基于认知发展理论的儿童教育机器人设计研究

大连交通大学 柴巾媛 单阳（通信作者）

儿童教育机器人是服务机器人应用于教育领域的代表产品，以培养儿童认知能力、创造能力和实践能力为目标，具有较大发展潜力和前景[1]。2018 年4 月，《教育信息化2.0 行动计划》提出“智慧教育创新发展行动，强调加强智能教学助手、教育机器人、智能学伴等关键技术的研发与应用。”[2]这一举措的落地，在国家政策层面上为教育机器人行业的发展提供了强大的动力。但由于发展过快，教育机器人设计的规范性极为欠缺，在科学的课程功能规划与正确的认知培育引导设计上存在严重不足[3]。基于此背景，文章围绕学龄前儿童的认知发展特点探索儿童教育机器人的设计原则，以开发更符合儿童发展需求的机器人技术。

1 认知发展理论

认知发展是指主体获得知识和解决问题的能力随时间推移而发生变化的过程，诸如学习、记忆、语言、思维和推理等能力的变化[4]。认知发展理论则是探讨这些过程的规律、特点及影响因素，为指导儿童教育实践提供科学依据。早在20 世纪80 年代，儿童认知发展研究分为两个方向，一是强调认知的领域特殊性，二是朴素的理论观。80 年代后，研究开始转向偏重以儿童作为主体的认知。认知发展研究自此时起分为源自皮亚杰理论的传统发展心理学，以及源于由信息加工理论所支配的认知研究[5]。文章将通过对比阐述两个理论的主张和应用梳理儿童认知发展的主要特点。

1.1 皮亚杰的儿童认知发展理论

心理学家皮亚杰（Jean Piaget）在儿童认知发展领域提出了第一个儿童认知发展的理论框架，对儿童认知发展研究提供了影响深远的理论依据[6]。他基于对不同儿童的反复的自然主义观察，提出儿童的认知是在已有图式的基础上，通过同化、顺应和平衡，不断从低级向高级发展[7]。同样，皮亚杰主张儿童通过思维的四个主要阶段（感觉运动认知思维、前运算思维、具体运算思维和形式运算思维）来取得进步，从而更多适应和理解世界[8]。目前这些阶段性理论已被用于不同的内容领域，类似于儿童对数字、时间、社会道德和因果关系等不同认知概念的理解。例如，数学教育中七巧板、华容道等益智玩具，各国学校教育课程的阶段性设置等。儿童的“自我中心性”也是皮亚杰的一个重大发现，明示出儿童心理与成人心理的不同之处。儿童往往无法协调自己与客体的关系，加之经验知识的缺乏，常常把注意力集中在自身需要和动作上，因而形成了儿童思维特有的“自我中心性”[9]。皮亚杰的理论让社会各界对儿童的认知发展过程有了更清晰的理解，由此为当下儿童教育机器人分年龄段式功能研发奠定了基础。

1.2 信息加工理论

信息加工理论隶属于现代认知心理学，主要研究人的认识活动，包括感知觉、注意、表象、记忆、思维和言语等心理过程，目前在心理科学中居于重要地位[10]。由于皮亚杰理论缺乏对儿童认知发展内在变化机制的精细分析，信息加工理论便被引出至儿童教育机器人功能设计的具体层面上，关注儿童如何对信息进行加工、储存、提取、组织和操作，以新颖的理论观点及丰富的研究成果对儿童认知发展研究产生较大影响。与皮亚杰的观点相同，信息加工理论指导下的儿童认知发展研究亦为探寻适合于解释任何认知领域发展变化的一般规律。不同的是，信息加工理论强调对儿童个体认知加工过程的研究，试图对儿童的认知系统处理任务时的实际运作提供明晰详尽的解释[11]。信息加工理论专注于儿童表征、加工及转换信息的过程机制，强调对儿童认知发展内在机制的精细分析，以鉴别出那些对认知发展具有突出作用的变化机制，并了解这些特殊的变化机制如何一起工作来引起个体认知能力的增长[12]。因此，信息加工理论常常被应用在机器人功能改进设计的研究之中，用于探寻儿童的行为和心理变化原因。

2 儿童教育机器人的设计研究现状

教育机器人可以快速呈现数据可视化与交互灵活性的能力，为学习者提供有趣的动手体验，创造一个引人入胜、有吸引力和互动的学习环境。当前教育机器人的学术研究导向以计算机科学和人机交互设计为主，研究区域集中于美国和欧洲，但以中国、日本为首的亚洲国家近年来也在教育机器人方面取得了不少研究成果，智能交互、人机协作等成为世界教育机器人研究的关键词[13]。从受控实验研究到人种学方法，认知理论和方法论范式被广泛用于教育机器人设计的复杂过程中，成为提高儿童认知学习能力的有效工具。尽管对教育机器人设计方面的研究数量正在持续增长，但研究者对儿童认知发展的关注，用于帮助教育机器人更为合理的设计研究内容屈指可数[14]。

现有围绕儿童认知发展的教育机器人设计研究有技术方面和应用方面。技术领域的研究主要集中在机器人的感知材料和物理外观，研究围绕用户感知与机器人的物理属性之间的关系，例如面部特征、机器人的大小、身体形状以及整体运动[15]。应用领域内，研究涵盖自然语言、情感计算以及连续性交互行为等主题，致力于促进更多自然交互[16]。无论是哪种领域内的研究，都旨在推进儿童与机器人之间的情感交流，期望建立更自然的交互关系。有研究者通过空间认知理论探讨了如何设计机器人的功能让孩子参与互动，以帮助幼儿园教育人员教授几何思维，证明了孩子在与机器人互动时学习表现得到了提高[17]。Peca 等[18]基于认知发展理论进行行为分析，对Probo 机器人的动作做出适当调整后以干预治疗自闭症儿童。可以看出，以美国为代表的发达国家对与儿童教育机器人设计的认知发展已有较为成熟的研究和实验，证明了经过良好设计的教育机器人在促进和提高儿童注意力、兴趣和学业成绩方面具有显著优势[19]。

国外教育机器人较国内更先进，国内对基于儿童认知发展的教育机器人设计研究少之又少，处于弱势水平。随着我国三孩政策的推进，儿童教育机器人市场的发展前景广阔，消费需求巨大。因此，细化儿童认知发展能力，制定明确的认知设计目标，开发考虑儿童文化、经历情境或个体间因素的、满足不同儿童认知需求的教育机器人，是我国教育机器人可持续向上发展的重要部分。

3 儿童认知发展的具体表征

根据皮亚杰的儿童认知发展理论可知，儿童认知发展主要有四个关键阶段，在整个过程中，孩子们对他们成长的每个环境做出反应，并积极参与学习和适应，为自己的每一种经历和从环境中获得的知识不断创造新的认知图式。因此，认知发展贯穿着幼儿到成年的各个发展阶段，是一个构建各种思维的成长过程，对于儿童来说其认知发展各个阶段的正确培养尤为重要。在可能影响儿童认知发展能力的因素分析中，围绕皮亚杰理论和信息加工理论的研究在中国尚未得到充分探索，但近年来开始受到关注[20]。为更好地了解四个关键阶段的重要表现形式以及当下市场状况，文章提炼了每一阶段的儿童思维具体表征（图1）以及对应各阶段的儿童教育机器人代表产品（图2）。

图1 儿童认知发展特征

图2 儿童教育机器人分类

第一阶段为感知运动阶段：0—2 岁儿童的早期认知形成是通过感觉和运动活动的相互作用而获得的，这阶段的特征是简单的反射、不协调的动作以及对人类和非人类物体的第一次辨别。因此，在感知运动阶段，对儿童感知能力和基础行为能力的提升培养较为重要，以促进儿童感知、反应及运动的积极发展。故市场上面向此阶段的机器人类型主要以早教机器人为主，通过绘本阅读、对话交流、音乐熏听等听说读写的基础功能训练来提升儿童的脑认知能力。

第二阶段为前运算阶段：2—7 岁的孩子们开始具备基本认知和判断能力，尝试用符号来理解世界，以简单的方式对外界事物进行形式分类，此时以自我为中心的思维将主导儿童的认知。这一阶段，市场上的教育机器人走向了开放性的交互功能，提供丰富的知识环境以培养儿童的想象力及学习力，功能包括但不限于习惯养成、课本教育、行为管理等。

第三阶段为具体运算阶段：7—11 岁的儿童已经能够根据环境中的具体对象做出理性且有逻辑的判断，对日常周边事物形成守恒观念。此时的教育机器人将逐步具备思维训练、能力训练等更高层次的逻辑思维锻炼功能，为儿童在外部世界中的认知任务提供可观察的和可论证的客观性。

第四阶段为形式运算阶段：11—16 岁的儿童已趋向于形成事物的自主思考和判断规律的成人认知能力，具有假设性及抽象性的思维活动。面向此年龄层儿童的教育机器人加入更多的数学、哲学思考原理，运用复杂逻辑的编程和游戏培养儿童解决复杂问题的能力，激发儿童的创造能力及更强的自主学习能力。

可见，目前市场上的教育机器人大部分是按照儿童认知发展规律和特征进行功能设计，但由于没有具体的理论应用性指导，产品种类过于多样化，功能却大同小异。这种现象往往给消费者造成混乱，无法选择真正适用于自己孩童的教育机器人，市场上的产品鱼龙混杂，严重影响了机器人的教育意义和培养能力。

4 基于认知发展理论的儿童教育机器人设计原则

通过对儿童认知发展理论、儿童认知发展具体表征以及教育机器人设计现状的示例分析，表明了基于认知发展理论对儿童教育机器人设计指导的优势。因此，从上述研究中确定了以下几项原则，这些原则阐明了基于认知发展理论的儿童教育机器人设计策略。

4.1 依据认知发展阶段表征的系列化设计

为满足特定年龄阶段对认知发展的差异化需求，应依据不同认知发展阶段设计陪伴成长型机器人，根据儿童的年龄信息及认知特征不断进化机器人的成长模式。通过成长型任务和灵活升级的交互任务，将机器人带入儿童成长历程中，适配儿童不同阶段的认知发展需要，帮助儿童建立平衡、健康的成长路线。系列化的晋级模式使机器人开发设计具备整体性和连续性，以机器人具有自我发展特征的设计要点链接儿童的情感认知需求，利用引导式教育丰富儿童的创造力、推理力及记忆力。这不仅形成了鲜明的品牌特色和品牌影响力，同时也能帮助解决机器人购买单价高且功能单一的市场痛点，对于增加用户黏性具有重要意义。这一论断贴合了儿童认知发展需求与家长、国家、社会之间的要求和期望，在儿童玩具市场已经获得了有力证明，如：LEGO 系列积木拼图玩具。

4.2 创新教育发展中的个性化交互

在教育机器人的交互设计中，机器人给予鼓励以及适当的交互助力，例如，一些适当的手势、一致的凝视行为、表情行为和注意力引导行为都会对儿童的认知能力、情感识别产生积极影响。从社交场景中触发儿童自我认同感，激发儿童情感表达，强化儿童的语言理解能力，加强儿童的人际互动能力是社会熟知的帮助儿童成长的教育培养方法。因此，要为儿童与机器人的交互过程中增添更多有意义的、贴近儿童现实生活环境的活动内容，以支持儿童在其所处的社会文化背景中积极创造、学习互动。符合实际生活环境和现实教学任务的机器人交互行为，能够建立更清晰、更诚实的人机交互环境，明确机器人与儿童之间的情感关系。另外，当机器人所提供的活动内容和任务更加具有现实意义，并和儿童所处生活环境相关时，儿童参与交互的态度以及他们对机器人的认知会更积极、更清晰，儿童对于认知学习的愿望就会更强烈。故机器人应根据儿童的个人特征、现实状态设置适当的个性化互动支持策略，能够激励儿童对当下环境及主客体的更深层次的反思，也给予他们更有意义的理由去完成学习任务，享受机器人带来的全新教育体验。

4.3 多样性能力培养的游戏化模式

在儿童教育环境中，游戏互动是儿童最热衷的学习形式，是培养自发性认知学习的关键部分。例如，社交游戏是儿童主要的情感交流方式，智力游戏是发展儿童脑认知、培养逻辑性思维的重要步骤。游戏化是指在非游戏环境中使用游戏设计元素，目前已在健康管理、市场营销和教育培养中广泛应用。儿童教育机器人作为新型教育模式下儿童学习、成长的新工具，理应在互动中注入有趣的游戏化元素，诸如卡通形象激励、模拟动画反馈等，以鼓励儿童在与机器人交互过程中的社交表达。同时还可以利用身体表演、轮廓素描等有趣的游戏化活动，让孩子们主动去探索和理解周围世界，形成较强的环境感知力和想象力。另一方面，通过支持一系列包含情感需求的游戏化元素，如情感释放、音乐素养，提升儿童的情绪感知力和自主控制力。教育机器人的游戏化模式已被验证能够促进儿童多样思维技能的发展，如综合应用、问题评估与解决、自主决策和科学调研等。

5 总结

文章基于皮亚杰的儿童认知发展论点以及信息加工理论，总结了儿童认知发展各阶段的具体表征信息。并根据实际市场研究和文献研究获取到儿童教育机器人的发展研究内容，为创造促进儿童认知发展的儿童教育机器人设计策略提供支撑。最终，通过儿童教育机器人的现有功能内容和认知发展能力表征，提出系列化、个性化、游戏化三点原则，表明其对能够促进儿童认知发展的专业人员、教师和家长的有用性，希望对设计原则的详细描述能够作为儿童教育机器人设计的指南。但由于理论研究往往具有有限的视野范围和验证效应，文章所提出的一些观点难免会具有一定的局限性，但这并不影响证明认知发展理论对儿童教育机器人研究的重要性。将研究建立在考虑影响儿童认知发展能力的复杂因素上，才能为儿童教育机器人的积极应用、儿童的健康发展铺平道路。