人工智能与儿童发展：基于机器人和语音助手的研究*

毛忆晨 童 钰 李 卉 王福兴

（华中师范大学心理学院，武汉 430079）

在电影《机器管家》（Bicentennial Man，1999，USA） 中，原本平凡的家务机器人Andrew 在阴差阳错之下被赋予了学习、创造能力，在与主人公Martin 一家的朝夕相伴中逐渐建立起深厚的感情，最终成为“家人”。随着人工智能技术（artificial intelligence，AI）越来越贴近我们的生活，这部科幻片中人类与机器人其乐融融相处的图景虽然脱离现实，但从长远来看却未必不可实现。我们正处于技术的爆发点，移动网络技术、大数据技术等新兴技术催熟了人工智能技术及其应用推广，心理学研究者也开始关注人类如何看待人工智能技术与人工 智 能 衍 生 产 品（Hoy，2018；Guzman，2019）。

人工智能正以多样化的面貌势不可挡地涌入家庭、学校和公共场所，儿童被动或主动接触到这类技术的机会和频率也随之增 加（Benitti，2012；Druga，Williams，Breazeal，& Resnick，2017）。美国Common Sense Media 2019 年最新数据显示，29%的青少年与31%的吞世代（Tweens，年龄范围为8 至14 岁）家中拥有Google Home、Amazon’s Echo 一类的智能音箱，13%的青少年与17%的吞世代报告自己每天都与其互动（Rideout & Robb，2019）；根据World Robotics Report（2020），全球工厂运行的工业机器人达到了创纪录的270 万台，而亚洲仍然是最强大的工业机器人市场，中国作为全世界工业机器人最主要的使用者，其2019 年的运转存货量提高了21%，达到了78.3 万台。因此，相比于成人，从孩童时期就早早地暴露在技术之下的儿童更有可能与人工智能相伴终身（Sommer et al.，2019）。考虑到技术与儿童自身发展的双重局限性，了解儿童与人工智能的接触模式以及人工智能会对儿童发展产生何种影响成为了研究者们最为关心的问题（Lovato&Piper，2019；Wiederhold，2018）。作为使用门槛不高，且最为频繁出现在儿童日常生活、家庭教育、学校教育中的智能产品，语音助手、机器人与儿童的关系研究是本文关注的核心问题。

该综述以语音助手、机器人为例，结合人工智能技术的最新研究进展，对儿童与人工智能交互的行为模式、儿童如何理解人工智能以及该技术对儿童的学习和思维、语言、社会性发展有何影响等方面进行了综述，以期为研究者、教育者丰富科研成果，促进儿童发展提供指导。

1 儿童对人工智能的理解

新技术的涌现（比如：人工智能）提供了激发儿童思考何为智能的契机，但与此同时，也使儿童陷入理解上的两难局面。以机器人为例，一方面，它们属于人工创造的工业制品；另一方面，它们的语言和行为特征又无时无刻不在证明自己是具有一定自主能力的独立个体。有研究招募了90 名三个年龄段的儿童（9 岁、12 岁、15 岁），当被询问“是否认为人形机器人是生物”时，13名儿童认为是，43 名儿童认为不是，还有34 名儿童认为介于生物与非生物之间（Kahn et al.，2012）。由此可见，对儿童而言，这些具备沟通能力的机器既不能被简单地看作有生命或无生命，又不能被粗暴地归类为生物 或非生 物（Kahn，Gary，&Shen，2013）。针对这种现象，有研究者提出了新本体论范畴假说（New Ontological Category Hypothesis），认为在定义这类新的智能产物时，可以改变旧有的定义方式，比起在已有的概念系统中进行归类（例如生物或非生物），将其视作一种全新的独特存在似乎更为合理（Kahn et al.，2013）。虽然Kahn 等人（2012）的研究中近一半（48%）儿童认为人形机器人不是生物，但后续研究发现，儿童相信机器人和语音助手具备心理状态，包括智力、兴趣、情绪情感，并且赋予其友善、可信任的品质，年龄稍长的孩子（6～10 岁）甚至认为它们比自己还要聪明（Druga et al.，2017）。

儿童对机器人等人工智能产品基本生物属性的矛盾认知也潜在地影响了对其社会性和道德价值的判断。儿童倾向于将机器人一类的人工智能产品看作社会个体，赋予其一定程度的道德关怀（Kahn et al.，2012）。Kahn 等（2012）观察了当中途打断儿童（9 岁、12 岁、15 岁）与机器人玩游戏，并命令机器人回到壁橱中时儿童的反应倾向，结果发现大多数儿童都把机器人视为一个独立的社会存在，维护其基本道德权益，认为不应剥夺它完成游戏的机会。值得一提的是，相比于15 岁的儿童，9 岁和12岁的儿童在各子量表上得分更高，更多地肯定机器人的独立地位。但在公民自由（是否可以被买卖）和公民权利（如：投票权）上，大多数儿童却持有消极态度。为何会出现这样的判断呢？Sommer 等（2019）认为儿童将机器人主观归类为介于人类和无生命物体之间的第三大类，虽然赋予了机器人高于无生命物体的道德关怀，却不认为机器人可以与人类一样拥有同等的政治地位。

相比于成人，儿童对智能产品的理解较为片面，但仍存在一定的灵活性和发展性。除外表、声音、动作、表情，甚至视线等直观因素（Giger，Piçarra，Alves-Oliveira，Oliveira，& Arriaga，2019；Breazeal et al.，2016；Castro-Gonzalez，Admoni，&Scassellati，2016），其他一些细节性的因素也会促使儿童不断调整对人工智能的认识。例如，对比看起来具有自主行动能力的机器人，当观察到机器人的运动受到远程操纵时，儿童会认为它缺乏自我意识和自我决定能力（Somanader，Saylor，& Levin，2011；Chernyak & Gary，2014）。互动中不够及时的反馈、错误的语音识别和语义理解都会使儿童对这些机器做出“低智能化”的判断（Nilsen，2019）。在实现基本功能的基础上，当人工智能设备能够针对情境展现出更高级的个性化社会支持（如：共情能力）和更复杂的亲社会行为（如：注意引导）时，儿童对其身份认同和性能感知都会随之产生积极的改观（Ahmad，Mubin，& Orlando，2017；Ahmad，Mubin，Shahid，& Orlando，2019；Belpaeme et al.，2018）。此外，接触形式也会影响儿童对机器人的社会性判断，当幼儿并未直接与机器人接触，而仅仅是观看屏幕呈现的机器人时，会削弱对其社会性的感知（Sommer et al.，2019）。

总的来说，人工智能技术本身还未在儿童的认知中形成一种整体性概念，儿童对于这项技术的理解更多是基于特定产品的使用体验，且对其生物和社会属性并未达成一致的认知。

2 儿童对人工智能的探索与使用

2.1 儿童对语音助手的日常探索行为

技术局限和年龄限制使儿童在日常生活中与人工智能的接触面也随之受限，但语音接入、智能对话功能与生活场景的对接降低了设备使用门槛（Rapp，Tirassa，&Ziemke，2019）。即使大部分儿童在日常生活中未曾亲身享受机器人服务，但对Siri、智能音箱（如：Alexa、小度）、语音家教机等设备却并不陌生。

儿童会采取一些探索性行为来试探语音助手的功能特点并从中获得乐趣，即使用具有人类社会交往和关系特征的语言，探索其所具有的“人格”。例如向其询问个人信息（“Hey Alexa，你多大了？”），喜好（“Siri，你最喜欢的食物是什么？”），工作原理（“Julie，你的体内有处理器吗？”）或是个人能力（“Cozmo，你可以开门吗？”），以及它们如何定义自己（“你是谁？”）（Druga et al.，2017）。当熟悉设备后，孩子甚至会与其开玩笑（“我可以吃掉你吗？”），并将得到的意料之外的答案看作智能语音设备“人格”的幽默感。相对的，也有儿童在互动中察觉到设备的局限性，询问一些无法作答的问题用于取乐（Druga et al.，2017）。综合以上可以发现，在这类互动行为中，好奇心与新鲜感是激发儿童探索行为的主要诱因，幼儿更多将智能语音助手看作是一个玩伴，或将其视作与人类相似的全新独立个体。

在初步了解语音助手本身的功能特征后，儿童还会以对话功能为媒介，为儿童使用智能手机、平板电脑提供便利。儿童可以通过语音输入下发指令，满足看视频、发信息等功能性需求，但相比于前面提及的针对语音助手本身的探索性行为，儿童采取这类功能性互动行为相对较少（Lovato &Piper，2015）。这种差异或许是受到父母态度的影响，部分家长更支持其孩子对智能设备的知识性用途，而出于隐私和安全隐患考虑，父母并不认为智能手机上有关摄像、购物类的语音权限适用于儿童（Sciuto，Saini，Forlizzi，&Hong，2018）。

总的来看，儿童在日常生活中接触到的人工智能主要以提供会话服务的智能设备为主，如手机、平板上的语音助手。儿童会与语音助手展开探索性对话或下达功能命令，但并未深入挖掘、充分使用设备功能，娱乐性用途高于实用性用途。

2.2 儿童对人工智能的使用：信息检索

儿童是天生的提问者，提问行为是儿童认知能力发展的关键一步（Chouinard，2007）。受限于认知能力，孩子们往往很难通过第一手经验获取信息，此时老师、父母、网络、智能设备往往充当着间接的信息来源。与老师、父母相比，智能设备的“易得性”更强，信息获取渠道更广；与传统网络相比，人工智能技术支持语音输入，降低了信息获取门槛（Chouinard，2007；Foss &Druin，2014；Lovato&Piper，2015）。

那么人工智能的智慧真的能够为儿童所用吗？研究者通过网络调查和YouTube视频数据分析发现，儿童与苹果语音助手Siri 的互动多数属于信息寻求和问题搜索（Lovato&Piper，2015）。Lovato 等（2019）将儿童对Google Home Mini 的提问主题划分为8 个主要领域，出现频率最高的分别为科学和技术（24%）、文化（21%）、实用知识（18%），设备对问题的正确识别率高达89%，然而只有50%的问题得到了完全解答。一方面，儿童确实将语音助手视作可以答疑解惑的信息源；另一方面，交流过程中也时常存在双向障碍，一边是语音助手在问题解答能力上确有不足，一边是儿童的语言表达能力有限，且不能清晰地区分哪些问题是语音助手可以回答的。当沟通障碍发生时，儿童会参照人类沟通技巧采取相应的解决策略。例如，当机器语音识别失误时，儿童会提高音量或适时停顿；当机器语义理解失误时，儿童会补充背景信息，替换词汇或具体化问题（Cheng，Yen，Chen，Chen，&Hiniker，2018）。在此过程中，推理和心理理论水平对于重新组织问题和理解复杂回答的能力至关重要，这对发展水平较低的孩子提出了更大的挑战（Lovato，Piper，&Wartella，2019）。

在融合语音理解、移动网络技术的基础上，人工智能技术在信息获取上有着天然的优势，但有能力提供信息并不意味着能够精准地识别儿童的问题、提供儿童需要的信息，从这个层面上来看，人工智能的智慧又是极其有限的。

3 人工智能对儿童发展的影响

当儿童与这些智能产物互动的机会越来越多，那么摆在家长和教育者面前的便是一连串更加直接的问题：智能设备在儿童发展过程中究竟扮演着怎样的角色？机器人、语音助手到底是促进还是阻碍了幼儿发展？综述以往研究，以机器人、语音助手为例的人工智能产品对幼儿发展的影响主要体现在思维（Benitti，2012；Lovato，Piper，&Wartella，2019；Toh，Causo，Tzuo，Chen，& Yeo，2016）、 言 语 （Xu &Warschauer，2019；Neumann，2020）和社会性发展（Sommer et al.，2019；Martin et al.，2020）上。

3.1 人工智能对儿童思维发展的影响

思维能力对于儿童发展至关重要，人工智能产品能够灵活地参与到儿童学习过程中，以提供指导和反馈的方式，帮助儿童提升思维能力。当儿童学习物理知识时，机器人可以给儿童展示物体的旋转、移动和加速，来解释牛顿运动定律（Mitnik，Nussbaum，& Soto，2008）；当儿童学习数学时，机器人可以对儿童的计算答案给予反馈，记录儿童的学习状况，并针对性地提供解决问题的思路和方法，提升儿童学习效果（Wei，Hung，Lee，&Chen，2011）。研究发现，基于机器人和智能语音设备的人工智能应用可以提升儿童学习参与度和动机，能促进自主学习、互动学习和合作学习（Wei，Hung，Lee，& Chen，2011；Chen，Quadir，&Teng，2011）。此外，研究认为人工智能技术的使用还可以促进儿童的学习结果，尤其是STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）学习。当研究者使用乐高机器人教授进化论原理时，学生对自然选择、适应等科学概念的理解在后测成绩中由26.9%显著提升至42.3%（Barker & Ansorge，2007；Whittier&Robinson，2007）。但也有研究认为机器人的参与仅仅能够帮助学生掌握理论知识，未能提高他们进行科学探究的技能（Williams et al.，2007）。

除了参与儿童的学习活动，人工智能还能通过参与幼儿的主要活动形式——游戏，对思维能力发展产生积极影响。在游戏过程中，人工智能技术可以有效地帮助幼儿认识新的复杂客体，将思维活动上升到行动层面，通过模拟练习发展适应生活和解决问题的能力。例如，教育玩具乐高机器人的加入能够减少游戏的指向性，增加幼儿玩耍时的愉悦感，甚至辅助残疾幼儿玩耍（Evaldsson & Corsaro，1998；Cook，Adams，Volden，Harbottle，& Harbottle，2011）。与此同时，教育者也同样应该意识到，人工智能对儿童思维发展的影响并不总是积极的，如果幼儿过度依赖人工智能，习惯于智能设备的即时回应，那么也同样有可能致使他们在遇到困难（如完成家庭作业）时第一时间本能地求助机器设备，而非自主思考解决问题（Wiederhold，2018）。

3.2 人工智能对儿童语言发展的影响

此外，具有对话能力的人工智能产品所提供的有意义交流能够培养儿童读写兴趣，促进语言发展。自然语言处理技术的进步使Amazon Alexa 一类的会话代理能够有效扮演社会伙伴角色，通过提问、反馈等一系列行为辅助儿童阅读学习，并且根据儿童发展水平调整问题难度，营造参与式的对话阅读氛围（Sugimoto，2011）。有研究者设计了一款安装在Google Home 上的讲故事型会话代理，结果发现虽然阅读学习的过程中存在一些障碍，但总体而言，这类代理在一定程度上可以促进儿童阅读的参与度、理解度和语言能力发展（Xu &Warschauer，2019）。社交型机器人还可以直接应用于语言教学，通过参与儿童的教育游戏活动促进早期母语学习或是第二语言辅导（Neumann，2020）。Vogt（2017）等认为，当为儿童建立安全的互动环境，并且帮助其将机器人感知成同伴时，最有利于长期互动关系的建立，优化第二语言的学习效率。除了参与正常的教学环节，机器人还能够帮助特殊儿童发展语言技能，例如Scassellati 等（2018）设计出具有简单社会交流能力的拟人化机器人，吸引失聪婴儿的注意力，引导其做出交际尝试（咿呀学语与模仿行为）。由于灵活的行动能力及高度的可重复性，机器人被视作语言教学的有力工具，与书本、电脑相结合可以进一步丰富语言教学形式（Chen，Quadir，&Teng，2011）。

3.3 人工智能对儿童社会性发展的影响

除了以上两个方面，人工智能设备也会对儿童社会性发展产生影响，主要体现在以下几个方面：首先，儿童对其社会性、道德价值进行评判的过程，也是一个反思自身道德原则或道德信念的过程，这在机器人身上表现尤为明显，儿童对机器人生物、社会属性的判断是他们赋予其相适配道 德 关 怀 的 依 据（Williams，1985；Nucci，2001；Melson et al.，2009）。其次，机器人等具备显著社会性特征的人工智能产品提供的个性化社会支持和亲社会行为同样也会促进儿童产生助人、模仿行为，尽管其中蕴含的社会学习机制还未得到充分发掘（Belpaeme et al.，2018）。其中一个典型应用就是社会辅助型机器人，研发人员通过定制机器人的社交互动帮助自闭症儿童捕捉和保持注意力，以新异刺激的方式引导儿童产生模仿行为，鼓励儿童发展和使用社交技能，最终达到诱导和强化该群体亲社会行为的目标（Scassellati，Admoni，&Matarińc，2012；Sartorato，Przybylowski，&Sarko，2017；Clabaugh et al.，2019）。最后，社会交往是儿童发展的关键，儿童与人工智能产品互动的过程可以促进儿童对社会线索的理解，提升心理理论水平。例如Martin等（2020）发现，当机器人传递出需要帮助的信息时，大部分3～4 岁的儿童都乐于帮它捡起掉落的物体。但值得注意的是，道德关系是一种相互作用的机制，单方面的服从命令并不能使儿童与智能机器建立稳固、有意义的关系。由于幼儿不需要去迎合机器人的社会兴趣和需求，因此人与机器的相处经验有时并不能迁移到人与人之间的社会交往中，过度依赖智能机器甚至可能形成消极的“主仆关系”，损害认知和情绪发展（Kahn et al.，2012）。

4 人工智能在教育实践中的应用

人工智能技术正以不可逆转的态势融入儿童的日常生活、学习中，如何使用教育手段系统地发挥这项技术的优势也就顺理成章地成为广大教育研究者的关注重点。一部分研究者认为人工智能技术在教育实践中展现出崭新的优势，从长远看它不仅能够缩减学校预算开支、扩展学生容量，还可以针对学生特质设计个性化课程，提升教育成果（Toh et al.，2016）。机器人在教学环境中的推广是人工智能教育应用最有代表性的例证，相比于纯粹基于书本等学习材料的传统学习模式，机器人在课堂中的使用建立了一种互动式的社会学习情境，尤其在一些需要直接物理操作的科目（如：书法、投篮等）上，机器人不仅增强了学习的趣味性，还可以帮助残疾儿童克服身体缺陷完成操纵物体的任务（Litoiu & Scassellati，2015；Chen，Garcia-Vergara，&Howard，2018；Scassellati et al.，2018）。在教学过程中，机器人既可以承担多门课程教学，如语言学习、科学与技术学习，又能够承担多角色任务，如作为导师引导课堂进程，或是以同伴的身份与学生共同学习（Benitti，2012）。如果说机器人能够良好地适应学校教育，那么语音家教机等会话代理则更适用于分担家长的家庭教育负担（Nilsen，2019）。

还有一部分研究者认为人工智能技术还不成熟，在教育实践应用时面临巨大的挑战。在技术上，人与机器之间存在天然的沟通障碍，技术与儿童发展的双重限制造成的直接后果就是当前市场上可用的对话产品在很大程度上并未将儿童考虑成用户群体，缺乏迎合不同年龄段儿童发展特征的技术产品（Lovato & Piper，2015；Nilsen，2019）。在实践上，开发人员还无法对人工智能产品进行精准的操纵，因此这类产品与儿童的互动频率和互动时机极有可能是与教学环境和教学任务不相匹配的（Kennedy，Baxter，& Belpaeme，2015）。 另外，有研究者质疑人工智能产品对儿童学习兴趣的激发仅仅是依靠儿童对新异刺激的好奇心理，只能短期奏效，从长期效果来看并不能维持儿童较为稳定的参与度（Ahmad et al.，2017）。最后，语音和摄像头开放带来的隐私泄露和使用高度拟人机器带来的道德伦理问题也是人们在私人场所使用人工智能应用的两大隐忧（Wiederhold，2018）。

想要长期推进教育目标，不仅需要技术人员不断改进设备使用，也同样需要家长和教育者的积极参与。父母在孩子与智能媒体的互动方式中发挥着关键作用，应当为孩子树立健康的媒体使用模式，这对降低儿童的技术依赖很有帮助（Wiederhold，2018）。值得一提的是，人工智能并不能完全取代父母、教师的教育角色，智能辅助设施需要与教师、合理的课程设计相结合，营造共同在场的学习氛围，才能最大化地发挥人工智能的被动辅助作用与教育者的主动促进作用（Benitti，2012；Belpaeme et al.，2018）。

总的来说，人工智能技术应用到教育实践中的可行性和优势性仍然争议不断，想要更好地将人工智能技术应用到教育实践中，既要解决技术问题（如：扫除交流障碍，设计为儿童服务的会话体验等），又要解决实践问题（如：适当互动，保护隐私等）。

5 总结与展望

5.1 总结

综上所述，儿童与人工智能的接触主要依靠语音助手、智能音箱、机器人等接触面展开，在一系列互动中建立起对其生物属性及社会属性的认知，而这种认识受到沟通质量、互动形式等因素影响。基于对该技术的独特理解，儿童会在日常生活中与一些常见的智能设备产生探索性互动、功能性互动等。人工智能对儿童发展产生的影响有利有弊，一方面，它在一定程度上能够推动儿童思维发展，促进阅读理解和语言能力发展，帮助完善道德观念，激发助人行为；另一方面，盲目依赖智能设备也可能损害儿童的认知和情绪发展。在教育实践中，机器人等人工智能产品越来越表现出胜任辅助学校教育和家庭教育的能力，但如何通过技术改进弥补当前不足，优化教学设计还仍然有很长一段路要走。

5.2 展望

作为一门刚刚进入儿童视野的新兴技术，关注人工智能与儿童发展的相关研究仍有很大的空白之处，未来研究可以从以下几个方向入手：

第一，发展是一个纵向的过程，相关领域研究应当考察儿童在不同的年龄阶段与技术的交互有何差异，例如随着年龄的增长，儿童对人工智能的理解、与人工智能的互动会经历怎样的变化，是否存在着一个年龄拐点。

第二，儿童对人工智能产品的生物属性、社会属性和道德价值的理解受到多种因素影响，以儿童对机器人道德价值的评判为例，未来研究不仅要区分道德价值的维度（如归属权、身体伤害、忽视），还可以探索哪些因素（如对机器人精神生活的评级）会使儿童认为机器人具备这些维度的道德价值（Sommer et al.，2019）。

第三，机器人等产品在教育领域的应用仍然处于试水阶段，长期暴露在这种技术下对儿童学业产生何种影响仍未可知，未来研究可以进一步探索哪些技术特性有利于长期推进教育目标，哪些因素会影响其发挥作用（例如学习科目、任务类型、学习风格等）。