人工智能技术发展及其在幼儿教育中的应用

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　　摘 要：随着人工智能技术的迅速发展，其在教育中的应用受到越来越多的关注。梳理了人工智能发展历程和研究现状，从幼儿教育视角探讨人工智能技术应用效果，并以智能教育机器人阿尔法蛋为例，将其应用于幼儿教育教学。研究发现，利用智能教育机器人辅助幼儿教育教学，可以促进幼儿课程多样化、幼儿教学方式多元化，支持幼儿思维能力、多元智能和个性化发展，有利于培养幼儿的兴趣爱好和自信心。
　　关键词：人工智能技术;幼儿教育;阿尔法蛋
　　DOI：10. 11907/rjdk. 191456 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）002-0132-04
　　英标：The Development of Artificial Intelligence Technology and Its Educational Application in Early Childhood Education
　　英作：YANG Yang1， CHEN Wei-wei2
　　英单：（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 children’s thinking ability， multiple intelligence and individualized development， and help to cultivate children’s hobbies and self-confidence.
　　Key Words： artificial intelligence technology; early childhood education; Alpha egg
　　0 引言
　　自2017年7月國务院发布《新一代人工智能发展规划》及2018年4月教育部发布《教育信息化2.0行动计划》以来，“人工智能+教育”逐渐成为教育工作者关注的热点。关于人工智能与教育相结合的探索有：张志祯等[1]对人工智能实现教学自动化的方法和限度进行了深入探讨;郭利民等[2]对人工智能与特殊教育的深度融合进行了阐述;王亚飞等[3]对智能教育应用的概念、内涵、研究范畴以及推动智能教育应用落地的措施和价值进行了初步解析;王永固等[4]对人工智能在儿童学习障碍教育中的应用进行了阐述;陈凯泉等[5]对基础教育阶段人工智能课程与教学实施路径进行了探索;张坤颖等[6]对人工智能教育应用与研究中的新区、误区、盲区与禁区进行了阐述;唐烨伟等[7]基于教育人工智能支持下的STEM跨学科教学进行了教学模式相关研究;郝祥军等[8]对教育人工智能发展现状、具体应用及未来发展机制进行了研究。从上述研究中可以看出，人工智能在教育中的应用正逐步深入。
　　然而，人工智能技术在幼儿教育中的研究较少，其如何与幼儿教育教学相融合需进一步思考和探索。本文从人工智能技术发展历程和研究现状出发，分析当前幼儿教育存在的主要问题，以智能教育机器人阿尔法蛋为例，阐述了其功能及其在幼儿教育中的应用效果，并探讨了未来发展趋势。
　　1 人工智能发展历程与研究现状
　　1.1 人工智能内涵
　　早在1956年的达特茅斯会议上，科学家们讨论创造出人工大脑的可能性，麦卡锡首次提出了人工智能这一概念，将其界定为：使一部机器的反应方式像一个人在行动时所依据的智能[9]。这一定义给出了人工智能研究目标：实现能够像人类一样利用知识去解决问题的机器。关于人工智能的定义并没有一个公认的说法，不同的研究者根据不同的研究领域也给出了不同的定义，具体内容如表1所示。 　　综上可知，人工智能需要制造智能机器或开发智能计算机程序，这些机器或程序能够做到像人一样会听（语音识别、机器翻译等）、会看（图像识别、文字识别等）、会说（语音合成、人机对话等）、会思考（人机对弈、定理证明等）、会学习（机器学习、知识表示等）、会行动（机器人、自动驾驶等）。
　　1.2 人工智能发展历程
　　人工智能发展历程可分为以下6个阶段：
　　（1）萌芽期：1943-1956年。1943年，人工神经网络与数学模型建立，标志着人工神经网络研究时代的开启;1950年，计算机与人工智能之父图灵发表《机器能思考吗》，并提出了图灵测试。
　　（2）启动期：1956-1969年。1956年，达特茅斯会议的召开，标志着人工智能的诞生。期间，国际学术界关于人工智能研究潮流兴起，罗素《数学原理》被算法全部证明，在此期间学术交流频繁。
　　（3）消沉期：1969-1975年。1969年，作为主要流派的连接主义与符號主义进入消沉，关于人工智能的四大预言遥遥无期，在计算能力的限制下，国家及公众对人工智能的信心持续减弱。
　　（4）突破期：1975-1986年。1975年，BP算法开始被研究，第五代计算机开始研制，专家系统的研究和应用艰难前行，半导体技术开始发展，计算机成本和计算能力逐步提高，人工智能开始取得突破。
　　（5）发展期：1986-2006年。在此期间，BP网络得以实现，神经网络得到广泛认知，基于人工神经网络的算法研究突飞猛进;计算机硬件能力快速提升，互联网开始构建，分布式网络降低了人工智能的计算成本。
　　（6）高速发展期：2006年至今。2006年，深度学习被提出，人工智能再次获得突破性发展;2010年，随着移动互联网的发展，人工智能应用场景开始增多;2012年，深度学习算法在语音和视觉识别上实现突破，同时，融资规模开始快速增长，人工智能商业化开始高速发展。
　　2016年AlphaGo和2017年AlphaGo Zero的相继出现，将人工智能彻底推向了发展高潮，2017年也因此被称为人工智能元年。
　　1.3 人工智能研究领域及其技术特征
　　作为一个学科，人工智能是自然科学、社会科学、技术科学3个交叉的综合学科，涉及哲学、认知科学、数学、计算机科学等，其研究领域也非常广泛。关于人工智能的研究主要集中在以下几个方面：
　　（1）专家系统。专家系统是人工智能最重要也是最活跃的一个研究领域，是一个具有大量专门知识和经验的程序系统。它可以根据某个领域一个或者多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要人类专家才能解决的问题。专家系统被广泛应用于工程、科学、医药、军事、商业等方面，其功能主要包括：解释、预测、诊断、设计、规划、监督和控制等。
　　（2）计算机视觉。计算机视觉是使用计算机及相关设备对人类视觉的一种模拟。其主要任务是通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息，包含模式识别、图像处理、图像解释、图像理解、图像分析、机器视觉等，最终目标是为了使计算机能够像人一样通过视觉观察和理解世界，具有环境自主适应能力。
　　（3）自然语言理解与处理。自然语言理解与交流是指使用自然语言与计算机进行通讯的技术，让计算机能够阅读和理解人类语言。它的一些直接应用包括人机对话、信息检索、文本挖掘、问题回答和机器翻译，在Web搜索、社交网络、生物数据分析和人机交互等领域有广泛应用[15]。
　　（4）机器人学。机器人学是与机器人设计、制造和应用相关的科学。它主要研究机器人的控制与被处理物体之间的关系，如搬运物体和导航等。其研究领域主要涉及两个方面：一方面是让机器人具备视觉和触觉，使其能够识别空间景物的实体和阴影;另一方面是指机器人在接受外界的刺激后，驱使机器人行动的过程。
　　（5）机器学习。机器学习是指让机器自身具有获取知识的能力，使机器能够总结经验、发现错误、改进性能，对环境具有更强的适应能力。机器学习的应用主要包括：数据挖掘、计算机视觉、自然语言处理、语音和手写识别、机器人运用等。
　　（6）博弈与伦理。博弈是指智能机器和人类之间的较量，如1997年IBM公司研制的深蓝系统首次在正式比赛中战胜了国际象棋冠军卡斯帕罗夫以及近两年谷歌DeepMind的AlphaGo和AlphaGo Zero分别战胜了围棋高手李世石和柯洁，由此引发了人工智能博弈问题的热议;伦理是指对人工智能安全、人工智能时代下个人隐私、人工智能是否会取代人类工作等问题的思考。
　　关于人工智能的研究领域从不同的角度分析，其结果也不尽相同，很难面面俱到，但不同领域的技术方法和思想是可以相互借鉴和相互促进的。
　　2 幼儿教育中存在的问题
　　幼儿教育作为基础教育中不可或缺的重要组成部分，一直以来都受到社会和家长的诸多关注。然而当前阶段，幼儿教育存在的问题日益凸显，严重限制了幼儿身心发展，具体内容如下：
　　（1）幼儿获取知识途径单一。当前幼儿园教育中，孩子只是单方面地从教师那里获取信息，幼儿获取信息的渠道较为单一，这样的教学形式会导致幼儿认知水平不高，缺乏信息辨别能力。
　　（2）幼儿教育教学形式单一。幼儿园教育中的教学形式以课程讲授为主，但处于幼儿时期的孩子对周围的一切事物都充满好奇心，他们喜欢多种教学方式：做游戏、唱歌、跳舞、绘画、动手等，而教师时间和精力有限，难以样样俱全，这在一定程度上会遏制一些孩子的好奇心，不利于孩子个性化发展。
　　（3）幼儿教育缺乏主动性。幼儿教育是孩子发展的关键阶段，就目前幼儿园教育看，以教师的教为主，教师教什么，孩子就学什么，没有遵循孩子自己的学习兴趣。处在幼儿阶段的孩子，他们对周边的事物充满了好奇心，具有丰富的形象思维，教师应该遵从幼儿成长规律，赋予孩子们更多自主选择的机会，孩子喜欢做什么，教师要以正确的方式给予引导，合理开发孩子的想象力和创造力。只有将学习的主动权交给孩子，孩子们才能学得开心，玩得舒心，健康快乐成长[16]。 　　3 幼儿智能教育机器人功能及应用——以阿尔法蛋为例
　　3.1 幼儿智能教育机器人功能
　　目前，幼儿智能教育机器人产业蓬勃发展，各种产品层出不穷，如阿尔法蛋、布丁豆豆、小i书童、小爱机器人、小腾机器人、小胖机器人、乐高机器人、智伴机器人和熊猫机器人等。本文以科大讯飞的阿尔法蛋为例，分析其功能，具体如下：
　　（1）教育功能。阿尔法蛋拥有从幼儿至初中的语文、英语、音乐等课本教材，可以回答孩子提出的问题。阿尔法蛋可以做到中英文互译，对孩子进行英语启蒙教育。不仅如此，阿尔法蛋还可以实现故事儿歌、国学分析、课文朗读、字词听写等功能，这些对幼儿都有一定的启蒙教育作用。
　　（2）语音识别和人机对话功能。阿尔法蛋具有声纹识别功能，通过保存自己的声音文件，在与它对话时，阿尔法蛋就能辨别出你是谁。阿尔法蛋可以与孩子进行实时交流和沟通，回答孩子的各种问题。
　　（3）陪伴与远程管理（实时监控）功能。孩子无论走到哪里，都可以将阿尔法蛋带在身边，随时随地与它交流和沟通，如同亲密的小伙伴。同时，阿尔法蛋具有远程管理功能，父母可以通过该功能为孩子远程推送播放内容，远程查询阿尔法蛋状态、远程设置儿童锁、定时关机等。远程功能也将使家长对孩子的远程陪伴成为现实，儿童在成长过程中最为需要的便是家长的陪伴。
　　（4）APP设置成长计划功能。借助此功能，阿尔法蛋可以根据孩子的学习和认知水平，为孩子创建每天的学习课表，让孩子养成良好的学习习惯。通过推送个性化的学习内容和学习方法实现因材施教，达到个性化教育目的。
　　（5）微聊与信息查询和日常提醒功能。阿尔法蛋可以与手机等移动终端设备进行语音、文字和视频沟通，父母可以通过阿尔法蛋与孩子随时随地进行沟通和交流。阿尔法蛋还可实现天气查询并播报及智能闹钟功能，能够在固定时间提醒孩子做预先计划做的事，培养孩子良好习惯。
　　3.2 幼儿智能教育机器人应用效果
　　通过观察和实践分析，将智能教育机器人应用于幼儿教育中，不仅可以在一定程度上有效解决当前幼儿教育存在的一些问题，还可以达到如下效果：
　　（1）促进幼儿个性化发展。幼儿教育不仅要考虑孩子的共性，更要注重他们的个体差异性。幼儿教育要关注儿童的兴趣和需求，课程内容要满足幼儿的个性化发展。而智能教育机器人可以根据每个儿童不同的学习兴趣和认知水平选择适合自己的学习资料，做到因材施教，甚至可以为他们设置比较长远的教育计划，使幼儿快乐学习和健康成长。
　　（2）培养幼儿兴趣爱好和自信心。处于3～6岁的儿童，他们的认知很容易受外在环境的影响，他们更喜欢也更容易接受图像、声音等视频类教学内容。智能教育机器人能以图像、声音和视频等形式将教学内容呈现给孩子，让孩子多感官地接触学习内容，激发他们学习的好奇心和兴趣;同时智能教育机器人可以让孩子自主选择自己感兴趣的学习内容，有利于培养孩子的爱好和学习自主性。智能教育机器人甚至可以当作幼儿形影不离的朋友，有效缓解那些信心不足不愿与人交流的幼儿自闭症状，通过与幼儿互动交流，有效预防或者缓解幼儿自闭程度并提升幼儿自信心。
　　（3）促进幼儿多元智能发展。在幼儿教育过程中，利用智能教育机器人采用认事物、讲故事、想办法、做游戏、看动画、听音乐等一系列教学形式，充分发挥幼儿的听觉、视觉和感觉等多种器官的作用，启发他们想出各种各样的办法以解决遇到的问题，促进幼儿多元智能发展。
　　（4）促进幼儿思维能力发展。幼儿阶段是一个人思维能力发展的关键阶段，对于该阶段内能否得到有效的思维锻炼，对于幼儿智力发育具有重要影响。而这些具有人工智能技术的幼儿教育机器人可以直观、具体、生动、形象地向幼儿展示学习内容和认知对象，便于幼儿多感官、多通道地与外部刺激发生相互作用，建立大脑与外部信息的广泛联系， 还可以最大限度地激发幼儿的非智力因素[17]。借助智能教育机器人支持和辅助幼儿教育，更加符合幼儿认知规律和年龄特征，对促进幼儿思维能力发展具有重要意义。
　　（5）促进幼儿教育教学方式多元化。目前，幼儿园的教育以教师的教为主，教师带领孩子识字、唱歌、跳舞、算术、做游戏等。将教育机器引入幼儿教育中，一方面可以有效缓解教师压力，另一方面可以丰富教学方式，促进幼儿教育教学方式多元化。
　　（6）促进幼儿课程多样化。幼儿课程的多样化指课程目标多样化、课程实施途径多样化、课程模式多样化及课程种类多样化[18]。利用智能教育机器人辅助幼儿教育可以实现课程目标多样化，包括培养幼儿的智力、体力、情感、语言等;可以实现课程实施途径多样化，使得幼儿课堂不仅仅是在幼儿园还可以在家中或者其它地方;传统幼儿园教育往往以教师为中心，利用智能教育机器人可以实现以幼儿为中心、以活动为中心等，使得课程模式多样化;智能教育机器人本身包含不同形式、丰富多彩的课程，还包括不同年級的各类课程，实现了课程种类的多样化。
　　可以看出，将人工智能技术应用于幼儿教育中，可以唤醒幼儿的觉醒水平，还可以激发幼儿的学习兴趣。通过智能教育机器人可以将生活中不易见到的、抽象的事物清晰、形象地展现在幼儿面前，强化幼儿的多感官参与，缩短幼儿认知事物的时间。同时，将智能教育机器人应用于幼儿教育中，可以有效缓解教师教学压力、丰富教学内容和教学方法、调动学生学习兴趣，在幼儿教育中发挥重要作用。
　　4 人工智能技术应用于幼儿教育的未来展望
　　近年来，随着人工智能技术的迅速发展，幼儿的智慧教育产品也越来越多。这些智慧教育产品因特定的教育功能而在早教中得到普及应用，不仅走进了幼儿家庭还走进了幼儿园的课堂教学中，改变了幼儿传统的学习方式、学习环境和学习内容。幼儿的学习方式从被动接受转变为主动探索;学习环境也逐步走向丰富和开放，借助这些智慧教育产品，幼儿可以随时随地进行学习;学习内容也更加多样化，智慧教育产品可以通过图片、声音和视频等方式，通过游戏化等具有趣味性的学习过程向孩子传达学习内容，极大提高了幼儿学习的主动性和积极性[19]。 　　美国新媒体联盟（基础教育版）针对未来五年基础教育面临的形势、教学变革的重要趋势和挑战、关键技术等，召开专家团队进行协作研究和专题讨论，并发布专题报告预测未来五年内全球范围的新兴技术对教育的影响。表2梳理了2016-2017年基础教育版地平线报告中预测的近期、中期和远期能够进入应用或影响基础教育的主要技术。
　　可以看出，人工智能技术是未来进入基础教育阶段主流应用的教育技术，随着人工智能技术的发展和智能教育机器人的普及，人工智能技术进入基础教育应用的步伐会越来越快。
　　当前，学期儿童的思维方式和学习方式离不开媒体技术和人工智能技术的支持，加上国家、社会和家庭对幼儿教育的重视和投资力度的加大，利用人工智能技术支持和辅助幼儿教育将变得越来越重要。人工智能技术（产品）运用于幼儿教育，可以有效解决当前幼儿教育中存在的一些问题，但也不能盲目乱用，应该以尊重幼儿个性和尊严为前提，遵循幼儿身心发展的普遍规律，恰当运用人工智能技术实现幼儿个性化、适宜性发展。
　　5 结语
　　利用人工智能技术辅助幼儿教育，不仅可以解决当前幼儿教育中存在的一些问题，还有利于幼儿教育在一定程度上实现自动化、智能化和个性化。总体而言，关于人工智能技术在幼儿教育中的研究相对较少，需要进一步探索，以实现幼儿教育更快更好发展。
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　　（責任编辑：孙 娟）
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