封面故事 |教育智能硬件：正在加快脚步
文│ 舒湘蓉 编辑│余健仪
从供给端看，智能硬件生产要建立多种产业链之间的合作；从需求端看，教育智能硬件作为电子产品，仍然被认为对青少年儿童会产生不好的影响。
在女儿两岁的时候，肖女士就给女儿买了早教机。“哄孩子睡觉是个大工程。”她表示，“这个早教机最大的作用就是讲故事哄孩子睡觉。”尽管家里有几十本故事书，但她觉得仍旧无法完全满足孩子的需求。而早教机具有联网功能，能从网上资源库下载更新故事，让她哄孩子睡觉轻松了许多。
除此之外，早教机能够发送孩子的语音到家长微信上的功能也让她十分满意：“就算不在孩子身边，也可以用早教机随时跟孩子交流。”如今早教机已用了一年，孩子依然十分喜欢。
但是关于早教机学习英语、诗歌等语言发展功能，肖女士用得很少。“小孩子语言发展这件事，更重要的还是大人的训练引导。”她认为这么小的孩子通过机器来学习不太现实，“现在早教机在我们家也就是个故事机加音乐播放器。”拥有一个13岁女儿的云先生，给女儿买过一个词典笔。“后来被孩子弄丢了。”他说，“之后就没有再买，而是用比较原始的电子词典。”他表示这是因为女儿在学二外日语，词典笔并没有查日语的功能，而电子词典有，所以他女儿还是选择使用电子词典。
在科技发展的作用下，教育硬件产品越来越智能化。或许目前它们的功能还不够完善，但不可否认的是，这些产品正在改变孩子学习的方式。
教育智能硬件正在逐渐火热
根据腾讯研究院等机构联合发布的《2021中国教育智能硬件趋势洞察报告》的定义，教育智能硬件指的是一种针对教、学群体开发的能够实现传感互联与人机交互的硬件终端产品。
早教机、学习机、词典笔、作业灯等等产品都属于其类。2020年疫情爆发，在线教育成为学生的刚需，也催生了教育智能硬件的生产消费浪潮。根据IDC（国际数据中心）2020年8月的数据（图1）显示，2020年第二季度中国教育平板电脑市场出货量约63万台，同比增长29.9%，增幅明显高于普通平板（17.7%）。而2020年全年中国教育平板出货为440万台，增速创下新高。
除了因在线教育而畅销的学习平板以外，词典笔也成为市场的关注点。网易有道、搜狗、科大讯飞都纷纷推出自己的词典笔。网易有道2021年第一季度财报显示，网易有道学习产品净收入为2.02亿元，同比增长279.5%，比学习服务净收入的同比增长率156.8%高出122.7个百分点。
财报表示，学习产品的净收入增长主要来源于有道词典笔的推动。这说明词典笔正在成为网易有道的一项重要收入来源。
而作业灯走入人们视野是在2020年10月，字节跳动旗下大力教育发布了第一款智能教育硬件产品——大力智能作业灯。这款作业灯集护眼、查词、批改作业等多种功能于一体，零售价为799元。
2021年3月，腾讯教育发布新品“AILA智能作业灯”，除了具备大力智能作业灯的基本功能外，还能连接校内教学平台，分享学生作业数据给教师。这款作业灯的零售价为1499元。
2021年5月，阿里云AIoT联合西安导学教育科技发布新一代“导学号”智能作业灯，同样主打护眼、批改作业等功能。作业灯的价格远高于一般台灯，使得作业灯一时间成为大厂们竞争的产品市场。
随着今年《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》（以下简称“双减”）和各地针对教培公司的监管政策落地，校外教培业务被叫停。在这样的背景下，一些在线教育公司也入局教育智能硬件，新东方上架了在线扫描笔，猿辅导也推出了学习机（图2）。
《2021中国教育智能硬件趋势洞察报告》从底层技术环境、产业链支撑、人机交互体验三个方面归纳了教育智能硬件的技术驱动因素。
首先是5G建设稳步推进：到2020年底，据工信部数据显示，我国已累计开通5G基站71.8万个，三大运营商共有5G套餐用户数3.22亿，同时，2021年三大运营商5G开支预算总计达1847亿元，势头强劲；
其次是供应链相对成熟：我国已成为电子元器件第一大生产国，形成了世界上产销规模最大、门类较为齐全、产业链基本完整的电子元器件工业体系，企业数量有数万家，基本上可以覆盖现有的市场需求；
最后是边缘计算优势凸显：5G推动下边缘计算场景更加丰富，人机交互响应更快，体验逐渐优化。如边缘计算的优势可以满足在线互动课堂的多样需求，带来更好的用户体验。
AI技术是最大的推动力
教育智能硬件的兴起，是建立在人们对智能硬件和AI技术的探索上的。在2014年至2015年，智能硬件赛道曾成为投资热点。根据艾瑞咨询《2015年度中国智能硬件行产业数据系列研究报告——投资分析篇》中的数据，2014年国内智能硬件投资额达到120亿元，较2013年的20亿元增长了6倍，2015年上半年便超过上一年全年，达到149.3亿元，但2015年下半年开始，投资金额骤降，第三季度从上季度的45.4亿下降到5.7亿。
根据《中国产经新闻》的报道，从2013年到2016年，存活的智能硬件企业不到10%。中国通信院《2017年智能硬件产业发展白皮书》这样分析原因：“过去两年中智能硬件创新多落脚于‘互联网+’社会各行各业服务发展，以专有领域的应用服务和终端设计为主，基础能力突破不足，始终没有打破智能手机所定义的上一代终端的创新范式。”并认为“人工智能成为重塑硬件智能的新动力。”
而近几年来，人工智能在教育上的应用逐渐增加。2018年中国在线教育市场蓬勃发展，也涌现出大量专注于“AI+教育”的新型教育机构。艾瑞咨询的《2019年人工智能产业报告》认为，2019年在线教育中与人工智能技术相关的业务规模已超过120亿元。
在线教育公司所拥有的人工智能技术和教育内容就为其开发教育智能硬件提供
了支撑。而诸如腾讯之类的信息技术公司，在人工智能技术具有更深的积累，也能推出自己的教育智能硬件产品，并获得市场认可。
人工智能是如何赋能教育智能硬件的呢？人工智能技术包括智能语音语义、计算机视觉、知识图谱等技术，这些技术使教育硬件实现各个方面的智能化。根据艾瑞咨询的《2018年中国人工智能行业研究报告》，我们可以对人工智能技术在教育硬件上的应用进行分析。
首先是智能语音语义。它包括语音识别、自然语言处理、语音合成等技术。语音识别技术可赋予机器感知能力，将声音转为文字供机器处理，在机器生成语言之后，语音合成技术可将语言转化为声音，形成完整的自然人机语音交互。具体流程如图3所示。
这一技术被经常被用于学习机尤其是英语学习上。例如某品牌的英语学习机，能够与孩子进行英文的对话。一些早教机也能做到与孩子聊天，起到陪伴的作用。
虽然这项技术应用广泛，但为教育智能硬件提供AI视觉技术的玩瞳科技创始人黄勇表示：“目前教育智能硬件在‘语义技术’上发展极不成熟，作为智能教育设备，能够进行一定自由开放的对话是一个较好的服务。但是目前除了‘微软小冰’等高端的引擎外，基本没有适合的技术可以依托。”
其次是计算机视觉。计算机视觉即通过电子化的方式来感知和理解影像。深圳市人工智能行业协会《2021人工智能发展白皮书》中认为，在深度学习算法出现后，计算机视觉技术得到了很大的突破，当前已经处于相对比较成熟的阶段。
计算机视觉通过深度学习来形成神经网络，模仿人类视觉系统进行图像配准、处理和分析。作为计算机视觉的一个细分领域，OCR（Optical Character Recognition，光学字符识别）是词典笔的核心技术。
通过OCR，词典笔将纸上的英文单词进行识别读取，转换为计算机能够处理的数字信息，并进行翻译。此外，点读笔、具有扫描作业功能的作业灯、学习机也是利用了这项技术。
此外还有知识图谱。知识图谱技术旨在描述各种实体概念及其相互关系，一般由“实体-关系-实体”构成三元组，每个实体也拥有其相应“属性”。大规模的知识图谱往往会包含数亿实体、
数百亿属性和千亿关系，由大量结构化和非结构化数据挖掘而来，基于专用知识图谱及基于它构建的自然语言理解技术，机器可充分发挥推理、判断的系统性能，相对精准的回答问题，延展智能范围。
知识图谱主要有智能搜索和智能问答两种应用，在教育智能硬件上的运用则是体现在一些学习机的个性化学习功能，例如通过分析孩子的作业作答情况，指出孩子学习的薄弱点，并推荐相关知识点的练习题，帮助孩子提高成绩。
两大难点限制发展
尽管大部分技术已经成熟并能投入使用，教育智能硬件的前景也并不是一马平川，面前有两大难题制约其发展。
首先从供给端看，智能硬件生产要建立多种产业链之间的合作。艾瑞咨询在《2015年中国智能硬件产业系列研究报告——产业链图谱篇》中，将智能硬件的产业链件从创意产生到产品销售的各主要环节归纳、总结，这些环节包括研发设计、硬件生产、内容及服务供应、宣传推广、销售等（图4）。对于在线教育公司来说，研发设计和内容不难解决，但与硬件生产厂家合作仍需要一定的磨合。
黄勇表示，他们研发的AI阅读软件开发工具包服务，对硬件的主控芯片、摄像头规格以及结构设计上面都需要进行一定的适配。他们经过2年的努力，现在业内的硬件厂家及其方案公司都可以较好地理解和使用这套规格要求，产品质量达到稳定。
“教育智能硬件一般涉及到‘技术+内容+硬件’的深度整合，硬件厂家对智能AI技术以及教育学习资源的理解是不足的，需要提供完整的解决方案。”黄勇认为这是软件公司与硬件厂家合作的一大难点。
其次从需求端看，教育智能硬件作为电子产品，仍然被认为对青少年儿童会产生不好的影响。
有家长向《科技与金融》表示，几乎没有给孩子购买教育智能硬件，原因就是不希望孩子太早接触电子产品。而长期以来的一些医学研究都不建议儿童使用电子产品，许多研究认为过早使用电子屏幕会导致孩子近视的几率升高。《国际眼科杂志》2016年的文章通过实验得出结论，过度使用手机、电脑、平板等电子产品是导致近视的危险因素。
此外，《现代预防医学》2018年一篇论文指出，每日视屏时间过长不仅影响儿童睡眠习惯，而且会导致异态睡眠、睡眠节律紊乱等睡眠问题。
尽管近些年不断研发出防蓝光护眼屏之类保护青少年身体的产品，但是一些长期以来家长们对于电子产品的戒备仍然很难消除。这也为教育智能硬件的市场需求造成一定影响。
未来发展：技术永不止步
“更加健康护眼的‘屏幕技术’可能会带来教育智能硬件的革命，屏幕的交互仍然会是人机交互的主流发展方向，其他的交互技术会成为辅助，从而形成‘多种模态’的交互。”黄勇这样预测。
根据清华大学编写的《人工智能之人机交互》定义，人机交互是系统与用户之间的交互关系。人机交互主要的发展方向有触控交互、声控交互、动作交互、眼动交互、虚拟现实输入、多模式交互以及智能交互等。
触控交互主要是基于屏幕的交互，触控式交互技术能让人们通过触摸就能直接与屏幕内容互动，让人们不用或进行很少的训练就能有更为便捷的使用体验。
不同形式的输入组合（例如语音、手势、触摸、凝视等）被称为多模态交互模式，其目标是向用户提供与计算机进行交互的多种选择方式，以支持自然的用户选择。
目前的教育智能硬件里，无论是学习机、作业灯还是词典笔都具备显示屏，根据北塔资本投资总监王强透露，一些英语智能音箱企业也在研发带屏幕的音箱产品。
屏幕的广泛使用，就决定了市场对屏幕护眼技术的需求。目前电子屏幕护眼性能的实现途径主要有两种。
第一是采用电子墨水屏，这种屏幕在阅读器上被广泛使用，优点是不发光、不闪烁带来的护眼效果，以及功耗低带来的省电效果，缺点在于刷新率低，很难显示动态内容。
第二是采用防蓝光的液晶屏，目前防蓝光主要是通过各种方式减少伤眼的短波蓝光的释放，但显示器在实际使用过程中蓝光危害的综合评估方法、辐曝极限和测试方法等标准仍需进一步研究。
为了保证显示效果，目前市面上大部分显示器采用的仍然是防蓝光液晶显示屏，2020年中国消费者协会梳理多地消协组织的比较试验结果后指出，防蓝光不等于防近视，要预防近视还是要严格控制一次观看电子屏幕的时间。如果有更健康护眼的屏幕技术，对于学生长时间使用教育智能硬件也减轻了用眼负担。
随着更多的技术公司参与研发和生产教育智能硬件，技术的一些短板正在不断被弥补。“技术不会限制教育智能硬件产品。”关于本文开头，云先生对词典笔的意见，王强认为：“如果说用户觉得只能查英语不能查日语，这个还是有技术方案能解决的。”据了解，2020年6月，已有品牌推出中日韩英四语的词典笔，并且增加单词跟读、听力播放等功能。
教育硬件的智能化正在加快脚步，而行业需要破解的难题，仍然在于建立一个成熟的供应链体系，和打破用户们心中的成见。