兒童外語學(xué)習(xí)認(rèn)知數(shù)據(jù)收集的在線游戲框架

馬為之，張 敏，張琛昱，劉奕群，馬少平

(清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心，北京，100084)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)規(guī)模的提升，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能算法在近年取得了越來越好的表現(xiàn)，特別是在文本處理、圖像識(shí)別等方面都有了很大的提升。然而，目前人工智能的發(fā)展水平與人類智能仍有很大差距。已有的研究工作對(duì)于人類的知識(shí)學(xué)習(xí)和認(rèn)知等方面的研究和探索還不夠深入，我們對(duì)于人類認(rèn)知過程的了解還很初步，近年來有更多的工作致力于人類的認(rèn)知學(xué)研究，希望能夠從中找到前進(jìn)的方向。

語言學(xué)習(xí)認(rèn)知是人類學(xué)習(xí)認(rèn)知的重要部分。雖然，這一過程受個(gè)體特征、個(gè)體成長環(huán)境等社會(huì)學(xué)因素和個(gè)體教育情況的影響，但是，語言知識(shí)本身具有一定的架構(gòu)性和規(guī)則性，例如，存在語法規(guī)則和基本的組成單位；以字/字母為最小粒度的符號(hào)；以拼音/音標(biāo)為最小粒度的發(fā)音等。人類在語言學(xué)習(xí)過程中受到這些規(guī)則的限制，且學(xué)習(xí)同一語言的不同個(gè)體學(xué)習(xí)目標(biāo)相同。因此，研究語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的過程也成為了研究人類認(rèn)知的重要手段。實(shí)際的研究過程中，往往可以通過控制變量和大規(guī)模調(diào)研，在不同個(gè)體之間進(jìn)行語言學(xué)習(xí)認(rèn)知結(jié)果的比較，更可以從語言學(xué)習(xí)的過程中，總結(jié)人類的認(rèn)知規(guī)律，幫助識(shí)別人類的學(xué)習(xí)特性?？梢哉f，從語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的角度去嘗試了解人類的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程和知識(shí)構(gòu)建過程是較好的研究切入點(diǎn)。

然而，人類的各個(gè)年齡階段都可能存在語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的過程，從嬰幼兒時(shí)期的母語學(xué)習(xí)模仿，到成年后的外語學(xué)習(xí)，單純從語言學(xué)習(xí)認(rèn)知過程進(jìn)行認(rèn)知研究將面臨變量太多、因素不可控等問題。因此，不少工作將研究重點(diǎn)放在早期，特別是學(xué)齡前兒童時(shí)期的語言學(xué)習(xí)認(rèn)知過程[1-3]。已有工作中，語言詞匯學(xué)習(xí)情況是研究語言學(xué)習(xí)與認(rèn)知的重要根據(jù)，例如，1996年由Fenson等人提出的針對(duì)英文的CDI詞匯量表，被廣泛應(yīng)用于英語學(xué)習(xí)認(rèn)知過程的研究[4]。大部分已有工作以母語為語言學(xué)習(xí)的研究目標(biāo)[1-3,5]，然而，本文更傾向于將第二語言作為語言學(xué)習(xí)認(rèn)知研究的載體: 一方面，我們認(rèn)為母語的學(xué)習(xí)研究將更可能受到復(fù)雜環(huán)境的影響，特別是對(duì)于嬰幼兒的語言學(xué)習(xí)過程，雖然他們開始模仿語言并開始有一定的理解能力，但是限于年齡發(fā)展水平，我們很難獲得他們的直接反饋；另一方面，我們也希望能夠進(jìn)行第二語言的學(xué)習(xí)認(rèn)知研究，可以與母語的一些研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而在更深層次比較語言學(xué)習(xí)發(fā)展的過程。

由于語言學(xué)習(xí)認(rèn)知這一研究問題具有開放性的特點(diǎn)，研究過程中需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為支撐，而目前缺乏已有的大規(guī)模數(shù)據(jù)用于第二語言學(xué)習(xí)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與建模，更難以進(jìn)行母語學(xué)習(xí)和第二語言的學(xué)習(xí)過程比較。本文致力于首先解決這一基礎(chǔ)性問題，為進(jìn)一步的深入研究提供數(shù)據(jù)支撐，本文主要貢獻(xiàn)如下:

(1) 據(jù)我們所知，這是首個(gè)針對(duì)中國學(xué)齡前兒童的大規(guī)模第二語言外語學(xué)習(xí)認(rèn)知過程的研究工作，我們明確了研究方向和需求，確立了在線收集詞匯認(rèn)知數(shù)據(jù)的思路，為第二語言的學(xué)習(xí)研究和與母語學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程比較打下了基礎(chǔ)。

(2) 結(jié)合語言學(xué)和心理學(xué)等學(xué)科知識(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了游戲性數(shù)據(jù)收集流程，能夠用于收集大規(guī)模的語言詞匯認(rèn)知數(shù)據(jù)及被試基本情況，并且實(shí)現(xiàn)了以英語為第二語言的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

(3) 整個(gè)框架設(shè)計(jì)不局限于某種語言的應(yīng)用，可以廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)不同語言的學(xué)習(xí)認(rèn)知發(fā)展的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

1 相關(guān)工作

1.1 針對(duì)語言學(xué)習(xí)詞匯認(rèn)知的相關(guān)研究

在語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的研究中，詞匯認(rèn)知水平是評(píng)價(jià)語言學(xué)習(xí)情況的重要標(biāo)準(zhǔn)，它能夠被明確的定義和比較。其中，由Fenson等人在1996年提出的CDI(The MacAuthor Communicative Development Inventories)詞匯量表，對(duì)于近些年語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的研究起到了重要的作用[4]。

CDI是一套用來測量嬰幼兒和早期學(xué)齡前兒童語言發(fā)展水平的測試量表，具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。它克服了其他測量手段的局限性——不需要嚴(yán)格的條件限制、不需要經(jīng)過專業(yè)的訓(xùn)練便可以使用等。該量表自提出后經(jīng)過了長時(shí)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與檢驗(yàn)，被證明可以有效地體現(xiàn)學(xué)齡前兒童的真實(shí)語言水平。目前，由斯坦福大學(xué)發(fā)起的利用該量表的數(shù)據(jù)建立起的世界兒童語料數(shù)據(jù)庫WordBank，已有各國語言的母語CDI量表結(jié)果共計(jì)數(shù)十萬條。為心理學(xué)、語言學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展提供了寶貴的研究資料[1-3]。

在詞匯認(rèn)知規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，有部分工作嘗試了對(duì)人類的語言學(xué)習(xí)過程和詞匯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行刻畫，Nicole與Eliana整理了已有的針對(duì)人類大腦中詞匯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和認(rèn)知模型的研究工作: Nelson等人根據(jù)針對(duì)數(shù)千人的面對(duì)面調(diào)查，提出語義網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式[7]；Hills等人根據(jù)CDI的詞匯研究結(jié)果，總結(jié)了人類學(xué)習(xí)新詞語順序的模型[5]。可以說，大規(guī)模數(shù)據(jù)是深入語言認(rèn)知研究的重要助力。

1.2 針對(duì)第二語言學(xué)習(xí)的相關(guān)研究

WordBank中已有的CDI量表數(shù)據(jù)是通過統(tǒng)計(jì)學(xué)齡前兒童日常使用母語的情況得到的。目前，并沒有針對(duì)以英語不為官方語言地區(qū)且英語作為第二語言學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，這使得已有的大量研究工作是基于母語的語言認(rèn)知學(xué)習(xí)研究，或是不同地區(qū)的母語語言認(rèn)知學(xué)習(xí)過程研究。對(duì)于第二語言學(xué)習(xí)的相關(guān)研究工作較少，但我們認(rèn)為研究第二語言學(xué)習(xí)過程有著重要意義。已有許多針對(duì)第二語言的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程以推理和假說為主，試圖解釋第二語言學(xué)習(xí)與第一語言學(xué)習(xí)的異同，但還缺乏相應(yīng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)用于支撐其研究結(jié)果[8]，這其中也包括諸多研究中國學(xué)齡前兒童學(xué)習(xí)英語過程的研究[9-10]。

同時(shí)值得注意的是，大部分語言認(rèn)知的研究會(huì)以學(xué)齡前兒童為目標(biāo)研究群體。這是因?yàn)槿祟惡茉缇烷_始接觸語言，而兒童時(shí)期的語言學(xué)習(xí)認(rèn)知研究變量更可控，同時(shí)這段時(shí)間人類的接受能力和學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)。如前所述，目前兒童的第二語言詞匯學(xué)習(xí)認(rèn)知情況的大規(guī)模數(shù)據(jù)稀缺，故設(shè)計(jì)和創(chuàng)建兒童第二語言的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫對(duì)于相關(guān)研究有著非常重要的意義。

1.3 游戲性數(shù)據(jù)收集工作

大規(guī)模的數(shù)據(jù)收集，特別是需要人工標(biāo)注確認(rèn)的數(shù)據(jù)，如果采用雇傭標(biāo)注的方式進(jìn)行，往往需要耗費(fèi)大量的人力和物力。因此，近年來涌現(xiàn)了一批利用網(wǎng)絡(luò)用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高質(zhì)量標(biāo)注的游戲性數(shù)據(jù)收集工作。這類工作通過良好的流程和游戲性設(shè)計(jì)，使得用戶參與到標(biāo)注過程中，不僅使自己得到了放松，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)收集者和標(biāo)注者的雙贏。代表性工作有: Luis提出的reCAPTCHA字符識(shí)別系統(tǒng)，將難以識(shí)別的字符作為驗(yàn)證碼讓用戶識(shí)別輸入，每年可以識(shí)別上十億條內(nèi)容且正確率高達(dá)99.1%[11]；此外，他與Shiry等人還共同設(shè)計(jì)了ESP game[12]、Phetch[13]和Peekaboom[14]三個(gè)游戲性數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，以ESP game為例，它通過讓兩個(gè)不同的用戶對(duì)于同一幅圖片找出他們觀察到的物體，完成對(duì)于圖片物體的標(biāo)注，而用戶在參與過程中則享受到了游戲的快樂，因而有動(dòng)力主動(dòng)完成更多的標(biāo)注任務(wù)。

受到這些基于游戲性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的啟發(fā)，我們考慮將學(xué)齡前兒童的語言學(xué)習(xí)過程中的詞匯認(rèn)知水平也設(shè)計(jì)成類似的系統(tǒng)。讓參與者從中獲得激勵(lì)和快樂，以實(shí)現(xiàn)用戶主動(dòng)參與數(shù)據(jù)收集過程，從而，不需要耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集工作。

2 研究目標(biāo)分析

本文致力于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)切實(shí)可靠的大規(guī)模數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，著重考慮研究人類早期第二語言學(xué)習(xí)認(rèn)知發(fā)展過程的詞匯學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程。目標(biāo)研究群體為3—6歲的兒童，重點(diǎn)研究他們的第二語言的詞匯學(xué)習(xí)過程。結(jié)合研究目標(biāo)和已有相關(guān)工作，本文首先進(jìn)行了如下分析。

2.1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，我們將遵循以下幾條設(shè)計(jì)原則:

(1)無害性原則: 面向?qū)W齡前兒童的數(shù)據(jù)收集過程，不應(yīng)當(dāng)影響和危害兒童的身體和心理健康，也應(yīng)當(dāng)避免過程中對(duì)兒童產(chǎn)生負(fù)面反饋，避免影響其健康成長；

(2)有效性原則: 要保證數(shù)據(jù)收集過程和結(jié)果的有效性，特別是針對(duì)兒童的詞匯認(rèn)知情況收集過程，需要保證與兒童有充分良好的溝通，最好能夠讓家長參與到數(shù)據(jù)收集的過程中；

(3)科學(xué)性原則: 由于語言學(xué)習(xí)和認(rèn)知涉及了多門學(xué)科，有相對(duì)復(fù)雜的變量，因此，變量的選定和流程的設(shè)計(jì)均需要保證科學(xué)合理，且應(yīng)盡量使得數(shù)據(jù)完整豐富；

(4)匿名性原則: 數(shù)據(jù)收集過程應(yīng)當(dāng)充分尊重兒童的隱私，注意避免收集敏感數(shù)據(jù)。

所有的框架設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工作都將基于這四條原則開展。

2.2 數(shù)據(jù)收集方式

我們首先面臨的問題就是如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的收集方式，以收集到大規(guī)模具體到單詞級(jí)別的學(xué)齡前兒童詞匯認(rèn)知情況用于進(jìn)一步的研究。而針對(duì)語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的已有研究工作中，數(shù)據(jù)收集主要有兩種方式。

(1) 對(duì)于學(xué)齡前兒童學(xué)習(xí)過程進(jìn)行音頻、視頻記錄，然后對(duì)內(nèi)容進(jìn)行人工分析，了解兒童的學(xué)習(xí)認(rèn)知情況；

(2) 由數(shù)據(jù)采集人員與學(xué)齡前兒童或其家長進(jìn)行當(dāng)面交流，通過答題的方式了解相關(guān)信息。

然而，這兩類采集的方法都有著明顯的弊端。這也是數(shù)據(jù)收集過程中將面臨的主要難點(diǎn):

(1) 無論是通過收集語音還是現(xiàn)場交流，都需要耗費(fèi)大量的人力成本，傳統(tǒng)的收集方法受到此因素的限制，很難獲得大規(guī)模數(shù)據(jù)。

(2) 對(duì)學(xué)齡前兒童學(xué)習(xí)的音頻、視頻全程記錄有可能會(huì)侵犯到隱私。

(3) 學(xué)齡前兒童的認(rèn)知交流能力有限，數(shù)據(jù)收集人員在溝通方面很可能遇到各種問題，引入家長輔助則有可能影響數(shù)據(jù)的收集效果。

在這種情況下，本文受啟發(fā)于已有的游戲性數(shù)據(jù)標(biāo)注工作，設(shè)計(jì)了基于游戲性的數(shù)據(jù)收集方式，用于了解學(xué)齡前兒童在第二語言學(xué)習(xí)過程中的語言認(rèn)知，特別是詞匯認(rèn)知的水平。不同于已有的游戲性數(shù)據(jù)標(biāo)注工作，若設(shè)計(jì)的收集實(shí)驗(yàn)如果僅僅由學(xué)齡前兒童參與，可能很難確保數(shù)據(jù)收集結(jié)果的有效性，故設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)將要求家長參與以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在綜合考慮以上困難和我們?cè)O(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的游戲性數(shù)據(jù)收集方法主體思路如下: 了解兒童的第二語言學(xué)習(xí)水平和狀況為測試的游戲性吸引點(diǎn)，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的界面實(shí)現(xiàn)交互。由家長發(fā)起實(shí)驗(yàn)，對(duì)孩子進(jìn)行詞匯認(rèn)知的問答操作。最后，反饋該兒童的第二語言學(xué)習(xí)水平。一方面，反饋給用戶的兒童語言學(xué)習(xí)水平是收集過程游戲性的產(chǎn)出，也是家長和兒童參與游戲的激勵(lì)。另一方面，游戲過程中兒童的詞匯認(rèn)知測試結(jié)果，則是作為開展相關(guān)研究的數(shù)據(jù)來源。

這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠同時(shí)滿足數(shù)據(jù)收集方與參與方的需求: 對(duì)于數(shù)據(jù)收集方而言，在實(shí)驗(yàn)過程中可以方便地得到詳細(xì)的兒童對(duì)第二語言詞匯的認(rèn)知情況，同時(shí)家長的參與令測量結(jié)果更有可信度。線上收集的方式也令大規(guī)模的數(shù)據(jù)收集變得不再困難，能夠節(jié)約大量人力成本；對(duì)于參與方而言，家長對(duì)于孩子的各方面能力測試會(huì)有積極了解的心態(tài)，這樣的詞匯量測試的方式，加上最終能夠直接反饋的語言學(xué)習(xí)水平結(jié)果，能夠加深他們對(duì)于兒童的了解，也為游戲的大規(guī)模傳播提供了可能性。

2.3 問答詞匯選取

值得注意的是，即便采用了游戲性的數(shù)據(jù)收集方式，在交互過程中，受限于參與者的精力、耐心情況，實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能給予被測試的學(xué)齡前兒童及其家長太大規(guī)模的詞語列表并要求他們作答。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，需要注意使用盡量少的單詞來實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童詞匯認(rèn)知情況的刻畫，同時(shí)也要保證所收集數(shù)據(jù)的覆蓋面情況。

在相關(guān)工作中，基于英文的CDI詞匯量表是一套非常成熟的詞匯量表。WordBank詞庫對(duì)于學(xué)齡前兒童的英語學(xué)習(xí)詞匯發(fā)展過程積累了大量的數(shù)據(jù)資源，有數(shù)萬兒童的CDI詞匯量表測試結(jié)果。因此，我們希望借助詞表中的詞語對(duì)兒童的詞匯認(rèn)知情況進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測。以英文的詞匯認(rèn)知研究為例，WordBank數(shù)據(jù)集中針對(duì)英語母語的幼兒詞匯認(rèn)知情況，統(tǒng)計(jì)了558個(gè)最常用的CDI量表中的詞語，可以用于母語為英語的詞匯認(rèn)知研究工作。

然而，即便是在第二語言學(xué)習(xí)的研究過程中僅使用WordBank中的558個(gè)詞語，考慮到家長和學(xué)齡前兒童的交互耗時(shí)，如果一次測驗(yàn)要求檢測這些詞匯的認(rèn)知情況將會(huì)花費(fèi)被試大量的時(shí)間和經(jīng)歷。因此，在設(shè)計(jì)過程中可以考慮引入難度分級(jí)制度，同時(shí)將待辨認(rèn)的詞匯分為固定詞語(即一定會(huì)被要求回答的)和隨機(jī)詞語兩種，這樣可以保證收集來的數(shù)據(jù)在一定程度上集中，可以用于規(guī)律性的研究和發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也可以做個(gè)體的學(xué)習(xí)情況研究。

此外，在選詞過程中，為了能夠進(jìn)一步探究學(xué)齡前兒童的理解認(rèn)知能力，我們?cè)诟鶕?jù)CDI選詞的過程中保留母語兒童的詞語認(rèn)知難度，用于比較母語與第二語言學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程差異；另一方面，在詞語的選擇方面，也應(yīng)考慮其覆蓋性和種類，例如，具體詞和抽象詞對(duì)比等。

2.4 影響語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的可能變量

確立了數(shù)據(jù)收集方式后，還需要明確的是除詞匯認(rèn)知情況外其他研究過程中較為關(guān)注的變量，這些信息應(yīng)該同時(shí)在詞匯認(rèn)知情況收集過程中得到。本文將已知的有可能影響學(xué)齡前兒童進(jìn)行第二語言學(xué)習(xí)的主要變量歸納為了以下三類。

(1)人口社會(huì)學(xué)變量: 學(xué)齡前兒童的社會(huì)學(xué)屬性及成長環(huán)境情況，包括性別、年齡、受教育情況、家庭經(jīng)濟(jì)狀況、家庭中交流語言等；

(2)語言學(xué)習(xí)能力: 學(xué)齡前兒童在語言學(xué)習(xí)方面的學(xué)習(xí)能力，已有的測量方式包括短期記憶能力、聽力和聽覺水平等；

(3)非語言智力水平: 學(xué)齡前兒童對(duì)于事物和規(guī)律的辨析和發(fā)現(xiàn)的能力，以智力測驗(yàn)為代表，被廣泛應(yīng)用的有瑞文推理[15]等度量方式。

這些已知變量和尚未發(fā)現(xiàn)的其他變量的存在使得個(gè)體間的語言學(xué)習(xí)認(rèn)知結(jié)果產(chǎn)生了差異。因此，對(duì)于這些變量的分析將能夠有助于我們了解和歸納不同變量對(duì)于語言學(xué)習(xí)認(rèn)知過程中造成的正面和負(fù)面影響。在實(shí)驗(yàn)的框架中，可以考慮收集兒童個(gè)體在這幾方面的表現(xiàn)情況，用于未來的深度比較分析。值得注意的是，這些變量和認(rèn)知能力的情況是對(duì)于兒童第二語言詞匯認(rèn)知情況的額外信息，考慮到兒童實(shí)際參與的時(shí)長和興趣程度，除了基本的信息，如: 兒童的性別、年齡外，其他的信息收集均可考慮作為問題體現(xiàn)在收集過程中。

綜合這幾方面的分析，本文設(shè)計(jì)了基于游戲性設(shè)定的數(shù)據(jù)收集框架，將在第三節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹，同時(shí)也將介紹兒童第二語言詞匯認(rèn)知研究模型的具體實(shí)現(xiàn)方法。

3 游戲性數(shù)據(jù)框架及實(shí)現(xiàn)

3.1 模型框架設(shè)計(jì)

圖1展示了基于游戲性設(shè)定的詞匯測試數(shù)據(jù)收集流程框架。除了在第二節(jié)進(jìn)行的各方面分析，考慮到數(shù)據(jù)收集的過程中由于缺乏監(jiān)督和強(qiáng)制手段，用戶隨時(shí)都有可能中途退出。如果在進(jìn)行詞匯能力測試之前有太多的信息收集環(huán)節(jié)，將很可能影響用戶參與的積極性，我們將框架分為了必選測試內(nèi)容和可選測試內(nèi)容兩個(gè)模塊:

必選測試內(nèi)容在家長與孩子選擇參與后，首先收集最基本的信息，例如，孩子的年齡、性別及接觸第二語言的渠道。隨后將開始進(jìn)行詞匯水平測試，在測試過程中將設(shè)計(jì)詞語難度分層和選詞策略，用于盡可能多且有效地收集到相關(guān)數(shù)據(jù)。在回答了一定數(shù)量(目前為20道)的詞匯測試題后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)生成反饋報(bào)告，并引導(dǎo)用戶自主參與可選測試內(nèi)容。必選測試是該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的核心部分。

可選測試內(nèi)容包含三部分，圖中的虛線框代表了這一環(huán)節(jié)是非必須參與的，這三部分對(duì)應(yīng)了在2.4中提到的三類可能影響語言學(xué)習(xí)的主要變量，每個(gè)模塊后用戶也會(huì)得到相應(yīng)的結(jié)果反饋。這三部分分別是: 更詳細(xì)的用戶信息調(diào)查問卷(如第二語言的使用頻率、孩子接受第二語言教育的方式和頻率、家庭基本狀況等)，用于進(jìn)一步補(bǔ)充基本信息情況；以瑞文推理測驗(yàn)為代表的非語言智力測驗(yàn)和以短期記憶測驗(yàn)為代表的語言學(xué)習(xí)能力測驗(yàn)?？蛇x測試的目的是進(jìn)一步收集測試者個(gè)體的各方面情況，用于分析各類變量對(duì)于第二語言學(xué)習(xí)認(rèn)知的影響，為之后可能的建模和進(jìn)一步探索提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 數(shù)據(jù)收集框架圖

3.2 基于中國學(xué)齡前兒童英語語言學(xué)習(xí)認(rèn)知研究的數(shù)據(jù)收集框架實(shí)現(xiàn)

在3.1節(jié)框架圖的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)母語為中文的中國學(xué)齡前兒童的英語學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，具體實(shí)現(xiàn)該流程。下面將各模塊的具體設(shè)計(jì)介紹如下:

3.2.1 詞語難度分級(jí)及選詞策略

如2.2節(jié)中所述，詞語的難度分級(jí)對(duì)于產(chǎn)生待回答的詞語和給予用戶評(píng)價(jià)反饋有重要意義。且由于針對(duì)的是英語學(xué)習(xí)的場景，因此我們沿用WordBank項(xiàng)目中用于兒童英語詞匯測驗(yàn)的558個(gè)CDI測試詞語。通過比照以英語為母語的10 000余名年齡在16個(gè)月到30個(gè)月的學(xué)齡前兒童對(duì)于這500余詞語的掌握情況，我們將這些詞語劃分到了L1-L5五個(gè)難度級(jí)別。對(duì)于每個(gè)詞語w，fw(x)代表年齡為x的兒童認(rèn)識(shí)詞語w的比例，找到x*滿足:

x*=argminx(fw(x)≥0.5)

(1)

在這個(gè)詞的難度級(jí)別w為

我們將英文母語的CDI測試結(jié)果作為初步的難度劃分依據(jù)，使得我們?cè)谑占綄?shí)驗(yàn)結(jié)果后可以開展母語學(xué)習(xí)和第二語言學(xué)習(xí)認(rèn)知過程的比較工作。最終，得到的L1-L5這五個(gè)難度級(jí)別的詞語數(shù)量分別為41，51，194，164和108。

在每個(gè)難度級(jí)別Li中，我們從中人工選取了四個(gè)詞語作為該等級(jí)的固定詞。這四個(gè)詞語將兼顧具象詞與抽象詞。以第四等級(jí)為例，我們選擇了ride、broken、hamburger和cloud四個(gè)詞語作為固定詞語。其他的詞語以隨機(jī)選取的方式出現(xiàn)在用戶的評(píng)測過程中。因此，難度級(jí)別為i的所有詞語將被劃分為由四個(gè)固定詞構(gòu)成的集合Ci和剩余詞集合Ri。

此外，為了能夠在收集過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)齡前兒童會(huì)面臨的詞語難度，主要考慮參與者在回答過程中收益Gain的變化情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了如算法1的難度調(diào)整策略:

算法1 選詞難度的調(diào)整策略IF Cx!=?: #首先從固定詞集合中選詞,選取后將該詞移除集合 w=Random(Cx), Cx=Cx{w} result=Question(w) #根據(jù)答題正確與否得到Gain,有可能是正或者負(fù) Gain+=(result==TRUE)?Aw:-Aw #如果固定詞集合回答完畢,進(jìn)行評(píng)價(jià) IFCx==?: IF Gain>α: x+=1 ELSEIFGain<α: x-=1 #無論是否難度變化,清零Gain和K Gain=0,K=0ELSE: w=Random(Rx),Rx=Rx{w} result=Question(w),K+=1 Gain+=(result==TRUE)?Aw:-Aw #回答兩道題之后,考慮是否需要跳轉(zhuǎn) IFK>=2: IF Gain>β: x+=1,Gain=0,K=0 ELSEIF Gain<β: x-=1,Gain=0,K=0 #如未滿足跳轉(zhuǎn)條件,只保留當(dāng)前步獲得的Gain值 Gain=(result==TRUE)?Aw:-Aw

每次要選詞時(shí)算法1都會(huì)被運(yùn)行一次: 算法會(huì)先從固定詞集合產(chǎn)生詞語，回答所有固定詞后將會(huì)進(jìn)行回答初步評(píng)分，如果評(píng)估結(jié)果不足以進(jìn)行難度調(diào)整，則會(huì)從剩余詞語中隨機(jī)生成詞語繼續(xù)評(píng)價(jià)。Question(w)函數(shù)表示向用戶詢問詞語w。新用戶進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)初始的難度等級(jí)x=1，Aw代表詞語w的評(píng)分。實(shí)際系統(tǒng)中，Gain和K的初始值均為0，且每個(gè)詞語的評(píng)分都設(shè)定為1，α和β是兩個(gè)參數(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中我們將其分別設(shè)為2和1。

在每個(gè)單詞的測驗(yàn)中，需要家長在手機(jī)上播放單詞發(fā)音*單詞的音頻文件收集自http: //fanyi.baidu.com，美式發(fā)音方法。，學(xué)齡前兒童聆聽后將需要從頁面中的四幅圖片中選擇與之最相關(guān)的一幅后完成提交。其他三幅圖將通過從收集的圖片庫中采用隨機(jī)的方法產(chǎn)生，所有的題目都已經(jīng)經(jīng)過三輪的人工檢驗(yàn)，保證每道問題的正確答案唯一。在收集系統(tǒng)中，我們將每個(gè)用戶需要回答的詞匯題目數(shù)量定為25道。

3.2.2 非語言智力測驗(yàn)及短期記憶測驗(yàn)

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，我們選取了瑞文標(biāo)準(zhǔn)推理測驗(yàn)[15]和工作記憶測驗(yàn)[16]作為兒童的非語言智力測驗(yàn)及短期記憶測驗(yàn)的具體方式。瑞文標(biāo)準(zhǔn)推理測驗(yàn)是由英國心理學(xué)家瑞文于1938年創(chuàng)制，在世界各國沿用至今，它用于測驗(yàn)一個(gè)人的觀察能力及思維能力，是純粹的非文字智力測驗(yàn)，所以廣泛應(yīng)用于無國界的智力/推理能力測試。我們從標(biāo)準(zhǔn)的瑞文推理測試中選擇了適合兒童的八道代表性的題目作為測驗(yàn)內(nèi)容[17]。

工作記憶測驗(yàn)是認(rèn)知心理學(xué)提出的有關(guān)人腦中存儲(chǔ)信息的活動(dòng)方式，工作記憶是指短期的記憶場景下的記憶結(jié)果，已有工作的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的工作記憶能力能夠幫助用戶的語言學(xué)習(xí)[18]。通常的工作記憶是通過短時(shí)間內(nèi)記憶正確的最長隨機(jī)數(shù)字的長度來進(jìn)行測量，成年人平均的記憶長度為7左右。本系統(tǒng)中工作記憶測驗(yàn)在韋氏智力測驗(yàn)中的數(shù)字廣度測驗(yàn)的基礎(chǔ)上略作調(diào)整，使得測驗(yàn)時(shí)間更短，并采用了如下的策略動(dòng)態(tài)調(diào)整測驗(yàn)數(shù)據(jù)的長度。初始的數(shù)字長度為L=3。

算法2 工作記憶測驗(yàn)的數(shù)字長度調(diào)整策略IF能夠在聽音后完全復(fù)述正確: L+=1ELSEIF連續(xù)復(fù)述錯(cuò)兩次: L-=1

3.2.3 系統(tǒng)反饋內(nèi)容的設(shè)計(jì)

由于框架采用了游戲性設(shè)計(jì)的思路，特別是在反饋過程中需要遵循我們的無害性設(shè)計(jì)原則，因此，除了考慮數(shù)據(jù)收集過程中的變量設(shè)計(jì)和科學(xué)性設(shè)計(jì)外，還需要關(guān)注用戶反饋內(nèi)容的設(shè)計(jì)，以滿足測驗(yàn)者的興趣和使用需求，確保不會(huì)對(duì)兒童的成長造成負(fù)面的影響和打擊。這對(duì)于數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的推廣有著關(guān)鍵作用。

值得注意的是，在測驗(yàn)過程中我們并不會(huì)顯示的對(duì)于單道題目給予正確或錯(cuò)誤的反饋，避免打擊參與者的積極性。而在詞匯學(xué)習(xí)評(píng)估、瑞文推理測驗(yàn)結(jié)果和工作測驗(yàn)結(jié)果的反饋內(nèi)容中，分別采用了以下三種反饋的方法，用于激發(fā)和引起參與者的興趣。

(1) 詞匯學(xué)習(xí)評(píng)估結(jié)果的反饋: 根據(jù)回答者答對(duì)的最難單詞對(duì)應(yīng)的級(jí)別，反饋告知用戶內(nèi)容如下: 您家寶貝已經(jīng)開始掌握X個(gè)月大的英語母語孩子開始掌握的單詞啦！如果出現(xiàn)極端情況，全部答錯(cuò)，則反饋“看來寶貝剛開始接觸英語，不妨從簡單的日常用語開始學(xué)習(xí)吧～7歲以前是兒童學(xué)習(xí)語言的黃金時(shí)期，加油呀！”

(2) 瑞文推理測驗(yàn)結(jié)果: 給出孩子答題正確率及完整瑞文推理量表中不同周歲孩子正確率的中位數(shù)。

(3) 工作記憶測驗(yàn)結(jié)果: 反饋孩子在數(shù)字記憶中記住的最長數(shù)字長度，并告知普通成年人的平均記憶長度為7。

系統(tǒng)反饋內(nèi)容的設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)游戲性的重要體現(xiàn)，也是參與者幫助進(jìn)行推廣的重要驅(qū)動(dòng)力，因此，對(duì)于每條反饋都需要進(jìn)行仔細(xì)的斟酌，給參與者以足夠的激勵(lì)。

圖2 首頁頁面

3.3 系統(tǒng)展示

我們根據(jù)3.1和3.2的設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的搭建，開發(fā)了適配手機(jī)頁面的游戲性數(shù)據(jù)收集接口，圖2—圖5是目前完成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的截圖，展示了首頁、詞匯評(píng)測頁面、瑞文推理測驗(yàn)頁面和工作記憶測驗(yàn)頁面。

整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)開放用于數(shù)據(jù)收集，我們會(huì)將收集到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行脫敏處理后進(jìn)行發(fā)布，用于支持相關(guān)的語言認(rèn)知發(fā)展研究工作。

圖3 詞匯評(píng)測頁面

圖4 瑞文推理測驗(yàn)頁面

圖5 工作記憶測驗(yàn)頁面

4 結(jié)論與未來工作

本文針對(duì)語言認(rèn)知學(xué)習(xí)過程的研究工作，提出了一個(gè)基于游戲性設(shè)計(jì)的人類早期第二語言學(xué)習(xí)認(rèn)知過程的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)框架，并結(jié)合心理學(xué)、語言學(xué)的已有研究工作，針對(duì)中文母語學(xué)齡前兒童的英語第二語言學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了完整的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，現(xiàn)已投入實(shí)際的數(shù)據(jù)收集。

游戲性設(shè)計(jì)使得用戶從游戲反饋中能夠了解孩子的英語詞匯發(fā)展水平相較于母語學(xué)齡前兒童學(xué)習(xí)的狀況，同時(shí)可以輕松地從中收集到大規(guī)模數(shù)據(jù)用于相關(guān)研究。

值得強(qiáng)調(diào)的是，這一框架可以實(shí)現(xiàn)低成本的在線大規(guī)模數(shù)據(jù)收集，不受地域限制且不涉及個(gè)人隱私。收集過程中可以充分考慮將非語言智力、語言學(xué)習(xí)能力等變量融入到交互過程中，給用戶的反饋內(nèi)容也將包括對(duì)語言的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，可以更好地實(shí)現(xiàn)雙贏。此外，由于框架并不局限于某種語言或者場景的研究，該框架對(duì)于相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有較好的借鑒意義。

未來我們將公布收集到的數(shù)據(jù)集，并且基于此數(shù)據(jù)集將初步的研究結(jié)果發(fā)布出來，積極促進(jìn)語言學(xué)習(xí)認(rèn)知方面研究的發(fā)展和進(jìn)步。

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