社交机器人作为对话催化剂：增强家庭内长期人机互动

随着人工智能技术在教育领域的广泛应用，社交机器人作为促进高质量亲子互动的一种有前景的手段，日益受到关注。探索机器人在亲子互动中的融合方式，尤其是它们对对话交流动态的影响，对于实现教育干预目标至关重要。此类技术干预不仅有望解决教育方面的挑战，还能丰富父母与孩子之间的互动形式。

为了探讨社交机器人在增强亲子对话互动方面的潜力，本研究确定了三个相关的研究子领域：亲子对话互动、多人儿童—机器人互动以及多人场景中的机器人行为设计。接下来的三个小节将介绍这些子领域的最新研究进展及其局限性。

本研究开展了一项涉及71个家庭的组间实验，将参与者随机分配至三个实验组别：对照组、固定策略机器人组和策略切换机器人组，如图1所示。无论所属组别，每个家庭都完成了一个包含六次对话互动环节和六段4分钟对话阅读理念教学视频的对话式阅读课程。本研究之所以为所有家长统一提供教学视频，是为了排除家长对对话式阅读知识的掌握程度这一潜在干扰因素。

在两个实验组中，家庭与一台主动参与对话共读活动的机器人进行互动；相比之下，对照组中的机器人则不参与互动，仅作为一个倾听者。两个实验组的区别在于：固定策略机器人在每次对话中只展现一种特定的角色—风格行为策略，而策略切换机器人则在每次会话中轮换使用六种不同策略。

在固定策略和策略切换机器人组中，机器人的主动参与包含两个行为维度：机器人支持角色和交流风格（图2）。在亲子对话阅读场景中，机器人被设定为三种支持角色：示范者（demonstrator）、主持者（moderator）和玩伴（playmate）；交流风格则包括语言型和非语言型意图。

示范者机器人作为引导者，提出高质量的对话问题；主持者机器人提醒亲子对故事进行有创造性的交流；玩伴机器人则作为孩子的玩伴，展现出与孩子相似的好奇心和阅读兴趣。

在非语言交流风格中，机器人通过眨眼等非语言信号表达发言意图，并在获得亲子许可后才加入交流；而语言交流风格的机器人可直接主动加入亲子对话，不需提前表达发言意图。这种组合产生了六种独特的行为策略，如“语言型示范者”或“非语言型玩伴”。

固定策略机器人每节课固定展示一种行为策略，确保六节课中涵盖全部六种策略；策略切换机器人则在每节课内动态轮换使用六种策略，旨在提供更有针对性和更具吸引力的互动体验，可能比固定策略方式带来更积极的亲子互动效果。

1.RQ1：机器人主动参与如何影响亲子在机器人引导互动过程中的即时对话行为？

2.RQ2：机器人辅助的对话课程对课程结束后亲子之间（无机器人参与）对话行为有何影响？

3.RQ3：机器人辅助的对话课程在母语家长与非母语家长家庭中对亲子对话行为的影响是否存在差异？

两种类型的主动型机器人都显著提升了亲子之间的对话时间，尤其家长在对话中的投入相较于阅读时间有显著提升。家长的对话行为提升更为显著，在有机器人参与的场景下，儿童的对话行为则未表现出显著提升。

进一步分析显示，在机器人参与活动的前15分钟内，亲子组合更少地进行被动阅读。这种阅读时间的减少主要是由于家长行为的变化，而非儿童。需要注意的是：活动前15分钟阅读时间减少并不意味着整体阅读量减少，而是表明阅读速度变得更慢，故事完成的速度与无机器人参与的场次基本持平。

这些发现回应了人们对机器人可能会“削弱”亲子对话机会的常见担忧。相反，结果表明机器人有助于提升亲子对话质量，通过激发家长更积极的对话参与，从而丰富亲子互动内容，而不仅仅是被动地进行文字阅读。

在课程结束后，所有亲子组合的对话质量都有所提升，所有对话质量指标得分均有增长。无论机器人是否参与共读过程或参与方式如何，这种积极影响在所有实验条件中均有体现。

这说明本研究设计的对话式阅读课程在提升亲子对话质量方面具有普遍效果，即便机器人不再参与，家长与孩子之间的对话行为仍然得以改善。

进一步分析显示，在行为改善幅度上，主动型机器人组与无机器人组之间，或固定策略机器人组与策略切换机器人组之间，并无显著差异。这可能与每对亲子组合独特的多种因素交织有关，例如语言障碍或学习困难等问题，这些因素的影响可能超过机器人参与形式的影响。

当不考虑家庭背景等个体差异而进行整体分析时，这些个体差异因素可能“抵消”了不同机器人风格可能带来的改善差异，因此在群体层面上未表现出显著差异。

家长的英语熟练程度显著影响了不同条件下对话质量的改善，特别是在轮流发言和家长发言比率方面。数据中呈现出一致的模式：与固定策略机器人相比，非英语母语家长的亲子组合在与策略切换型机器人互动时受益更多；而英语母语家长的亲子组合则在与固定策略机器人互动时表现出更大优势。这表明，在策略切换型与固定策略机器人之间，家长英语能力对行为积极变化的调节作用呈现出方向上的差异。

当亲子组合未与机器人互动时，英语熟练程度对行为改善的影响在英语母语和非母语家庭中并无显著差异，这一结果进一步支持了策略切换型与固定策略机器人条件下观察到的调节关系差异，是由于机器人在互动中改变行为策略所致。

在与固定策略机器人互动时，亲子组合需要适应机器人预设的互动模式，而这对非母语家长而言可能较为困难。他们需在使用非母语进行交流的同时适应机器人固定的对话节奏，增加了认知负担。相反，策略切换型机器人可根据亲子组合的实时行为灵活调整自身策略，这种适应性可能尤其有利于非母语家庭，从而解释了不同用户群体在两种机器人互动条件下所表现出的改善差异。

这些发现强调了机器人系统互动设计灵活性的重要性，特别是在面对那些可能在以英语为中心的对话阅读策略中遇到困难的非母语家长时。例如，策略切换型机器人可以一开始提出高质量的对话式问题，随后转变为引导者角色，鼓励更具创造性的交流。相比之下，固定策略机器人要求亲子组合去适应静态的行为模式。

本研究强调，尽管机器人干预可在所有亲子组合中提升对话质量，但机器人行为的设计与实现对改善效果的程度及受益人群起着关键作用。此外，机器人交互风格的灵活性——如实时在多种行为策略之间切换的能力——会显著影响哪些用户群体能从中获益最多。因此，在儿童早期教育及亲子对话增强方面，急需开发能够因人而异、具备针对性设计的机器人干预系统。

在完成对话式阅读课程后，本研究观察到无论是在个体（家长与孩子）层面还是在整体亲子组合层面，交谈行为均有明显改善。这种改善主要源自家长行为的变化，突显了家长参与的重要性。RQ1的发现进一步表明，机器人积极参与时对家长交谈行为的影响大于对孩子的影响。

此外，RQ3的结果也显示，家长的英语能力在机器人诱发的行为变化中起到关键的调节作用，影响了家长自身以及整个亲子组合的对话动态。

这些分析结果显示，机器人参与对家长的影响比对孩子更为显著。本研究展示了将社交机器人设计为增强家长对话行为的有效干预手段，从而促进亲子互动中积极行为变化的潜力。这一发现标志着儿童早教机器人设计理念的重要转变。以往研究主要聚焦于家庭环境中直接面向儿童的机器人干预，常忽视家长的作用，或仅将其视为儿童—机器人互动的次要组成部分。而本研究则强调，在未来的机器人干预设计中，应以家长为中心，认识到其在儿童发展中的关键作用。

首先，由于资源限制，研究仅在对话式课程开始前后各进行一次评估，这种单次评估可能不足以全面反映长期行为变化。未来研究应在更长周期内设置多个评估节点，以更深入理解干预效果。

其次，研究聚焦于结构化的对话式阅读活动中的亲子互动，未考察机器人干预是否会对日常生活中的其他家庭对话产生延伸影响。未来研究应进一步探索机器人干预对家庭整体沟通模式的影响。

最后，本研究仅涉及二人亲子组合，未纳入包括兄弟姐妹或其他照护者在内的更广泛家庭生态系统。为了全面理解社会性机器人在家庭环境中作为“对话催化剂”的潜力，未来应探讨其在多子女家庭及多样家庭结构中的应用效果。

1.研究方案

本研究采用组间实验设计，以评估在三种不同条件下的研究问题：对照组、固定策略机器人组和策略切换机器人组。对照组作为基线，用于与两种机器人参与条件进行比较。固定策略机器人代表一种常见的短期部署机器人交互设计，在这种设计中，机器人的行为由一种固定策略引导（例如在活动中始终扮演“导师”或“学生”的角色）。

本研究将机器人放置在参与家庭中，持续时间为4至8周。每组亲子对按计划安排进行结构化课程，包括一次课程前的亲子共读会话、六次常规对话式阅读课程以及一次课程后的亲子共读会话。每次课程持续时间通常为15至30分钟。所有参与者使用相同的机器人系统，并统一通过安装在机器人底座上的平板电脑阅读故事，以确保实验的一致性。

在六次对话式阅读课程中，机器人交互内容依据实验组别有所不同。在对照组中，参与者在无机器人主动参与的情况下阅读故事。而在两个机器人实验组中，机器人在六次共读课程中均主动参与亲子共读活动。

2.对话式阅读课程

在每次对话式阅读课程开始前，三组的家长都会观看一段时长为4分钟的教学视频，内容为有效的对话式阅读技巧。这些视频由实验室的教育专家制作，每段视频均由一位研究人员讲解一个具体的对话式阅读策略，并结合实例说明。

本研究在2022–2023学年间招募了86个拥有3至7岁儿童的美国家庭，在家中参与本项研究。最终，共有71个家庭顺利完成了研究，15个家庭因与机器人交互无关的原因退出。

最终分析纳入的家庭数量为：对照组25个、固定策略机器人组22个、策略切换机器人组24个。其中，母语为英语的家长分别为对照组18人、固定策略组14人、策略切换组14人。

该集成机器人工作站由一台名为Jibo的社交机器人、一台Intel Next Unit of Computing微型计算机、一台安卓平板和一台安装在平板上方的网络摄像头组成。安卓平板中运行的是一本电子书应用程序，内置20余本由幼儿教育专家和教师推荐的故事书。在每次共读过程中，亲子二人可以自由选择任何一本书与机器人一起阅读。

本研究的系统在自主性与灵活性之间采用了平衡设计，以保证在幼儿教育场景中互动的可靠性并减少潜在干扰因素。机器人具备较低自主性，可响应诸如翻页等易检测的提示，同时使用经过教育专家审校的预设语音脚本，以确保内容的准确性。本研究在设计中优先考虑了精确性、安全性和负责任的部署，而非追求高度自主与灵活，以确保机器人的互动行为可预测、适合儿童且不影响研究结果。

1.机器人角色

本研究设计了三种不同的机器人支持角色，以促进亲子之间的对话式互动：

（1）示范者

强调教学作用，像一位导师一样实时指导父母如何提出对话式问题，提升他们的提问行为。

（2）主持者

作为中立的引导者，鼓励亲子发起互动而非直接引导其方向。该角色旨在激发亲子之间更频繁和多样化的交流，提高整体共读质量。

（3）玩伴

机器人以类似儿童的身份参与互动，通过好奇和有趣的交流方式增强亲子参与感和乐趣。

2.机器人交流风格

本研究设计了两种机器人交流风格，区分其语言交流意图和非语言交流意图：

（1）语言风格：机器人主动参与对话，不需征求同意即可提出问题或评论，体现出立即且主动的互动特征。

（2）非语言风格：机器人通过如眼神交流、身体转动、身体前倾等非语言行为表达其交流意图，只有在亲子主动回应时才进行语言交流。该风格强调尊重亲子互动的自主性，让他们自行决定是否回应机器人的提示。

基于上述角色与风格的组合，本研究设计了六种独特的“角色—风格”策略：

（1）语言—示范者

（2）非语言—示范者

（3）语言—主持者

（4）非语言—主持者

（5）语言—玩伴

（6）非语言—玩伴

机器人的策略切换策略基于强化学习框架，构建于本研究此前关于“动态角色切换概念框架”的理论研究以及“儿童语言学习策略切换”经验研究之上。该计算实现使机器人能够在实时互动过程中动态地在六种角色—风格行为策略之间切换。

共读环节通过机器人站集成摄像头进行视频与音频录制。录制内容仅限于共读活动，并由专业人员进行转录。转录文本标注了详细的发言者身份与每轮发言的时间戳，便于对各参与者对话行为进行细致分析。

本研究从转录文本中提取了每次共读中父母、儿童以及亲子共同体三方面的对话质量指标，识别了有效亲子共读的三个核心维度：

1.对话式阅读：指在阅读故事过程中伴随的亲子讨论； 

2.高儿童参与度：儿童在共读中大量参与朗读和发言； 

3.主动亲子轮换发言：父母与儿童之间频繁的发言/阅读轮换。 

据此，本研究提取了六项对话质量指标，每个群体（父母、儿童、亲子对）各两项，侧重于对话持续时间及阅读—对话互动的互动动态。同时，还提取了三方的阅读持续时间，作为补充阅读特征。