学龄前儿童人工智能启蒙教育的研究现状与实践路径

[摘   要] 人工智能技术的迅猛发展催生了人工智能教育的迫切需求，学龄前儿童教育是为学校教育和终身教育奠基，理应积极应对人工智能教育的需求。针对学龄前儿童的身心发展特点，其人工智能教育只能定位于启蒙性质。面向学龄前儿童，从合用性、可用性、应用性三个方面梳理了人工智能启蒙教育的研究现状，提出其目标是创设智能学习情境，让儿童感知、体验，并应用合适的智能技术进行游戏、学习和创作，为未来奠基;其内涵可分解为智能感知技术启蒙、智能交互技术启蒙和智能处理技术启蒙。在此基础上，探讨了以智能语音和图像识别为主的感知技术启蒙、以儿童教育机器人为主的交互技术启蒙、以编程和计算思维为主的智能处理技术启蒙这三条具体的实践路径。

[关键词] 人工智能; 启蒙教育; 学龄前儿童; 实践路径

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 陈维维（1971—），女，江苏如皋人。教授，博士，主要从事人工智能教育、学习力研究。E-mail：cwwnj @njxzc.edu.cn。

一、引   言

人工智能生态产业链的不断升级对人工智能人才培养提出了迫切需求，国家《新一代人工智能发展规划》提出，“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育……”[1]對接全民智能教育，中小学阶段的课程改革早已启动。如教育部颁布的《义务教育小学科学标准》明确指出：科学素养是指了解必要的科学技术知识及其对社会和个人的影响。很显然，人工智能课程应属于“必要的科学技术知识”，且人工智能对社会与个人的影响容易被学生体验[2]。

然而，学龄前儿童教育作为学校教育和终身教育的奠基阶段[3]，对其情感态度、知识能力等方面的发展具有重要价值。在未来的人工智能时代，如何让现在的儿童能更好地适应智能技术的发展，实现人类与智能技术的和谐共生，学龄前儿童的人工智能启蒙教育具有举足轻重的意义。对这一主题进行梳理和分析，有助于我们厘清现实、明确目标、落实举措，为儿童发展助力。

二、学龄前儿童的人工智能启蒙教育研究现状

在信息时代出生的孩子是数字原住民，科技的持续使用将他们转变为专家用户[4]。当前，将信息技术，特别是人工智能技术融入儿童的教育情境已成为趋势，探索如何利用技术支持儿童去探索环境、游戏与交流、表达自我、解决问题成为研究热点。学龄前儿童人工智能启蒙教育的已有研究可以从合用性、可用性、应用性三个方面来梳理：合用性主要解决人工智能启蒙教育是否适合学龄前儿童的问题;可用性主要通过实践验证是否具有可操作性的问题;应用性主要是寻找符合儿童使用的支持工具问题。

（一）合用性研究：聚焦是否适合

人工智能技术属于信息技术范畴，其广泛应用已构成了当下儿童的生存境遇，即使儿童在学校中不接触智能技术，在家庭、社会生活中也无法避免。关于信息技术是否适合用于幼儿教育，全美幼教协会（NAEYC）曾在《技术与3～8岁儿童》[5]这一报告中指出，“在早期教育中适宜地利用计算机技术，能够促进儿童的认知和社会性发展;并且提倡将适宜的计算机技术整合到常规的学习环境中，使之成为众多支持儿童学习的方式之一”。2011年，圣文森特大学Fred Rogers 儿童媒体研究中心与全美幼教协会共同提出的《早期教育技术方案：支持 0～8 岁的儿童》（草案）[6]也指明了早期教育实践中应用信息技术的方向，具体包括应用信息技术提高教育效果的方法、不同年龄段儿童应用信息技术的指导建议等。同年，美国芝麻街工作室JGCC中心和斯坦福大学联合发布报告《迈出一大步：数字化时代幼儿教育规划》[7]，提出应整合数字媒体应用，以有效改善幼儿教育质量，并提出了数字化技术与幼儿教育融合的三条途径。美国人工智能专家Mitch Rosenberg甚至认为，教授STEM最好的时期是在幼儿早期，即在儿童早期，STEM获得的投资回报最大[8]。大量的研究表明：人工智能启蒙教育适合于学龄前儿童，但要关注启蒙教育的目标、内容和方式的适切性。

（二）可用性研究：验证是否可操作

在实践操作层面，国内学龄前儿童的人工智能启蒙教育研究多见于博硕士论文，以探讨人工智能技术如何应用于幼儿教育、特别是游戏教育的活动过程为主流，如龚鹄[9]将机器人教育与幼儿结构游戏相结合，选择了大头娃娃机器人等一组主题机器人玩具，开展了机器人教育游戏化的设计与实践，让儿童既学习了人工智能的知识和技能，又拓展了结构游戏的视野，探索了一种幼儿园科学启蒙教育的新手段。张冬梅[10]尝试将人工智能技术融入幼儿教育游戏软件的设计与开发，即在游戏软件中创建一个思维的智能体用来对幼儿进行地震安全教育，他会根据儿童不同的情况分配游戏任务，同时对其进行行为指导。符蓉[11]等主要研究了乐高WeDo机器人的软件设计，包括了“跳舞的小鸟”等十二个软件设计项目，通过项目培养孩子的编程能力，以期能促进学生对软硬件操作的熟练度，培养思维能力和思考习惯，进行创新实践等。刘尧[12]关注幼儿教育软件的设计，程五一[13]聚焦于中国优秀传统文化来开发幼儿教育资源。因此，实践研究表明，学龄前儿童的人工智能启蒙教育中尝试应用教育机器人、智能游戏及软件等技术，促进了儿童发展，具有可操作性。

（三）应用性研究：寻找支持工具

对于支持工具的探索，主要集中在两个领域：一是教育机器人的应用，二是合适的编程工具。教育机器人拥有知识覆盖面和技术集合优势[14]，可以作为幼儿学习的媒介，其内置的人脸、语音、姿势、物体、情感等识别技术，以及运动控制、图文显示、语音合成、仿生等技术，有助于建构具有童真童趣的学习情境，提供学习资源，并与孩子进行语言、情感、认知交互。正是有了资源和技术的支持，教育机器人得到了广泛的应用，如作为智能玩具、儿童娱乐与学伴、家庭智能助理、远程控制机器人、STEAM教具、课堂助教等[15]，而外形卡通、寓教于乐的教育机器人，特别是人形机器人深受学龄前儿童的喜爱[16-17]，成为他们体验、感知、应用人工智能技术的主要工具之一。

学习编程以培养儿童的计算思维被认为是对儿童进行智能教育的一种探索。儿童编程教育的落脚点是思维培养[18]，对低幼年级儿童尤其如此，引起儿童对科技的兴趣，激发探究好奇心，培养发现问题、解决问题的能力，更重要的是为计算思维能力和信息素养的培养奠定基础。美、日、英、韩等国纷纷将儿童编程教育列入国家的教育指导性文件，如英国政府规定儿童从5岁起必须开始学习编程，直到16岁完成中学学业。

三、學龄前儿童人工智能启蒙教育的目标与内涵

人工智能启蒙教育对于学龄前儿童是合适的，具有可操作性，且有工具支持，那么启蒙教育要达成的目标为何，其具体内涵是什么？这些成为亟待探讨的问题。

（一）学龄前儿童人工智能启蒙教育的目标

按照皮亚杰的认知发展理论，学龄前儿童的认知处于前运算阶段，“开始以符号作为中介来描述外部世界， ……对感知运动经验有依赖，但大部分是依赖表象的心理活动”[19]，此时的儿童能运用简单的语言符号从事思考，具有一定表象思维能力，逐渐形成对概念、类别、因果关系的认识。因此，学龄前儿童的教育要直观、生动、形象、有趣，能充分调动儿童多感官参与，体验新奇与快乐，表达想法和创造。

教育部发布的《3～6岁儿童学习和发展指南》强调[20]，“珍视幼儿生活和游戏的独特价值，充分尊重和保护其好奇心和学习兴趣，创设丰富的教育环境”“从不同角度促进幼儿全面协调发展”。《中国互联网学习白皮书之人工智能教育发展报告（基础教育）》中把小学学段的人工智能能力培养目标设定为：能够感知、体验、分辨人工智能，逐步培养计算思维能力[21]。对接小学学段目标，面向学龄前儿童，人工智能启蒙教育则意味着要消除他们对智能技术的神秘感、陌生感，体验智能技术的应用，感知智能技术的发展，应用智能技术进行游戏、学习和创作，其关键任务是为儿童适应未来的智能时代奠基，创设智能学习情境，增进儿童对人工智能的了解，激发学习兴趣，在儿童心里埋下人工智能的“希望之种”。

（二）学龄前儿童人工智能启蒙教育的内涵

深入分析人工智能启蒙教育的内涵，须对人工智能进行概念界定。学界说法不一，但任何一个概念都可以从空间、时间两个维度去分析。从空间结构来看，人工智能用机器模拟和拓展人类的语言、逻辑与数学、空间、身体运动、音乐等多元智能;从时序结构来看，其本质是对人的意识与思维的信息过程的模拟。依据信息加工原理，信息加工系统与外部环境发生交互作用，其内部主要由感受器、效应器、记忆和加工器组成[22]。感受器的功能是感知外部世界，记忆和加工器对感受到的外部信息进行加工、贮存、提取等处理，效应器是对外部世界作出反应。因此，从信息加工理论的角度来看，能够体现智能的信息加工行为主要有：智能感知、智能处理、智能交互三个方面。

按照信息加工思维方法，目前的人工智能技术都可以归纳到信息加工的框架下[23]，如机器视觉、语音识别体现的是感受器的功能，属于智能感知技术;自然语言理解、认知与推理、博弈、机器学习等体现的是处理器的功能，属于智能处理技术;自然语言交流、机器人学更多的是作为效应器的功能而存在，属于智能交互技术。这三类智能技术具有时序性，遵循着“智能感知—智能处理—智能交互”顺序规则，然而智能交互通常又会引起新一轮的智能感知，以此往复。

由此，学龄前儿童人工智能启蒙教育实践可从智能感知技术、智能交互技术、智能处理技术三个方面进行。智能感知技术主要是从视觉、听觉两个感官维度，感知的是图像和声音，做到能看会听，其启蒙教育是让儿童通过智能机器或应用程序对外界事物进行识别，如植物识别、人脸识别、语音识别等;智能交互技术主要是从语言、面部表情、动作等维度，表达声音、行动和情感，做到能说会唱、能动会走，其启蒙教育是让儿童了解智能技术与人也有相通之处，会作出类似于人类的反应;智能处理技术涉及较为复杂的机器学习、认知与推理等，对学龄前儿童来说太过深奥，但可以通过专为儿童设计的简单编程学习给他们以思维、逻辑的启蒙，激发探究的好奇心和创造力，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，更重要的是为儿童计算思维能力和信息素养的提升奠定基础。

四、学龄前儿童人工智能启蒙教育的实践路径

基于上述人工智能的感知、交互、处理三个技术维度的分析，学龄前儿童人工智能启蒙教育也可以从智能感知技术启蒙、智能交互技术启蒙、编程与计算思维启蒙这三条路径寻找突破。路径间有区别，但也相互联系，共同构成了学龄前儿童人工智能启蒙教育的框架体系。

（一）智能感知技术的启蒙

皮亚杰曾说过，“活动既是感知的源泉，又是思维发展的基础”[19]，对于学龄前儿童的发展来说，观赏、体验和探索的活动显得尤为重要。学龄前儿童中，3～4岁的小班幼儿主要以观赏、探索和培养兴趣为主，4～6岁的中班、大班幼儿可以基于一定的主题进行分组探索，而观赏、体验和探索都需要充分的、多种形式的视觉、听觉，甚至是触觉的感官刺激和引导，让儿童能深入感知和体验。而智能技术一方面可以“为儿童的感知和体验提供丰富多样的设备支持”[24]，同时智能技术也可作为儿童感知和体验的对象。

幼儿园可以通过创设丰富的智能情境让儿童体验人工智能的有趣和“好玩”。例如，幼儿的入园签到和出园的记录，都可使用人脸识别技术。试想，小朋友早晨走近幼儿园的大门，校园人脸识别打卡系统立刻就能识别，并以童音致以“***小朋友，早上好！”“欢迎***小朋友”，如果小朋友还能与它打个招呼，还个礼，这对儿童来说是多么新奇和温馨的体验。

除了人脸识别技术，还有情绪识别、声音识别、植物识别等都可以扩展和促进儿童对智能技术的体验，有时甚至是一个简单的手机或平板上的APP就可以让儿童体验人工智能。例如，微软识花、形色、花伴侣、好多肉等为大家所采用的APP，打开APP点击照相功能，对着花草正面拍张清晰的照片，然后就能知道植物的名称、科属、几年生、英文名称，甚至根茎叶花果的特征、地理分布、下级分类、象征意义等详细信息都可以列出来。可惜的是，对于学龄前儿童而言，复杂的汉字不一定能认识，如果能用标准普通话语音朗读且将汉字标注拼音，将更有助于学龄前儿童的学习。

[1] 国务院.关于印发新一代人智能发展规划的通知（国发[2017]35号）[EB/OL]. （2017-07-20）[2020-02-20]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2] 陈凯泉， 何瑶， 仲国强. 人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI教育目标定位——兼论基础教育阶段AI课程与教学实施路径[J]. 远程教育杂志， 2018， 36（1）： 61-71.

[3] 教育部.关于印发《幼儿园教育指导纲要（试行）》的通知（教基[2001]20号）[EB/OL].（2001-07-02）[ 2020-02-20]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3327/200107/t20010702_81984.html.

[4] PRENSKY M. Digital natives， digital immigrants[J]. Journal of distance education， 2001， 292（5）： 1-6.

[5] 汪基德， 朱书慧， 张琼. 学前教育信息化的内涵解读[J]. 电化教育研究， 2013， 34（7）： 27-32.

[6] RADICH J. Technology and interactive media as tools in early childhood programs serving children from birth through age 8[J]. Every child， 2013， 19（4）：1-15.

[7] BARRON B，CAYTON-HODGES G，BOFFERDING L，et al. Take a giant step：a blueprint for teaching children in a digital age[EB/OL].（2011-11-02）[2020-02-20]. http：//joanganzcooneycenter.org/publication/take-a-giant-step-a-blueprint-for-teaching-young-children-in-a-digital-age/.

[8] ROSENBERG M. 教授STEM最好的时期是在幼儿早期[J]. 中小学信息技术教育， 2017（7）：7.

[9] 龔鹄. 基于“机器人教育”的幼儿结构游戏设计研究[D]. 长沙：湖南师范大学， 2013.

[10] 张冬梅. 基于人工智能的幼儿地震安全教育游戏设计开发研究[D]. 昆明：云南师范大学， 2017.

[11] 符蓉， 王向丰. 基于图形化编程的乐高WeDo机器人设计与应用研究[J]. 时代教育， 2015（16）：223-224.

[12] 刘尧. 发展适宜性视角下幼儿教育软件的设计研究[D].西安：陕西师范大学， 2014.

[13] 程五一， 杨明欢. 基于中国传统文化的幼儿教育资源开发与应用研究[J]. 中国电化教育， 2012（8）：97-101.

[14] 董荻. 人工智能与教育的融合——智能机器人在学前教育领域的应用[J]. 教育教学论坛， 2019（7）：1-2.

[15] 黄荣怀，刘德建，徐晶晶，陈年兴，樊磊，曾海军.教育机器人的发展现状与趋势[J].现代教育技术，2017，27（1）：13-20.

[16] LIU T C， CHANG M. Human-robot interaction research issues of educational robots[C]// Eisenberg M. 2nd IEEE international conference on digital game and intelligent toy enhanced learning. Los Alamitos： IEEE Computer Soc， 2008： 209-210.

[17] SARAH W. Exploring the design space of robots： Children's perspectives[J]. Interacting with computers， 2006（6）：1390-1418.

[18] 孙立会.聚焦思维素养的儿童编程教育—概念—理路与目标[J]. 中国电化教育， 2019（7）：22-30.

[19] 皮亚杰. 发生认识论原理[M].王宪钿，译. 北京：商务印书馆，1996：5，4.

[20] 教育部.关于印发《3～6岁儿童学习与发展指南》的通知[EB/OL]. （2012-10-09）[2019-02-11]. http：//old.moe.gov.cn//publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7021/201210/143254.html.

[21] 马涛， 赵峰， 王有学， 高洁. 海淀区中小学人工智能教育发展之路[J]. 中国电化教育， 2019， 38（5）：134-138.

[22] 刘瑞光， 孟晓雷. 认知心理学中的信息加工理论[J]. 聊城大学学报（自然科学版）， 1999（1）：73-75.

[23] 陈维维. 多元智能视域中的人工智能技术发展及教育应用[J].电化教育研究， 2018（7）： 14-21.

[24] 冯璇坤， 刘春雷. 互联网+学前教育的必然、概念与发展路径[J]. 基础教育研究， 2018（18）：91-92.

[25] 北京市东城区人民政府.人工智能体验走进北京市第一幼儿园[EB/OL]. （2018-06-26）[2019-02-12]. http：//www.bjdch.gov.cn/n1468259/n1989270/c6821815/content.html.

[26] 张云龙.将幼儿表情识别等人工智能技术融入幼儿园视频系统中[EB/OL].（2018-04-26） [2019-02-12]. https：//www.cyzone.cn/article/179549.html.

[27] 中幼国际教育.人工智能机器人助力幼儿园管理，增强园所实力[EB/OL]. （2018-05-31）[2019-02-12]. http：//www.juesheng.com/xqjy/53530.html.

[28] University of Plymouth. Robots will never replace teachers but can boost children's education[EB/OL]. （2018-08-15）[2019-08-08].https：//www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180815141433.htm.

[29] 郭长琛.人工智能为幼教带来新的想象空间[EB/OL]. （2017-07-21）[2019-02-12]. https：//www.sohu.com/a/158920782_102231.

[30] ANKI. MEET COZMO[EB/OL].（2019-05-04） [2019-08-08].https：//www.anki.com/en-us/cozmo.html.

[31] RESNICK M. Learn to code， code to learn[EB/OL].（2013-05-08）[2019-02-13]. https：//www.edsurge.com/news/2013-05-08-learn-to-code-code-to-learn（2013）.

[32] 廖福林， 周嵬. 人工智能与儿童逻辑编程启蒙教育[J]. 海峡教育研究， 2017（3）：66-69.

[33] 米切尔·雷斯尼克.  終身幼儿园[M]. 赵昱鲲，王婉，译. 杭州：浙江教育出版社，2018： 10-15.

[34] 刘君艳. 基于PTD框架的小学ScratchJr教学设计与实践[D]. 上海：上海师范大学， 2017：11.

[35] ScratchJr：Coding for kindergarten[EB/OL]. （2014-07-30）[2019-08-08]. http：//news.mit.edu/2014/scratchjr-coding-kindergarten.