人工智能技術(shù)發(fā)展及其在幼兒教育中的應用

楊洋 陳維維

摘 要：隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，其在教育中的應用受到越來越多的關(guān)注。梳理了人工智能發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，從幼兒教育視角探討人工智能技術(shù)應用效果，并以智能教育機器人阿爾法蛋為例，將其應用于幼兒教育教學。研究發(fā)現(xiàn)，利用智能教育機器人輔助幼兒教育教學，可以促進幼兒課程多樣化、幼兒教學方式多元化，支持幼兒思維能力、多元智能和個性化發(fā)展，有利于培養(yǎng)幼兒的興趣愛好和自信心。

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);幼兒教育;阿爾法蛋

DOI：10. 11907/rjdk. 191456 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0132-04

英標：The Development of Artificial Intelligence Technology and Its Educational Application in Early Childhood Education

英作：YANG Yang1， CHEN Wei-wei2

英單：（1. College of Journalism and Communication， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China;2. Academic Affairs Office， Nanjing Xiaozhuang College， Nanjing 211171， China）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence technology， the state has put forward an urgent need for the application of intelligent technology. This paper mainly reviews the development history and research status of artificial intelligence， and discusses the application of artificial intelligence technology from the perspective of early childhood education. The application effect in early childhood education， and the intelligent education robot Alpha egg as an example， is used to support the education and teaching of young children. The study found that the use of intelligent education robots to assist early childhood education can promote the diversification of early childhood curriculum， the diversification of early childhood teaching methods， support childrens thinking ability， multiple intelligence and individualized development， and help to cultivate childrens hobbies and self-confidence.

Key Words： artificial intelligence technology; early childhood education; Alpha egg

0 引言

自2017年7月國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》及2018年4月教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》以來，“人工智能+教育”逐漸成為教育工作者關(guān)注的熱點。關(guān)于人工智能與教育相結(jié)合的探索有：張志禎等[1]對人工智能實現(xiàn)教學自動化的方法和限度進行了深入探討;郭利民等[2]對人工智能與特殊教育的深度融合進行了闡述;王亞飛等[3]對智能教育應用的概念、內(nèi)涵、研究范疇以及推動智能教育應用落地的措施和價值進行了初步解析;王永固等[4]對人工智能在兒童學習障礙教育中的應用進行了闡述;陳凱泉等[5]對基礎(chǔ)教育階段人工智能課程與教學實施路徑進行了探索;張坤穎等[6]對人工智能教育應用與研究中的新區(qū)、誤區(qū)、盲區(qū)與禁區(qū)進行了闡述;唐燁偉等[7]基于教育人工智能支持下的STEM跨學科教學進行了教學模式相關(guān)研究;郝祥軍等[8]對教育人工智能發(fā)展現(xiàn)狀、具體應用及未來發(fā)展機制進行了研究。從上述研究中可以看出，人工智能在教育中的應用正逐步深入。

然而，人工智能技術(shù)在幼兒教育中的研究較少，其如何與幼兒教育教學相融合需進一步思考和探索。本文從人工智能技術(shù)發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀出發(fā)，分析當前幼兒教育存在的主要問題，以智能教育機器人阿爾法蛋為例，闡述了其功能及其在幼兒教育中的應用效果，并探討了未來發(fā)展趨勢。

1 人工智能發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀

1.1 人工智能內(nèi)涵

早在1956年的達特茅斯會議上，科學家們討論創(chuàng)造出人工大腦的可能性，麥卡錫首次提出了人工智能這一概念，將其界定為：使一部機器的反應方式像一個人在行動時所依據(jù)的智能[9]。這一定義給出了人工智能研究目標：實現(xiàn)能夠像人類一樣利用知識去解決問題的機器。關(guān)于人工智能的定義并沒有一個公認的說法，不同的研究者根據(jù)不同的研究領(lǐng)域也給出了不同的定義，具體內(nèi)容如表1所示。

綜上可知，人工智能需要制造智能機器或開發(fā)智能計算機程序，這些機器或程序能夠做到像人一樣會聽（語音識別、機器翻譯等）、會看（圖像識別、文字識別等）、會說（語音合成、人機對話等）、會思考（人機對弈、定理證明等）、會學習（機器學習、知識表示等）、會行動（機器人、自動駕駛等）。

1.2 人工智能發(fā)展歷程

人工智能發(fā)展歷程可分為以下6個階段：

（1）萌芽期：1943-1956年。1943年，人工神經(jīng)網(wǎng)絡與數(shù)學模型建立，標志著人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究時代的開啟;1950年，計算機與人工智能之父圖靈發(fā)表《機器能思考嗎》，并提出了圖靈測試。

（2）啟動期：1956-1969年。1956年，達特茅斯會議的召開，標志著人工智能的誕生。期間，國際學術(shù)界關(guān)于人工智能研究潮流興起，羅素《數(shù)學原理》被算法全部證明，在此期間學術(shù)交流頻繁。

（3）消沉期：1969-1975年。1969年，作為主要流派的連接主義與符號主義進入消沉，關(guān)于人工智能的四大預言遙遙無期，在計算能力的限制下，國家及公眾對人工智能的信心持續(xù)減弱。

（4）突破期：1975-1986年。1975年，BP算法開始被研究，第五代計算機開始研制，專家系統(tǒng)的研究和應用艱難前行，半導體技術(shù)開始發(fā)展，計算機成本和計算能力逐步提高，人工智能開始取得突破。

（5）發(fā)展期：1986-2006年。在此期間，BP網(wǎng)絡得以實現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡得到廣泛認知，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的算法研究突飛猛進;計算機硬件能力快速提升，互聯(lián)網(wǎng)開始構(gòu)建，分布式網(wǎng)絡降低了人工智能的計算成本。

（6）高速發(fā)展期：2006年至今。2006年，深度學習被提出，人工智能再次獲得突破性發(fā)展;2010年，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人工智能應用場景開始增多;2012年，深度學習算法在語音和視覺識別上實現(xiàn)突破，同時，融資規(guī)模開始快速增長，人工智能商業(yè)化開始高速發(fā)展。

2016年AlphaGo和2017年AlphaGo Zero的相繼出現(xiàn)，將人工智能徹底推向了發(fā)展高潮，2017年也因此被稱為人工智能元年。

1.3 人工智能研究領(lǐng)域及其技術(shù)特征

作為一個學科，人工智能是自然科學、社會科學、技術(shù)科學3個交叉的綜合學科，涉及哲學、認知科學、數(shù)學、計算機科學等，其研究領(lǐng)域也非常廣泛。關(guān)于人工智能的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是人工智能最重要也是最活躍的一個研究領(lǐng)域，是一個具有大量專門知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)。它可以根據(jù)某個領(lǐng)域一個或者多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決那些需要人類專家才能解決的問題。專家系統(tǒng)被廣泛應用于工程、科學、醫(yī)藥、軍事、商業(yè)等方面，其功能主要包括：解釋、預測、診斷、設計、規(guī)劃、監(jiān)督和控制等。

（2）計算機視覺。計算機視覺是使用計算機及相關(guān)設備對人類視覺的一種模擬。其主要任務是通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得相應場景的三維信息，包含模式識別、圖像處理、圖像解釋、圖像理解、圖像分析、機器視覺等，最終目標是為了使計算機能夠像人一樣通過視覺觀察和理解世界，具有環(huán)境自主適應能力。

（3）自然語言理解與處理。自然語言理解與交流是指使用自然語言與計算機進行通訊的技術(shù)，讓計算機能夠閱讀和理解人類語言。它的一些直接應用包括人機對話、信息檢索、文本挖掘、問題回答和機器翻譯，在Web搜索、社交網(wǎng)絡、生物數(shù)據(jù)分析和人機交互等領(lǐng)域有廣泛應用[15]。

（4）機器人學。機器人學是與機器人設計、制造和應用相關(guān)的科學。它主要研究機器人的控制與被處理物體之間的關(guān)系，如搬運物體和導航等。其研究領(lǐng)域主要涉及兩個方面：一方面是讓機器人具備視覺和觸覺，使其能夠識別空間景物的實體和陰影;另一方面是指機器人在接受外界的刺激后，驅(qū)使機器人行動的過程。

（5）機器學習。機器學習是指讓機器自身具有獲取知識的能力，使機器能夠總結(jié)經(jīng)驗、發(fā)現(xiàn)錯誤、改進性能，對環(huán)境具有更強的適應能力。機器學習的應用主要包括：數(shù)據(jù)挖掘、計算機視覺、自然語言處理、語音和手寫識別、機器人運用等。

（6）博弈與倫理。博弈是指智能機器和人類之間的較量，如1997年IBM公司研制的深藍系統(tǒng)首次在正式比賽中戰(zhàn)勝了國際象棋冠軍卡斯帕羅夫以及近兩年谷歌DeepMind的AlphaGo和AlphaGo Zero分別戰(zhàn)勝了圍棋高手李世石和柯潔，由此引發(fā)了人工智能博弈問題的熱議;倫理是指對人工智能安全、人工智能時代下個人隱私、人工智能是否會取代人類工作等問題的思考。

關(guān)于人工智能的研究領(lǐng)域從不同的角度分析，其結(jié)果也不盡相同，很難面面俱到，但不同領(lǐng)域的技術(shù)方法和思想是可以相互借鑒和相互促進的。

2 幼兒教育中存在的問題

幼兒教育作為基礎(chǔ)教育中不可或缺的重要組成部分，一直以來都受到社會和家長的諸多關(guān)注。然而當前階段，幼兒教育存在的問題日益凸顯，嚴重限制了幼兒身心發(fā)展，具體內(nèi)容如下：

（1）幼兒獲取知識途徑單一。當前幼兒園教育中，孩子只是單方面地從教師那里獲取信息，幼兒獲取信息的渠道較為單一，這樣的教學形式會導致幼兒認知水平不高，缺乏信息辨別能力。

（2）幼兒教育教學形式單一。幼兒園教育中的教學形式以課程講授為主，但處于幼兒時期的孩子對周圍的一切事物都充滿好奇心，他們喜歡多種教學方式：做游戲、唱歌、跳舞、繪畫、動手等，而教師時間和精力有限，難以樣樣俱全，這在一定程度上會遏制一些孩子的好奇心，不利于孩子個性化發(fā)展。

（3）幼兒教育缺乏主動性。幼兒教育是孩子發(fā)展的關(guān)鍵階段，就目前幼兒園教育看，以教師的教為主，教師教什么，孩子就學什么，沒有遵循孩子自己的學習興趣。處在幼兒階段的孩子，他們對周邊的事物充滿了好奇心，具有豐富的形象思維，教師應該遵從幼兒成長規(guī)律，賦予孩子們更多自主選擇的機會，孩子喜歡做什么，教師要以正確的方式給予引導，合理開發(fā)孩子的想象力和創(chuàng)造力。只有將學習的主動權(quán)交給孩子，孩子們才能學得開心，玩得舒心，健康快樂成長[16]。

3 幼兒智能教育機器人功能及應用——以阿爾法蛋為例

3.1 幼兒智能教育機器人功能

目前，幼兒智能教育機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，各種產(chǎn)品層出不窮，如阿爾法蛋、布丁豆豆、小i書童、小愛機器人、小騰機器人、小胖機器人、樂高機器人、智伴機器人和熊貓機器人等。本文以科大訊飛的阿爾法蛋為例，分析其功能，具體如下：

（1）教育功能。阿爾法蛋擁有從幼兒至初中的語文、英語、音樂等課本教材，可以回答孩子提出的問題。阿爾法蛋可以做到中英文互譯，對孩子進行英語啟蒙教育。不僅如此，阿爾法蛋還可以實現(xiàn)故事兒歌、國學分析、課文朗讀、字詞聽寫等功能，這些對幼兒都有一定的啟蒙教育作用。

（2）語音識別和人機對話功能。阿爾法蛋具有聲紋識別功能，通過保存自己的聲音文件，在與它對話時，阿爾法蛋就能辨別出你是誰。阿爾法蛋可以與孩子進行實時交流和溝通，回答孩子的各種問題。

（3）陪伴與遠程管理（實時監(jiān)控）功能。孩子無論走到哪里，都可以將阿爾法蛋帶在身邊，隨時隨地與它交流和溝通，如同親密的小伙伴。同時，阿爾法蛋具有遠程管理功能，父母可以通過該功能為孩子遠程推送播放內(nèi)容，遠程查詢阿爾法蛋狀態(tài)、遠程設置兒童鎖、定時關(guān)機等。遠程功能也將使家長對孩子的遠程陪伴成為現(xiàn)實，兒童在成長過程中最為需要的便是家長的陪伴。

（4）APP設置成長計劃功能。借助此功能，阿爾法蛋可以根據(jù)孩子的學習和認知水平，為孩子創(chuàng)建每天的學習課表，讓孩子養(yǎng)成良好的學習習慣。通過推送個性化的學習內(nèi)容和學習方法實現(xiàn)因材施教，達到個性化教育目的。

（5）微聊與信息查詢和日常提醒功能。阿爾法蛋可以與手機等移動終端設備進行語音、文字和視頻溝通，父母可以通過阿爾法蛋與孩子隨時隨地進行溝通和交流。阿爾法蛋還可實現(xiàn)天氣查詢并播報及智能鬧鐘功能，能夠在固定時間提醒孩子做預先計劃做的事，培養(yǎng)孩子良好習慣。

3.2 幼兒智能教育機器人應用效果

通過觀察和實踐分析，將智能教育機器人應用于幼兒教育中，不僅可以在一定程度上有效解決當前幼兒教育存在的一些問題，還可以達到如下效果：

（1）促進幼兒個性化發(fā)展。幼兒教育不僅要考慮孩子的共性，更要注重他們的個體差異性。幼兒教育要關(guān)注兒童的興趣和需求，課程內(nèi)容要滿足幼兒的個性化發(fā)展。而智能教育機器人可以根據(jù)每個兒童不同的學習興趣和認知水平選擇適合自己的學習資料，做到因材施教，甚至可以為他們設置比較長遠的教育計劃，使幼兒快樂學習和健康成長。

（2）培養(yǎng)幼兒興趣愛好和自信心。處于3～6歲的兒童，他們的認知很容易受外在環(huán)境的影響，他們更喜歡也更容易接受圖像、聲音等視頻類教學內(nèi)容。智能教育機器人能以圖像、聲音和視頻等形式將教學內(nèi)容呈現(xiàn)給孩子，讓孩子多感官地接觸學習內(nèi)容，激發(fā)他們學習的好奇心和興趣;同時智能教育機器人可以讓孩子自主選擇自己感興趣的學習內(nèi)容，有利于培養(yǎng)孩子的愛好和學習自主性。智能教育機器人甚至可以當作幼兒形影不離的朋友，有效緩解那些信心不足不愿與人交流的幼兒自閉癥狀，通過與幼兒互動交流，有效預防或者緩解幼兒自閉程度并提升幼兒自信心。

（3）促進幼兒多元智能發(fā)展。在幼兒教育過程中，利用智能教育機器人采用認事物、講故事、想辦法、做游戲、看動畫、聽音樂等一系列教學形式，充分發(fā)揮幼兒的聽覺、視覺和感覺等多種器官的作用，啟發(fā)他們想出各種各樣的辦法以解決遇到的問題，促進幼兒多元智能發(fā)展。

（4）促進幼兒思維能力發(fā)展。幼兒階段是一個人思維能力發(fā)展的關(guān)鍵階段，對于該階段內(nèi)能否得到有效的思維鍛煉，對于幼兒智力發(fā)育具有重要影響。而這些具有人工智能技術(shù)的幼兒教育機器人可以直觀、具體、生動、形象地向幼兒展示學習內(nèi)容和認知對象，便于幼兒多感官、多通道地與外部刺激發(fā)生相互作用，建立大腦與外部信息的廣泛聯(lián)系， 還可以最大限度地激發(fā)幼兒的非智力因素[17]。借助智能教育機器人支持和輔助幼兒教育，更加符合幼兒認知規(guī)律和年齡特征，對促進幼兒思維能力發(fā)展具有重要意義。

（5）促進幼兒教育教學方式多元化。目前，幼兒園的教育以教師的教為主，教師帶領(lǐng)孩子識字、唱歌、跳舞、算術(shù)、做游戲等。將教育機器引入幼兒教育中，一方面可以有效緩解教師壓力，另一方面可以豐富教學方式，促進幼兒教育教學方式多元化。

（6）促進幼兒課程多樣化。幼兒課程的多樣化指課程目標多樣化、課程實施途徑多樣化、課程模式多樣化及課程種類多樣化[18]。利用智能教育機器人輔助幼兒教育可以實現(xiàn)課程目標多樣化，包括培養(yǎng)幼兒的智力、體力、情感、語言等;可以實現(xiàn)課程實施途徑多樣化，使得幼兒課堂不僅僅是在幼兒園還可以在家中或者其它地方;傳統(tǒng)幼兒園教育往往以教師為中心，利用智能教育機器人可以實現(xiàn)以幼兒為中心、以活動為中心等，使得課程模式多樣化;智能教育機器人本身包含不同形式、豐富多彩的課程，還包括不同年級的各類課程，實現(xiàn)了課程種類的多樣化。

可以看出，將人工智能技術(shù)應用于幼兒教育中，可以喚醒幼兒的覺醒水平，還可以激發(fā)幼兒的學習興趣。通過智能教育機器人可以將生活中不易見到的、抽象的事物清晰、形象地展現(xiàn)在幼兒面前，強化幼兒的多感官參與，縮短幼兒認知事物的時間。同時，將智能教育機器人應用于幼兒教育中，可以有效緩解教師教學壓力、豐富教學內(nèi)容和教學方法、調(diào)動學生學習興趣，在幼兒教育中發(fā)揮重要作用。

4 人工智能技術(shù)應用于幼兒教育的未來展望

近年來，隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，幼兒的智慧教育產(chǎn)品也越來越多。這些智慧教育產(chǎn)品因特定的教育功能而在早教中得到普及應用，不僅走進了幼兒家庭還走進了幼兒園的課堂教學中，改變了幼兒傳統(tǒng)的學習方式、學習環(huán)境和學習內(nèi)容。幼兒的學習方式從被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿?學習環(huán)境也逐步走向豐富和開放，借助這些智慧教育產(chǎn)品，幼兒可以隨時隨地進行學習;學習內(nèi)容也更加多樣化，智慧教育產(chǎn)品可以通過圖片、聲音和視頻等方式，通過游戲化等具有趣味性的學習過程向孩子傳達學習內(nèi)容，極大提高了幼兒學習的主動性和積極性[19]。

美國新媒體聯(lián)盟（基礎(chǔ)教育版）針對未來五年基礎(chǔ)教育面臨的形勢、教學變革的重要趨勢和挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)等，召開專家團隊進行協(xié)作研究和專題討論，并發(fā)布專題報告預測未來五年內(nèi)全球范圍的新興技術(shù)對教育的影響。表2梳理了2016-2017年基礎(chǔ)教育版地平線報告中預測的近期、中期和遠期能夠進入應用或影響基礎(chǔ)教育的主要技術(shù)。

可以看出，人工智能技術(shù)是未來進入基礎(chǔ)教育階段主流應用的教育技術(shù)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和智能教育機器人的普及，人工智能技術(shù)進入基礎(chǔ)教育應用的步伐會越來越快。

當前，學期兒童的思維方式和學習方式離不開媒體技術(shù)和人工智能技術(shù)的支持，加上國家、社會和家庭對幼兒教育的重視和投資力度的加大，利用人工智能技術(shù)支持和輔助幼兒教育將變得越來越重要。人工智能技術(shù)（產(chǎn)品）運用于幼兒教育，可以有效解決當前幼兒教育中存在的一些問題，但也不能盲目亂用，應該以尊重幼兒個性和尊嚴為前提，遵循幼兒身心發(fā)展的普遍規(guī)律，恰當運用人工智能技術(shù)實現(xiàn)幼兒個性化、適宜性發(fā)展。

5 結(jié)語

利用人工智能技術(shù)輔助幼兒教育，不僅可以解決當前幼兒教育中存在的一些問題，還有利于幼兒教育在一定程度上實現(xiàn)自動化、智能化和個性化?？傮w而言，關(guān)于人工智能技術(shù)在幼兒教育中的研究相對較少，需要進一步探索，以實現(xiàn)幼兒教育更快更好發(fā)展。

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（責任編輯：孫 娟）