上課注意力不集中?以後難逃機器人導師的法眼

作者 | 發布日期 2016 年 12 月 01 日 15:13 | 分類 人力資源 , 人工智慧 , 機器人
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大家的兒時記憶不知有沒有這樣的印象:以前的科幻電影或動畫裡,總是會有個好像「導師」功能的機器人,引導著主人翁認識世界。比如說《星際大戰》的 C3PO、《魔鬼終結者 2》裡的阿諾終結者、哆啦 A 夢(舊譯小叮噹)等,隨著年紀漸長,應該會覺得這種幻想的東西做不出來吧?不過現在有人把這樣的機器人導師實現了!



這個想法的契機有兩點,第一點,是這幾年機器人從只有專業人士才能掌握的科技,漸漸普及,而且有可能運用到學習的領域,成為幫助學生發展認知與社交技能的有利工具。特別是在孩童的早期教育中,在教室裡運用機器人導師有潛力大為提高學習效率。

第二點,現代的新科技主導了學生的生活,直接影響了現代教育的兩個基本目標:知識的傳播和社會化。教師們終究必須學習如何運用這些科技而非排拒之,以在教室和家庭中達成學生最好的學習效果。由於我們越來越多地使用電子設備和社群媒體,學生不再像過去那樣只用紙、筆與書本學習,教師也要相應地調整他們的方法(每個學生都看著螢幕控制著滑鼠跟鍵盤使用 CAI 教學軟體,一名老師要如何知道每個學生有沒有在「專心」在上課?)機器人導師可以幫得上忙嗎?

來自西班牙馬德里的遠距離教育大學(Universidad Nacional de Educación a Distancia)人工智慧系的一組研究人員,就針對此,開發了一套用於小學教育軟體的「有效機器人導師整合環境」(Affective Robot Tutor Integrated Environment,ARTIE),且在計算神經科學邊界期刊(Journal Frontiers in Computational Neuroscience)上發表了他們的論文。

機器人導師如何帶動教室裡的學習熱情?

在軟硬體方面,ARTIE 整合了 Nao 機器人跟電腦上的 Scratch 平台,他們提供了豐富的函式庫連貫了用 Scratch 製作的教學軟體,與 Nao上面該團隊開發的導師機器人軟體 MONICA 。

這幾年 Scratch 很紅,用來學程式語言或者用來輔助正式課程的應用都有,筆者在這邊就不多說。關於 Nao ,可能台灣熟悉的人比較少,筆者稍微介紹一下,它來自法國,是一個可跟人類溝通互動的機器人,本身其實就是一台會走動的「電腦」,在市場上分有研究型(提供給研究單位)跟家用型。以前其實已經有著不少以 Nao 當「老師」的應用(請看參考影片),不過多半只是噱頭性的簡單教學,甚至是非正規的教學(「快樂學、快樂成長」的那種)。然而 Luis-Eduardo Imbernón Cuadrado 博士和他的團隊開發的這套系統,跟以往不同的是:他們是拿 Nao 來作國小正式教學裡的「導師」工作。

這個導師系統的核心專注於學童的注意力上,他們歸納孩童的注意力狀態為:注意力集中、注意力分散、無反應,作為影響學習的三種認知。學童操作用 Scratch 做的學習軟體時,系統會監測學生的注意力狀態,然後用 Nao 機器人以言語或者動作來提點。

整個機制運作流程分兩部份,第一個部份是分析孩童的互動狀態,主要是鍵盤使用和滑鼠游標控制,這個機制會精確量測教學軟體丟出一個「訊號」以後,到學童用滑鼠與鍵盤做出回應的時間差(latency),以判定孩子當下的注意力狀態甚至是可能的情緒;第二個部份,是分析收集到的數據,比對這個學生的類型以及過去的反應紀錄,推斷可以採用的最佳引導策略,由機器人導師來執行,包括發言提到特定的觸發詞以及使用手勢,來鼓勵學生達成特定學習標的。

第二部份其實也就是一個專家系統,在設計階段,匯集了一群國小老師的顧問團整理的各種指導策略與技巧,也實際在一個小班兩組共10位學生的電腦教學時,錄製全程的學習影片以及所有的滑鼠、鍵盤動作,整理、歸納出不同類型學生的反應模型資料庫,以及對應的可能教學策略。

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▲ (照片經過父母同意重製傳播)

機器人導師實戰指導

研究人員開發了 ARTIE 跟 MONICA ,為了驗證計算架構,募集了兩個不同認知學習狀態的小學生(志願者)來個別測試 MONICA 導師因材施教的能耐。 一個是11歲低動機、成績好的小男生,另一個則是8歲高動機、成績好的小女生。那教什麼呢?就是學習 Scratch 語言本身。至於兩個小朋友的教學策略,前者採「持續轟炸法」:不斷引起小男生的注意,指定課題給他來引導他的學習;對後者採「放牛吃草法」:小女生自己會一直作課題,一直要到她作題目做到恍神分心了,MONICA 會再多等一下下,才鼓勵她繼續下去。

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▲ MONICA 導師帶低動機高才能小朋友學習(照片經過父母同意重製傳播)。

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▲ MONICA 導師帶高動機高才能小朋友學習 (照片經過父母同意重製傳播)。

測試完以後,兩個小朋友都要要寫問卷調查,大致上兩位小小志願者認為:比起自己操作 Scratch 軟體,更喜歡旁邊有 MONICA 導師「督導」。他們也認為以後可能可以跟真人導師更好相處。此外,裡面有一組回答不是選擇題,而是自由回答題,從他們寫下的答案可以看出他們對 MONICA 老師的評價:

學生 1:高動機高才智,學生 2:低動機高才智

NAO 機器人有幫助嗎?

學生 1:可以鼓勵我。

學生 2:她讓我動了起來。

使用過程中你最喜歡的是?

學生 1:用 Scratch 練習。

學生 2:當 MONICA 要搞笑的時候。

使用過程中你不太喜歡的是?

學生 1:MONICA導師幫不了我的時候。

學生 2:當 MONICA 導師給錯答案時。

輔助下一代教師

機器人導師雖然跟真人教師不同,但某些特徵的缺乏,實際上可能是有益的。例如,機器人導師理論上不會有人種、民族、宗教等等的歧視,也不會有情緒,耐性會超級好、不會生氣,可以客觀地引導教學。儘管機器人導師不太可能取代人類教師,但這個團隊的研究顯示,機器人導師可以用傳統的指導技巧來輔助教學,而分攤真人老師的辛勞,顧到所有的學生,這是非常有價值的。

然而,這個來自歐洲的研究有些前提,就是電腦與 CAI 教學已經變成是普及而正式的教具,所以這個機制如果要在台灣等東亞國家實施,可能會有一些在地的議題。

比如說在台灣,CAI 教學在學校的運用似乎還不是「那麼的正式」,可能一不小心就變成「電腦遊戲課」,ARTIE 的設計,具體來說就是讓 CAI 教學變成正規教學的一環,學生所有的電腦操作行為甚至臉上表情、身體的動作等,都逃不過機器導師的法眼,CAI 的教學進度變成可以被監測與掌控的。要實踐這份論文的理論,一定會對教學法會有很大的變革,而在地教育體系是否能接納呢?畢竟在各種領域當中,醫學跟教育對資訊科技的引用向來是較保守的。

另外還有科技誤用的擔憂。ARTIE 本來的設計是為了增加學生的學習效率,讓每個不同個性的學生得以接受不同適性的引導法。但是在有填鴨教育傳統的東亞國家,會不會有學校把這項技術用偏,用來作「學習加速」?假設在未來,這種教學器材公發普及到各個學校,偏偏有個別的老師想要讓自己班級表現比別班更好(甚至是傳說中的「家長要求」),於是這個老師設定 Nao 按照每個學生的程度,給予「超頻30% 」的要求,讓每個學生有更大的壓力,也是蠻恐怖的。畢竟傳統上一個人類老師帶整班,總有老師注意不到的死角可以偷懶,要是老師制訂了「超群」的教學計劃,還有一群鐵石心腸的機器導師無孔不入地緊迫盯人,使學校變成許多機器人監管的「學習農場」,那可真像是一場惡夢了。

不管如何,終於有研究團隊,認真研究如何把機器人科技應用到學校教學領域,希望這個新技術能給教學現場帶來新氣象囉。

(首圖來源:frontiers) 

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