一、引言
近年来，机器人技术取得显著进展，成本降低使其在教育领域应用增多。社会机器人凭借先进的交互能力，能与学生进行有意义互动，促进学习过程。其可扮演多种角色，如教师、教师助手或学习伙伴，在普通教育和特殊教育中均有广泛研究，尤其在教授科学、技术、工程和数学（STEM）学科方面。同时，随着机器人在日常生活中普及，机器人学也成为热门教学科目。
增强现实（AR）和混合现实等沉浸式技术的发展与普及，也被广泛应用于教育领域。AR 应用和游戏能有效吸引学生注意力，增强学习动机和参与度，提升学习效果。其关键优势在于融合真实与虚拟物体，创造增强和互动的学习环境。此外，AR 在电子学习环境中也具有重要价值，基于游戏的 AR 学习在知识获取方面比传统学习更高效。
AR 与机器人技术结合在教育领域展现出诸多潜力，如增强人机交互、提升机器人应用的可视化效果等。因此，研究二者在不同教育场景中的应用，分析其优势与局限，对实现有效应用具有重要意义。本文通过系统回顾过去 15 年的研究文献，探讨 AR 与机器人技术融合在教育中的应用，包括支持技术、教育背景，以及它们在教育场景中的角色、优势和不同学术水平的应用情况等。
二、材料和方法
本系统文献综述旨在研究将 AR 与机器人技术结合用于教育目的的论文。通过探索和分析现有研究，识别趋势，基于主题对研究论文进行分类，并提供有关教育益处、技术使用和问题，以及未来在教育领域实施潜力的见解。
研究问题包括：机器人和 AR 在教育场景中扮演何种角色？AR 辅助教育研究中使用的机器人有哪些不同形式？AR 和机器人如何在面对面和远程教育中应用？将 AR 和机器人集成到教育中在学习方面有哪些优势？这种方法在不同教育水平中如何应用？
采用系统评价和荟萃分析的首选报告项目（PRISMA）方法，确保研究的严谨性和可重复性。在 Scopus、IEEE Xplore、ACM 数字图书馆、Web of Science 和教育资源信息中心（ERIC）这五个主要数据库中进行全面文献检索。这些数据库涵盖了教育技术和机器人研究的相关领域，确保了跨学科研究的相关性。
检索策略结合关键词和布尔运算符，搜索涉及增强或混合现实技术与机器人在教育背景下的研究。关键词包括（“augmented reality” OR “mixed reality”）AND (robot*) AND (education OR learning OR teaching OR programming OR training OR students)，检索范围包括论文标题、摘要和关键词。
最初在 5 个数据库中找到 2813 条记录，去除 856 条重复记录后，根据标题筛选排除与 AR 和机器人用于教育目的无关的研究，以及非期刊或会议发表、非英文的记录。经摘要筛选，排除未涉及 AR 和机器人两者，以及聚焦机器人学习或训练而非人类使用机器人和 AR 技术学习的出版物。最终，对 128 篇报告进行全文评估。
在全文审查阶段，根据研究目标的清晰度、方法的严谨性和结果的呈现评估每篇出版物。排除不符合教育范围、未使用 AR/MR 技术和某种机器人（如人形、移动、教育、虚拟等）、未在教育背景中实施或不属于期刊文章和会议论文的记录。系统综述虽不纳入分析，但作为理论背景的一部分。经过多阶段筛选，最终选择 69 项符合审查目标的研究。
对选定的研究进行数据提取，收集文献细节（如年份、国家、出版物类型）、参与者特征（如样本年龄、目标教育水平）、研究设计（如定量、定性、混合方法）、机器人类型及其在学习系统中的角色、AR 技术和手段、学习背景和学科领域，以及研究的教育目标、关键发现和结论。
对收集的数据进行主题分析，寻找研究中的共同模式、趋势和结果。生成三个主题标签：AR 和社会辅助机器人（关注用于社会互动和支持的机器人）、AR 辅助教育机器人（指作为学习工具并由 AR 辅助的机器人）、AR 在机器人 / 工程教育中（关注使用 AR 技术增强机器人和工程教学）。
三、教育中的增强现实和机器人技术
3.1 AR 和社会辅助机器人导师
在这一类别中，社会辅助机器人与 AR 结合，作为导师或教师助手。目前，人们对服务于增强现实的辅导机器人的态度因文化而异。机器人可结合虚拟内容和摄像头图像，展示增强场景用于讲故事和戏剧表演活动，能吸引学生注意力，提高语言学习和创造力。
研究发现，使用机器人和基于投影的增强现实进行戏剧表演，可增加语言学习和创造力的收获。在教授文化古迹、交通安全知识、编程等内容时，结合 AR 的社会辅助机器人能提高学生的学习成果和对机器人及 AR 技术的积极态度。例如，人形机器人 NAO 在教授欧洲文化古迹时，使用 AR 的实验组学生学习效果更好。
此外，社会辅助机器人和 AR 技术还可用于教授智障学生生活技能，帮助不同国籍学生进行语言学习和团队协作。在远程教育中，也有研究使用机器人助手提供 AR 指令和教程，提升学习体验。如 RobotAR 在在线教育中，相比 Zoom 课程，能提供更强的教师存在感，改善整体学习体验。
3.2 AR 辅助教育机器人
AR 辅助教育机器人主要应用于 STEM 教育，通过将机器人作为教育工具，结合 AR 技术，使 STEM 领域对学生更具吸引力。例如，开发的游戏让学生在增强环境中操作机器人避开虚拟障碍，学生在参与过程中享受机器人活动，即使他们大多不打算从事工程职业。
在混合现实中，学生可与低成本机器人和虚拟物体互动，通过 AR 获得有关科学和机器人组装的额外解释信息、视频和动画，有助于更好地理解和完成任务。如在组装教育机器人的任务中，使用 AR 的小学生完成任务的时间明显更短。
AR 技术还可为机器人课程提供背景，使学习更具真实性。学生在虚拟增强空间中用英语描述机器人路径和编程，增加了学习的趣味性和挑战性。在远程教育中，AR 能支持 STEM 概念和机器人课程的学习，学生通过移动设备和可打印标记参与学习任务，提高学习的趣味性。此外，AR 还可用于在线机器人竞赛，使竞赛主题更生动，学生通过设计、创建和动画 3D 模型，编程机器人完成任务。
当物理机器人无法出现时，AR 可通过模拟和可视化设备或部件，改善电子学习体验。例如，开发的 AR 机器人学习系统能为学生提供学习材料、测验和虚拟机器人运动模拟，AR 机器人化身可辅助学生进行编程和组装任务，提高学习的趣味性，减少对设备的需求。
除了 AR 机器人化身，AR 技术还可帮助教育机器人编程和学习 STEM 概念。例如，使用 AR 尺子可视化距离，帮助计算数学公式；使机器人的传感器数据可见，帮助学生理解传感器操作。教育机器人还可与 AR 结合，让学生熟悉人工智能相关主题，如通过虚拟内容帮助学生理解强化学习概念。
3.3 AR 在机器人教育中
在机器人教育领域，AR 主要用于辅助教学，通过提供互补的可视化，帮助学生更好地理解机器人原理。例如，使用基于 AR 的用户界面，学生可实时观察机器人状态、监控传感器和执行器，并控制机器人运动。如通过平板电脑摄像头捕捉机器人，在屏幕上叠加关节角度测量和控制，实现运动命令的发送。
一些研究通过在传统项目指南中加入 AR 丰富的学习材料，帮助学生更好地理解机器人设计过程。如 3D 打印的机器人零件与数字 3D 模型结合，学生可与之互动，提升对设计过程的理解。还有研究开发 AR 应用，用于轨迹估计、机器人行为研究和实验等，帮助学生掌握机器人导航和控制算法等概念。
许多研究对使用 AR 辅助机器人教学的方法进行了评估，结果表明，AR 能提高学生的学习兴趣和积极性，增强对机器人编程和操作的理解。例如，学生在使用 AR 编程机器人时，更专注于任务，且对 AR 机器人的体验更积极。一些 AR 编程系统被证明具有良好的可用性，能增加学生对程序执行的信心。
AR 在远程教育场景中也得到应用，开发的 AR 增强远程实验室，可覆盖电气工程课程和机器人控制的练习。学生通过与虚拟机器人的互动，熟悉机器人操作，如虚拟 Kuka 机械臂的展示和操作。一些研究还实现了远程 AR 学习环境，学生可在其中组装、拆卸虚拟机器人，学习机器人组件和进行维护。
3.4 其他应用
AR 与机器人技术的集成还在其他领域得到研究。在儿童教育方面，早期研究通过机器人和投影仪的结合，促进儿童参与讲故事活动，发挥创造力。如 GENTORO 系统让儿童通过控制机器人表达自己的故事。
在工程教育中，基于投影仪的系统可用于教授机器人学和多智能体系统，学生通过投影仪可视化，更轻松地掌握机器人概念和理解实验。此外，还有用于教育游戏的投影仪 - 机器人系统，涵盖沉浸式讲故事、绘画和互动数字游戏等应用，经用户研究证实具有良好的可用性。
在医学教育领域，AR 技术可用于手术教育。例如，AR 可帮助外科医生在手术中专注于特定物品，同时保持与真实手术环境的接触。结合人工智能模块的 AR 可视化，可生成手术指导，如数字叠加相关描述和 3D 指导轨迹。还有研究探索了社交机器人的沉浸式远程呈现实现，包括 AR 应用，并研究了其功率需求。
3.5 趋势
从地域分布来看，许多国家都有关于 AR 与机器人技术结合在教育中应用的研究，美国、希腊和韩国的研究成果较为突出。各地区的研究分布相对均匀，反映了全球利用技术改善教育的努力。
从时间分布来看，近年来，涉及 AR 和机器人技术在教育中应用的研究数量呈上升趋势，表明该领域越来越受到关注，这得益于技术的发展和其优势的逐渐显现。
在 AR 设备和平台方面，49.3% 的研究使用移动设备，Unity 和 Vuforia 是最广泛使用的 AR 开发平台，这体现了这些软件程序的能力、适用性和可及性。
四、讨论
学习环境的设计和开发基于不同教育背景的目标，机器人和 AR 在其中扮演着不同角色。社会辅助机器人结合 AR 技术，为学生提供指导、信息和反馈，促进学习和社交技能发展；教育机器人帮助学生理解 STEM 相关内容，AR 提供可视化信息，辅助解决问题、情境化活动和模拟机器人动作；在工程教育中，AR 用于指导、模拟和数字孪生操作，帮助学生学习机器人的控制、编程和组装。
研究中涉及的机器人有物理机器人和虚拟机器人。作为导师或教师助手的机器人多为物理机器人，因其能有效传达存在感，促进学生参与和社交行为，在 STEM 教育和机器人教育中，物理机器人的物理交互有助于体验式学习。虚拟机器人则具有灵活性，可轻松集成数字内容，适应不同教育场景，且成本较低。
AR 和机器人技术的结合在面对面教学和远程教育中均有应用。在远程教育中，虚拟机器人的应用使学生无需使用物理机器人即可完成学习任务，通过扫描标记与屏幕上的机器人互动。物理机器人也可用于远程教育，学生通过摄像头观察远程实验室中的机器人，AR 内容辅助学习。AR 技术在远程教育中能增强学习动机，创造更具互动性的学习环境。
从学习成果来看，AR 与机器人技术的结合在认知、心理运动和情感领域均有积极影响。学生的学习动机、参与度和兴趣提高，对复杂现象的理解更好，问题解决能力提升，同时促进了社交技能的发展和同伴关系的建立。此外，人工智能与 AR 和机器人技术的结合，也有助于提升学习效果。
在教育水平方面，AR 和机器人技术的结合在幼儿园、小学、中学和高等教育中均有应用。幼儿园和小学阶段，主要用于讲故事、教育游戏、语言学习和 STEM 教育；中学阶段，侧重于教育机器人编程；高等教育阶段，涉及编程、电子、语言学习、社交互动以及机器人的组装、编程和控制等方面。
然而，AR 与机器人技术的结合在教育应用中也面临一些挑战。技术方面，硬件成本高，机器人和可穿戴 AR 设备昂贵且难以获取和维护，软件开发和系统维护也需要专业人员和资金投入。此外，机器人在实际应用中的不可预测行为、技术不稳定和传感器不准确等问题，可能会干扰学习过程。
在教学方法上，缺乏既定的教育框架，教育工作者在设计有效整合两者的教育实施方案时面临困难，需要专业培训和资源支持。伦理方面，数据隐私是关键问题，学习伙伴的设计需符合伦理规范，目前相关研究对伦理问题的讨论还不够深入，需要更多跨学科合作来制定明确的教学框架和伦理准则。
五、结论
AR 和机器人技术是具有多种能力和特征的创新技术，可应用于多个领域，在教育领域的结合应用具有重要潜力。本系统文献综述通过对 69 项研究的分析，探讨了 AR 与机器人技术在教育中的应用，为未来研究提供了有价值的见解。
研究发现，AR 与机器人技术的结合在各级教育中均有应用，社会辅助机器人结合 AR 提供支持，教育机器人结合 AR 教授 STEM 概念，AR 在工程教育中辅助机器人教学。此外，该结合在面对面和远程教育中都能提升学生的学习体验。
除了主要研究领域，AR 在手术机器人培训中的应用逐渐兴起，随着机器人在手术中的应用增加，AR 辅助手术机器人培训有望在未来更受欢迎。
本综述采用 PRISMA 方法，确保了研究的全面性和相关性。尽管最终选择的研究数量较多，但优先考虑了相关性，以全面概述该领域。未来还需进一步研究方法、教学法和技术手段，以优化 AR 与机器人技术在教育中的结合应用，满足不同学习需求。
