Les enfants enseignent à l'IA un peu d'humanité avec Cognimates

Par Stefania Druga, groupe Personal Robots

Des jouets intelligents et des agents de conversation sont présents dans les foyers pour enfants, avec plus de 47,5 millions d’adultes utilisant déjà des assistants intelligents (comme Alexa, d’Amazon) uniquement aux États-Unis. Cela soulève des questions quant à l’impact de l’IA sur le comportement des enfants. Au sein du groupe Personal Robots du MIT Media Lab, mes recherches visaient principalement à mieux comprendre cette génération d'enfants grandissant atteints d'IA afin de protéger et d'encourager un développement positif. J'ai créé Cognimates en tant que plate-forme open source d'alphabétisation en IA pour les enfants de 7 à 14 ans. Alors que les écoles et les parents commencent à reconnaître que le codage est l’une des compétences indispensables des enfants, je pense qu’il est important de présenter également aux jeunes les concepts de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique au moyen de projets pratiques afin de les utiliser de manière plus éclairée et plus critique. ces technologies.

La plate-forme Cognimates vise à atteindre cet objectif en permettant aux enfants de programmer et de personnaliser des dispositifs intelligents intégrés, tels que Alexa et le robot intelligent Cozmo. Les enfants peuvent également utiliser la plateforme pour former leurs propres modèles d'intelligence artificielle, apprendre à créer un jeu qui leur permettra de mieux jouer à Rock Paper Scissors avec eux au fil du temps ou à créer une installation dans laquelle une pièce entière réagira à la manière dont ils décrivent leurs rêves. Cognimates s'appuie sur plusieurs parties (y compris le langage de programmation visuel) de la plate-forme à code source ouvert Scratch, créée par le groupe Lifelong Kindergarten du MIT Media Lab. L'objectif principal de la plate-forme Cognimates est d'étendre le codage à l'éducation et à l'alphabétisation en intelligence artificielle.

Premiers amours: bricoler, apprendre et enseigner
Comme beaucoup d'étudiants du Media Lab, mon parcours a été loin d'être linéaire, mais le fil conducteur m'a toujours été mon amour pour l'apprentissage, motivé par une profonde curiosité. Je suis né à Maneciu-Ungureni, une petite ville de Transylvanie, en Roumanie. Ma mère est enseignante et mon père est ingénieur électricien. En grandissant, j'ai découvert et partagé leurs passions. Avec mon père, j'ai appris à concevoir et à construire n'importe quoi, des meubles de ma chambre aux objets que nous avons réutilisés à partir de pièces de voiture que nous avions achetées lors de foires. Avec ma mère, j'ai découvert à quel point une bonne enseignante pouvait toucher la vie de ses élèves. J'ai pu voir comment ma mère était l'âme de la communauté du petit village où elle enseignait. Elle aiderait non seulement les étudiants dans leurs problèmes scolaires, mais aussi écouterait leurs difficultés personnelles et les aiderait, ainsi que leurs familles, à tout moment. Dès mon plus jeune âge, j'ai compris l'impact positif que peuvent avoir de bons enseignants dans leur communauté et pourquoi il est important de nouer des liens et de travailler avec des personnes de manière personnelle.

Atelier Hackidemia STEAM pour les familles à Singapour 2014. Source: Atelier Hackidemia STEAM pour les familles à Singapour 2014

J’allais finalement combiner l’amour de ma mère pour l’enseignement avec la passion de mon père pour le bricolage pratique dans le travail de ma vie. J'ai fondé Hackidemia, une organisation d'éducation STEM à but non lucratif, en 2012. J'avais obtenu mon premier master en ingénierie des médias pour l'éducation et travaillé pour l'équipe de recherche sur la qualité de recherche à Dublin pendant un an avant de décider de poursuivre ma passion. pour l'éducation et avoir un impact plus immédiat. J'ai quitté Google et suis allé au Cambodge faire du bénévolat dans un orphelinat en dehors de la capitale Phnom-Penh pendant quatre mois. Ici, j'ai travaillé avec des enfants de tous âges, en leur enseignant tout ce que je pouvais: mathématiques, anglais, littérature, comment utiliser les ordinateurs et Internet, la photographie, réparer des objets. Les enfants plus âgés transmettraient ensuite leurs connaissances en enseignant aux plus jeunes.

C'est au cours de cette expérience que j'ai découvert à quel point il est puissant de permettre aux enfants d'apprendre en enseignant et de travailler sur des projets concrets qui présentent un intérêt pour leurs communautés locales. Après avoir rejoint le CRI, groupe de recherche interdisciplinaire en sciences de la vie à l'Université Paris Descartes, j'ai décidé de lancer des ateliers similaires dans des écoles françaises. Alors que j'étais en train de postuler pour un doctorat au CRI, un de mes amis m'a parlé d'un programme d'été sur l'impact social à la NASA, appelé Singularity University (SU). Au SU, j'ai aussi rencontré l'un des personnages qui m'a le plus inspiré dans la poursuite de mes rêves, le robot et ancien astronaute Dan Barry. Dan a tenté 10 fois de devenir astronaute avant de réussir. Lorsque je l'ai rencontré, il était responsable du laboratoire de matériel informatique de SU et était toujours aussi joyeux et excité comme un enfant à chaque fois qu'il avait l'occasion de pirater du matériel.

De gauche à droite: Stefania Druga, Dan Barry, Libby Falk du programme GSP12 SU. Crédit: TJ Rak 2012

Dan m'a encouragé à commencer à organiser des ateliers de prototypage matériel et m'a appris à souder et à programmer des microcontrôleurs pour la première fois. À la fin du programme, on m'a offert un travail très tentant, que j'ai finalement refusé pour créer ma propre organisation. Je me souviens encore du conseil de Dan: "Pensez où vous voulez être dans 10 ans et assurez-vous de consacrer chaque jour, chaque minute, pour y arriver et ne pas vous laisser distraire le long du chemin."

Pendant le programme SU, alors que nous apprenions la robotique, la nanofabrication ou la biologie synthétique, je ne pouvais pas m'empêcher de penser à quel point j'aurais aimé apprendre toutes ces technologies quand j'étais plus jeune. J'ai décidé de développer Hackidemia afin de présenter aux enfants les technologies et les questions de recherche les plus passionnantes de manière appliquée et amusante. Avec l'aide du réseau d'étudiants et de mentors internationaux de la Ligue, nous avons commencé à organiser des ateliers et des événements STEM dans le monde entier. Quatre ans plus tard, nous avions 40 chapitres internationaux sur Hackidemia, plusieurs projets à long terme comme Afrimakers, MakerCamp et avons réussi à former plus de 400 mentors, 2 000 étudiants et 10 000 enfants. À ce stade, il est devenu évident pour moi que nous commençions à maximiser notre impact en tant qu’organisation de base.

Atelier Hackidemia pour les enfants et les enseignants à Budapest en 2015. Crédit: Hackidemia 2015

Rentrée des classes: mêmes passions, nouvelles compétences au Media Lab
C’est à ce moment-là que j’ai commencé à réfléchir à ce que je devais faire ensuite pour que ma mission, qui est de changer la façon dont les enfants apprennent, passe au niveau suivant. Je voulais obtenir des conseils, acquérir de nouvelles compétences et travailler avec des personnes partageant mes valeurs et ma motivation. Je connaissais le Media Lab parce que j’avais utilisé de nombreux projets de laboratoire, tels que Makey-Makey et Scratch, dans mes ateliers avec des enfants et j’avais même eu l’occasion de visiter et de présenter Hackidemia au groupe Lifelong Kindergarten auparavant. J'ai décidé de travailler dans un endroit où la recherche est déployée dans le monde réel et où les gens valorisent et encouragent les approches interdisciplinaires.

Je n’avais pas de projet particulier à l’esprit lorsque j’ai été accepté dans le programme de maîtrise de Media Lab, mais je savais que je voulais continuer à concevoir de nouvelles expériences d’apprentissage créatif pour les enfants et à créer des outils pour y parvenir. Au cours de mon premier semestre, j'ai suivi un large éventail de cours allant de «Comment faire presque n'importe quoi» à la symbiose humaine-machine. J'ai commencé à construire toutes sortes de projets étranges et géniaux - une arcade géante, des extensions de corps programmables et une machine à carton à 5 axes pour le découpage de la mousse, pour n'en nommer que quelques-uns.

Exemple de projet de robot Poppy Ergo Jr pouvant être programmé par démonstration pour dessiner avec l’extension Scratch développée par l’auteur. Crédit: Stefania Druga

Mon premier projet de codage IA
En cherchant des actionneurs pour les extensions de mon corps, je suis tombé sur un robot open source imprimable en 3D, Poppy Ergo Jr., développé par le groupe Flowers du groupe Inria Bordeaux en France (http://www.poppy-project.org). J'ai particulièrement apprécié la manière dont ce robot avait codé des actionneurs capables d'enregistrer et de rejouer n'importe quel mouvement. J'ai immédiatement commencé à imaginer comment les enfants pourraient enseigner un tel robot par démonstration (par exemple, comment le dessiner ou le déplacer comme un chien).

J'ai décidé de construire une extension Scratch pour ce robot. C'était la première extension Scratch que j'ai construite début 2017, avec mon stagiaire de premier cycle, Eesh Likhith. Après avoir construit ma première extension robotique, j'ai pensé que ce serait bien que les enfants puissent la combiner avec la vision par ordinateur. Le scénario d’apprentissage que j’avais à l’esprit était que les enfants montreraient un objet à la webcam du robot et que celui-ci essaierait de le dessiner en fonction des objets qu’il sait déjà dessiner. Pour prototyper cette interaction avec Eesh, nous avons commencé à travailler sur une nouvelle extension Scratch pour la vision par ordinateur qui utilisait l’API publique Clarifai pour la reconnaissance d’image. Nous avons documenté et publié ces deux extensions sur la plate-forme ScratchX.

Ouvrir la porte à l'éducation à l'IA
Mes premières extensions de codage pour la reconnaissance robotique et la reconnaissance d’objets ont ouvert la porte à la formation à l’IA. J'ai commencé à collaborer avec Randi Williams, une étudiante diplômée du groupe Personal Robots qui s'intéressait à l'éducation à l'IA préscolaire. La professeure Cynthia Breazeal développe depuis longtemps des technologies éducatives pour les enfants et des kits de robots sociaux destinés à aider les enfants à apprendre le codage en enseignant des robots. Randi et moi avons essayé de trouver qui d'autre travaillait dans ce domaine. Après avoir découvert qu'il n'existait aucune autre étude pertinente, nous avons décidé d'organiser une série d'ateliers et d'observer comment les enfants et les parents interagissaient avec et percevaient les dispositifs et jouets de l'IA. Nous avons analysé et partagé nos résultats dans une série d'articles et de blogs.

Exemple Plateforme Cognimates Teach AI où les enfants peuvent former leurs propres classificateurs avec des images et du texte. Crédit: Stefania Druga 2018

Au cours de ce processus, j'ai réalisé à quel point il était important de démystifier le fonctionnement de la technologie de l'IA et de permettre aux enfants de se positionner en tant que créateurs d'IA, pas seulement en tant que consommateurs.

Custom Vision Classifier créé par des enfants avec Cognimates pour jouer à Rock Paper Scissors. Crédit: Stefania Druga

La création de Cognimates est le résultat de cette recherche préliminaire. J'ai été rejoint dans ce projet par une équipe incroyablement talentueuse d'étudiants de premier cycle: Sarah T. Vu, Tammy Qiu, Clemente Ocejo, Eesh Likith et Lauren Oh. Ils ont contribué à la fois aux aspects techniques de la plate-forme et aux recherches en cours que nous avons menées dans les écoles et les centres communautaires.

J'ai nommé cette plate-forme en hommage aux recherches et aux travaux d'Edith Ackermann sur «Animates» ou «Jouez avec des objets qui font tout.» Edith et Sherry Turkle ont été les premières à explorer la manière dont les enfants utilisent et interagissent avec des jouets intelligents dans les années 1980 et 90. . Le cadre mis en place par Edith pour établir ce qui permet à un jouet d’être considéré comme un «AniMate» a été à la fois un guide et une source d’inspiration pour la conception de la plate-forme Cognimates. Ce projet et mes recherches ont pour objectif de miser sur leur sagesse et de dévoiler les nouveaux principes directeurs pour la conception d’outils et de dispositifs d’apprentissage pour cette génération qui grandit avec l’IA.

Qu'est-ce qu'un Cognimate?
Au départ, Cognimate était pour moi l'agent intelligent incarné que les enfants pouvaient programmer et enseigner. L'agent serait à la fois un compagnon amical (camarade de jeu) et un objet pour «penser avec» et apprendre avec (cognimique). Cynthia Breazeal et ses élèves du groupe Personal Robots avaient déjà exploré ce paradigme de «programmation en tant qu’enseignement» avec SoRo (la boîte à outils du robot social), ainsi que développé des robots sociaux en tant que compagnons d’apprentissage semblables à des pairs depuis plusieurs années. Cognimates était donc un prolongement naturel de cette tradition dans son groupe de recherche.

L'idée était également de concevoir une plate-forme permettant aux enfants de connecter plusieurs de leurs objets informatiques et de les faire interagir les uns avec les autres. Au cours de ma thèse, nous avons réalisé que les enfants se réfèreraient également aux caractères numériques (sprites codelab) comme à Cognimate. Lorsqu'ils parlent des projets qu'ils ont réalisés et des concepts qu'ils ont appris, ils se réfèrent au projet «rendez Nary heureux» plutôt qu'au projet «détection des sentiments» ou «analyse des sentiments». Alors que beaucoup de concepts et de fonctionnements internes des systèmes d'intelligence artificielle et des agents intelligents étaient trop abstraits pour les enfants à l'origine, ils pouvaient rapidement comprendre comment une machine apprend si cette action est matérialisée par un personnage, une histoire ou un jeu.

Exemples de personnages physiques de Cognimates: un ogre et un prince grenouille développés avec les enfants pour une narration créative avec un projet de code. Crédit: Stefania Druga

Cela nous a encouragés à créer beaucoup plus de personnages et de projets de démarrage pouvant incarner et manifester ce que font les différents services d'intelligence artificielle. Certains personnages, comme Nary, pourraient exprimer des émotions différentes si l'ordinateur détectait un message joyeux ou triste. D'autres caractères changeraient de couleur pour montrer à l'ordinateur une couleur spécifique reconnue; nous avons également fait un œil géant pour l'extension de vision pour montrer ce que l'ordinateur reconnaît ou s'il devient confus. Lorsque les enfants programment avec un service cognitif, le numérique cognitif manifeste et montre le fonctionnement de ce service (par exemple, apprendre à voir ou à parler). Ces personnages visent à créer de puissantes analogies et des ponts conceptuels tout en permettant aux enfants de les utiliser dans des histoires compatibles.

Exemple Projet de démarrage Cognimates où Nary réagit aux sentiments des messages que vous lui envoyez. Crédit: Stefania DrugaPersonnage de Cognimates, Nary réagit aux sentiments des messages que vous lui envoyez. Crédit: Designer Mircea Dragoi, latéral 2018

L '«altérité», l'artificialité, la crédibilité, la convivialité et la programmabilité d'un Cognimate peuvent conduire à des réflexions psychologiques très riches, telles que la représentation et l'identité, et à des problèmes de contrôle et de communication qui vont au-delà d'aider les enfants à comprendre le fonctionnement de la programmation et de l'IA.

Atelier Cognimates au centre communautaire Elizabeth Peabody à Somerville avec l'équipe UROP (de gauche à droite) Lauren Oh, Sarah T. Vu et Tammy Qiu. Crédit: Stefania Druga.

À la fin de ma thèse, j’avais découvert comment 107 enfants (âgés de 7 à 14 ans) de quatre pays avaient développé une meilleure compréhension des concepts de l’IA et modifié leur perception des agents intelligents en les programmant et en les enseignant avec la plate-forme Cognimates. Après un mois de codage et de formation des agents de l'IA avec notre plate-forme, les enfants ont développé une solide compréhension des technologies de l'IA et ont commencé à les utiliser couramment. Les compétences de collaboration et de communication ont joué un rôle important dans la rapidité avec laquelle les enfants ont pu comprendre différents concepts d’apprentissage automatique tels que la vision par ordinateur, l’analyse des sentiments et l’apprentissage supervisé.

Inventer
En tant que chercheur débutant, il est à la fois excitant et intimidant de se lancer dans un domaine de recherche qui n’a pas encore été défini. Bien que Sherry Turkle, Edith Ackermann, Michael Scaife et Mike Duuren aient réalisé plusieurs études sur les jouets intelligents pour enfants au cours des décennies précédentes, la technologie de l'époque n'était pas aussi avancée qu'aujourd'hui et les dispositifs intelligents n'étaient pas aussi largement présents les foyers et les écoles pour enfants tels qu’ils sont aujourd’hui. Dans ce contexte, j'ai dû concevoir et adapter des méthodologies de recherche issues de différents domaines tels que l'interaction robotique humaine, les sciences cognitives, la pédagogie et la psychologie, tout en essayant de comprendre comment les enfants grandissent avec l'IA aujourd'hui à l'aide d'observations empiriques.

Dans la conception de la plate-forme Cognimates, j'ai essayé de combiner ce que je considérais être les fonctionnalités les plus importantes des applications de codage précédentes: blocs intuitifs, accès sur des appareils mobiles, connexion au monde physique et appareils matériels. J'ai également ajouté des plug-ins de codage modulaire pour les services cognitifs, en plus de capacités de formation intuitives en IA. Ceux-ci sont spécifiquement conçus pour l'éducation de l'IA. Les enfants ont été impliqués en tant que partenaires de conception dans toutes les étapes du processus.

Itérations de caractères numériques Cognimates basées sur les commentaires des enfants. Crédit: Designer: Mircea Dragoi, Lateral 2018

Comme le souligne Allison Druin, «les enfants ont très peu d’expériences dans la vie où ils peuvent donner leur opinion et voir qu’ils sont pris au sérieux par les adultes.» Elle affirme que de telles expériences peuvent renforcer la confiance des enfants sur les plans scolaire et social et produire -apprentissage centré ». L’expérience de ce type d’apprentissage et de la joie de concevoir et de construire pour et avec les enfants a été l’une de mes parties préférées de ce projet. J’estime qu’il est essentiel de concevoir toutes les technologies nouvelles et inexplorées qui soutiennent le développement des enfants.

Le numéro d'équilibriste
Je vais être très honnête et dire que je ne pense pas que j’ai toujours équilibré ma charge de travail et ma vie de la meilleure façon possible, ce qui m’a obligé à travailler très longtemps, la fin de semaine, la plupart du temps. Tenter de faire trop, c’est un problème courant chez Media Lab, car il offre de nombreuses opportunités et il est très difficile d’apprendre à refuser. Au fil du temps, en me concentrant de plus en plus sur le développement de cette plate-forme, j'ai appris à canaliser toutes mes autres responsabilités, telles que prendre des cours, faire des démonstrations et collaborer avec les sociétés membres du Lab, de manière à ce qu'elle contribue Cognimates projet en quelque sorte.

Apprendre à développer et à former une équipe de stagiaires (UROP) pouvant soutenir le projet de manière fiable en conduisant des études dans des écoles ou en effectuant des démonstrations était également crucial. J'ai essayé d'écrire des articles de blog et de parler à la presse chaque fois que nous publions une nouvelle étude. Pour moi, il était important de partager mes recherches et d'impliquer toutes les différentes communautés de parents, d'enseignants, de concepteurs de technologies et de décideurs politiques susceptibles de faire progresser ce domaine de la littératie en IA.

Carte des utilisateurs de Cognimates du monde entier, 816 utilisateurs uniques,
2063 séances, durée moyenne des séances 30 min. Crédit: Stefania Druga 2018

Je suis véritablement toujours étonné et inspiré par ce que les enfants proposent quand on leur donne la liberté, des outils et un espace d’expression et de découverte. Lorsque j’étudiais dans des écoles et que c’était difficile en raison d’obstacles administratifs ou du volume de travail, je demandais toujours de l’énergie pour continuer à voir à quel point les enfants se débrouillaient et apprenaient. Lorsque je rédigeais ma thèse et que je restais coincé dans l’analyse de données quantitatives ou dans la recherche de travaux connexes, je relisais pour relire les transcriptions des discussions et des entretiens avec des enfants. Cela me ferait sourire, cela me rappellerait pourquoi je me pousse tellement à faire ce travail et à continuer.

L'avenir de Cognimates, des enfants et de l'IA
Je pense que nous sommes dans une course aux armements dans le domaine de l’éducation avec le progrès technologique, et nous devons commencer à réfléchir à l’alphabétisation en matière d’IA avant que les schémas de comportement des enfants et de leurs familles s’installent. J'ai intégré Hackidemia en tant qu'organisation à but non lucratif. Dans le cadre de ce projet, je poursuis le travail que j'ai effectué avec Cognimates afin de développer un programme d'études complet à code source ouvert pour l'éducation à l'IA (kidsteach.ai) tout en collaborant avec des partenaires académiques et industriels. L'objectif est de distribuer l'accès à notre plate-forme d'alphabétisation sur l'IA et à des ressources d'apprentissage dans divers districts scolaires, musées et bibliothèques aux États-Unis et dans le monde, tout en travaillant sur la formation et la sensibilisation des enseignants et de la famille.

Démo Cognimates pour le Premier ministre canadien Justin Trudeau lors de sa visite au MIT. De gauche à droite: Cynthia Breazeal, Justin Trudeau, Stefania Druga. Crédit: AP Press.

Je souhaite que mes travaux continuent de reposer sur des recherches et que les étudiants aient la possibilité de s’impliquer. C’est pourquoi j’ai commencé à collaborer avec divers groupes de recherche du MIT, de la Harvard School of Education, du NYU ITP et de la Penn University. L’objectif le plus important des initiatives d’enseignement préscolaire de Kids Teach est de continuer à favoriser les échanges constructifs autour de l’intelligence artificielle, en rassemblant diverses communautés tout en permettant aux enfants de nous apprendre et de nous inspirer sur la meilleure utilisation de l’IA au XXIe siècle.

Je pense que l'un des plus grands défis systémiques auxquels j'ai été confronté a été de convaincre les adultes d'écouter et d'apprendre des enfants. Je me suis efforcé de fournir aux parents et aux enseignants des moyens de guider et de participer à la conversation avec les enfants sans la dominer. Je pense que la première étape de ce processus à long terme consiste à montrer que beaucoup d'enfants peuvent faire avec l'IA et pourquoi il est important pour eux de la comprendre. L'étape suivante consiste à faciliter la participation des parents et des enseignants à un processus d'apprentissage collaboratif autour de cette technologie. Bien que les jeunes, en tant que natifs du numérique, acquièrent rapidement de nouvelles compétences techniques, ils n’ont pas toujours la maturité nécessaire pour prendre les bonnes décisions et c’est pourquoi il est important que les familles et les éducateurs interviennent.

Ressources supplémentaires

  • Grandir avec l'IA. Cognimates: du codage aux machines à enseigner, Stefania Druga. Mémoire de maîtrise MIT 2018 (pdf)
  • Hé, Google, est-ce que ça te va? Je te mange ?: Explorations initiales dans l'interaction enfant-agent. Stefania Druga, Randi Williams, Cynthia Breazeal et Mitchel Resnick. IDC 2017 (pdf)
  • Comment intelligents sont les jouets intelligents? Attributions de l’intelligence aux objets informatiques par les enfants et les parents, Stefania Druga, Randi Williams, Hae Won Park, Cynthia Breazeal. IDC 2018 (pdf)
  • Ma poupée dit que tout va bien: un jouet à commande vocale influence les décisions morales des enfants, Randi Williams, Christian Vazquez, Stefania Druga, Pattie Maes et Cynthia Breazeal. IDC 2018 (pdf)

Cet article a été publié à l'origine sur le site Web du Media Lab.