师如何带动教室里的学习热情?

在软硬体方面,ARTIE 整合了 Nao 机器人跟电脑上的 Scratch 平台,他们提供了丰富的函式库连贯了用 Scratch 製作的教学软体,与 Nao上面该团队开发的导师机器人软体 MONICA 。

这几年 Scratch 很红,用来学程式语言或者用来辅助正式课程的应用都有,笔者在这边就不多说。关于 Nao ,可能台湾熟悉的人比较少,笔者稍微介绍一下,它来自法国,是一个可跟人类沟通互动的机器人,本身其实就是一台会走动的「电脑」,在市场上分有研究型(提供给研究单位)跟家用型。以前其实已经有着不少以 Nao 当「老师」的应用(请看参考影片),不过多半只是噱头性的简单教学,甚至是非正规的教学(「快乐学、快乐成长」的那种)。然而 Luis-Eduardo Imbernón Cuadrado 博士和他的团队开发的这套系统,跟以往不同的是:他们是拿 Nao 来作国小正式教学里的「导师」工作。

这个导师系统的核心专注于学童的注意力上,他们归纳孩童的注意力状态为:注意力集中、注意力分散、无反应,作为影响学习的三种认知。学童操作用 Scratch 做的学习软体时,系统会监测学生的注意力状态,然后用 Nao 机器人以言语或者动作来提点。

整个机制运作流程分两部份,第一个部份是分析孩童的互动状态,主要是键盘使用和滑鼠游标控制,这个机制会精确量测教学软体丢出一个「讯号」以后,到学童用滑鼠与键盘做出回应的时间差(latency),以判定孩子当下的注意力状态甚至是可能的情绪;第二个部份,是分析收集到的数据,比对这个学生的类型以及过去的反应纪录,推断可以採用的最佳引导策略,由机器人导师来执行,包括发言提到特定的触发词以及使用手势,来鼓励学生达成特定学习标的。

第二部份其实也就是一个专家系统,在设计阶段,汇集了一群国小老师的顾问团整理的各种指导策略与技巧,也实际在一个小班两组共10位学生的电脑教学时,录製全程的学习影片以及所有的滑鼠、键盘动作,整理、归纳出不同类型学生的反应模型资料库,以及对应的可能教学策略。

上课注意力不集中?以后难逃机器人导师的法眼

 (照片经过父母同意重製传播)

机器人导师实战指导

研究人员开发了 ARTIE 跟 MONICA ,为了验证计算架构,募集了两个不同认知学习状态的小学生(志愿者)来个别测试 MONICA 导师因材施教的能耐。 一个是11岁低动机、成绩好的小男生,另一个则是8岁高动机、成绩好的小女生。那教什幺呢?就是学习 Scratch 语言本身。至于两个小朋友的教学策略,前者採「持续轰炸法」:不断引起小男生的注意,指定课题给他来引导他的学习;对后者採「放牛吃草法」:小女生自己会一直作课题,一直要到她作题目做到恍神分心了,MONICA 会再多等一下下,才鼓励她继续下去。

上课注意力不集中?以后难逃机器人导师的法眼

MONICA 导师带低动机高才能小朋友学习(照片经过父母同意重製传播)。

上课注意力不集中?以后难逃机器人导师的法眼

MONICA 导师带高动机高才能小朋友学习 (照片经过父母同意重製传播)。

测试完以后,两个小朋友都要要写问卷调查,大致上两位小小志愿者认为:比起自己操作 Scratch 软体,更喜欢旁边有 MONICA 导师「督导」。他们也认为以后可能可以跟真人导师更好相处。此外,里面有一组回答不是选择题,而是自由回答题,从他们写下的答案可以看出他们对 MONICA 老师的评价:

学生 1:高动机高才智,学生 2:低动机高才智

NAO 机器人有帮助吗?

学生 1:可以鼓励我。

学生 2:她让我动了起来。

使用过程中你最喜欢的是?

学生 1:用 Scratch 练习。

学生 2:当 MONICA 要搞笑的时候。

使用过程中你不太喜欢的是?

学生 1:MONICA导师帮不了我的时候。

学生 2:当 MONICA 导师给错答案时。

辅助下一代教师

机器人导师虽然跟真人教师不同,但某些特徵的缺乏,实际上可能是有益的。例如,机器人导师理论上不会有人种、民族、宗教等等的歧视,也不会有情绪,耐性会超级好、不会生气,可以客观地引导教学。儘管机器人导师不太可能取代人类教师,但这个团队的研究显示,机器人导师可以用传统的指导技巧来辅助教学,而分摊真人老师的辛劳,顾到所有的学生,这是非常有价值的。

然而,这个来自欧洲的研究有些前提,就是电脑与 CAI 教学已经变成是普及而正式的教具,所以这个机制如果要在台湾等东亚国家实施,可能会有一些在地的议题。

比如说在台湾,CAI 教学在学校的运用似乎还不是「那幺的正式」,可能一不小心就变成「电脑游戏课」,ARTIE 的设计,具体来说就是让 CAI 教学变成正规教学的一环,学生所有的电脑操作行为甚至脸上表情、身体的动作等,都逃不过机器导师的法眼,CAI 的教学进度变成可以被监测与掌控的。要实践这份论文的理论,一定会对教学法会有很大的变革,而在地教育体系是否能接纳呢?毕竟在各种领域当中,医学跟教育对资讯科技的引用向来是较保守的。

另外还有科技误用的担忧。ARTIE 本来的设计是为了增加学生的学习效率,让每个不同个性的学生得以接受不同适性的引导法。但是在有填鸭教育传统的东亚国家,会不会有学校把这项技术用偏,用来作「学习加速」?假设在未来,这种教学器材公发普及到各个学校,偏偏有个别的老师想要让自己班级表现比别班更好(甚至是传说中的「家长要求」),于是这个老师设定 Nao 按照每个学生的程度,给予「超频30% 」的要求,让每个学生有更大的压力,也是蛮恐怖的。毕竟传统上一个人类老师带整班,总有老师注意不到的死角可以偷懒,要是老师制订了「超群」的教学计划,还有一群铁石心肠的机器导师无孔不入地紧迫盯人,使学校变成许多机器人监管的「学习农场」,那可真像是一场恶梦了。

不管如何,终于有研究团队,认真研究如何把机器人科技应用到学校教学领域,希望这个新技术能给教学现场带来新气象啰。

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