2019全球教育机器人发展白皮书.pdf

2019 全球教育机器人发展白皮书1第一章 初衷教育机器人全景展现2近年来，在世界各国纷纷颁布机器人和人工智能战略部署的背景下，将人工智能技术和机器人运用于教育领域的实践探索越来越多。2018 年，中国发布的教育信息化 2.0 行动计划强调“智慧教育创新发展行动”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研究与应用。教育机器人作为机器人应用于教育领域的代表，将成为智慧学习环境的重要组成部分。本白皮书将所有协助进行教学或学习活动的“机器人教育”，以及具有教育服务智能的“教育服务机器人”，统称为教育机器人，如图 1-1 所示。机器人教育（Educational Robotics）是一系列的活动、教学课程、实体平台、教育资源或教育哲学，一般来说，模块化机器人和机器人套件是机器人教育中常见的辅助产品。教育服务机器人（Educational Service Robots）是具有教与学智能的服务机器人，通常被用于进行 STEAM教育、语言学习、特殊人群学习等主题的辅助与管理教学中。区别于机器人教育中常见的产品，教育服务机器人具有固定的结构，一般不支持用户自行拆装。图 1-1 白皮书的教育机器人定义背景1.1 机器人教育教育机器人教育服务机器人22019 全球教育机器人发展白皮书3文献1.2 近五年，国内外有诸多关于机器人的白皮书发布，从不同角度阐述了机器人行业的现状，对市场上现有的产品也进行了梳理。表 1-1 近五年机器人白皮书示例2019 全球教育机器人发展白皮书名称内容摘要2016 全球教育机器人发展白皮书，北京师范大学智慧学习研究院，2016此白皮书通过深入探讨教育机器人发展的相关资料，全面梳理了全球教育机器人发展现状与趋势。从教育机器人的全球重要研究机构、市场产品评测、需求调研、产业链分析及未来市场发展预测，进行全方位阐述。GIT 5G 和云化机器人白皮书，Softbank,华为、中国移动联合发布，2017此白皮书以“5G 网络和云化机器人”为核心主题，针对云化机器人概念、技术市场趋势、产业链和商业模式等进行阐述。提出云化机器人=机器人物理+连接+人工智能；深刻地分析云化架构下三大关键技术：机器人物理本体技术、AI 技术和无线通信技术，以及相关的功能和架构要求。中国机器人标准化白皮书（2017），中国科学院沈阳自动化研究所，2017此白皮书介绍国内外机器人的发展历程、现状和趋势，以及国内外机器人标准化工作的现状，全面梳理了国内外机器人相关技术标准，提出我国机器人标准化工作的推进措施。Urban Robotics and Automation，Urban Institute，2017此白皮书详细分析机器人技术和自主系统技术在支持英国城市发展中的应用。讨论机器人在城市生活各个方面的应用潜力，探索运输和社会经济影响，并着眼于如何解决机器人应用当前和未来的挑战。Artificial Intelligence and Robotics，UK-RAS Network，2017此白皮书指出人工智能将改变我们社会的未来、生活和经济。解释了 AI 的起源和过去 60 年历史演变，以及相关的子领域，包括机器学习，计算机视觉和深度学习。41.3 本白皮书通过各类资料的收集、汇总、分析及比较，为学术界、教育界、产业界提供全面了解教育机器人学术研究成果、产业现状及趋势、教育应用情况的报告。探讨教育机器人的创新应用途径，以及如何设计开发能满足各类教育服务对象需求的功能，为未来的教育机器人发展指明可能的趋势，为一线教师、教育政策制定者以及教育机器人相关企业提供相对应的参考信息。1.4 本白皮书以教育机器人为主要探讨目标，章节架构如图1-2所示。图 1-2 白皮书章节框架图目的章节框架教育机器人兴起的背景与定义呈现教育机器人的学术研究及市场与产品的发展现状了解教育机器人不同用户群体的需求情况，分析未来教育机器人的应用场景分析教育机器人设计上的主要构成和关键技术分析教育机器人的产业链框架发展及未来产业关系发展预测教育机器人市场规模、未来市场竞争态势及发展建议总结教育机器人的发展现状，并提出教育机器人的发展建议市场规模未来竞争与合作态势未来市场发展建议教育机器人的发展现状教育机器人的实践与展望背景 文献 目的 章节架构全球教育机器人主要研究机构教育机器人主要研究领域教育机器人市场产品图谱教育机器人需求分析的来源与框架教育机器人的需求项目与实现时程教育机器人的需求分析结论教育机器人的本体教育机器人的智能 教育机器人的关键技术教育机器人产业链框架教育机器人产业链的发展第一章 初衷教育机器人全景展现第二章 现状学术研究与产业发展“两足”并行第三章 需求丰富的角色与广阔的应用第四章 设计开启专用教育机器人探索之路第五章 产业齐头并进的七层链条第六章 未来千帆竞发的生态系第七章 总结实践困境与有效路径2019 全球教育机器人发展白皮书5第二章 现状学术研究与产业发展“两足”并行6在 WoS 核心合集中，1993 年至 2018 年间，与教育机器人有关的学术文献共计检索到了 3060 篇，最早的研究始于 1966 年，由 R.E.WHALLON 发表在Phi Delta Kappan的ROBOTS IN CLASSROOM,A LOOK AT AMERICAN EDUCATIONAL FACTORY-BERGEN。其中 2014 年至 2018 年间，与教育机器人有关的研究成果共 1404 篇，相比于 2012 年至 2016 年的文献总量，近 5 年有关教育机器人的研究数量开始急速增多，2017 年文献数量和被引频次达到峰值，2018 年有所回落，如图 2-1 所示。图 2-1 2014-2018 年教育机器人研究数量变化趋势本白皮书通过调研近五年与教育机器人相关的文献资料，依据各种研究机构的文献数量排名，排列出全球重要的教育机器人研究机构，如表 2-1 所示。2.1全球教育机器人主要研究机构22420142015201620172018350300250200150100500256306333285文献数量篇美国 塔夫茨大学 Tufts University英国 赫特福德大学 University of Hertfordshire法国Cte dAzur 大学 Universite Cote dAzur塔夫茨大学的工程教育和外展中心（Center for Engineering Education and Outreach）是支持将工程学融入 K-12 教育的代表国家级研究水平的机构，包含了拓展、产品、研究和工作坊四大部门。目前，其主要的项目有社区工程、乐高工程、互动学习和协作环境、教育创造者空间、学生教师外展指导计划等。赫特福德大学自适应系统研究群（Adaptive Systems Research Group,ASRG）于 2000 年创立。主要目的在于研究自闭症儿童与机器人的沟通互动是否有助于自闭症儿童与其他人的沟通交流。法国国家信息与自动化研究所在阿基坦地区设立“Poppy Education”项目，将机器人作为学习和创造力的有力工具。该项目以“Poppy”跨学科平台的全球教育转移和传播为基础，由初学者、专家、科学家、教育工作者、开发人员以及艺术家组成。表 2-1 全球教育机器人主要研究机构表2019 全球教育机器人发展白皮书7法国法国国家科学研究中心 CNRS美国佐治亚理工学院 Georgia Institute of Technology塞尔维亚贝尔格莱德大学 University of Belgrade奥地利格拉茨技术大学 Graz University of Technology意大利意大利技术研究院 IIT意大利意大利国家研究委员会CNR法国索邦大学 Sorbonne Universite国家科学研究中心是法国国内最大的科技性政府研究机构，欧洲最大的基础科学研究机构，该中心下设七个学部，其主要任务是从事对科学进步和国家经济、社会、文化发展有益的各项研究工作，促进研究成果的推广和应用，分析国内外科技发展形势，参与制订科技政策。佐治亚理工学院是University System of Georgia(USG)系统中机器人方面研究极为出色的，主要以 Gary V.McMurray 所带领的 Institute for Robotics and Intelligent Machines 为主，研究深度和广度突破了学科界限，允许从理论过渡到具有下一代机器人的强大部署系统的变革性研究。贝尔格莱德大学位于塞尔维亚共和国首都贝尔格莱德，它在高等教育和科学研究领域的主要活动是公共利益活动。其中 Mihajlo Pupin 研究所以广泛的领域而闻名，设有机器人实验室。在科学界，它以人形机器人的早期工作而闻名。格拉茨技术大学位于奥地利第二大城市格拉茨的中心，共设有 95 所研究所。工作涉及通过学校讲习班普及机器人/人工智能（AI）、为儿童和青少年学生提供机器人俱乐部、组织机器人/AI 研究营、组织机器人挑战赛、建立并实施机器人和人工智能教师培训计划、社区建设（OCG 工作组）以及与学校和其他教育机构（Kinderbro）合作。意大利技术研究院（Italian Institute of Technology，IIT）是意大利政府成立的科学技术研究中心，目前 IIT 的机器人研究群分成四个研究平台 iCub、HyQ、Walkman and Coman 与Plantoid，与教育机器人相关的是 iCub。国家研究委员会是意大利最大的公共研究机构，其使命是开展研究项目，促进国家产业体系的创新和竞争力、国家研究体系的国际化，以及为公共和私营部门的新兴需求提供技术和解决方案。索邦大学是一所位于巴黎的公立研究型大学，由巴黎第六大学（皮埃尔和玛丽居里大学）与巴黎第四大学（巴黎索邦大学）于 2018 年 1 月 1 日合并而成。机器人与系统研究所（ISIR）是由索邦大学的三个团队联合成立的多学科研究实验室，汇集了机械、自动化、信号处理和计算机科学等领域的研究人员和研究教授。8根据关键词聚类分析的结果，将教育机器人划分为 5 个类团，如表 2-2 所示。表 2-2 教育机器人主题分类教育机器人本体研究这类研究侧重对教育机器人领域的核心组成部分的阐述，如“教育”的本质和目标、“人工智能”技术、“机器人学”。这类研究主要集中在教育机器人的概念、特征、分类与相关的理论解析等方面。机器人教学角色及影响研究机器人教学角色及影响研究涉及的关键词有两类，一类是以“人形机器人”、“乐高机器人”为代表的机器人类型和角色研究，在这类研究中，有的研究者指出教育机器人通常扮演导师、同学和工具三种角色，也有的研究者认为机器人在教学中主要扮演学习对象、工具和同伴三种角色。教育机器人设计研究这类研究主要涉及“移动机器人”、“服务机器人”、“机器人设计”、“远程操控”、“编程”等关键词，这类研究侧重机器人类型、设计理念。一方面，依托特定的机器人，通过一定的程序设定或设计改造，使之能实现既定的教学目标或教学功能。另一方面，研究者致力于研发和提高机器人实现教学功能的技术设计。机器人教学实践研究这类研究的主要研究对象为儿童，研究内容涉及机器人课程设计、教育技术支持、机器人教学、机器人课程实践效果、机器人教学实践场景分析等。教育机器人应用情境研究机器人的应用情境包括两个方面，一是机器人的教学应用场域研究，排名前三的场域是一般教室、专业场域和个人场域。二是机器人的适用对象研究，K-12 教育主要涉及幼儿、小学生和中学生三类人群；特殊群体适用于各种需要医疗健康帮助的患者，如自闭症儿童；高等教育主要涉及本科生和研究生两类人群。2.2教育机器人主要研究热点类团名关键词教育机器人本体研究Artificial intelligence；Education；Robot机器人教学角色及影响研究LEGO Robot；Humanoid Robot；Computational thinking；Educational Robot；Creativity机器人教学实践研究Social Robot；Engagement；Child-robot interaction；STEM；Teaching；Learning；School教育机器人设计研究Mobile robots；Service robots；Autonomous robots；Robot design；Teleoperation；Programming教育机器人应用情境研究Imitation；Children；Autism；Human-Robot Interaction2019 全球教育机器人发展白皮书9从教育服务的对象及可能的应用场域出发，本白皮书提出两大分析框架产品分析框架和市场分析框架，可作为相关单位对未来中长期发展的策略评估依据。依据两大分析框架，本白皮书整合出全球 12 种教育机器人产品类型。产品分析框架为评估和比较教育机器人产品的教育服务能力，了解教育机器人产品的发展状况，本白皮书提出 4 个维度的产品分析框架，如表 2-3 所示。从硬件角度的“表情动作”、“感知输入”，软件角度的“机器人智能”、“社会互动”进行分析。按照功能“由弱到强”分为 5 个层级，5 代表最高水平，1 代表最低水平。市场分析框架为了解目前市场产品发展的分布状态，本白皮书提出“适用对象”与“应用场域”两个维度，从产品与用户关系的角度划分“市场分析框架”，说明市场发展现状。此市场分析框架，可作为新产品市场定位与发展策略的重要参考，如图 2-2 所示。2.3教育机器人市场产品图谱表 2-3 产品分析框架表 层级/维度表情动作感知输入机器人智能社会互动5真实表情动作仿生感知真人智能文化互动4拟人表情动作多重知觉自主学习智能多群互动3拟真表情动作单一知觉被动学习智能多人互动2自主表情动作基本信号感知预置规则双人互动1无自主表情动作无感知无智能无互动10图 2-2 十二类教育机器人产品应用情境从市场发展现状来看，首先，教育机器人产品主要集中在家庭和学校场域中使用，如家庭中的智能玩具、儿童娱乐教育同伴、家庭智能助理；学校一般教室与专用教室的远程控制机器人、STEAM 教具；专用教室或培训机构的自闭症特殊教育机器人。其次，部分产品仍处于概念性阶段，如课堂机器人助教、机器人“教师”，这类产品的功能设计仍需要市场的验证。再次，公共场所的教育机器人产品主要涉及安全教育功能。最后，专业培训上的教育机器人发展显示教育机器人应用在各领域的潜力，如工业制造培训、手术医疗培训、复健看护等。本白皮书以市场分析框架为基础，分析来自全球市场的 40 个产品，并依据产品的使用场域及扮演角色，整合出目前全球市场上 12 类产品应用情境，如表 2-4 所示。编号产品类型说明产品案例1课堂助教机器人课堂助教机器人主要用于协助教师完成课堂辅助性或重复性的工作，协助教师完成演示实验等任务。“未来教师”教育机器人2特殊教育机器人特殊教育机器人是针对有特殊教育需求的使用者设计的，可以有效改善他们的社交与行为能力。MiloQTrobotASKNAO3医疗手术培训机器人医疗手术培训机器人本质上是适用于某些外科手术的机器人，也可用于外科医生的培训。智医助理达芬奇表 2-4 十二种产品类型应用情况幼儿个人携带家庭空间学校一般教室学校专用教室学校公用空间校外培训机构专业培训场所社会公共场所小学生适用对象中学生大学生成人老人智能玩具儿童娱乐教育同伴家庭智能助理课堂机器人“助教”机器人“教师”远程控制机器人特殊教育机器人STEM 教具特殊教育机器人复健看护手术医疗培训工业制造培训应用场域安全教育机器人2019 全球教育机器人发展白皮书11根据市场情况的分析，可以得出以下结论：第一，以教育资源为基础，发展有针对性的教育服务功能，是智能机器人占领教育服务市场的致胜法宝。第二，综合应用科学、技术、工程、艺术与数学知识的新型机器人，将会成为更受欢迎的 STEAM 教具。第三，恰当的本体和外观形态是教育机器人获得使用者信赖的基础，也是教育机器人能够胜任日常教育服务活动的基础。第四，机器人的可操控性，影响着其被用户接受的程度。相关单位应充分挖掘、定位各个领域的真实需求，让使用者于所在的场域获得有效的教育服务。4复健机器人复健机器人用于康复护理、假肢和康复治疗等，助力患者恢复身体机能，功能包括辅助老年人锻炼、看护等。Care-O-bot3Care-O-bot45安全教育机器人安全教育机器人是帮助低龄儿童认识安全问题，并形成安全理念的教育机器人。Robotronics6儿童娱乐教育同伴儿童娱乐教育同伴是伴随 0 12 岁儿童成长的机器人，在与儿童玩乐与学习的过程中，达到寓教于乐的效果。阿尔法超能蛋小墨智能机器人小忆机器人7智能玩具智能玩具是一种可随身携带的电子零件，且拥有智能的玩具。主要在满足玩乐需求的基础上加入教学设计，“寓教于乐”地学习到生活、语言、社交等知识。LOBOTChiPSphero BB-8CozmoDash&Dot8家庭智能助理家庭智能助理机器人既能按一定的业务处理流程完成特定功能任务，又能根据人机交互的语义结果执行相关功能任务。悟空机器人小优机器人BUDDY9机器人“教师”机器人“教师”能根据不同的教学情境，独自完成一门课程的教学，以达到教学效果。NAO索菲亚Pepper10远程控制机器人远程控制机器人由于可以提供较好的临场感，可被应用于教育、医疗、商业领域的各种交互性的活动之中。Double RoboticsPadBotOboMing11STEAM教具STEAM 教育是融合科学、技术、工程、艺术、数学多学科的教育理念。STEAM 教具是根据 STEAM 教育理念所设计的教学工具。AELOS 小哈机器人CellRobot12工业制造培训工业制造培训类机器人本质是工业机器人，但并不用于生产线，而是用于培训能设计、安装、维护机器人，或能与协同机器人工作的各类专业人员。YuMiU 系列机器人CR-35iA12第三章 需求丰富的角色与广阔的应用2019 全球教育机器人发展白皮书13为了解教育机器人未来应用情境，获得不同群体的典型需求与需求实现时程，本白皮书通过网络问卷的形式对学生、家长、教师进行了调研，同时也结合了文献分析的方法，力图从不同的角度了解教育机器人的不同用户群体的需求情况，进而分析未来教育机器人的应用情境。依照受调查对象的身份特征，获取了 7 类视角下 9 类人群对教育机器人的需求，如图 3-1 所示。图 3-1 问卷对象-需求群体图分析结果包含需求群体、需求意愿、需求实现时程三个维度。实现时程根据技术面的成熟度分为短期、中期、长期 3 个阶段。短期指近 5 年内可能实现的需求；中期指 5 10 年间可能实现的需求；长期指 10 年以上可能实现的需求。综合上述两种数据源，总结出各个群体的典型需求与需求实现时程，如图 3-2 所示。3.1教育机器人需求分析的来源与框架问卷对象小学生中学生大学生幼儿教师小学教师中学教师家长幼儿小学生中学生大学生幼儿教师小学教师中学教师家长老人需求群体图 3-2 教育机器人需求分析方法1032 位教师、1345 位家长、857 名学生提出的有关教育机器人的需求内容：以卡片分类法依照支持对象与机器人扮演角色区分需求类别。由 ISI Web of Science 引文数据库取筛选出与教育机器人应用相关文献 230 篇，进行了研究主题与人群的交叉分析。教育机器人的典型需求与实现时程问卷调查文献分析14统计问卷调研结果，汇总不同用户群体提出的教育机器人需求内容 233 项，归纳出教育机器人可扮演的 17种角色：机器人“保姆”、机器人生活伙伴、机器人生活“助理”、机器人健康“助理”、机器人学习“助理”、机器人学习伙伴、机器人学习顾问、机器人教具（玩具）、机器人“教师”、机器人助教、机器人“助理”、老人陪伴员、机器人监护员、机器人安全教育员、机器人社会服务人员、智能家庭管控、智能教室管控。由此可见，教育机器人可深度融入以家庭和学校为主的各种教育场域，为各类用户提供丰富的教育服务。从需求内容来看，绝大部分集中在学生日常生活和学习中的陪伴与协助，此外，还包括特殊儿童的辅助、幼儿的看护、老人的陪伴、教师和家长的辅助等。以人机交互技术、机器人视觉技术、情境感知技术在内的 3 个关键技术的成熟度作为需求时程定义的准则，可确定各种角色功能中的短期需求、中期需求以及长期需求，如表 3-1 所示。3.2教育机器人的需求内容与实现时程用户群体短期需求中期需求长期需求幼儿游戏玩伴常识教育自然对话知识问答机器人“教师”情绪与心理引导幼儿照护小学生生活助手语言教育机器人教育环境与媒体管理学习时间规划游戏玩伴学习助手学习助手学科知识教学中学生生活助手学习助手语言教育环境与媒体管理学习资源辅助学习时间规划日常陪伴情绪与心理引导学科知识教学大学生生活助手移动学习助手语言教育环境与媒体管理机器人教育学习助手日常陪伴学生状态识别学科知识教学智能导学幼儿教师日常辅助提醒教学资源辅助学生状态识别机器人助教表 3-1 各类用户群体教育机器人需求2019 全球教育机器人发展白皮书15小学教师日常教学事务性工作辅助环境与媒体管理教学环境营造批改作业学生状态识别情绪与心理引导教学过程辅助教学准备辅助中学教师教学过程辅助环境与媒体管理教学环境营造日常教学事物性工作辅助辅助教师答疑批改作业学生状态识别教学过程辅助家长生活助手环境与媒体管理健康助理习惯养成辅助个人工作生活助手生活助手学科知识辅导学生健康个性引导情绪与心理引导自主学习辅助老人生活助手健康养生辅导保健运动教练安全辅导生活助手老人陪伴健康辅助与应急助手15163.3教育机器人的需求分析结论16人们对教育机器人的需求意愿较高85%的学生和 90%的教师希望拥有一台教育机器人。学生、教师与家长都清晰地表达了对教育机器人的需求，并对教育机器人使用持积极态度。英语教育与机器人教育是各学段学生都适用的需求从现在机器人的发展现状看，利用教育机器人辅助学生学习英语，确实有利于发挥教育机器人功能，又能满足部分学生学习英语的需求。伴随人工智能、编程教育、STEAM 教育的兴起，绝大部分的教师和学生都希望掌握与机器人相关的知识，因而多个群体都提出了机器人教育的需求。适用家庭的需求明显多于适用学校的需求在教育机器人扮演的 17 种角色中，除了机器人社会服务人员只是适用于社会公共场所外，其他角色几乎都具备部分适用家庭场域的特性，也就是说单纯只是适用于学校场域的角色类型非常少，只有机器人助教和智能教室管控两种角色。与学生进行对话和情感交流的需求较为突出多个群体都清晰地表达了希望机器人能够成为学生知心伙伴的需求，其中使用了诸如聊天、说心里话、疏解心理压力、进行心情陪伴、与学生情感交流、对学生进行心理健康辅导、调控情绪、做学生的心灵导师等陈述。对教育机器人按教学规律实施教学的需求较为突出辅助学生的学习或教师的教学在所有需求中占据绝对重要位置。在这些需求中，不仅提出教育机器人需要具备强大的知识储备、能对学生进行答疑解惑、实施部分课程的教学等，还对机器人应掌握教学规律提出了要求。人们的需求是教育机器人未来的发展方向整体上看，学生、教师和家长提出了较多的需求，其中的少数需求内容已经在部分教育机器人产品上有所体现，而大部分需求还未能有效实现。学生、教师和家长提出的教育机器人需求，代表了未来教育机器人的发展方向。2019 全球教育机器人发展白皮书17第四章 设计开启专用教育机器人探索之路184.1教育机器人的关键技术18通过文献分析、专家访谈、企业实地走访等方式，本白皮书汇总得出了教育机器人未来发展的三项关键技术：人机交互、机器视觉、情境感知。人机交互人机交互（Human-Robot Interaction）主要是研究人和机器人之间的信息交互或对话，是与认知心理学、人机工程学、语言学、社会学、计算机科学等密切相关的综合交叉学科。人机交互是智能服务机器人时代的前沿性、关键性技术，教育机器人作为智能服务机器人在教育领域的典型应用，其教育服务功能的设计与开发同样离不开人机交互技术。机器视觉机器视觉（Machine Vision）是利用机器代替人眼来进行各种测量和判断的技术。发展机器视觉技术可以为机器人建造视觉系统，如同人类视觉系统的作用一样，使机器人能以智能和灵活的方式对其周围的环境作出反应。在教育领域中，如何识别教学场景，开发更具教育适应性的机器人，应成为教育机器人厂商重点关注的问题。情境感知情境感知（Context Awareness）是指在进行决策时，使用当时的各种补充信息对决策进行改进，以确保做出能够支持动态变化的商业和 IT 环境的正确决策。在某些研究领域，情境感知被作为分享、反思、协作的方式。从教育角度出发,机器人需要在动态、未知、非结构化的复杂教育环境完成不同类型的教育服务，这就对教育机器人的情境感知技术提出了更高的要求。2019 全球教育机器人发展白皮书194.2教育机器人设计的结论与建议结论教育机器人本体设计与研发还处在初级阶段教育机器人的本体还未形成系统化的设计方案，在架构、总线、通讯、接口、标准等方面都还没有形成规范；此外，教育机器人的本体设计还未形成与计算机、手机等类似的规模效应；再者，属于基础性研究的内容还只是零星地出现在相对独立的技术环节中，不足以支撑起整个行业的突破性发展。应用场景分析是教育机器人设计的起点教育机器人的设计与研究有两种发展取向：一种是以科学研究为导向，一种是产品生产为导向。无论是哪种取向的设计与研究，要想教育机器人能进入教育服务的应用实践中，都需要先进行应用场景的分析，根据应用场景中存在的需求，进而确定该场景下需要实现的功能，以及可能的实现方法。智能化是教育机器人设计的着力点未来 10 年，人工智能将成为最具颠覆性的技术，提升智能类技术的服务体验将是教育机器人设计的着力点。教育机器人的智能化表现为在人机交互、机器视觉、情境感知等技术的支持下，应该具有能动地满足不同人群各种教育需求的属性。模块化设计是教育机器人本体设计的趋势与计算机、手机等电子设备相比，机器人的本体结构还没有形成规范，更主要的特点是，机构件、硬件的设计需要匹配机器人的外形。采用模块化的方法将教育机器人设计成多个有机的模块，利用必要的通讯协议、接口进行信息和控制命令的传递，比较适用于教育机器人的本体设计。教育机器人智能设计中通常采用堆叠的方法一方面，教育机器人的智能本质是人工智能的应用，其中又包含了多种智能成分，而各种智能成分之间还没有形成体系化，堆叠智能是目前来讲比较有效的方法。另一方面，机器人的智能在一定程度上等同于机器人的运算能力，而教育机器人实现智能的运算中包含了太多的运算要求，提升机器人智能的一种途径就是为机器人设计各具 AI 功能的模块，将运算力要求分散到各个模块中，以降低对于主 CPU 运算能力的压力。从一定角度讲，利用分布式多 CPU 的模块化结构，增强机器人运算力的方法，也是一种堆叠智能的方法。教育机器人有待发展更多的教育适用性智能虽然教育机器人不会代替教师的教学功能，但是若使教育机器人更胜任教育服务，一方面是提升教学效率，另一方面需要在功能上进行突破。在这个过程中，教育机器人需要在教室、家庭这两个最能体现教育服务特性的场景中具备更强更多的功能，展现其可能的应用价值。20建议从通用教育机器人向专用教育机器人发展从教育机器人的设计看，各厂商集中于教育机器人的通用功能，尤其是适用于家庭中的教育机器人，普遍开发了语音交互、日程提醒、语音查询、讲故事等功能，市场上已经出现教育机器人严重同质化的问题。而那些注重特定教育服务对象，或能满足特定教育服务需求的机器人，取得了不俗的发展。建议在优化通用性功能的基础上，教育机器人的设计可转向专用教育机器人的发展。教育机器人的设计需要教育领域专业研究人员的参与在教育机器人的设计中，可从服务质量与服务类型两个方面提升教育机器人的适用性。来自企业的设计人员更了解技术方案，其基本的设计理念是尽快拿出好的产品，并保证一定的成本与质量控制；而来自教育领域的研究人员更了解教育服务对象，更关注如何取得更好的教育服务效果。若想教育机器人具备更完善的教育服务功能，未来更需要教育领域专业研究人员从安全、伦理、学科、目标、理念、内容、策略、适用性等方面给出的建议。2019 全球教育机器人发展白皮书21第五章 产业齐头并进的七层链条22本白皮书通过调研教育机器人产业相关的厂商现状，针对教育机器人产业的未来发展趋势，以成熟发展的平板电脑产业链为参考，提出了教育机器人的 7 层产业链框架图，如图 5-1 所示。教育机器人与工业机器人相比，在形态、构成和功能上更加复杂，加之发展时间较短，仍然处于早期的创业探索阶段，教育机器人的 7 层产业链中的企业并非严格的上下游关系，部分企业同时具备多种角色。在教育机器人的 7 层产业链框架中，“AI 芯片制造商”提供机器人所需的人工智能芯片，这是实现机器人智能的基础；“硬件制造商”提供组成机器人的主板、控制板、舵机、传感器、通讯模块、底盘移动机构、电源等各种零部件的制造、组装及测试；“系统平台开发商”开发与管理软、硬件资源的系统平台，提供人机互动最重要的自然用户接口（Natural User Interface，简称 NUI）；“应用服务提供商”基于系统平台，开发包括教与学课程在内的各种教育服务功能软件，并由“内容供应商”提供教与学过程中所需的内容；“系统集成商”负责将市场需求与软、硬件功能整合成一个最终产品；“渠道商”通过各式实体与虚拟销售渠道，将产品传递到最终消费者或使用者。5.1教育机器人产业链框架图 5-1 教育机器人产业链框架图AI 芯片制造商硬件制造商系统平台开发商应用服务提供商内容供应商系统集成商渠道商FPGAASICGPU整机操作系统教育机器人专属应用程序人工智能通用数字教育内容教育机器人专属内容完整机器人机器人套件教育培训机构实体零售店众筹电子商务自主销售人机交互通用应用程序标准模块/零件定制模块/零件自主设计/开发定制开发自主设计/开发2019 全球教育机器人发展白皮书235.2教育机器人产业链的发展随着市场需求具体化、技术发展逐渐成熟、生产成本降低，市场会自发形成多样的竞争与合作关系，以满足多变、多样的市场需求，进而也会引发产业链的变化，未来将有可能发展许多产业关系。依据产业链的发展现状及相似产业的发展历程，由上游至下游可整理出以下 6 项未来产业发展趋势。教育机器人产业链形成专业分工教育机器人仍处于初始发展阶段，目前多数教育机器人的厂商几乎涉及研发、设计、生产、销售等各产业链环节，如法国的 Aldebaran 推出 NAO。而家庭情绪智能机器人 Pepper，由 Aldebaran 厂商研发设计、鸿海富士康科技生产制造、软银销售宣传，形成产业链逐渐专业分工的趋势。随着服务型机器人市场的逐渐成熟，未来教育机器人的产业链将向专业分工的方向发展。服务机器人制造技术成熟，加速教育机器人发展中国享有世界工厂的盛名，全球超过 70%的玩具、50%的手机，皆来自于中国制造。政策上，“中国制造2025”规划中，更是将机器人列为十大重点发展领域，规划十年期制造发展的目标。未来，随着硬件制造商在伺服舵机、减速器等关键零组件的技术成熟，硬件制造的技术与成本将降低，这意味着，除与形态密切相关的机构件外，机器人的硬件产品差异化将越来越小，深入各领域应用成为发展重心，将加速机器人各种教育应用的发展。自然人机交互将成为产业关键技术教育机器人相较于应用其他智能设备进行教与学的活动，优势在于自然的人机互动方式，例如肢体动作、语音、图像识别等；以及赋予机器人具有如人类思考的智慧能力。让机器人与机器人或机器人与人之间，可以如人类般自然地感知交互，以降低学习中的使用障碍，在教育领域中有着特殊的重要作用，使自然人机交互成为教育机器人的产业关键技术。教育专属应用服务程序与内容凸显市场产品价值教育机器人的优势在于自然人机交互的设计，在形成机器人的生态体系后，第三方软件开发商将可运用自然人机互动接口，以机器人的表情动作、感知输入的功能，开发丰富的教与学情境的应用程序服务与内容。未来，无论教育机器人是单独使用还是配合其他移动设备的使用，在服务机器人的市场逐渐普及方面，将吸引更多的第三方开发者加入，而专属于教育机器人的应用服务与内容的供货商将形成庞大的商机。专业教育机器人成为系统集成商的蓝海市场系统集成商除了探索机器人替代劳力工作的应用外，更有机会研发如师徒制般将传统技艺保留、专业技术培训等专业领域的教学应用。甚至机器人可以融入个人的生活，在生活中以做中学、学中做的方式学习各种生活技能。现今快速变动的市场，系统集成商投入专业场域的教育机器人研发，将有机会成为蓝海市场。产业链生态系统的竞争现今在机器人制造、系统平台、第三方应用程序、教育内容趋向成熟发展的同时，唯有通过紧密的合作、结盟，形成完整产业链的生态体系，才能足以建立产业链庞大的竞争优势。因此，对于各产业链的成员而言，除专注于领域中技术、市场的发展，更可参考生态系统的概念发展。24第六章 未来千帆竞发的生态系2019 全球教育机器人发展白皮书25项目/年度2019 年2020 年2021 年2022 年2023 年终端消费市场45.45136.36363.641090.913272.72教育机构市场17.601920.5022.2024教育套件市场20.4622.8325.4728.4231.71STEAM 玩具套件30.6631.9433.2734.6536.10市场规模总额预估28.5452.53110.72294.05841.14综合市场产品、产业链与市场规模的分析与预测，本白皮书总结提出教育机器人未来市场发展预测图，如图6-1所示，为教育机器人市场相关者提供参考建议。依据全球教育机器人的相关市场调查报告及相似产品的发展历程，本白皮书提出包括终端消费、教育机构、教育套件与 STEAM 玩具套件市场模型 4 个方面关于教育机器人的市场模型预测。其中，终端消费、教育机构市场模型用以预估教育服务机器人的市场模型；教育套件与 STEAM 玩具套件市场模型用以预估机器人教育的产品市场规模。20192023 年 4 个模型的市场规模详细预估，如表 6-1 所示。6.1市场规模表 6-1 20192023 年教育机器人市场规模预估（单位：亿美元）系统平台开发商决定通用型教育服务机器人专注细分市场，聚焦专用型机器人智能系统开发成为核心竞争力教育机器人即服务（ERaS）自然人机交互技术关键用户为中心以社会伦理规范设计2023 年可达 841 亿美元的市场规模专用型教育服务机器人系统集成商与渠道商决定图 6-1 教育机器人的未来市场发展预测26终端消费市场规模预估至 2023 年将达到 3272 亿美元教育服务机器人方面，产品相似于个人移动计算机及平板计算机的系统结构。参考以上两个产品的发展历程，可以发现：一项新产品从消费市场进入教育市场，平均需要 3 年时间。在平均价格下降到 500 美元的水平下，进入教育市场的前 3 年出货量可累计达到约 600 万台。教育机构市场规模预估至 2023 年将达到 24 亿美元参考美国 2010 年劳动力生产总额报告，服务劳动力从事教育的比率为 17%，课题组预估服务机器人能取代约 8%的教育劳动力生产总额。据市场调研机构 Markets and Markets 统计，2016 年至 2022 年全球服务机器人将以 15.18%的年复合增长率增长，服务机器人将形成一个新的劳动力市场。教育套件市场规模预估至 2023 年将达到 31 亿美元从机器人教育方面而言，可编程机器人作为教育套件，市场规模依据 Markets and Markets 报告统计，2018年可编程机器人市值18.34亿美元，Redfield Report报告指出可编程机器人将以11.57%的复和增长率增长。STEAM 玩具套件市场规模预估至 2023 年将达到 36 亿美元越来越多的智能玩具以 STEAM 教育作为设计理念，根据 Infiniti Research（2014）报告显示，全球玩具