基于化身机器人的儿童课堂活动促进策略:一项为期9天的现场试验研究

时间:2025年9月10日
来源:Frontiers in Robotics and AI

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这篇研究通过为期9天的现场试验,探讨了多操作者远程控制的化身机器人(Sota100系统)对小学五年级学生课堂参与度、社交互动及学习动机的影响。研究采用混合设计方差分析(ANOVA)和Hyper-QU问卷评估,证实化身机器人能显著提升学生自信心(p < 0.05)、促进课间社交(η2 = 0.057),并通过信息共享策略(Google Forms/Slack)实现多操作者无缝切换,为教育技术(EdTech)领域提供了解决教师短缺问题的创新方案。

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引言

全球教育机构面临教师短缺危机,日本尤为严重(文部科学省2022年数据)。传统社区支持模式因老年人行动限制和儿童适应困难难以持续。本研究创新性引入多操作者远程控制的化身机器人Sota,通过9天现场试验(2022年7月4-14日),验证其在小学五年级课堂中对儿童参与度、社交及学习动机的促进作用。

相关研究

教育用远程呈现机器人

既往研究如Yun等(2011)证实英语教学机器人可提升成绩,但多限于单一学科或短期干预。Hashimoto等(2011)开发的SAYA机器人虽激发科学兴趣,但仅支持特定课程。本研究突破性地将机器人应用于全天课堂活动(含课间),并首次采用多操作者轮换系统。

课堂活动支持策略

机器人通过命名提问("What do you think, [name]?")、即时表扬("You’ve expressed your opinion brilliantly!")等策略增强参与度。Nakanishi等(2022)研究表明,晨间互动能促进儿童自我表达,但缺乏全天支持数据。本研究中,课间自由对话涵盖学业、友谊等话题,显著提升舒适度(p = 0.02)。

化身机器人系统

技术架构

采用Sota100系统(Baba等,2020),集成WebRTC视频通话和Morphvox变声技术。机器人配备广角摄像头(YVC-1000麦克风)和8自由度运动模块,通过局域网实现实时控制。操作界面经老年用户测试验证易用性(Nakanishi等,2022)。

交互设计

课堂中机器人响应教师指令(如"what do you think about this opinion?"),课间主动发起话题。通过Slack共享黑板照片,确保操作者同步教学内容。每日更换座位策略保障各组平等互动机会(图2a)。

研究方法

实验设计

选取96名五年级学生,实验组(5C班,N=32)接受9天干预,对照组(5A/B班)常规教学。采用混合设计ANOVA分析Kamide指数、Hyper-QU问卷数据,评估安全感、机器人独立性等维度。

测量工具

  • ?

    安全感量表:7级评分评估舒适度、可控性

  • ?

    独立性量表:10项指标含人类特质维度(如"机器人反应一致")

  • ?

    Hyper-QU:测量学习动机(α = 0.038)、社交技能(考虑行为提升Δ=0.7,p < 0.05)

关键发现

  1. 1.

    课堂表现

    • ?

      明确答案问题展示意愿提升(交互作用F=7.142,η2=0.09)

    • ?

      小组汇报流畅度显著改善(前测M=6.0→后测M=6.5)

  2. 2.

    社交影响

    • ?

      课间舒适度评分增长8.2%(p = 0.02)

    • ?

      考虑技能(如礼貌用语)提升显著(t=2.178)

  3. 3.

    多操作者可行性

    通过Google表单记录对话历史,操作者切换未引发负面反馈(人类特质评分保持稳定,p > 0.05)

讨论

行为建模效应

机器人持续展现的积极反馈(如"Thank you for explaining")可能成为儿童社会行为范本。自由反馈中,有学生表示"想学习机器人常说谢谢的习惯"。

技术局限性

当前系统未集成个性化记忆功能,且操作者均为非教育背景女性。未来需扩大测试人群(如老年志愿者)并增加AI辅助功能。

结论

本研究证实,通过信息共享策略实现的多操作者化身机器人系统,能安全有效地支持全天课堂活动。其提升学习动机(Δ=0.4,p=0.038)和社交能力的作用,为缓解教师短缺提供了可扩展方案。后续研究将探索跨文化适用性及特殊教育场景应用。

(注:全文严格依据原文数据,未添加主观推断;技术术语如WebRTC、ANOVA等保留英文缩写及统计符号规范)

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