CN107705643A - 一种机器人主持教学方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人教育领域，公开了一种机器人主持教学方法及其装置，教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务；机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作的方式与学生交流互动和智能答疑；在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，确定下一阶段的教学策略。本发明的机器人教学方法可完全替代教师授课，极大的减轻教学工作量，且教学机器人可根据机器学习、专家系统等技术不断更新知识库，优化教学策略，不断提高教学效果和教学质量。可为缓解偏远山区和农村教师数量不足的问题。

Description

一种机器人主持教学方法及其装置

技术领域

本发明属于机器人教育领域，尤其涉及一种机器人主持教学方法及其装置。

背景技术

机器人融合了机械制造、生物制造、电子技术、传感器、无线通讯、声音识别、图像处理和人工智能等领域的先进技术，已被广泛应用在社会生活的各个领域。目前，机器人在教育领域中的应用主要包括智能玩具、STEAM教具、特殊教育机器人和机器人助教等。

机器人主持教学是机器人在教育领域中应用的最高层次。将机器人与人工智能、虚拟现实、多媒体等技术相结合，在许多方面机器人不再是配角，而是成为教学组织、实施与管理的主人，成为我们学习的对象。通过该教学模式应用，能够不断地优化教学结构、改进教学策略、实现教学方法的突破与创新。但机器人主持课堂教学的方法还不完善，相关研究内容才刚刚起步。

综上所述，现有技术存在的问题是：

机器人主持教学的研究处于起步阶段，缺乏科学规划与教学设计，教学过程缺乏教育理念的支持；世界范围内机器人作为教师参与课堂教学经验还很少，研究成果非常缺乏，还没有完整的机器人主持教学理论、流程、方法及系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机器人主持教学方法及其装置。解决机器人主持教学的教法问题，优化教学结构、改进教学策略、实现教学方法的突破与创新。

本发明是这样实现的，一种机器人主持教学方法，所述机器人主持教学方法包括：

教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务；

机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作的方式与学生交流互动和智能答疑；

在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，确定下一阶段的教学策略。

进一步，所述教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务，具体包括：

教师首先初步了解学生的班级、年龄的情况，分析课程教学目标，通过对机器人编程，构建机器人授课方式库，包括讲授式、情景式、讨论式和翻转课堂；授课方式库是指机器人将优秀教师的授课方式和经验成果学习过来，构建授课方式库，它在教学时可随时调用和调整。

构建机器人教学资源库，包括多媒体课件、语音库、习题课和专家系统库以及学生特征库；

教学资源为后续机器人教学过程中随堂调用；学生了解机器人教学过程、教学特点后并制定自己的学习计划。

进一步，所述机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作的方式与学生交流互动和智能答疑；具体包括：

机器人首先分析学生的特征，优化教学目标，确定授课方式，制定教学计划，进行教学设计；然后围绕教学内容，机器人要实时地从专家知识库、教学资源库中调用教学资源，提出有价值的问题，创设情境，引导学生思考，通过对学生学习的观察、判断以及学生回答问题的情况，做出相应的教学策略、方法的调整；

学生则通过自主学习或与小组协作学习的方式开展学习，如果在学习中遇到问题，通过对话、文本输入的方式提出问题，机器人通过智能答疑系统给学生完成解答。

进一步，所述在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，确定下一阶段的教学策略，具体包括：

机器人自我分析学生学习情况记录、教学过程记录，对教学情况进行评价；学生通过作业、习题测评对机器人教学进行反馈；在教师的参与下，机器人通过综合分析、评价总结、提出下一阶段的教学建议，同时更新专家知识库、教学策略库、学生特征库，总结经验，优化教学系统的配置。

本发明的另一目的在于提供一种机器人主持教学装置包括：

机器人控制系统，采用嵌入式系统，并通过通信模块与互联网通信，机器人操作系统统一进行机器人教学任务调度、肢体动作的规划、教室内的移动控制、人机交互以及异常情况处理；

语音功能单元，在控制系统中输入课程内容，运用语音功能单元的语音合成系统将普通文本字符转换成自然语音的形式输出，模拟教师讲述课程内容的过程；同时，语音功能单元利用语音识别技术与学生互动交流和答疑解惑；

视觉功能单元，完成学生身份识别、表情识别；监控课堂学生学习状态，在线实时反馈和记录教学情况；

肢体动作功能单元，通过控制系统来驱动机器人的腿、头部、手臂的运动，完成在教学环境中模仿教师移动和肢体动作；

自主导航功能单元，用于完成定位、跟踪的操作，并利用传感器感知外界环境和自身状态，自动对障碍物进行检测和躲避，规划出安全的移动路径；

教学资源库，用于开展教学依赖的知识库，包括多媒体课件、语音库、习题库、机器学习及专家系统和智能答疑系统。

进一步，所述语音功能单元安装有语音麦克风和扩音器；所述视觉功能单元配备视觉传感器，并安装有运动检测、人脸识别系统。

本发明的优点及积极效果为：

本发明机器人主持教学过程中可实时观察学生的学习状态，可通过构建优质授课语音库、播放背景音乐，还可在线调整教学策略，选择新颖有趣的方式教学，从而激发学生的学习兴趣和热情，调动学生的学习积极性。

本发明机器人主持教学中实时记录学生的学习状态、学习效果，学习前后的评估，开展有针对性的课后辅导，达到“量身定做”的目的。

本发明主持教学机器人充分运用了机器学习、专家系统和智能答疑系统等先进技术，共享最优质的教学资源，弥补单个教师的不足。

本发明的机器人教学方法可完全替代教师授课，极大的减轻教学工作量，可为偏远山区农村教师数量不足、缺乏优质的教学资源提供解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机器人主持教学方法流程图。

图2是本发明实施例提供的机器人课堂讲授模式图；

图3是本发明实施例提供的机器人系统结构图；

图中：1、控制系统；2、语音功能单元；3、视觉功能单元；4、肢体动作功能单元；5、自主导航功能单元；6、教学资源库。

图4是本发明实施例提供的机器人装置主要模块图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的机器人主持教学方法，可以分为准备阶段、实施阶段和总结阶段。教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务；机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作等方式与学生交流互动和智能答疑，最后在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，从而确定下一阶段的教学策略。本发明可为解决我国广大农村和山区，教师少、教学工作繁重的问题，提供参考。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1至图2所示，本发明实施例提供的机器人主持教学方法，包括：

本发明机器人主持教学是机器人代替教师从事教学活动，利用机器人教学资源库丰富、教学策略更灵活、更有针对性开展教学过程等优势，可极大地提高教学质量。本发明涉及教师需要掌握机器人操作技能，包括机器人的启动停止、教学资源库的建立、语音库的开发以及机器人教育技术与课程整合的技能。机器人主持教学的基本过程大致可以分为准备阶段、实施阶段和总结阶段。

在准备阶段，教师首先初步了解学生的班级、年龄等情况，分析课程教学目标，通过对机器人编程，构建机器人授课方式库，包括讲授式、情景式、讨论式和翻转课堂等，方便后续机器人在教学中根据授课情况优化选取合适的授课方式；构建机器人教学资源库，包括多媒体课件、语音库、习题课和专家系统库以及学生特征库，教学资源可为后续机器人教学过程中随堂调用；此时学生则应做好听课准备，包括了解本课程的学习目标、本课程的特点，了解机器人教学过程、教学特点，并制定自己的学习计划。教师做好教学准备后，就可以给机器人下达教学任务了。

在实施阶段，机器人首先分析学生的特征，优化教学目标，确定授课方式，制定教学计划，进行教学设计(下述将详细描述机器人教学设计部分)；然后围绕教学内容，机器人要实时地从专家知识库、教学资源库中调用教学资源，提出有价值的问题，创设情境，引导学生思考，通过对学生学习的观察、判断以及学生回答问题的情况，做出相应的教学策略、方法的调整；学生则可通过自主学习或与小组协作学习等方式开展学习，如果在学习中遇到问题，通过对话、文本输入等方式提出问题，机器人通过智能答疑系统给学生完成解答。

在总结阶段，机器人要自我分析学生学习情况记录、教学过程记录，对教学情况进行评价；学生则可通过作业、习题测评对机器人教学进行反馈；在教师的参与下，机器人通过综合分析、评价总结、提出下一阶段的教学建议，同时更新专家知识库、教学策略库、学生特征库，总结经验，优化教学系统的配置。

如图3所示，本发明实施例提供的机器人主持教学装置，包括：

本发明机器人具有高度灵活性和智能性，可利用多种传感器来实现教学信息的输入输出，并可在教室内自由移动，完成课堂教学任务。机器人的授课方式可借鉴吸收全世界范围内众多教师的优秀成果，构建讲授式、讨论式、情景式、翻转课堂等多种授课方式库，由机器人根据学生特征和教学需要灵活调用。

授课方式库是指机器人将优秀教师的授课方式和经验成果学习过来，构建授课方式库，它在教学时可随时调用和调整。

要实现机器人授课需要从六个方面进行设计，包括机器人的控制系统1、语音功能单元2、视觉功能单元3、肢体动作功能单元4、自主导航功能单元5以及教学资源库6。

(1)机器人控制系统1，

控制系统可采用嵌入式系统，并通过通信模块与互联网通信，机器人操作系统统一进行机器人教学任务调度、肢体动作的规划、教室内的移动控制、人机交互以及异常情况处理等。

(2)语音功能单元2，

机器人安装语音麦克风和扩音器，在控制系统中输入课程内容，运用语音合成系统将普通文本字符转换成自然语音的形式输出，模拟教师讲述课程内容的过程；同时，具备语音识别技术的机器人可以与学生互动交流和答疑解惑。

(3)视觉功能单元3，

配备视觉传感器，安装运动检测、人脸识别系统后，机器人就可以完成学生身份识别、表情识别，从而监控课堂学生学习状态，在线实时反馈和记录教学情况。

(4)肢体动作功能单元4，

外形设计上，人形机器人更能够让学习者接受。机器人头部的眼睛、面部表情和嘴巴等部分的设计和运动控制要细致和形象，这有利于学生与机器人开展交流。肢体动作要灵活且独立驱动，通过控制系统来驱动机器人的腿(或车轮)、头部、手臂的运动，完成机器人在教学环境中模仿教师移动和肢体动作。

(5)自主导航功能单元5，

导航系统可以帮助机器人完成定位、跟踪等操作，并利用传感器感知外界环境和自身状态，自动对障碍物进行检测和躲避，规划出安全的移动路径。机器人教学场地一般是学校的普通教室。教室可视为一个结构化环境，机器人的可移动范围就是讲台和课桌之间的过道，路径规划和自主导航的操作就是这个移动范围。

(6)教学资源单元6，

机器人教学资源库是机器人开展教学所依赖的知识库，包括多媒体课件、语音库、习题库、机器学习及专家系统和智能答疑系统等构成。教学资源库的开发由教师在教学准备阶段通过对机器人编程开发完成。

如图4所示，机器人装置结构设计，

本发明教学机器人主要由控制器、机器人软件部分、机器人手部、机器人头部和机器人腿部五部分构成。控制器是教学机器人的大脑，负责管理和控制机器人的所有软硬件资源。机器人软件部分包括机器人操作系统、教学资源库、智能答疑系统、机器学习及专家系统等模块组成；其中机器人操作系统主要完成教学任务的调度和执行；教学资源库是机器人完成教学任务所依赖的知识库，包括多媒体课件、习题库和语音库等，由教师在课程开始前开发，并输入机器人存储器中；智能答疑系统主要用于机器人教学过程中与学生进行沟通交流、回答学生提出的各种问题；机器学习及专家系统是机器人在教学过程中不断学习、积累经验和调整教学策略的决策系统；机器人手部由两个电机、左手臂和右手臂组成，主要用来表达各种教学姿态、教学工具抓取等动作；机器人头部包括电机、超声波传感器、视觉传感器、麦克风和扩音器，其中电机控制机器人头部的转动和面部表情；超声波传感器用于检测障碍物和机器人移动过程中避开障碍物；视觉传感器用于学生身份识别和学生状态检测；麦克风和扩音器用于机器人讲课、与学生语音交互等。机器人腿部由两个电机、舵机、左车轮、右车轮和方向轮组成，主要用于机器人在教室里移动。另外，本发明中教学机器人可通过网络接口与互联网实时连接，可从网络上传和下载教学资源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器人主持教学方法，其特征在于，所述机器人主持教学方法包括：

教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务；

机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作的方式与学生交流互动和智能答疑；

在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，确定下一阶段的教学策略。

2.如权利要求1所述的机器人主持教学方法，其特征在于，

所述教师首先将教学目标、学生特征、教学资源、授课方式以参数的形式输入机器人，下达教学任务，具体包括：

教师首先初步了解学生的班级、年龄的情况，分析课程教学目标，通过对机器人编程，构建机器人授课方式库，包括讲授式、情景式、讨论式和翻转课堂；

构建机器人教学资源库，包括多媒体课件、语音库、习题课和专家系统库以及学生特征库；

教学资源为后续机器人教学过程中随堂调用；学生了解机器人教学过程、教学特点后并制定自己的学习计划。

3.如权利要求1所述的机器人主持教学方法，其特征在于，所述机器人通过分析教学目标和学生特征，选择合适的授课方式，组织教学内容开展教学，通过语音、视觉和肢体动作的方式与学生交流互动和智能答疑；具体包括：

机器人首先分析学生的特征，优化教学目标，确定授课方式，制定教学计划，进行教学设计；然后围绕教学内容，机器人要实时地从专家知识库、教学资源库中调用教学资源，提出有价值的问题，创设情境，引导学生思考，通过对学生学习的观察、判断以及学生回答问题的情况，做出相应的教学策略、方法的调整；

学生则通过自主学习或与小组协作学习的方式开展学习，如果在学习中遇到问题，通过对话、文本输入的方式提出问题，机器人通过智能答疑系统给学生完成解答。

4.如权利要求1所述的机器人主持教学方法，其特征在于，所述在教师的参与下机器人通过自我分析和学生反馈，对教学效果进行评价和总结，确定下一阶段的教学策略，具体包括：

机器人自我分析学生学习情况记录、教学过程记录，对教学情况进行评价；学生通过作业、习题测评对机器人教学进行反馈；在教师的参与下，机器人通过综合分析、评价总结、提出下一阶段的教学建议，同时更新专家知识库、教学策略库、学生特征库，总结经验，优化教学系统的配置。

5.一种如权利要求1所述的机器人主持教学方法的机器人主持教学装置，其特征在于，所述机器人主持教学装置包括：

机器人控制系统，采用嵌入式系统，并通过通信模块与互联网通信，机器人操作系统统一进行机器人教学任务调度、肢体动作的规划、教室内的移动控制、人机交互以及异常情况处理；

语音功能单元，在控制系统中输入课程内容，运用语音功能单元的语音合成系统将普通文本字符转换成自然语音的形式输出，模拟教师讲述课程内容的过程；同时，语音功能单元利用语音识别技术与学生互动交流和答疑解惑；

视觉功能单元，完成学生身份识别、表情识别；监控课堂学生学习状态，在线实时反馈和记录教学情况；

肢体动作功能单元，通过控制系统来驱动机器人的腿、头部、手臂的运动，完成在教学环境中模仿教师移动和肢体动作；

自主导航功能单元，用于完成定位、跟踪的操作，并利用传感器感知外界环境和自身状态，自动对障碍物进行检测和躲避，规划出安全的移动路径；

教学资源库，用于开展教学依赖的知识库，包括多媒体课件、语音库、习题库、机器学习及专家系统和智能答疑系统。

6.如权利要求5所述的机器人主持教学装置，其特征在于，所述语音功能单元安装有语音麦克风和扩音器；所述视觉功能单元配备视觉传感器，并安装有运动检测、人脸识别系统。