基于認知發(fā)展理論的兒童教育機器人設(shè)計研究

大連交通大學(xué) 柴巾媛 單陽（通信作者）

兒童教育機器人是服務(wù)機器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域的代表產(chǎn)品，以培養(yǎng)兒童認知能力、創(chuàng)造能力和實踐能力為目標，具有較大發(fā)展?jié)摿颓熬癧1]。2018 年4 月，《教育信息化2.0 行動計劃》提出“智慧教育創(chuàng)新發(fā)展行動，強調(diào)加強智能教學(xué)助手、教育機器人、智能學(xué)伴等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用?！盵2]這一舉措的落地，在國家政策層面上為教育機器人行業(yè)的發(fā)展提供了強大的動力。但由于發(fā)展過快，教育機器人設(shè)計的規(guī)范性極為欠缺，在科學(xué)的課程功能規(guī)劃與正確的認知培育引導(dǎo)設(shè)計上存在嚴重不足[3]?；诖吮尘?，文章圍繞學(xué)齡前兒童的認知發(fā)展特點探索兒童教育機器人的設(shè)計原則，以開發(fā)更符合兒童發(fā)展需求的機器人技術(shù)。

1 認知發(fā)展理論

認知發(fā)展是指主體獲得知識和解決問題的能力隨時間推移而發(fā)生變化的過程，諸如學(xué)習(xí)、記憶、語言、思維和推理等能力的變化[4]。認知發(fā)展理論則是探討這些過程的規(guī)律、特點及影響因素，為指導(dǎo)兒童教育實踐提供科學(xué)依據(jù)。早在20 世紀80 年代，兒童認知發(fā)展研究分為兩個方向，一是強調(diào)認知的領(lǐng)域特殊性，二是樸素的理論觀。80 年代后，研究開始轉(zhuǎn)向偏重以兒童作為主體的認知。認知發(fā)展研究自此時起分為源自皮亞杰理論的傳統(tǒng)發(fā)展心理學(xué)，以及源于由信息加工理論所支配的認知研究[5]。文章將通過對比闡述兩個理論的主張和應(yīng)用梳理兒童認知發(fā)展的主要特點。

1.1 皮亞杰的兒童認知發(fā)展理論

心理學(xué)家皮亞杰（Jean Piaget）在兒童認知發(fā)展領(lǐng)域提出了第一個兒童認知發(fā)展的理論框架，對兒童認知發(fā)展研究提供了影響深遠的理論依據(jù)[6]。他基于對不同兒童的反復(fù)的自然主義觀察，提出兒童的認知是在已有圖式的基礎(chǔ)上，通過同化、順應(yīng)和平衡，不斷從低級向高級發(fā)展[7]。同樣，皮亞杰主張兒童通過思維的四個主要階段（感覺運動認知思維、前運算思維、具體運算思維和形式運算思維）來取得進步，從而更多適應(yīng)和理解世界[8]。目前這些階段性理論已被用于不同的內(nèi)容領(lǐng)域，類似于兒童對數(shù)字、時間、社會道德和因果關(guān)系等不同認知概念的理解。例如，數(shù)學(xué)教育中七巧板、華容道等益智玩具，各國學(xué)校教育課程的階段性設(shè)置等。兒童的“自我中心性”也是皮亞杰的一個重大發(fā)現(xiàn)，明示出兒童心理與成人心理的不同之處。兒童往往無法協(xié)調(diào)自己與客體的關(guān)系，加之經(jīng)驗知識的缺乏，常常把注意力集中在自身需要和動作上，因而形成了兒童思維特有的“自我中心性”[9]。皮亞杰的理論讓社會各界對兒童的認知發(fā)展過程有了更清晰的理解，由此為當下兒童教育機器人分年齡段式功能研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 信息加工理論

信息加工理論隸屬于現(xiàn)代認知心理學(xué)，主要研究人的認識活動，包括感知覺、注意、表象、記憶、思維和言語等心理過程，目前在心理科學(xué)中居于重要地位[10]。由于皮亞杰理論缺乏對兒童認知發(fā)展內(nèi)在變化機制的精細分析，信息加工理論便被引出至兒童教育機器人功能設(shè)計的具體層面上，關(guān)注兒童如何對信息進行加工、儲存、提取、組織和操作，以新穎的理論觀點及豐富的研究成果對兒童認知發(fā)展研究產(chǎn)生較大影響。與皮亞杰的觀點相同，信息加工理論指導(dǎo)下的兒童認知發(fā)展研究亦為探尋適合于解釋任何認知領(lǐng)域發(fā)展變化的一般規(guī)律。不同的是，信息加工理論強調(diào)對兒童個體認知加工過程的研究，試圖對兒童的認知系統(tǒng)處理任務(wù)時的實際運作提供明晰詳盡的解釋[11]。信息加工理論專注于兒童表征、加工及轉(zhuǎn)換信息的過程機制，強調(diào)對兒童認知發(fā)展內(nèi)在機制的精細分析，以鑒別出那些對認知發(fā)展具有突出作用的變化機制，并了解這些特殊的變化機制如何一起工作來引起個體認知能力的增長[12]。因此，信息加工理論常常被應(yīng)用在機器人功能改進設(shè)計的研究之中，用于探尋兒童的行為和心理變化原因。

2 兒童教育機器人的設(shè)計研究現(xiàn)狀

教育機器人可以快速呈現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與交互靈活性的能力，為學(xué)習(xí)者提供有趣的動手體驗，創(chuàng)造一個引人入勝、有吸引力和互動的學(xué)習(xí)環(huán)境。當前教育機器人的學(xué)術(shù)研究導(dǎo)向以計算機科學(xué)和人機交互設(shè)計為主，研究區(qū)域集中于美國和歐洲，但以中國、日本為首的亞洲國家近年來也在教育機器人方面取得了不少研究成果，智能交互、人機協(xié)作等成為世界教育機器人研究的關(guān)鍵詞[13]。從受控實驗研究到人種學(xué)方法，認知理論和方法論范式被廣泛用于教育機器人設(shè)計的復(fù)雜過程中，成為提高兒童認知學(xué)習(xí)能力的有效工具。盡管對教育機器人設(shè)計方面的研究數(shù)量正在持續(xù)增長，但研究者對兒童認知發(fā)展的關(guān)注，用于幫助教育機器人更為合理的設(shè)計研究內(nèi)容屈指可數(shù)[14]。

現(xiàn)有圍繞兒童認知發(fā)展的教育機器人設(shè)計研究有技術(shù)方面和應(yīng)用方面。技術(shù)領(lǐng)域的研究主要集中在機器人的感知材料和物理外觀，研究圍繞用戶感知與機器人的物理屬性之間的關(guān)系，例如面部特征、機器人的大小、身體形狀以及整體運動[15]。應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，研究涵蓋自然語言、情感計算以及連續(xù)性交互行為等主題，致力于促進更多自然交互[16]。無論是哪種領(lǐng)域內(nèi)的研究，都旨在推進兒童與機器人之間的情感交流，期望建立更自然的交互關(guān)系。有研究者通過空間認知理論探討了如何設(shè)計機器人的功能讓孩子參與互動，以幫助幼兒園教育人員教授幾何思維，證明了孩子在與機器人互動時學(xué)習(xí)表現(xiàn)得到了提高[17]。Peca 等[18]基于認知發(fā)展理論進行行為分析，對Probo 機器人的動作做出適當調(diào)整后以干預(yù)治療自閉癥兒童?？梢钥闯?，以美國為代表的發(fā)達國家對與兒童教育機器人設(shè)計的認知發(fā)展已有較為成熟的研究和實驗，證明了經(jīng)過良好設(shè)計的教育機器人在促進和提高兒童注意力、興趣和學(xué)業(yè)成績方面具有顯著優(yōu)勢[19]。

國外教育機器人較國內(nèi)更先進，國內(nèi)對基于兒童認知發(fā)展的教育機器人設(shè)計研究少之又少，處于弱勢水平。隨著我國三孩政策的推進，兒童教育機器人市場的發(fā)展前景廣闊，消費需求巨大。因此，細化兒童認知發(fā)展能力，制定明確的認知設(shè)計目標，開發(fā)考慮兒童文化、經(jīng)歷情境或個體間因素的、滿足不同兒童認知需求的教育機器人，是我國教育機器人可持續(xù)向上發(fā)展的重要部分。

3 兒童認知發(fā)展的具體表征

根據(jù)皮亞杰的兒童認知發(fā)展理論可知，兒童認知發(fā)展主要有四個關(guān)鍵階段，在整個過程中，孩子們對他們成長的每個環(huán)境做出反應(yīng)，并積極參與學(xué)習(xí)和適應(yīng)，為自己的每一種經(jīng)歷和從環(huán)境中獲得的知識不斷創(chuàng)造新的認知圖式。因此，認知發(fā)展貫穿著幼兒到成年的各個發(fā)展階段，是一個構(gòu)建各種思維的成長過程，對于兒童來說其認知發(fā)展各個階段的正確培養(yǎng)尤為重要。在可能影響兒童認知發(fā)展能力的因素分析中，圍繞皮亞杰理論和信息加工理論的研究在中國尚未得到充分探索，但近年來開始受到關(guān)注[20]。為更好地了解四個關(guān)鍵階段的重要表現(xiàn)形式以及當下市場狀況，文章提煉了每一階段的兒童思維具體表征（圖1）以及對應(yīng)各階段的兒童教育機器人代表產(chǎn)品（圖2）。

圖1 兒童認知發(fā)展特征

圖2 兒童教育機器人分類

第一階段為感知運動階段：0—2 歲兒童的早期認知形成是通過感覺和運動活動的相互作用而獲得的，這階段的特征是簡單的反射、不協(xié)調(diào)的動作以及對人類和非人類物體的第一次辨別。因此，在感知運動階段，對兒童感知能力和基礎(chǔ)行為能力的提升培養(yǎng)較為重要，以促進兒童感知、反應(yīng)及運動的積極發(fā)展。故市場上面向此階段的機器人類型主要以早教機器人為主，通過繪本閱讀、對話交流、音樂熏聽等聽說讀寫的基礎(chǔ)功能訓(xùn)練來提升兒童的腦認知能力。

第二階段為前運算階段：2—7 歲的孩子們開始具備基本認知和判斷能力，嘗試用符號來理解世界，以簡單的方式對外界事物進行形式分類，此時以自我為中心的思維將主導(dǎo)兒童的認知。這一階段，市場上的教育機器人走向了開放性的交互功能，提供豐富的知識環(huán)境以培養(yǎng)兒童的想象力及學(xué)習(xí)力，功能包括但不限于習(xí)慣養(yǎng)成、課本教育、行為管理等。

第三階段為具體運算階段：7—11 歲的兒童已經(jīng)能夠根據(jù)環(huán)境中的具體對象做出理性且有邏輯的判斷，對日常周邊事物形成守恒觀念。此時的教育機器人將逐步具備思維訓(xùn)練、能力訓(xùn)練等更高層次的邏輯思維鍛煉功能，為兒童在外部世界中的認知任務(wù)提供可觀察的和可論證的客觀性。

第四階段為形式運算階段：11—16 歲的兒童已趨向于形成事物的自主思考和判斷規(guī)律的成人認知能力，具有假設(shè)性及抽象性的思維活動。面向此年齡層兒童的教育機器人加入更多的數(shù)學(xué)、哲學(xué)思考原理，運用復(fù)雜邏輯的編程和游戲培養(yǎng)兒童解決復(fù)雜問題的能力，激發(fā)兒童的創(chuàng)造能力及更強的自主學(xué)習(xí)能力。

可見，目前市場上的教育機器人大部分是按照兒童認知發(fā)展規(guī)律和特征進行功能設(shè)計，但由于沒有具體的理論應(yīng)用性指導(dǎo)，產(chǎn)品種類過于多樣化，功能卻大同小異。這種現(xiàn)象往往給消費者造成混亂，無法選擇真正適用于自己孩童的教育機器人，市場上的產(chǎn)品魚龍混雜，嚴重影響了機器人的教育意義和培養(yǎng)能力。

4 基于認知發(fā)展理論的兒童教育機器人設(shè)計原則

通過對兒童認知發(fā)展理論、兒童認知發(fā)展具體表征以及教育機器人設(shè)計現(xiàn)狀的示例分析，表明了基于認知發(fā)展理論對兒童教育機器人設(shè)計指導(dǎo)的優(yōu)勢。因此，從上述研究中確定了以下幾項原則，這些原則闡明了基于認知發(fā)展理論的兒童教育機器人設(shè)計策略。

4.1 依據(jù)認知發(fā)展階段表征的系列化設(shè)計

為滿足特定年齡階段對認知發(fā)展的差異化需求，應(yīng)依據(jù)不同認知發(fā)展階段設(shè)計陪伴成長型機器人，根據(jù)兒童的年齡信息及認知特征不斷進化機器人的成長模式。通過成長型任務(wù)和靈活升級的交互任務(wù)，將機器人帶入兒童成長歷程中，適配兒童不同階段的認知發(fā)展需要，幫助兒童建立平衡、健康的成長路線。系列化的晉級模式使機器人開發(fā)設(shè)計具備整體性和連續(xù)性，以機器人具有自我發(fā)展特征的設(shè)計要點鏈接兒童的情感認知需求，利用引導(dǎo)式教育豐富兒童的創(chuàng)造力、推理力及記憶力。這不僅形成了鮮明的品牌特色和品牌影響力，同時也能幫助解決機器人購買單價高且功能單一的市場痛點，對于增加用戶黏性具有重要意義。這一論斷貼合了兒童認知發(fā)展需求與家長、國家、社會之間的要求和期望，在兒童玩具市場已經(jīng)獲得了有力證明，如：LEGO 系列積木拼圖玩具。

4.2 創(chuàng)新教育發(fā)展中的個性化交互

在教育機器人的交互設(shè)計中，機器人給予鼓勵以及適當?shù)慕换ブ?，例如，一些適當?shù)氖謩?、一致的凝視行為、表情行為和注意力引?dǎo)行為都會對兒童的認知能力、情感識別產(chǎn)生積極影響。從社交場景中觸發(fā)兒童自我認同感，激發(fā)兒童情感表達，強化兒童的語言理解能力，加強兒童的人際互動能力是社會熟知的幫助兒童成長的教育培養(yǎng)方法。因此，要為兒童與機器人的交互過程中增添更多有意義的、貼近兒童現(xiàn)實生活環(huán)境的活動內(nèi)容，以支持兒童在其所處的社會文化背景中積極創(chuàng)造、學(xué)習(xí)互動。符合實際生活環(huán)境和現(xiàn)實教學(xué)任務(wù)的機器人交互行為，能夠建立更清晰、更誠實的人機交互環(huán)境，明確機器人與兒童之間的情感關(guān)系。另外，當機器人所提供的活動內(nèi)容和任務(wù)更加具有現(xiàn)實意義，并和兒童所處生活環(huán)境相關(guān)時，兒童參與交互的態(tài)度以及他們對機器人的認知會更積極、更清晰，兒童對于認知學(xué)習(xí)的愿望就會更強烈。故機器人應(yīng)根據(jù)兒童的個人特征、現(xiàn)實狀態(tài)設(shè)置適當?shù)膫€性化互動支持策略，能夠激勵兒童對當下環(huán)境及主客體的更深層次的反思，也給予他們更有意義的理由去完成學(xué)習(xí)任務(wù)，享受機器人帶來的全新教育體驗。

4.3 多樣性能力培養(yǎng)的游戲化模式

在兒童教育環(huán)境中，游戲互動是兒童最熱衷的學(xué)習(xí)形式，是培養(yǎng)自發(fā)性認知學(xué)習(xí)的關(guān)鍵部分。例如，社交游戲是兒童主要的情感交流方式，智力游戲是發(fā)展兒童腦認知、培養(yǎng)邏輯性思維的重要步驟。游戲化是指在非游戲環(huán)境中使用游戲設(shè)計元素，目前已在健康管理、市場營銷和教育培養(yǎng)中廣泛應(yīng)用。兒童教育機器人作為新型教育模式下兒童學(xué)習(xí)、成長的新工具，理應(yīng)在互動中注入有趣的游戲化元素，諸如卡通形象激勵、模擬動畫反饋等，以鼓勵兒童在與機器人交互過程中的社交表達。同時還可以利用身體表演、輪廓素描等有趣的游戲化活動，讓孩子們主動去探索和理解周圍世界，形成較強的環(huán)境感知力和想象力。另一方面，通過支持一系列包含情感需求的游戲化元素，如情感釋放、音樂素養(yǎng)，提升兒童的情緒感知力和自主控制力。教育機器人的游戲化模式已被驗證能夠促進兒童多樣思維技能的發(fā)展，如綜合應(yīng)用、問題評估與解決、自主決策和科學(xué)調(diào)研等。

5 總結(jié)

文章基于皮亞杰的兒童認知發(fā)展論點以及信息加工理論，總結(jié)了兒童認知發(fā)展各階段的具體表征信息。并根據(jù)實際市場研究和文獻研究獲取到兒童教育機器人的發(fā)展研究內(nèi)容，為創(chuàng)造促進兒童認知發(fā)展的兒童教育機器人設(shè)計策略提供支撐。最終，通過兒童教育機器人的現(xiàn)有功能內(nèi)容和認知發(fā)展能力表征，提出系列化、個性化、游戲化三點原則，表明其對能夠促進兒童認知發(fā)展的專業(yè)人員、教師和家長的有用性，希望對設(shè)計原則的詳細描述能夠作為兒童教育機器人設(shè)計的指南。但由于理論研究往往具有有限的視野范圍和驗證效應(yīng)，文章所提出的一些觀點難免會具有一定的局限性，但這并不影響證明認知發(fā)展理論對兒童教育機器人研究的重要性。將研究建立在考慮影響兒童認知發(fā)展能力的復(fù)雜因素上，才能為兒童教育機器人的積極應(yīng)用、兒童的健康發(fā)展鋪平道路。