小孩子如何學(xué)會(huì)語言？科學(xué)家使用計(jì)算機(jī)模型解釋兒童語言學(xué)習(xí)過程

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撰文：XT
編審：王新凱

人類的交流能力可謂是動(dòng)物王國(guó)中其他物種所無與倫比的，語言允許人們以獨(dú)特的方式進(jìn)行溝通和協(xié)作，語言也成為人類文化和社會(huì)的基石。人類幼崽從幼兒時(shí)期咿咿呀呀發(fā)音開始，就以一種特殊的方式與外界進(jìn)行溝通，直到他們學(xué)會(huì)學(xué)會(huì)用語言與社會(huì)環(huán)境中的其他人進(jìn)行溝通。

一個(gè)兒童在正式入學(xué)前，會(huì)掌握數(shù)千個(gè)左右的詞匯量，而且可以在特定的場(chǎng)景下說出一句情感與意義兼具的話語。仔細(xì)想來，從認(rèn)識(shí)幾個(gè)字到能夠暢通地用語言表達(dá)一個(gè)完整的意思，兒童不僅要了解單詞的意義，還需要掌握句法結(jié)構(gòu)，還需要將復(fù)雜社會(huì)場(chǎng)景下的語言進(jìn)行有效整合，他們是如何做到的？

在一項(xiàng)最新研究中，來自馬克斯?普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所、麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究，并提出一種兒童整合信息的理論，為語言學(xué)習(xí)過程中信息的整合提供了定量理論。

馬克斯?普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所研究員 Manuel Bohn 說：“我們知道，孩子們?cè)趯W(xué)習(xí)新單詞的過程中，會(huì)使用社會(huì)環(huán)境中的很多不同的信息來源，包括他們自己的知識(shí)。但從現(xiàn)有的研究中可以看出，孩子們有一堆可以使用的技巧。” 

例如，如果你給孩子看一個(gè)他們已經(jīng)知道的物體（比如杯子），以及一個(gè)他們從未見過的物體，孩子通常會(huì)認(rèn)為他們以前從未聽過的詞屬于新物體。原因是什么呢？孩子們會(huì)利用他們現(xiàn)有的詞匯知識(shí)形式的信息，來推斷沒有名字的物體與沒有物體的名字進(jìn)行匹配，例如喝水用的東西叫 "杯子"。其他信息則來自社會(huì)環(huán)境，兒童會(huì)記住過去與說話者的互動(dòng)，來找出他們接下來可能會(huì)談?wù)摰膬?nèi)容。

“但在現(xiàn)實(shí)世界中，孩子們?cè)趶?fù)雜的社會(huì)環(huán)境中學(xué)習(xí)單詞，其中有不止一種類型的信息可用。他們必須在與說話者進(jìn)行互動(dòng)時(shí)使用他們的詞匯知識(shí)。詞匯學(xué)習(xí)總是需要整合多種不同的信息源”，Bohn 繼續(xù)說道。一個(gè)懸而未決的問題是兒童如何結(jié)合不同的、有時(shí)甚至是相互沖突的信息來源。

研究結(jié)果表明，幼兒即使是在相對(duì)較早的發(fā)育階段，也可以在語言學(xué)習(xí)過程中整合多種信息源。為了研究這個(gè)問題，研究人員首先進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來衡量?jī)和瘜?duì)不同信息來源的敏感性，然后提出了一個(gè)計(jì)算認(rèn)知模型，詳細(xì)說明了這些信息的整合方式。

語言學(xué)習(xí)的一個(gè)核心問題是參照物識(shí)別：為了獲得一個(gè)詞和一個(gè)物體之間的常規(guī)符號(hào)關(guān)系，兒童必須確定這個(gè)詞的預(yù)期參照物。然而，沒有一個(gè)獨(dú)特的線索可以在所有情況下使用。相反，參照物者只能通過推理說話者的意圖來確定。也就是說，兒童必須根據(jù)一句話所處社會(huì)環(huán)境的信息來源來推斷說話者在交流什么。

兒童學(xué)習(xí)語言的環(huán)境是復(fù)雜的，孩子們必須整合不同的信息源，包括與當(dāng)下的期望有關(guān)的信息、與正在展開的互動(dòng)動(dòng)態(tài)有關(guān)的信息、以及一些與他們先前獲得的知識(shí)有關(guān)的信息。

該研究基于語言學(xué)習(xí)的社會(huì)實(shí)用主義理論，在實(shí)驗(yàn)之初提出這樣一種假設(shè)，即信息源具有不同的功能作用，但作為綜合社會(huì)推理過程的一部分被結(jié)合起來。兒童使用所有可用信息來推斷說話者一句話背后的意圖，然后引導(dǎo)他們正確識(shí)別世界上的所指對(duì)象，并學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的詞對(duì)象映射。

Manuel Bohn 等人將單詞學(xué)習(xí)視為社會(huì)推理過程的結(jié)果，而不僅僅是一個(gè)跨情景或基于原則的學(xué)習(xí)過程。在該研究中，理性整合模型通過貝葉斯推理對(duì)信息源進(jìn)行仲裁，以每個(gè)參照物的先驗(yàn)概率 ρ 作為上下文，聽者對(duì)說話者話語的所指進(jìn)行推理。

該研究假設(shè)兒童對(duì)不同的信息源越來越敏感，但這些信息源的整合方式保持不變。研究人員重點(diǎn)關(guān)注了三個(gè)信息源，即對(duì)說話者以合作性和信息性的方式交流的期望、關(guān)于對(duì)話中談?wù)摰膬?nèi)容的共同點(diǎn)、關(guān)于先前學(xué)習(xí)的詞-物映射的語義知識(shí)。這三個(gè)信息源在不同的時(shí)間尺度上運(yùn)作，說話者信息量是對(duì)特定話語的瞬時(shí)期望，共同點(diǎn)在對(duì)話過程中增長(zhǎng)，語義知識(shí)是在整個(gè)開發(fā)過程中學(xué)習(xí)的。

“你可以把這個(gè)模型看作是一個(gè)小小的計(jì)算機(jī)程序。我們輸入兒童對(duì)不同信息的敏感度，在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中對(duì)這些信息進(jìn)行測(cè)量，然后程序模擬如果這些信息源以合理的方式結(jié)合起來會(huì)發(fā)生什么。” 研究的主要作者之一 Michael Henry Tessler 解釋說：“該模型可以預(yù)測(cè)在假設(shè)的新情況下應(yīng)該發(fā)生什么，這些信息源都是可用的。”

該模型提出了一個(gè)明確和實(shí)質(zhì)性的發(fā)展理論，它假設(shè)，雖然兒童對(duì)個(gè)人信息源的敏感性隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，但整合進(jìn)行的方式保持不變 。在模型中，是通過創(chuàng)建年齡相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這些參數(shù)會(huì)捕捉對(duì)說話者信息量、共同點(diǎn)和對(duì)象特定語義知識(shí)的敏感性的發(fā)展變化。

在最后一步，研究人員將這些假設(shè)情況轉(zhuǎn)化為實(shí)際實(shí)驗(yàn)。他們收集了 2 到 5 歲兒童的數(shù)據(jù)，以測(cè)試模型的預(yù)測(cè)與現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)的吻合程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，兒童會(huì)考慮所有可用的信息來源來推斷新詞的含義。

圖：預(yù)測(cè)信息整合 Bohn 總結(jié)了這些結(jié)果：“信息整合的理性模型在這些新情況下預(yù)測(cè)兒童的實(shí)際行為的能力非常出色。它告訴我們，我們?cè)趶臄?shù)學(xué)角度理解兒童如何學(xué)習(xí)語言方面走在正確的軌道上。”

模型是如何工作的？處理不同信息源并將它們整合在一起的算法受到哲學(xué)、發(fā)展心理學(xué)和語言學(xué)數(shù)十年研究的啟發(fā)。從本質(zhì)上講，該模型將語言學(xué)習(xí)視為一個(gè)社會(huì)推理問題，其中孩子試圖找出說話者的意思 —— 他們的意圖是什么。不同的信息源都與這個(gè)潛在的意圖系統(tǒng)地相關(guān)，這提供了一種整合它們的自然方式。

該理性整合模型假設(shè)所有信息源都進(jìn)入一個(gè)聯(lián)合推理過程，但替代整合過程是可以想象的，并且可能與數(shù)據(jù)一致，還指定了隨著孩子年齡的增長(zhǎng)會(huì)發(fā)生哪些變化。隨著發(fā)展，兒童對(duì)個(gè)體信息源變得更加敏感，但整合信息源的社會(huì)推理過程保持不變。

圖：解釋信息的整合

“計(jì)算建模的優(yōu)點(diǎn)在于你可以闡明一系列替代假設(shè) —— 替代模型 —— 具有不同的內(nèi)部聯(lián)系，以測(cè)試其他理論是否會(huì)做出同樣好的或更好的預(yù)測(cè)。” Tessler 解釋說。

研究人員在論文中還指出，實(shí)驗(yàn)仍存在一定的局限性，例如實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在來自不同文化背景、學(xué)習(xí)不同語言的兒童身上進(jìn)行。而且該模型沒有區(qū)分共同基礎(chǔ)信息和其他可能使對(duì)象在上下文中更加突出的原因。

盡管如此，這項(xiàng)研究仍提供了幾個(gè)令人興奮和發(fā)人深省的結(jié)果，為我們了解兒童如何學(xué)習(xí)語言提供了參考，更加增進(jìn)了科學(xué)家們對(duì)兒童如何駕馭復(fù)雜學(xué)習(xí)環(huán)境的理解。除此之外，它還開辟了一種新的、跨學(xué)科的研究方式。

Manuel Bohn 說：“我們的目標(biāo)是將正式模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)話。這兩種方法在兒童發(fā)展研究中基本上是分開的。” 該研究計(jì)劃的下一步將是測(cè)試這個(gè)理論模型的穩(wěn)健性。為了做到這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行涉及一組新的信息來源的實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)行整合。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41562-021-01145-1https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/mpif-hci062821.php

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