Анастасия Кириченко
Начинающий художник, настольный игроман и жуткий любитель природы

Как учатся дети и почему роботы не могут это повторить

© The Guardian
© The Guardian

Если бы мы могли понять, как развивается ум младенца, это помогло бы каждому ребенку в полной мере реализовать свой потенциал. Но рассматривать детей как обучающиеся машины кажется не совсем правильным.

Исследование развития детей и алгоритмов обучения ИИ

Деб Рой и Рупал Пател выходили с сыном на прогулку, это был прекрасный июльский день 2005-го года, который они встретили веселыми улыбками и сияющими счастьем лицами. Выходя из своего дома в Бостоне, они на минуту остановились в прихожей, чтобы дедушка мог заснять своего новорожденного, мило воркующего внука.

Эта, на первый взгляд, типичная пригородная пара не была похожа на других родителей. Рой был экспертом в области ИИ и робототехники в Массачусетском технологическом институте, а Пател — выдающимся специалистом по речи и языку в близлежащем Северо-Восточном университете. В течение многих лет они собирали самую обширную коллекцию домашнего видео.

Практически в каждой комнате их дома были размещены записывающие устройства. С потолка в коридоре мигали две небольшие черные «точки», каждая размером с монету. Другие «точки» были расположены в гостиной и в столовой. Всего по дому было 25 устройств — 14 микрофонов и 11 камер — часть системы, установленной после возвращения из больницы. Ее назначение — запись каждого движения новорожденного и издаваемого им звука.

Снимок с камеры наблюдения в рамках проекта ©MIT Media Lab
Снимок с камеры наблюдения в рамках проекта ©MIT Media Lab

Все началось десятилетием ранее, в Канаде, но на самом деле Рой построил своего первого робота, когда ему было всего шесть лет, в Виннипеге в 1970-х годах, и он никогда не останавливался на достигнутом. Поскольку его интерес превратился в карьеру, он задавался вопросом об «андроидных» мозгах. Что нужно машинам, которые он заставил думать и говорить? Рой сказал:

Я думал, что могу просто прочитать литературу о том, как обучаются дети, и это даст мне план для создания моего языка обучения роботов.

За ужином одним прекрасным вечером, он похвастался Пател, которая затем написала кандидатскую диссертацию о человеческой речи, что уже создал робота, который учился так же, как дети. Он был убежден, что, если выделить исходные данные, получаемые ребенком, робот мог бы учиться на этом.

Он говорил о Toco. Этот робот с шаровидными глазами, желтым клювом и опереньем, был чем-то большим, чем обычный микрофон или камера, установленная на подставку из конструктора Meccano. Он был принципиально другим, умным. Используя алгоритмы распознавания голоса и анализа исходных данных, Рой тщательно учил Toco отличать слова и концепции в водовороте повседневной речи.

Рой и Toco ©MIT Media Lab
Рой и Toco ©MIT Media Lab

Если раньше компьютеры изучали язык в цифровой форме, понимая словосочетания по отношению к другим словам, открытие Роя заключалось в создании машины, которая понимала связь явлений и слов с объектами. Когда Toco просили выделить красный шар среди множества предметов, отличающихся по форме и цвету, он мог сделать это.

Далее Пател открыла в Торонто детскую лабораторию, и Рой приехал туда, чтобы посмотреть, чему можно научиться. Наблюдая за играющими матерями и младенцами, он понял, что плохо учит Toco. В интервью журналу Wired в 2007 году он объяснил:

Я не правильно структурировал свой алгоритм обучения. Каждый родитель знает, что когда вы разговариваете с 11-месячным ребенком, вы очень ограничены. Если вы говорите о чашке, вы придерживаетесь тематики, и вы взаимодействуете с чашкой, пока ребенок не начнет скучать.

Робот искал каждое словосочетание и слово, которое когда-либо слышал, когда изучал новый объект, но Рой изменил свой алгоритм, чтобы задать приоритет последнего опыта, и начал давать ему аудио-записи из лаборатории Пател. Неожиданно Toco начал запоминать базовый словарный запас со скоростью, никогда ранее не наблюдавшейся в исследовании ИИ. Мечта о «роботе, который может учиться, слушая и видя объекты», была ближе, чем когда-либо. Но ему нужно было найти подходящие записи, а их было трудно получить.

Никто никогда не изучал вживую то, что происходит с ребенком в эти первые решающие годы развития. Базой при исследовании были лишь недельные наблюдения, продолжительностью в один час — так Пател изучала матерей и младенцев в своей лаборатории. Но если бы вы изучали процесс, когда ребенок учился говорить, вам нужен был бы «подопытный» родитель, готовый жить со своим ребенком в доме со скрытыми записывающими устройствами.

Наряду с обучением роботов, методики, которые использует Рой, могут помочь обычным детям в полном мере реализовать свой потенциал, не говоря уже о выдающихся перспективах для ИИ. Если бы мы создали машины, которые учились бы, как люди, то могли бы мы также разработать такую технику, которая помогала бы нам совершенствовать человеческое обучение?

Перед тем, как начать свой эксперимент, Рой и Пател определили некоторые основные правила. К примеру, записи были доступны только узкому кругу приближенных к ним исследователей. Кроме того, если в любое время съемки они почувствуют себя некомфортно, то могли удалить запись.

При необходимости, систему можно было отключить на время. Это был решительный, смелый шаг, но пара пошла на это, ведь гипотетическое открытие могло изменить представление о развитии детского сознания.

Toco был Пиноккио, а Рой — Джеппетто. Но, в то время как ему было интересно, чему настоящие дети могут научить роботов, многие хотели бы знать, как такие домашние видео помогут улучшить обучение самих детей. Однако в изучении зависимости между количеством слов, услышанных ребенком, и показателем его академического успеха эта пара ученых уже не была первооткрывателями.

Ранее детское развитие в работах других исследователей

В 1995 году двое ученых, Бетти Харт и Тодд Ризли, опубликовали результаты исследования, в которых они изучали 42 семьи из Канзаса. Они сравнивали опыт дошкольников из бедных семей с их более богатыми сверстниками. Начиная с момента, когда младенцам исполнилось 9 месяцев, они регулярно наблюдали за ними в течение двух с половиной лет, записывая и расшифровывая все речи родителей и ребенка во время своих часовых посещений.

Выводы были поразительными — количество слов, услышанных ребенком до своего третьего дня рождения, оказывало влияние на его академический успех в в будущем. Они подсчитали, что в возрасте 4 лет дети из бедной среды услышали на 30 млн меньше слов, чем их сверстники из более состоятельной прослойки общества. Харт и Ризли заявили:

Проблема различий в навыках среди детей во время поступления в школу значимее, неуловимее и важнее, чем мы думали.

Их исследования показали, что стоит как можно раньше вмешиваться в развитие ребенка. Они отметили, что чем дольше откладывать приложение усилий к обучению, тем меньшего результата можно достигнуть в конечном итоге. Эта существенная проблема обучения, казалось бы, имела вполне логическое решение — нужно говорить ребенку как можно больше новых слов. Однако все оказалось не так просто.

По сути, эта интерпретация оказалась сильно упрощенной, ведь мозг ребенка отнюдь не является компьютером, в который просто можно загрузить исходные данные и получить результат. Процесс детского обучения оказался многограннее и сложнее. С этим согласился профессор раннего детского развития в Университете Темпл в Пенсильвании, Кэти Хирш-Пасек. Она написала, что:

Так же, как индустрия быстрого питания наполняет нас пустыми калориями, так и то, что мы называем «учебной отраслью», убедило многих из нас в том, что запоминание содержания — это единственное, что необходимо для успешного обучения и беззаботной жизни.

Она также написала авторитетную книгу, в которой излагались ее представления об этой «словесной гонке»: «Эйнштейн никогда не использовал Флешкарты: как дети действительно учатся и почему им нужно больше играть и меньше запоминать» (Einstein Never Used Flashcards: How Children Really Learn and Why They Need to Play More and Memorize Less).

Кэти Хирш-Пасек ©Area Discovery Museum
Кэти Хирш-Пасек ©Area Discovery Museum

Хирш-Пасек является легендой в области раннего развития ребенка. Автор 12 книг и сотен академических статей, она является выдающимся преподавателем, который управляет Infant and Child Laboratory — лабораторией в Темпльском университете, чей лозунг — «Где дети учат взрослых». Хирш-Пасек рассказала немного о детском сознании:

Они знают, что, если я положу эту тарелку на стол, она не просочится сквозь него. И это восхитительно. Они знают, что, если я буду сидеть напротив вас, и вы не видите нижней части моего тела, у меня она все еще есть.

До недавнего времени ученые склонны были думать о младенцах как о чем-то иррациональном, нелогичном и эгоцентрическом. В своих «Принципах психологии» в 1890 году Уильям Джеймс описал опыт сенсорной перегрузки младенцев:

Ребенок, испытывающий нагрузку на глаза, уши, нос, кожу и внутренности одновременно, чувствует все это как одну огромную яркую, жужжащую путаницу.

Это понимание способствовало механистическому взгляду на обучение, и появлению идеи о том, что частое повторение слов является важным аспектом обучения. Но это утверждение оказалось ложным.

Дети учатся даже в утробе матери. На этом этапе они запоминают звуки. Даже новорожденный младенец, которому всего час от роду, может отличить голос матери от других людей. Младенцы приходят в этот мир с мозгом, созданным для обучения посредством сенсорной стимуляции. Нужно осознать это, чтобы в полной мере осознать наш потенциал к обучению. Хирш-Пасек говорит:

Мы входим в этот мир, готовыми «считывать» сигналы окружающей среды.

Вспоминается Toco, он также считывает сигналы окружающей среды, по крайне мере те, что воспринимают его камеры и микрофоны. Однако роботы могут учиться только тому, на что были запрограммированы, их поведение ограничивается лишь небольшим диапазоном опыта. В то же время дети являются социальными учениками. Хирш-Пасек добавляет:

Мы готовимся к взаимодействию с другими людьми и нашей культурой.

Гениальная особенность младенцев — это не просто то, что они учатся на сигналах окружающей среды, — другие животные также могут делать это. Но именно человеческие дети могут понимать окружающих людей и, в частности, интерпретировать их намерения.

Значение учебной среды

По мере того, как мы эволюционировали, стала возможной социокультурная передача. Язык был нашей отправной точкой — возможностью взаимопонимания между двумя существами, приписывающими общий смысл какому-то абстрактному понятию или символу. Разве мы не можем понять, как это происходит в поведении детей?

Младенцы общаются с родителями или опекунами. Они болтают, поддерживают зрительный контакт, обмениваются вещами, подражают выражениям или действиям взрослых. Они также экспериментируют с предметами, пробуя на вкус все, что попадет им в руки, исследуя вещи тактильно и постукивая ими по мебели. Так они изучают сами предметы и особенности их взаимодействия.

В Институте эволюционной антропологии общества им. Макса Планка в Лейпциге профессор Майкл Томаселло писал, что наши дети учатся в:

Среде постоянно возникающих артефактов и социальных практик, которые в любой момент представляют собой нечто похожее на всю коллективную мудрость всей социальной группы на протяжении всей своей культурной истории.
Майкл Томаселло © Социальный Компас
Майкл Томаселло © Социальный Компас

Если человечество хочет реализовать весь свой потенциал обучения, то предстоит выяснить, как можно сформировать оптимальную для этого окружающую среду. Итак, человеческий мозг отлично адаптирован для постоянного обучения. При этом долгий период незрелости, в течение которого ребенок (особенно раньше) будет подвержен заболеваниям и нападениям хищников, не имеет способности самовоспроизведения и механизмов защиты, является рискованным эволюционным шагом. Однако он окупается. Благодаря этому человек может использовать колоссальное количество последней информации, полученной из окружающей среды и социальной группы, для своего развития.

Ученые давно признали дискуссию о противодействии природы и культуры заблуждением. В первые три года жизни человека происходит значительная часть развития нашего мозга. В эти годы мозг развивается по отношению к окружающей среде, формируя себя во взаимодействии с чувственным опытом. Как показал эксперимент Харта и Ризли, этот опыт может оказать огромное влияние на то, кем станет этот человек.

Мы эволюционировали, чтобы стать учителями и учениками. Способность понимать других людей приходит к девятому месяцу жизни, в тот момент развития, когда дети начинают обращать внимание на предметы и объекты, указанные другими людьми. В год они могут концентрировать свое внимание, а в 15 месяцев — управлять им.

Слушай! Посмотри туда! Общее внимание — это отправная точка сознательного обучения маленького человека. Именно поэтому младенцы не учатся разговаривать по видео или аудио, как и мы не можем учиться у роботов, по крайней мере, пока. Поэтому важно, чтобы мы разговаривали с нашими детьми. В такой живой коммуникации они почерпнут гораздо больше знаний.

Той учебной средой, которая могла бы лучше всего раскрывать наш природный потенциал, можно назвать Центр раннего детства Pen Green, специализированную организацию в городке Корби на просторах английского графства Нортгемптоншир.

Вход в учебный центр ©Pen Green
Вход в учебный центр ©Pen Green

Центр Pen Green обладает всемирно известной репутацией в области развития детей в раннем возрасте и поддержки семьи, прототипом, который вдохновил правительство на создание таких проектов, как Sure Start и Early Excellence. В 1980-х годах Корби был одним из самых бедных городов Великобритании, его население шотландских рабочих-мигрантов переехало на юг в связи с закрытием металлургического завода.

Центр был создан как спасательный круг для следующего поколения и сегодня он обслуживает 1400 наименее обеспеченных семей в Великобритании. В разговоре с представителем The Guardian, директор центра, Анджела Проджер (Angela Prodger), сказала:

Если мы не рассматриваем сначала личное, социальное, эмоциональное развитие, то мы не готовы учиться.

Она объяснила, что до того, как дети смогут приобрести инструменты речи и языка, нужно убедиться, что они ощущали чувство «бытия и принадлежности». Слишком часто наши методы раннего обучения упускают эти этапы. Эти слова имеют смысл, однако исследования показали обратное.

В 1950-х годах британский психоаналитик Джон Боулби предложил теорию «привязанности». Он предположил, что младенцы, неспособные регулировать свои собственные чувства, склонны демонстрировать расстройство, когда им грустно, одиноко или просто хочется есть.

В это время требуется опекун, который поможет младенцу регулировать свои эмоции и чувства. Однако если отрицательные переживания не были смягчены родительской любовью, то они могут стать подавляющими.

Последствия для детей, растущих в условиях бедности или травматизма, были значительными. Именно поэтому в Pen Green заботятся о том, чтобы сначала заложить понимание бытия и принадлежности в своих подопечных. Этот подход во многом объясняет поведение детей в школе — то, как они реагируют на стрессы окружающего мира, может многое сказать о среде, в которой они растут.

© Pen Green
© Pen Green

В Pen Green они живут в тесном контакте с опекунами, которые обеспечивают детям поддержку. В будущем, это поможет им преуспевать не только в дошкольных учреждениях, но и в школе. Принято считать, что дети жестоки ввиду отсутствия у них определенных моральных качеств, в отличие от взрослых. Мало кому придет в голову, что их поведение обусловлено окружением, которое диктует им, как действовать в определенной ситуации. Об этом заблуждении Проджер говорит:

Поведение — это всегда признак того, что дети пытаются вам что-то сказать.

Она сказала, что дети постоянно общаются с нами, нужно просто научиться слушать их, правильно интерпретировать их действия, поступки и слова. Это то, чему обучается каждый педагог в Pen Green. Проджер добавила:

Речь идет о поиске. Что дети пытаются исследовать? Что они пытаются выяснить?

Интерактивная игра — это та основа, на которой построено творчество, языкознание, математика и наука в целом. Но здесь важно своевременно пройти все этапы. К примеру, если вы начинаете изучать математику слишком рано, то рискуете упустить этот этап развития.

© Pen Green
© Pen Green

В Pen Green несколько раз в неделю детей ждет увлекательная поездка в лес, на природу. Здесь они разжигают костер, а воспитатели позволяют им экспериментировать и ездить на велосипедах BMX. Если они хотят быть на улице, они выходят на улицу. Если им захочется вернуться в уютное помещение, то они всегда могут сделать это. Окружающая среда предопределяет тип обучения, ведь чтение и письмо могут подождать. Проджер так комментирует эту модель обучения:

Речь идет о том, чтобы быть свободным. Речь идет о риске.

Это, вероятно, помогает ребенку быстрее составить картину мира, вписав себя в это огромное сообщество. Дети здесь кажутся счастливыми, закладывая основы для их будущего успешного обучения посредством игры.

И все же мысль о том, как еще можно ускорить процесс обучения не дает покоя. Следствием эксперимента, который провел Рой, было подтверждение того факта, что каждый момент ценен для обучения. Но можем ли мы позволить себе так много поставить на кон, начав обучение раньше и рискуя отбить у ребенка интерес к учебе в целом?

Неравенство в развитии

Факт рождения является самым большим источником неравенства в США, — писал экономист Джеймс Хекман.

В Великобритании это утверждение также верно, как, вероятно, и во всем мире. Итак, одним из самых сильных факторов, оказывающих влияние на академический успех, является то, сколько зарабатывают родители малыша.

Хотя две трети детей Великобритании ежегодно получают оценку C или выше по английскому языку и математике в рамках программы средней школы GCSE, это значение снижается до трети среди детей, получающих бесплатное школьное питание. Хекман также показал, что лучший способ справиться с этим неравенством — как можно раньше инвестировать в развитие детей в их жизни. Недостаточно преобразовать школы — мы должны начинать гораздо раньше, чем ребенок ступит на порог учебного заведения, пойдя в первый класс.

Джеймс Хекман © Peoples.ru
Джеймс Хекман © Peoples.ru

Хирш-Пасек также сказала, что мы не можем просто бросать детей с iPad или другими гаджетами, ожидая, что с их они помощью наверстают упущенное. Но это не значит, что мы должны полностью отказаться от «умных машин». Некоторые из экспериментов в лаборатории, которой заведует Хирш-Пасек, направлены на устранение разницы в развитии между богатыми и бедными детьми.

Другие методы охватывают такие темы, как развитие речи или пространственная осведомленность, и всегда для этого используют технологии, но по-разному. Хирш-Пасек заявляет, что машины в некотором роде способствуют развитию, но это не социальный, а интерактивный инструмент.

Миссия Хирш-Пасек заключается в изменении нашего представления об обучении, особенно среди бедных детей. Она уточняет свое видение ситуации:

Мы увидели, что важно брать за основу бедных детей. Мы предполагали, что им нужно просто читать и изучать математику, вырезать что-то на уроках искусства и изучать такие «лишние» предметы, как обществознание.

Политики и законодатели превратили науку в собственный инструмент, преследующий их цели. Ни один ученый ни верил, что вы должны начать читать и писать в раннем детстве — это была фантазия правительств. Но более поздние исследования добавили значимости «языковым урокам» Хартса и Рисли в Канзасе. Так, в 2003 году психолог Патриция Кухл экспериментировала с обучением младенцев.

В рамках исследования дети разделились на три группы обучения (посредством видео, аудио и реальных учителей). Результаты были потрясающими — только те, у кого был реальный наставник, смогли узнать что-то новое.

В 2010 году исследование мегапопулярных DVD-дисков для формирования словарного запаса под названием Baby Einstein (их также называли «Crack for Babies») показало, что младенцы, которые смотрели их, «не демонстрировали лучшего понимания слов из программы, чем дети, которые никогда не видели DVD».

DVD-диски Baby Einstein © gumtree.com
DVD-диски Baby Einstein © gumtree.com

Дети также не изучали слова, подслушивая родительские разговоры или слушая радио. Чтобы выучить язык ребенку нужны не просто слова, ему нужен наставник, ведь младенец не может учиться с экрана. Как говорит Кэти Хирш-Пасек:

С давних времен мы учимся у людей.

Эрика Кристакис, эксперт по раннему развитию детей и автор книги «The Value of Being Little», описывает медленную деградацию в дошкольном обучении, которое превратилось из многомерного, основанного на идеях, подхода в двумерный учебный процесс, в основе которого лежат определения и ярлыки.

Дафна Бассок из Университета Вирджинии интересуется, действительно ли детский сад — новый первый класс. Требование того, чтобы воспитанники в возрасте 5-6 лет умели читать и считать теперь является обычным делом. Но ведь это противоречит всем фактам.

К примеру, Кембриджское исследование, в котором сравнивали группы детей, начавших уроки грамотности в 5 и 7 лет, показало, что дети, которые начали заниматься с пяти лет, развили не такое положительное отношение к чтению и показали худшее понимание текста, по сравнению с теми, кто начал позже.

Выводы очевидны: если начать обучение прежде, чем возникнет целостная картина мира, ощущения и эмоции, то процесс будет менее эффективным, он будет нравиться ребенку меньше. Иными словами, не нужно общаться с детьми, как с роботами во время раннего дошкольного обучения.

Вместо этого Хирш-Пасек настаивает, чтобы дети понимали радость обучения и развития. В своей книге она предложила шесть основ для эффективного современного обучения: сотрудничество, общение, контент, критическое мышление, творческие инновации и уверенность.

По сути, это именно то, что побудило пару успешных ученых нажать на кнопку «запись», впустив технологии в свою жизнь.

Результаты исследования

Вместе со своей супругой, Деб Рой отснял для проекта Human Speechome Project 90 тыс. часов видео и 140 тыс. часов аудио-записи. Около 200 терабайт данных охватывали 85% первых трех лет жизни их сына и 18 первых месяцев жизни его младшей сестры.

Со своей командой в Массачусетском технологическом институте Рой разработал новые подходы к визуализации и изучению данных, которые они снимали. Его новая группа была названа Лабораторией социальных машин (Laboratory for Social Machines). Он отказался от роботов-строителей, которые бы конкурировали с людьми и вместо этого обратил свое внимание на улучшение человеческого обучения.

Его приоритеты в разработках изменили процесс фактического восприятия окружающего мира ребенком. Своим впечатлением от первых связных слов, сказанных его крошечным сыном, он поделился в интервью с представителем The Guardian. В первый раз, когда его сын произнес что-то осознанное, не просто бессмысленный звук, Рой сидел с ним, глядя на картины:

Он сказал «рыба», и он действительно имел в виду рыбу на стене, на которую мы оба смотрели. И это было не просто совпадением, ведь сразу после того, как он посмотрел на рыбу и сказал слово, он повернулся ко мне. Ему был даже не год, но это сознательное существо, в смысле самовыражения.

Рой уже не был уверен, что можно сделать робота похожим на человека — или что нужно хотя бы пробовать. Уже не казалось, что можно много выиграть с развития робота, который, используя одно человеческое детство, мог бы стать точно как юный, но уже взрослый человек. А ведь это именно то, что делают люди. И это до того, как вы получаете воображение или эмоции, формируете личность или влюбляетесь. Все это оставалось недоступным для Toco.

Наблюдая за своим сыном, Рой был потрясен «невероятной изощренностью того, как на самом деле выглядит и что делает ребенок». Младенцы не только бесцельно хнычут и требуют еды, они творят, наполняют вещи новым смыслом и делятся эмоциями.

Процесс обучения нельзя разложить на компоненты, как он думал раньше, ведь это нечто продолжительное, сложное и социальное. Он читал автобиографию Хелен Келлер своим детям и впервые был поражен ее прозрением, тем, как она стала понимать язык. Глухая и слепая после младенческой болезни, Келлер было семь лет, когда она осознала речь. Она писала:

Внезапно я почувствовал туманное сознание, как видение чего-то забытого — и как-то мне открылась тайна языка. Тогда я узнала, что «w-a-t-e-r» означает нечто чудесное и прохладное, то, что течет по моей руке. Когда мы вернулись в дом, каждый предмет, которого я касалась, казалось, содрогался от жизни.
Хелен Келлер в молодости © kulturologia.ru
Хелен Келлер в молодости © kulturologia.ru

Недавно Рой начал сотрудничать с Хирш-Пасек, следуя ее пониманию того, что машины могут улучшить обучение учеников учителями, но никогда не заменят последних.

Он обнаружил, что человеческое обучение всегда было социальным и интерактивным. Для робота обретение языка было абстрактным и формальным, в то время как для человека — эмоциональным и субъективным. Иными словами, будущее интеллекта мы не найдем в машинах и ИИ, а отыщем его в развитии наших собственных умов.

По материалам TheGuardian.