主题演讲2:教育和信息技术

开一夫(东京大学研究生院综合文化研究科教授)

2017.04.20

  本期介绍日本东京大学研究生院教授开一夫先生在"2017年第一届CRN亚洲儿童科学国际研讨会"上的发言稿《教育和信息技术》。当今,智能机器人技术发展迅速,取得了很多成果。国际象棋、围棋、日本象棋职业选手都输给了人工智能,自动驾驶、机器翻译等等也成了司空见惯的事情。十几年后人工智能将会更加发展。今后会不会出现由机器人来教育小孩?教育又是一个什么样的情况呢?

利用人工智能进行婴儿测试实验

  当今,智能机器人技术发展迅速,取得了很多成果。国际象棋、围棋、日本象棋职业选手都输给了人工智能,自动驾驶、机器翻译等等也成了司空见惯的事情。十几年后人工智能将会更加发展。今后会不会出现由机器人来教育小孩?教育又是一个什么样的情况呢?

  从1998年开始,我一直在做婴幼儿方面的研究,并对幼儿心理发展和脑的发展非常有兴趣。我和朋友一起研究了人工智能并开发机器人。从外观来看,这些机器人都酷似人类,但如果和他们交流对话时,就会感到不舒服。人和人之间进行交流不会有这种感觉,但人和机器进行对话的时候,在一两分钟之后就会觉得很不舒服。那么这到底是因为什么呢?这个也是我从事研究的课题之一。

  接下来介绍一个给美国婴幼儿说中文的实验。当然孩子的父母是美国人,孩子也不懂中文。中文里有很多发音是英语里没有的,研究者想要探明的是,不会中文的小孩,通过多次听中文,是否可以辨别中文的音韵。研究结果显示,小孩能够初步分辨出中文的发音。

  此外,同样是对不懂中文的婴幼儿进行教学,不同的是将教学的内容用录像录下来,让婴儿通过电视机来看这段录像学习。结果发现这个小孩跟其他完全没有接触过中文的孩子一样,分辨不出中文的发音。这是一个非常有意思的研究结果。就是说,学什么教什么,这不能是单向的一种教育。我也认同这一观点,在施教和被教的时候必须要面对面地进行沟通,才能得到应有的效果,这点非常重要。


图1

  我们研究室还做了以下的实验来测试"不同媒体的模仿效果的差异"(图1)。我们设计了三个条件:1. 真人的大姐姐进行实况;2.带窗框装饰的电视机里的大姐姐;3.电视机里的大姐姐。让大姐姐教小孩如何玩玩具,然后让孩子模仿,最后进行成绩的比较,得出结论。条件1."真人的实况"即面对面的沟通,小朋友模仿成绩得分最高。其次是条件2. "让大姐姐坐在带窗框的电视机的后边"比条件3.播放电视效果要好。所以说,没有任何障碍的面对面是最好的,能够把所有要教的东西,真实地传授给儿童。我们要在认识到视频教材缺陷的基础上,去思考如何弥补视频的不足之处。


图2

  另外,英国的一个实验也得出了类似结论,对实际面对面的沟通和通过录像的沟通,婴幼儿的反应是完全不同的(图2)。实况的沟通,小孩注视画面的时间比较长,而且经常会泛出笑容。如果是录像的形式,小朋友注视时间就比较短,而且笑容也会相对较少。我们的实验室进行了十年左右的实验,用近红外分光谱技术(NIRS)来进行测定,真实的面对面的这种交流,小孩的大脑活动会怎么样。我们用这个装置佩戴在儿童的头上来测定其大脑活动的情况。这个设备不会让孩子感到疼痛或者不适,是非常安全的装置。非常有意思的是,孩子看电视的时候,大脑活动活跃,但是和真实的人进行交流的时候,他的大脑活动更加活跃。通过婴儿注视时间的方法进行研究,会发现婴幼儿对现实世界的了解比用传统方法研究说知道的要多得多。

教学机器(Pedagogy machine):人从机器那里学到什么?

  今天向大家介绍我们所从事的研究,即"教学机器"(Pedagogy machine)。机器是不是能够教人,人是不是能够从机器那里学到什么?这就是我们的研究课题。我们通过三种方法来进行研究,设定了三个目标。首先,是以"发展认知科学"的方法,去探究能够发现什么样的科学证据;第二个是以"信息工程学"的方法,将分散的尖端数码信息处理技术和机器人技术,设计和构建教学机器的原型;第三个目标是用"实践教育学"的方法,明确教学现场和互联网上教学内容的编写等实际场景下的问题点,在现实的教学现场加以应用。


图3

  下面介绍一下"发展认知科学"的方法。我们打造了这样一个实验环境,让母亲和孩子分别在不同的房间,做两个条件下的实验(图3)。一个是实况沟通,另外一个我们用特殊的设备来延迟一秒钟,以此来比较两者之间的差异。大家也许会有这样的体验,看奥运会实况转播的时候,大家会发现有一点延迟,这种延迟会让观众感到不舒服。因为我们听到的声音和看到的动作有时间差。我们做的延迟的实验是:母亲把一个玩具的玩法教给2岁半左右的孩子让他模仿一次,是进行实况的沟通,另一次是进行延迟一秒钟的沟通。我们对母亲的动作进行了测定,确保母亲的动作是完全一致的。然后,分别对孩子的模仿成绩进行打分,最终结果令人大吃一惊,虽然延迟只有一秒钟,但是他模仿的成绩却很低。也就是说,延时一秒钟,会对婴幼儿的学习造成很大的影响。总结下来,婴幼儿对现实性和应答性是非常敏感的,这对于施教和被教都非常重要。


图4

  我们再看一下"应用于信息工程"的方法。我们开发了很多智能系统,包括一个非常小的机器人,研究它是否能够教孩子们学法语(图4)。法语对于日本的孩子来说是很陌生的语言。机器人事先被设置好程序,面对小朋友们用法语讲《三只小猪》的故事,电视机的图像会根据机器人的动作展示故事情节。我们用EEG也就是从脑波图像得到的数据,来观察婴幼儿是否理解法语的意思。我们根据这个研究结果,研究更小的婴儿,当机器人教孩子时,小孩的大脑是如何活动的。如今,智能手机已经非常普及,社会上有很多人对年轻父母使用手机持否定态度。我作为一名科学研究人员,尽量保持中立的原则,用数据说话。不过就我们刚才的实验内容来看,如果妈妈在电车里太关注自己的手机,孩子跟自己说话都不理不睬的话,是一个需要警惕的行为。因为孩子需要"现在"跟他沟通,正可谓"机不可失,时不再来",失去了这个点,那么交流的效果就会大大降低。所以说,我建议母亲和孩子在一起的时候,尽量不要用手机。

结语

  最后,我想说我们还有很多未知的需要研究的问题。实验室的研究固然非常重要,幼儿园、学校教育第一线的观察研究也是很有必要的。还有很多未知的东西,需要我们脚踏实地地进行研究,让更多的实验成果应用到教育领域。谢谢!

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作者简介

开一夫(东京大学研究生院综合文化研究科教授)
开一夫

东京大学研究生院综合文化研究科教授,工学博士。曾担任原通产省电子技术综合研究所主任研究员,2000年起任职于东京大学。主要从事“婴儿学”研究,以科学的手段探究婴幼儿心理、行为和大脑的发展过程。现任日本婴儿学会常任理事、日本儿童学会常任理事、日本学术会议协作会员。主要著述有《母性和社会性的起源》(岩波讲座:沟通的认知科学 第3卷)、《社会脑―认知自我和他人的大脑》(东京大学出版会)等。

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