聯結主義理論下的兒童語言結構習得
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摘要：以神經生物機制為基礎提出的聯結主義理論自問世以來，極大推動了認知科學，心理學，語言學等研究領域的迅速發展。本文首先介紹了聯結主義模型的基本結構及其特性。其次結合聯結主義理論基本觀點，從認知心理學角度對兒童語言結構習得的認知機制及發展模式進行了考察，旨在為兒童語言習得研究提供聯結主義新視角與新思路。
關鍵詞：聯結主義理論；兒童語言習得；認知機制；發展模式
自20世紀50年代Chomsky的普遍語法理論誕生以來，語言研究領域發生了根本性變革，其學科內容從分析語言結構逐漸轉向探討語言機制。Chomsky認為人類語言具有普遍性，先天性及自治性三大基本屬性。語言普遍性即為各族語言雖看起來千差萬別，但本質上卻擁有共通的語法機制。語言先天性則指，共通的語法操作系統深植于我們的基因當中，是人類與生俱來的本能。人腦正是通過這樣一套內置的語法操作系統，對來自外界環境的語言刺激進行形式化加工，從而組織并獲得語言。語言能力的自治性即認為，語言能力是獨立于感知覺，記憶等認知功能之外，能夠實現自給自足的高級認知模塊。這種語言自治觀是當時認知心理學領域中占主導地位的模塊理論的具體表現。此外，喬氏語言觀與同時代，在認知科學領域興起的“符號主義觀”不謀而合。二者都將人腦視為依照固有形式規則進行操作的符號加工系統。也就是說，只需找出人腦這部“圖靈機”的形式規則，就可以運用計算機對其認知模式進行模擬，這也是早期人工智能的基本理念。但隨著認知科學研究領域的飛速發展，學界對人腦結構與認知機制有了更為深入的認識，開始意識到任何心智功能均源于生物神經活動這一物質基礎。與此同時，符號主義觀與模塊化理論對人腦信息加工與心智解讀的局限性也逐漸顯現。二者最大弊端在于，其根本觀點與生理學上的神經活動規律相悖。大腦是由百上千億個神經元構建而成的神經網絡系統。若任何復雜的認知活動都是生物神經元之間交互聯結衍生而來，那么符號主義的序列加工以及模塊理論的自治加工觀念，自然不符合神經系統的工作模式及邏輯規則。因此，基于生物神經機制的聯結主義理論應運而生，并在信息加工，認知科學，心理學甚至是語言學領域掀起了聯結主義新變革。本文將結合聯結主義理論，從認知心理學角度探討兒童語言習得背后的認知機制。主要聚焦于語言結構習得過程中頻繁出現的“過度規則化”及“U型發展現象”，嘗試借鑒聯結主義模型解析兒童語言習得的基本發展模式。
一.聯結主義理論模型及其特性
Rumelhart&McClelland（1981）提出的”交互激活”模型常被視為聯結主義的初期理論。該模型旨在探討語言加工過程，為語言認知研究中的聯結主義視角奠定了基礎。交互激活模型認為，語言加工不僅是由形式到意義的自下而上的串行處理過程，也包含自上而下的監督反饋加工。交互激活理論為言語聽辨過程中的詞優越效應，以及視覺詞匯識別過程中的語境效應提供了合理解釋。但交互激活理論僅強調了模塊間的交互作用，而針對模塊內容表征問題仍采用一個節點單位表征一個概念的“方位表征模式”，并未從本質上突破模塊觀的藩籬。這也是后來神經網絡模型中所認為的“局部神經網絡”（QuinlanP.T.,1991）。這種局部神經網絡雖能夠解決知識表征模式問題，但對于解釋學習機制，認知靈活性則存在較大局限。Rumelhart和McClelland等聯結主義先驅們也認識到這一點，于1986年在“交互激活”模型基礎上提出了“平行分布加工（ParallelDis-tributedProcessing：簡稱為PDP）”模型，加強了聯結主義理論的解釋效力，穩固了聯結主義理論在認知科學領域的根基。PDP模型是基于生物神經元的功能特性模擬出形式神經元，從而構建人腦神經系統的人工模型。如圖1所示，平行分布于網絡中的每個節點都代表一個神經元。信息的傳導加工通過各節點間的加權聯結與交互激活而實現。各節點按照一定的操作周期接收數據信息，基于節點間聯結權重計算激活量之后，再根據節點內的激活閾限值決定是否觸發。也就是說，節點能否被激活是由其初始激活量和節點間聯結權重等網絡激活規則共同決定。而在網絡加工數據過程中若某節點間的聯結多次被激活，會使其聯結權重增加，激活閾限降低。這種基于大量數據輸入的聯結模式的改變是網絡自我學習的本質。習得的知識概念也是通過網絡中節點間的相互聯結進行表征，即為分布表征模式。此外，基于生物神經元的輸入-轉換-輸出三大功能結構，PDP模型中區分了輸入單元-內隱單元-輸出單元三個層次。輸入單元負責獲取來自外界的數據信息，輸出單元負責對信息進行反應傳導。內隱單元則不與外界刺激直接相連，基于規則對來自輸入單元的信息進行整合轉換，再將其映射至輸出單元。同時Rumelhart&McClelland（1986）等指出，在網絡學習的初期階段，信息輸入量并不足以激活內隱單元，因此信息加工是由輸入單元直達輸出單元的簡單映射加工。隨著數據輸入的增加，網絡從各單元激活閾限與聯結權重的變化中提取特征發現規律，最后負責整合信息的內隱單元被激活。內隱單元的重要功能在于為網絡學習提供指導信號，調節輸入與輸入間的關系。并在基于數據學習的過程中，不斷反饋修正某些聯結，實現網絡的自我組織與自我適應。綜上所述，與傳統的符號主義，模塊理論不同，以生物神經元的運作機制為基礎的PDP模型具有神經學意義上的生態效度。PDP模型以模擬生物神經元的節點為基本單位，平行地處理輸入信息，以網絡中節點間的分布式聯結表征信息。并在大量數據輸入過程中實現提取特征，自我學習與自我組織，成功建構出符合人腦神經特性的人工智能模型。用網絡節點的聯結活動，聯結強度，激活閾限等概念能夠有效解釋學習機制，認知靈活性等傳統認知理論無法闡明的問題。因此，PDP模型一經提出，便受到學界矚目。而作為高級認知功能的語言能力一直是認知科學領域的關注焦點與未解課題，聯結主義理論也為語言研究提供了新視角。
二.兒童語言結構習得與聯結主義理論
Rumelhart和McClelland等聯結主義理論先驅在其著作中，反復提到語言習得機制問題，并強調聯結主義理論在語言研究領域的可應用性。其中一個極具說服力的例證即為，PDP模型能夠成功解釋兒童語言習得過程中頻繁出現的“過度規則化”及“U型發展現象”。一般情況下嬰幼兒大約在迎來周歲生日之際，會發出表達實質意義的初語詞匯。在接下來的語言發展中，兒童需要經歷“獨詞句階段”“雙詞句階段”“多詞句階段”最終達到“復雜句階段”。諸多兒童語言發展研究指出，大約從2歲左右開始，在許多嬰幼兒的語言表達當中就能觀察到帶有形態規則的詞匯表達。如：“dogs”，“boots”等名詞復數表達，going，talking等動詞屈折形態表達等（Pinker，1994）。Crystal（1986）基于對兒童語料分析，以名詞復數形及動詞進行時為代表，對名詞-動詞形態規則的習得過程進行了系統性考察。其研究結果表明，早在20個月左右嬰幼兒的語言使用當中，就已出現帶有名詞復數及動詞進行時等形態規則的表達，但形態規則的正確使用率并非是穩步提高，而是呈現出增長-回落-再增長-再回落的曲折發展特征。同時，Brown（1973）對兒童語言行為觀察中也發現，兒童大約從30個月左右的開始已經能夠基本準確地使用“s”，“ed”等具有語法功能的屈折語素。但從3歲左右開始，反而頻繁出現“childs”，“goed”，“comed”等規則過度使用錯誤。類似的語法錯誤會持續幾個月甚至幾年，隨著年齡增長逐漸減少最后消失。學者們將這種語法規則的泛化使用稱為“過度規則化”現象，將形態結構的退行發展軌跡稱為“U型發展現象”。此外，其他兒童語料分析研究還發現，以上兩種現象并非只存在于兒童的詞法規則習得當中，在語序規則以及語義概念結構的習得過程中也同樣有所體現（Aitchison,1992;Plunkett,K&Marchman,V.,1993）。這些發現似乎表明，“過度規則化”及“U型發展現象”是普遍出現于兒童語言結構規則習得過程中的基本發展模式。以上觀點已基本在學界內達成共識，但有關這一發展模式背后的認知機制仍存在廣泛爭議。以Chomsky為首的生成語法學派認為“過度規則化”現象正是語法規則系統具有普適性的典型體現。并以此強調語言習得歸根結底即為，運用內置于人腦的語法系統，將抽象化的普遍語法進行類推的具體化過程。而Rumelhart&McClelland（1986）則對此提出了不同的解釋，認為“U型發展現象”體現了語言發展過程的聯結主義模式，并嘗試用PDP模型成功模擬了兒童在動詞過去時態習得過程中的“U型發展軌跡”。 如圖2所示，Rumelhart&McClelland（1986）擬建的過去時態學習網絡，由四個單元層次構成。第一層為接收動詞詞根的語音信息輸入單元，第四層為完成過去時態變形后的語音輸出單元。而第二層與第三層為表征過去時態變形規則，調節輸入單元與輸出單元聯結關系的內隱單元。各單元層均由大量節點構成，按照某種函數關系進行權重聯結。且節點間的聯結權重會隨著語料輸入的不斷累積自行發生改變。如上節所述，在語料輸入量較少的初期學習階段，負責表征規則整合信息的內隱單元尚未被激活。輸入單元接收來自于外界的語料信息，基于權重函數映射至輸出單元。因此，網絡學習的初期階段只是對數據的整體性粗略化加工，還尚未呈現任何規則化表征和分析性加工。隨著語料輸入的積累，輸入單元與輸出單元在不斷映射聯結的作用下，其節點間的聯結權重逐漸變化，網絡在此過程中發現并提取語料特征。當網絡加工語料累積到一定數量后，內隱單元被激活，開始接收來自輸入單元的信息并進行整合轉換。網絡從內隱單元的整合加工中自行獲得規則（動詞詞干+“ed”表示過去發生的動作），并舉一反三地推廣到新信息的加工過程中。獲得規則的網絡在后續學習過程中，還可以通過統計分析兩個內隱單元的聯結權重，對輸入語料中的規則與不規則動詞進行區分，繼而獲得不規則動詞的加工規律。最后在不斷學習過程中對網絡規則加以修正，逐步完善。此外，需要強調的是網絡本身并沒有預設任何規則，動詞過去式的形態規則是基于對大量語料數據進行權重統計學習之后自行浮現而出的。這也是聯結主義模型極為重要的“浮現特征”（Rumelhart&McClelland，1986；Bates，1984）。結合以上PDP模型再來探討兒童語言結構習得過程的“U型發展現象”。兒童在學習語言規則的初級階段，由于語料輸入有限，負責表征規則整合信息的內隱單元尚未得到激活。也就是說這一階段兒童還并未學習到語言規則，只是從整體上對外界輸入的語料信息進行簡單映射加工，因此錯誤現象較少，但加工效率較低。而隨著語言經驗的增加，語料輸入量的上升，內隱單元得到激活，語言規則自然浮現。在內隱單元的規則指導下，類推學習現象開始出現，加工效率迅速提高，但同時也會出現“childs”“goed”之類的“過度規則化”現象。但基于神經生物特性建構而成的PDP模型，表現出了類似于人類智能的靈活性。PDP模型能夠在對新信息進行類推學習的過程中，發現規則之外的特例現象，并通過網絡聯結對其進行特定表征，從而實現對原有的網絡規則進行自我修正與自我適應。
三.結語
以神經系統的運作機制為基礎的聯結主義理論自問世以來便備受矚目，為認知神經科學，心理學，語言學等研究領域提供了新思路。而兒童語言習得與認知發展一直是聯結主義理論極為關注的研究問題之一。本文即從聯結主義視角出發，嘗試對兒童語言結構習得現象背后所隱藏的認知機制進行了探討。如上所述，運用聯結主義理論能夠合理解釋語言結構習得過程中普遍出現的“過度規則化”及“U型發展現象”。且這種聯結主義模式不僅體現在語法規則的習得過程中，在語音，語義，語用等兒童語言發展的方方面面均有所體現。但目前基于聯結主義理論對兒童的語音發展及語義概念習得的研究還比較少，還有待進一步探索。
作者：李敏 單位：大阪市立大學文學研究科博士畢業生