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【前沿教育】AI+教育:機器人“教師”有望加入課堂教學?
  來源:科學媒介中心
2019-12-06 10:30:13

(本文由黑龍江省科協與黑龍江日報客戶端聯合發布)

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在日本一所小學,人形機器人“小辣椒”與學生互動(圖源:Timeslive/Getty Images)

  • 周俊敏    編譯

想一想,一個教室里有幾十名學生,卻只有一位老師在講課。一位老師怎么能滿足幾十個程度不同學生的學習需要呢?非常困難!老師沒有足夠的時間和精力,對每一位學生進行個性化輔導。

如果能夠給學校配備若干機器人老師就好了,它可以不厭其煩的講授;它可以提供個性化講解;它的講解不會出錯;它能講故事、唱歌、播放視頻;更棒的是它還不拿工資。

與生產中按照規則冷冰冰的執行命令的工業機器人不同,這種可以在學校里和孩子們互動的機器人被稱為教育機器人”,屬于“社交機器人”的一種。

訓練機器人的社交自主能力

在醫療、教育、養老等領域,社交機器人具有可觀的前景;可機器人一旦犯錯,就要付出高昂的代價。無論從技術還是從倫理上來講,在機器人自主性和人為控制之間尋求適當的平衡,都是社會機器人技術的核心挑戰。一方面,提高機器人的自主性可以提高其工作效率,減輕人類的負擔;另一方面,機器人的自主性必須受到控制,一定要使其在正當的社會規則下活動。

2019年10月23日的Science子刊Robotics上發表了題為《有人指導情境下的機器人社會自主性習得(Teaching robots social autonomy from in situ human guidance)》的文章。

來自英國普利茅斯大學的機器人專家Emmanuel Senft等人SPARC系統進行了評估。SPARC的意思是“有監督的、逐步自主化的機器人技能”,它是一種交互框架,由人來控制機器人與環境交互,從而逐步提高機器人的自主性。

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(圖源:Geek.com/Aldebaran Robotics)

在SPARC系統運行中,機器人的控制器最初是一塊白板。機器人不會自己行動,只由人類教師遠程操作。然而一旦教師開始選擇性行為,機器人就會從這些演示中學習,并采用進化策略向老師提出建議。教師可以接受或拒絕機器人的建議,并將決定反饋給學習算法,逐步完善機器策略。
SPARC系統的設計意圖是盡量減少人類的干預:教師的作用是演示正確的行為,并防止錯誤的行為。隨著機器人行為的改進,它可以更頻繁地執行正確的行為,減少老師的演示和糾正。
SPARC系統的新奇之處在于其學習比較靈活:機器人可以在線學習,也可以在現實中學習,而這在之前的工作中并不常見。例如,在教育環境中,人機交互可以從二元交互(人類老師、學習兒童),轉化為三元交互(人類老師、機器人、兒童),教師教機器人如何支持兒童的動態學習。
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SPARC在人機交互中的應用示意圖


實證評估

在SPARC系統運行中,機器人的控制器最初是一塊白板。機器人不會自己行動,只由人類教師遠程操作。然而一旦教師開始選擇性行為,機器人就會從這些演示中學習,并采用進化策略向老師提出建議。教師可以接受或拒絕機器人的建議,并將決定反饋給學習算法,逐步完善機器策略。
課題組在一個高維社會任務中評估了SPARC,這個任務讓8-10歲的兒童通過玩游戲來學習食物網絡。觸摸游戲中的10只動物,必須靠消耗植物或其他動物才能獲得能量,保持生存。兒童必須盡可能長時間的保持生態系統的活力。機器人通過提供建議(如記錄動物的能量,或提示動物喜歡吃什么),和社交互動(如鼓勵孩子)來引導孩子。
游戲的邏輯和輔導的交互,被聯合建模為一個優化問題,包括210個連續輸入值(最后動作、動物之間的距離等),和655個潛在輸出動作(動作、手勢、口頭鼓勵等)。在孩子與機器人互動時,一個大觸摸屏顯示學習活動;旁邊有一位老師通過平板電腦監控機器人的學習。
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機器人與一個學生互動,人類老師在監督學習過程

研究表明,在3個多小時的時間里,機器人僅進行了25次獨立的互動,就成功地學會了教育兒童所需要的基本行為。實驗中的老師是從事兒童教育的,對算法實現或研究意圖一無所知。雖然自主機器人行為與教師還是有些不同,但它的確很好習得了已經演示過的行為,而且對兒童有良好的影響。
綜上所述,本研究證明了SPARC背后的原則,即可以通過老師的指導,使得機器人在整個教學過程中,保持適當的具有自主性的行為。
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由法國一家公司制造的目前世界上使用最多的教學機器人,售價1萬美元(圖源:sciencenordic/Aldebaran /Robotics)

應用前景

目前的教育機器人已經朝產業化方向發展了,雖然性能還比較初級,但隨著硬件水平的飛躍,相信未來會有巨大提高。Emmanuel Senft等人的研究,展示了SPARC使機器人能夠向人類學習的潛力。
不過,目前所展示的學習系統還是比較簡單的,如何在更復雜、不確定和真實的環境中,保持機器人與人進行正當的交互,依然是一個需要認真考慮的問題。


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