人工智能與兒童發(fā)展：基于機器人和語音助手的研究*

毛憶晨 童 鈺 李 卉 王福興

（華中師范大學心理學院，武漢 430079）

在電影《機器管家》（Bicentennial Man，1999，USA） 中，原本平凡的家務機器人Andrew 在陰差陽錯之下被賦予了學習、創(chuàng)造能力，在與主人公Martin 一家的朝夕相伴中逐漸建立起深厚的感情，最終成為“家人”。隨著人工智能技術（artificial intelligence，AI）越來越貼近我們的生活，這部科幻片中人類與機器人其樂融融相處的圖景雖然脫離現(xiàn)實，但從長遠來看卻未必不可實現(xiàn)。我們正處于技術的爆發(fā)點，移動網絡技術、大數(shù)據技術等新興技術催熟了人工智能技術及其應用推廣，心理學研究者也開始關注人類如何看待人工智能技術與人工 智 能 衍 生 產 品（Hoy，2018；Guzman，2019）。

人工智能正以多樣化的面貌勢不可擋地涌入家庭、學校和公共場所，兒童被動或主動接觸到這類技術的機會和頻率也隨之增 加（Benitti，2012；Druga，Williams，Breazeal，& Resnick，2017）。美國Common Sense Media 2019 年最新數(shù)據顯示，29%的青少年與31%的吞世代（Tweens，年齡范圍為8 至14 歲）家中擁有Google Home、Amazon’s Echo 一類的智能音箱，13%的青少年與17%的吞世代報告自己每天都與其互動（Rideout & Robb，2019）；根據World Robotics Report（2020），全球工廠運行的工業(yè)機器人達到了創(chuàng)紀錄的270 萬臺，而亞洲仍然是最強大的工業(yè)機器人市場，中國作為全世界工業(yè)機器人最主要的使用者，其2019 年的運轉存貨量提高了21%，達到了78.3 萬臺。因此，相比于成人，從孩童時期就早早地暴露在技術之下的兒童更有可能與人工智能相伴終身（Sommer et al.，2019）。考慮到技術與兒童自身發(fā)展的雙重局限性，了解兒童與人工智能的接觸模式以及人工智能會對兒童發(fā)展產生何種影響成為了研究者們最為關心的問題（Lovato&Piper，2019；Wiederhold，2018）。作為使用門檻不高，且最為頻繁出現(xiàn)在兒童日常生活、家庭教育、學校教育中的智能產品，語音助手、機器人與兒童的關系研究是本文關注的核心問題。

該綜述以語音助手、機器人為例，結合人工智能技術的最新研究進展，對兒童與人工智能交互的行為模式、兒童如何理解人工智能以及該技術對兒童的學習和思維、語言、社會性發(fā)展有何影響等方面進行了綜述，以期為研究者、教育者豐富科研成果，促進兒童發(fā)展提供指導。

1 兒童對人工智能的理解

新技術的涌現(xiàn)（比如：人工智能）提供了激發(fā)兒童思考何為智能的契機，但與此同時，也使兒童陷入理解上的兩難局面。以機器人為例，一方面，它們屬于人工創(chuàng)造的工業(yè)制品；另一方面，它們的語言和行為特征又無時無刻不在證明自己是具有一定自主能力的獨立個體。有研究招募了90 名三個年齡段的兒童（9 歲、12 歲、15 歲），當被詢問“是否認為人形機器人是生物”時，13名兒童認為是，43 名兒童認為不是，還有34 名兒童認為介于生物與非生物之間（Kahn et al.，2012）。由此可見，對兒童而言，這些具備溝通能力的機器既不能被簡單地看作有生命或無生命，又不能被粗暴地歸類為生物 或非生 物（Kahn，Gary，&Shen，2013）。針對這種現(xiàn)象，有研究者提出了新本體論范疇假說（New Ontological Category Hypothesis），認為在定義這類新的智能產物時，可以改變舊有的定義方式，比起在已有的概念系統(tǒng)中進行歸類（例如生物或非生物），將其視作一種全新的獨特存在似乎更為合理（Kahn et al.，2013）。雖然Kahn 等人（2012）的研究中近一半（48%）兒童認為人形機器人不是生物，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，兒童相信機器人和語音助手具備心理狀態(tài)，包括智力、興趣、情緒情感，并且賦予其友善、可信任的品質，年齡稍長的孩子（6～10 歲）甚至認為它們比自己還要聰明（Druga et al.，2017）。

兒童對機器人等人工智能產品基本生物屬性的矛盾認知也潛在地影響了對其社會性和道德價值的判斷。兒童傾向于將機器人一類的人工智能產品看作社會個體，賦予其一定程度的道德關懷（Kahn et al.，2012）。Kahn 等（2012）觀察了當中途打斷兒童（9 歲、12 歲、15 歲）與機器人玩游戲，并命令機器人回到壁櫥中時兒童的反應傾向，結果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)兒童都把機器人視為一個獨立的社會存在，維護其基本道德權益，認為不應剝奪它完成游戲的機會。值得一提的是，相比于15 歲的兒童，9 歲和12歲的兒童在各子量表上得分更高，更多地肯定機器人的獨立地位。但在公民自由（是否可以被買賣）和公民權利（如：投票權）上，大多數(shù)兒童卻持有消極態(tài)度。為何會出現(xiàn)這樣的判斷呢？Sommer 等（2019）認為兒童將機器人主觀歸類為介于人類和無生命物體之間的第三大類，雖然賦予了機器人高于無生命物體的道德關懷，卻不認為機器人可以與人類一樣擁有同等的政治地位。

相比于成人，兒童對智能產品的理解較為片面，但仍存在一定的靈活性和發(fā)展性。除外表、聲音、動作、表情，甚至視線等直觀因素（Giger，Pi?arra，Alves-Oliveira，Oliveira，& Arriaga，2019；Breazeal et al.，2016；Castro-Gonzalez，Admoni，&Scassellati，2016），其他一些細節(jié)性的因素也會促使兒童不斷調整對人工智能的認識。例如，對比看起來具有自主行動能力的機器人，當觀察到機器人的運動受到遠程操縱時，兒童會認為它缺乏自我意識和自我決定能力（Somanader，Saylor，& Levin，2011；Chernyak & Gary，2014）?；又胁粔蚣皶r的反饋、錯誤的語音識別和語義理解都會使兒童對這些機器做出“低智能化”的判斷（Nilsen，2019）。在實現(xiàn)基本功能的基礎上，當人工智能設備能夠針對情境展現(xiàn)出更高級的個性化社會支持（如：共情能力）和更復雜的親社會行為（如：注意引導）時，兒童對其身份認同和性能感知都會隨之產生積極的改觀（Ahmad，Mubin，& Orlando，2017；Ahmad，Mubin，Shahid，& Orlando，2019；Belpaeme et al.，2018）。此外，接觸形式也會影響兒童對機器人的社會性判斷，當幼兒并未直接與機器人接觸，而僅僅是觀看屏幕呈現(xiàn)的機器人時，會削弱對其社會性的感知（Sommer et al.，2019）。

總的來說，人工智能技術本身還未在兒童的認知中形成一種整體性概念，兒童對于這項技術的理解更多是基于特定產品的使用體驗，且對其生物和社會屬性并未達成一致的認知。

2 兒童對人工智能的探索與使用

2.1 兒童對語音助手的日常探索行為

技術局限和年齡限制使兒童在日常生活中與人工智能的接觸面也隨之受限，但語音接入、智能對話功能與生活場景的對接降低了設備使用門檻（Rapp，Tirassa，&Ziemke，2019）。即使大部分兒童在日常生活中未曾親身享受機器人服務，但對Siri、智能音箱（如：Alexa、小度）、語音家教機等設備卻并不陌生。

兒童會采取一些探索性行為來試探語音助手的功能特點并從中獲得樂趣，即使用具有人類社會交往和關系特征的語言，探索其所具有的“人格”。例如向其詢問個人信息（“Hey Alexa，你多大了？”），喜好（“Siri，你最喜歡的食物是什么？”），工作原理（“Julie，你的體內有處理器嗎？”）或是個人能力（“Cozmo，你可以開門嗎？”），以及它們如何定義自己（“你是誰？”）（Druga et al.，2017）。當熟悉設備后，孩子甚至會與其開玩笑（“我可以吃掉你嗎？”），并將得到的意料之外的答案看作智能語音設備“人格”的幽默感。相對的，也有兒童在互動中察覺到設備的局限性，詢問一些無法作答的問題用于取樂（Druga et al.，2017）。綜合以上可以發(fā)現(xiàn)，在這類互動行為中，好奇心與新鮮感是激發(fā)兒童探索行為的主要誘因，幼兒更多將智能語音助手看作是一個玩伴，或將其視作與人類相似的全新獨立個體。

在初步了解語音助手本身的功能特征后，兒童還會以對話功能為媒介，為兒童使用智能手機、平板電腦提供便利。兒童可以通過語音輸入下發(fā)指令，滿足看視頻、發(fā)信息等功能性需求，但相比于前面提及的針對語音助手本身的探索性行為，兒童采取這類功能性互動行為相對較少（Lovato &Piper，2015）。這種差異或許是受到父母態(tài)度的影響，部分家長更支持其孩子對智能設備的知識性用途，而出于隱私和安全隱患考慮，父母并不認為智能手機上有關攝像、購物類的語音權限適用于兒童（Sciuto，Saini，F(xiàn)orlizzi，&Hong，2018）。

總的來看，兒童在日常生活中接觸到的人工智能主要以提供會話服務的智能設備為主，如手機、平板上的語音助手。兒童會與語音助手展開探索性對話或下達功能命令，但并未深入挖掘、充分使用設備功能，娛樂性用途高于實用性用途。

2.2 兒童對人工智能的使用：信息檢索

兒童是天生的提問者，提問行為是兒童認知能力發(fā)展的關鍵一步（Chouinard，2007）。受限于認知能力，孩子們往往很難通過第一手經驗獲取信息，此時老師、父母、網絡、智能設備往往充當著間接的信息來源。與老師、父母相比，智能設備的“易得性”更強，信息獲取渠道更廣；與傳統(tǒng)網絡相比，人工智能技術支持語音輸入，降低了信息獲取門檻（Chouinard，2007；Foss &Druin，2014；Lovato&Piper，2015）。

那么人工智能的智慧真的能夠為兒童所用嗎？研究者通過網絡調查和YouTube視頻數(shù)據分析發(fā)現(xiàn)，兒童與蘋果語音助手Siri 的互動多數(shù)屬于信息尋求和問題搜索（Lovato&Piper，2015）。Lovato 等（2019）將兒童對Google Home Mini 的提問主題劃分為8 個主要領域，出現(xiàn)頻率最高的分別為科學和技術（24%）、文化（21%）、實用知識（18%），設備對問題的正確識別率高達89%，然而只有50%的問題得到了完全解答。一方面，兒童確實將語音助手視作可以答疑解惑的信息源；另一方面，交流過程中也時常存在雙向障礙，一邊是語音助手在問題解答能力上確有不足，一邊是兒童的語言表達能力有限，且不能清晰地區(qū)分哪些問題是語音助手可以回答的。當溝通障礙發(fā)生時，兒童會參照人類溝通技巧采取相應的解決策略。例如，當機器語音識別失誤時，兒童會提高音量或適時停頓；當機器語義理解失誤時，兒童會補充背景信息，替換詞匯或具體化問題（Cheng，Yen，Chen，Chen，&Hiniker，2018）。在此過程中，推理和心理理論水平對于重新組織問題和理解復雜回答的能力至關重要，這對發(fā)展水平較低的孩子提出了更大的挑戰(zhàn)（Lovato，Piper，&Wartella，2019）。

在融合語音理解、移動網絡技術的基礎上，人工智能技術在信息獲取上有著天然的優(yōu)勢，但有能力提供信息并不意味著能夠精準地識別兒童的問題、提供兒童需要的信息，從這個層面上來看，人工智能的智慧又是極其有限的。

3 人工智能對兒童發(fā)展的影響

當兒童與這些智能產物互動的機會越來越多，那么擺在家長和教育者面前的便是一連串更加直接的問題：智能設備在兒童發(fā)展過程中究竟扮演著怎樣的角色？機器人、語音助手到底是促進還是阻礙了幼兒發(fā)展？綜述以往研究，以機器人、語音助手為例的人工智能產品對幼兒發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在思維（Benitti，2012；Lovato，Piper，&Wartella，2019；Toh，Causo，Tzuo，Chen，& Yeo，2016）、 言 語 （Xu &Warschauer，2019；Neumann，2020）和社會性發(fā)展（Sommer et al.，2019；Martin et al.，2020）上。

3.1 人工智能對兒童思維發(fā)展的影響

思維能力對于兒童發(fā)展至關重要，人工智能產品能夠靈活地參與到兒童學習過程中，以提供指導和反饋的方式，幫助兒童提升思維能力。當兒童學習物理知識時，機器人可以給兒童展示物體的旋轉、移動和加速，來解釋牛頓運動定律（Mitnik，Nussbaum，& Soto，2008）；當兒童學習數(shù)學時，機器人可以對兒童的計算答案給予反饋，記錄兒童的學習狀況，并針對性地提供解決問題的思路和方法，提升兒童學習效果（Wei，Hung，Lee，&Chen，2011）。研究發(fā)現(xiàn)，基于機器人和智能語音設備的人工智能應用可以提升兒童學習參與度和動機，能促進自主學習、互動學習和合作學習（Wei，Hung，Lee，& Chen，2011；Chen，Quadir，&Teng，2011）。此外，研究認為人工智能技術的使用還可以促進兒童的學習結果，尤其是STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）學習。當研究者使用樂高機器人教授進化論原理時，學生對自然選擇、適應等科學概念的理解在后測成績中由26.9%顯著提升至42.3%（Barker & Ansorge，2007；Whittier&Robinson，2007）。但也有研究認為機器人的參與僅僅能夠幫助學生掌握理論知識，未能提高他們進行科學探究的技能（Williams et al.，2007）。

除了參與兒童的學習活動，人工智能還能通過參與幼兒的主要活動形式——游戲，對思維能力發(fā)展產生積極影響。在游戲過程中，人工智能技術可以有效地幫助幼兒認識新的復雜客體，將思維活動上升到行動層面，通過模擬練習發(fā)展適應生活和解決問題的能力。例如，教育玩具樂高機器人的加入能夠減少游戲的指向性，增加幼兒玩耍時的愉悅感，甚至輔助殘疾幼兒玩耍（Evaldsson & Corsaro，1998；Cook，Adams，Volden，Harbottle，& Harbottle，2011）。與此同時，教育者也同樣應該意識到，人工智能對兒童思維發(fā)展的影響并不總是積極的，如果幼兒過度依賴人工智能，習慣于智能設備的即時回應，那么也同樣有可能致使他們在遇到困難（如完成家庭作業(yè)）時第一時間本能地求助機器設備，而非自主思考解決問題（Wiederhold，2018）。

3.2 人工智能對兒童語言發(fā)展的影響

此外，具有對話能力的人工智能產品所提供的有意義交流能夠培養(yǎng)兒童讀寫興趣，促進語言發(fā)展。自然語言處理技術的進步使Amazon Alexa 一類的會話代理能夠有效扮演社會伙伴角色，通過提問、反饋等一系列行為輔助兒童閱讀學習，并且根據兒童發(fā)展水平調整問題難度，營造參與式的對話閱讀氛圍（Sugimoto，2011）。有研究者設計了一款安裝在Google Home 上的講故事型會話代理，結果發(fā)現(xiàn)雖然閱讀學習的過程中存在一些障礙，但總體而言，這類代理在一定程度上可以促進兒童閱讀的參與度、理解度和語言能力發(fā)展（Xu &Warschauer，2019）。社交型機器人還可以直接應用于語言教學，通過參與兒童的教育游戲活動促進早期母語學習或是第二語言輔導（Neumann，2020）。Vogt（2017）等認為，當為兒童建立安全的互動環(huán)境，并且?guī)椭鋵C器人感知成同伴時，最有利于長期互動關系的建立，優(yōu)化第二語言的學習效率。除了參與正常的教學環(huán)節(jié)，機器人還能夠幫助特殊兒童發(fā)展語言技能，例如Scassellati 等（2018）設計出具有簡單社會交流能力的擬人化機器人，吸引失聰嬰兒的注意力，引導其做出交際嘗試（咿呀學語與模仿行為）。由于靈活的行動能力及高度的可重復性，機器人被視作語言教學的有力工具，與書本、電腦相結合可以進一步豐富語言教學形式（Chen，Quadir，&Teng，2011）。

3.3 人工智能對兒童社會性發(fā)展的影響

除了以上兩個方面，人工智能設備也會對兒童社會性發(fā)展產生影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，兒童對其社會性、道德價值進行評判的過程，也是一個反思自身道德原則或道德信念的過程，這在機器人身上表現(xiàn)尤為明顯，兒童對機器人生物、社會屬性的判斷是他們賦予其相適配道 德 關 懷 的 依 據（Williams，1985；Nucci，2001；Melson et al.，2009）。其次，機器人等具備顯著社會性特征的人工智能產品提供的個性化社會支持和親社會行為同樣也會促進兒童產生助人、模仿行為，盡管其中蘊含的社會學習機制還未得到充分發(fā)掘（Belpaeme et al.，2018）。其中一個典型應用就是社會輔助型機器人，研發(fā)人員通過定制機器人的社交互動幫助自閉癥兒童捕捉和保持注意力，以新異刺激的方式引導兒童產生模仿行為，鼓勵兒童發(fā)展和使用社交技能，最終達到誘導和強化該群體親社會行為的目標（Scassellati，Admoni，&Matarińc，2012；Sartorato，Przybylowski，&Sarko，2017；Clabaugh et al.，2019）。最后，社會交往是兒童發(fā)展的關鍵，兒童與人工智能產品互動的過程可以促進兒童對社會線索的理解，提升心理理論水平。例如Martin等（2020）發(fā)現(xiàn)，當機器人傳遞出需要幫助的信息時，大部分3～4 歲的兒童都樂于幫它撿起掉落的物體。但值得注意的是，道德關系是一種相互作用的機制，單方面的服從命令并不能使兒童與智能機器建立穩(wěn)固、有意義的關系。由于幼兒不需要去迎合機器人的社會興趣和需求，因此人與機器的相處經驗有時并不能遷移到人與人之間的社會交往中，過度依賴智能機器甚至可能形成消極的“主仆關系”，損害認知和情緒發(fā)展（Kahn et al.，2012）。

4 人工智能在教育實踐中的應用

人工智能技術正以不可逆轉的態(tài)勢融入兒童的日常生活、學習中，如何使用教育手段系統(tǒng)地發(fā)揮這項技術的優(yōu)勢也就順理成章地成為廣大教育研究者的關注重點。一部分研究者認為人工智能技術在教育實踐中展現(xiàn)出嶄新的優(yōu)勢，從長遠看它不僅能夠縮減學校預算開支、擴展學生容量，還可以針對學生特質設計個性化課程，提升教育成果（Toh et al.，2016）。機器人在教學環(huán)境中的推廣是人工智能教育應用最有代表性的例證，相比于純粹基于書本等學習材料的傳統(tǒng)學習模式，機器人在課堂中的使用建立了一種互動式的社會學習情境，尤其在一些需要直接物理操作的科目（如：書法、投籃等）上，機器人不僅增強了學習的趣味性，還可以幫助殘疾兒童克服身體缺陷完成操縱物體的任務（Litoiu & Scassellati，2015；Chen，Garcia-Vergara，&Howard，2018；Scassellati et al.，2018）。在教學過程中，機器人既可以承擔多門課程教學，如語言學習、科學與技術學習，又能夠承擔多角色任務，如作為導師引導課堂進程，或是以同伴的身份與學生共同學習（Benitti，2012）。如果說機器人能夠良好地適應學校教育，那么語音家教機等會話代理則更適用于分擔家長的家庭教育負擔（Nilsen，2019）。

還有一部分研究者認為人工智能技術還不成熟，在教育實踐應用時面臨巨大的挑戰(zhàn)。在技術上，人與機器之間存在天然的溝通障礙，技術與兒童發(fā)展的雙重限制造成的直接后果就是當前市場上可用的對話產品在很大程度上并未將兒童考慮成用戶群體，缺乏迎合不同年齡段兒童發(fā)展特征的技術產品（Lovato & Piper，2015；Nilsen，2019）。在實踐上，開發(fā)人員還無法對人工智能產品進行精準的操縱，因此這類產品與兒童的互動頻率和互動時機極有可能是與教學環(huán)境和教學任務不相匹配的（Kennedy，Baxter，& Belpaeme，2015）。 另外，有研究者質疑人工智能產品對兒童學習興趣的激發(fā)僅僅是依靠兒童對新異刺激的好奇心理，只能短期奏效，從長期效果來看并不能維持兒童較為穩(wěn)定的參與度（Ahmad et al.，2017）。最后，語音和攝像頭開放帶來的隱私泄露和使用高度擬人機器帶來的道德倫理問題也是人們在私人場所使用人工智能應用的兩大隱憂（Wiederhold，2018）。

想要長期推進教育目標，不僅需要技術人員不斷改進設備使用，也同樣需要家長和教育者的積極參與。父母在孩子與智能媒體的互動方式中發(fā)揮著關鍵作用，應當為孩子樹立健康的媒體使用模式，這對降低兒童的技術依賴很有幫助（Wiederhold，2018）。值得一提的是，人工智能并不能完全取代父母、教師的教育角色，智能輔助設施需要與教師、合理的課程設計相結合，營造共同在場的學習氛圍，才能最大化地發(fā)揮人工智能的被動輔助作用與教育者的主動促進作用（Benitti，2012；Belpaeme et al.，2018）。

總的來說，人工智能技術應用到教育實踐中的可行性和優(yōu)勢性仍然爭議不斷，想要更好地將人工智能技術應用到教育實踐中，既要解決技術問題（如：掃除交流障礙，設計為兒童服務的會話體驗等），又要解決實踐問題（如：適當互動，保護隱私等）。

5 總結與展望

5.1 總結

綜上所述，兒童與人工智能的接觸主要依靠語音助手、智能音箱、機器人等接觸面展開，在一系列互動中建立起對其生物屬性及社會屬性的認知，而這種認識受到溝通質量、互動形式等因素影響。基于對該技術的獨特理解，兒童會在日常生活中與一些常見的智能設備產生探索性互動、功能性互動等。人工智能對兒童發(fā)展產生的影響有利有弊，一方面，它在一定程度上能夠推動兒童思維發(fā)展，促進閱讀理解和語言能力發(fā)展，幫助完善道德觀念，激發(fā)助人行為；另一方面，盲目依賴智能設備也可能損害兒童的認知和情緒發(fā)展。在教育實踐中，機器人等人工智能產品越來越表現(xiàn)出勝任輔助學校教育和家庭教育的能力，但如何通過技術改進彌補當前不足，優(yōu)化教學設計還仍然有很長一段路要走。

5.2 展望

作為一門剛剛進入兒童視野的新興技術，關注人工智能與兒童發(fā)展的相關研究仍有很大的空白之處，未來研究可以從以下幾個方向入手：

第一，發(fā)展是一個縱向的過程，相關領域研究應當考察兒童在不同的年齡階段與技術的交互有何差異，例如隨著年齡的增長，兒童對人工智能的理解、與人工智能的互動會經歷怎樣的變化，是否存在著一個年齡拐點。

第二，兒童對人工智能產品的生物屬性、社會屬性和道德價值的理解受到多種因素影響，以兒童對機器人道德價值的評判為例，未來研究不僅要區(qū)分道德價值的維度（如歸屬權、身體傷害、忽視），還可以探索哪些因素（如對機器人精神生活的評級）會使兒童認為機器人具備這些維度的道德價值（Sommer et al.，2019）。

第三，機器人等產品在教育領域的應用仍然處于試水階段，長期暴露在這種技術下對兒童學業(yè)產生何種影響仍未可知，未來研究可以進一步探索哪些技術特性有利于長期推進教育目標，哪些因素會影響其發(fā)揮作用（例如學習科目、任務類型、學習風格等）。