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在一节初中数学课堂上，老师提问：“这两位运动员谁的成绩更稳定？”学生们面面相觑，这道题超出了他们的知识储备。这时，一位机器人同学举手解题，却一次次犯下错误：“嗯……好像哪里不对。”孩子们被吸引并投入思考，暗自庆幸：幸好出错的是机器人同学。
这正是浙江大学陈柳青研究团队提出的“机器人同伴有效失败教学法”的课堂写照。相关成果以《Observing a Robot Peer’s Failures Facilitates Students’ Classroom Learning》为题，于2025年9月10日发表在Science系列期刊Science Robotics（《科学·机器人》）。
从亲历失败到“替身式失败”
机器人同伴有效失败教学法的机器人交互设计
根据教育学的有效失败理论（Productive Failure），学生在学习新知识前所经历的解题失败有助于提升学习效果。但在真实课堂中，学生难以提供足够多样且有代表性的解题思路，过早失败也可能带来焦虑与自我怀疑。为此，团队通过人-机器人交互（HRI）的设计与实现，让机器人作为同伴在课堂上先行尝试解题、经历失败并进行反思，再由老师进行总结并引入规范的知识概念。该方法既保留了“失败—觉察差距—深入理解”的核心认知机制，又使学生能够在安全的观察中专注于辨识偏差与修正，而无需承担“亲身出错”的代价。
机器人同伴有效失败教学法的课堂流程
初中数学课堂的实验结果显示，与直接授课相比，机器人同伴组的学生在知识掌握上，尤其是概念理解方面的提升更为显著，课堂认知负荷和压力更低，对知识空白的觉察也更强。学生普遍认为课堂氛围既轻松又专注，“机器人出错”让学习更有趣。
教学方法的可持续性与可迁移性
为了验证方法的可持续性与可迁移性，该研究还进行了为期两周的课堂适应性实验。实验结果显示，即使学生对机器人同伴的熟悉程度显著提高，该方法对知识掌握的积极效应仍未随时间减弱，且在“标准差”“导数”等不同教学内容上都展现出稳定的效果，显示出该方法在跨知识点迁移方面的潜力。研究结果也显示，学生们更倾向于将实验中的机器人视为学习同伴，而非演示工具。
意义与展望
以往研究中，课堂教育机器人大多被定位为“小老师”或“模范学生”。而在本研究中，机器人通过“犯错”成为与学生共同探索的伙伴，开辟了教育机器人新角色的设计思路：它不必局限于模拟既有的师生互动范式，还可以承担“错误”、“疑惑”乃至“不确定”等特殊行为，从而为课堂引入全新的教学活动与组织形式，并与常规师生互动形成有效互补。
致谢：
论文作者包括百人计划研究员陈柳青、博士研究生蔡愚、陈娟娟研究员、孙凌云教授等。该研究获得杭州市文海中学颜石珍、刘春江、赵梦婕、夏晨、徐春华等老师的大力支持，同时得到高飞、Yao Du、Zhonghao Shi等的建议与帮助。本研究获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。
