Zastosowania kognitywistyki

Zastosowania kognitywistyki
Włodzisław Duch
Katedra Metod Komputerowych,
Uniwersytet Mikołaja Kopernika,
Grudziądzka 5, 87-100 Toruń.
WWW: http://www.phys.uni.torun.pl/~duch
Plan
1.
2.
3.
4.
5.
Kogni ... co? Co to takiego?
Mózgi i uczenie.
Umysły i uczenie.
Inne zastosowania.
Perspektywy.
Kognitywistyka
E-ducere, „ prowadzić na zewnątrz”, tak jak w Wedach:
Z ciemności prowadź mnie ku jasności.
Edukacja = kształcenie umysłu.
Co to jest umysł? Co o nim wiemy?
Cognitio - poznawać. Kognitywistyka = nauki o poznawaniu.
Umysł jest funkcją mózgu. => Filozofia umysłu.
Jaką funkcją? => Neuronauki: neuro-biologia, fizjologia, chemia ...
Jak działa umysł? => Psychologia poznawcza, nauki behawioralne.
Komunikacja, język => Lingwistyka kognitywna, psycholingwistyka.
Jak modelować umysły? => Sztuczna inteligencja, inteligencja obliczeniowa.
..........
Nie można wiedzieć wszystkiego o tych dziedzinach,
dlatego potrzebna jest kognitywistyka.
Kognitywistyka - historia
Próba zrozumienia umysłu: połączenie wielu gałęzi nauki.
1957
Syntactic Structures, N. Chomsky
1967
Cognitive psychology, podręcznik, U. Neisser
1972
Human problem solving, A. Newell, H. Simon
1976
pismo Cognitive Science
Szybki rozwój kognitywistyki w USA, W. Brytanii, powolny w Europie.
W Polsce:
1998
pismo „Kognitywistyka i media w edukacji”
1999
UJ, Studia Doktoranckie
2001
PTK, czyli Polskie Towarzystwo Kognitywne (jutro!)
Kraków, Poznań, Toruń, Warszawa ...
Mózg - ależ to bardzo proste!
Co mamy w mózgu?
Neurony, które coraz lepiej potrafimy podglądać
(oczywiście dzięki fizyce).
Świat fizyczny: konfiguracje atomów.
Świat wewnętrzny: konfiguracje pobudzeń
neuronów, struktura połączeń mózgu.
Cały mózg.
Schemat ogólny mózgu.
Ogólne zasady działania - znane;
wiele ważnych szczegółów brakuje.
Badania eksperymentalne, na ludziach i zwierzętach;
symulacje komputerowe: obliczeniowe neuronauki.
Mapy sensoryczne i ruchowe
Informacje z receptorów zmysłowych dochodzą do kory analizującej
szczegóły i wykrywającej istotne cechy.
Mapy somatosensoryczne i motoryczne - homunculus topograficzny.
Inne mapy: wzrokowe, słuchowe, koordynacji (np. SC).
Kora drugorzędowa - interpretacja sensu sygnałów zmysłowych.
Mapy kognitywne: „mapy umysłu”, interfejsy programowe.
Uczenie - reguła Hebba
„Kiedy akson komórki A jest dostatecznie blisko by pobudzić komórkę B
i wielokrotnie w sposób trwały bierze udział w jej pobudzaniu, procesy
wzrostu lub zmian metabolicznych zachodzą w obu komórkach tak, że
sprawność neuronu A jako jednej z komórek pobudzających B, wzrasta.”
D. O. Hebb, 1949
Fizyczne zmiany struktury mózgu.
Na poziomie molekularnym:
LTP - Long Term Potentiation
LTD - Long Term Depression
E. Kandel, Nobel 2000
Pamięć epizodyczna
Pamięć średnioterminowa zapisana jest
w sieciach hipokampa, jako (?) łącza do
tych kolumn kory, które powinny być
jednocześnie aktywne.
Układ neuromodulacji reguluje
plastyczność hipokampa i kory.
Pamięć trwała jest rezultatem wzajemnych pobudzeń minikolumn kory
mózgu, zapisana jest w synapsach w sposób rozproszony.
Pamięć epizodyczna - odtworzenie stanu mózgu w momencie epizodu.
Neurochemia umysłu
Pobudzanie neuronów i zmiany w mózgu w czasie zapamiętywania:
wymagają neurotransmiterów i neuromodulatorów.
Acetylocholina: pobudza jedne obszary, hamuje inne.
Poprawia pamięć, pomaga w analitycznym myśleniu.
Zbyt wiele: depresja, brak selektywności, autyzm.
Dopamina: ogólne pobudzenie, aktywność ruchowa.
Poprawia sprawność pamięci roboczej, kojarzenie,
nastrój, zwiększa pobudliwość emocjonalną.
Zbyt wiele: euforia, chaos myślowy, halucynacje.
Kwas glutaminowy, serotonina, epinefryna,
norepinefryna, GABA, NO, CO ...
Środki nootropowe, „smart drinks”: aminokwasy,
prekursory ACh i innych neurotransmiterów.
Neuropsychologia
Mózg jest niezwykle złożony, więc trudno o mózgi doskonałe.
Wiele problemów z uczeniem się ma podłoże neurobiologiczne.
Rozwój:
niewłaściwa stymulacja sensoryczna, niewłaściwe odżywianie, błędy genetyczne i
problemy immunologiczne => nieodwracalne zmiany, upośledzenia sensomotoryczne, emocjonalne, intelektualne, społeczne.
Head Start - programy w USA pobudzania rozwoju niemowląt, głównie zabawa z
rodzicami, b. dobre rezultaty.
Uczenie czytania:
prawidłowe widzenie: rozpoznawanie liter i układu liter;
prawidłowe słyszenie: identyfikacja fonemów i ich układu;
2/3 różnic poziomu czytania u 11-latków wynika z ich zdolności percepcyjnych!
Konieczna jest wczesna identyfikacja problemów i trening percepcyjny.
Wzrok
Kontrola + koordynacja ruchów gałki ocznej u dyslektyków często nie jest
stabilna - czytanie jednym okiem może być łatwiejsze.
Szlak wielkokomórkowy również w układzie słuchowym, stąd skorelowane
zaburzenia rozwojowe: genetyczne, immunologiczne, dietetyczne.
Kognitywne zabawki
Inteligentne zabawki i programy komputerowe mogą uczyć bawiąc.
Stymulacja rozwoju układów percepcyjnych u
niemowląt, pobudzające rozwój mózgu; zabawki o
coraz większej sprawności motorycznej i inteligencji,
zdolne do rozpoznawania naszych emocji i własnej
ekspresji emocji.
Ergonomika
Komunikacja człowiek-maszyna, lub człowiek-komputer (HCI):
jak zbudować urządzenie lub program komputerowy, który da się łatwo
używać?
Symulator układu poznawczego EPIC pozwala na przewidywania.
Sztuczna inteligencja
Rozumieć to potrafić zbudować!
Wiele modeli kognitywnych: SOAR, Oscar, Cog ...
Symboliczne podejścia do modelowania umysłu:
A. Newell, Unified theories of cognition (1990).
Definicja:
Umysł jest systemem kontrolnym, określającym zachowanie się systemu
przy oddziaływaniach ze złożonym, zmiennym w czasie środowiskiem.
Umysł = zbiór wielu współdziałających ze sobą podsystemów.
Umysł działa w oparciu o zgromadzoną wiedzę.
Inteligencja: zdolność do wykorzystania zgromadzonej wiedzy.
Opis działania systemu w oparciu o zgromadzoną wiedzę jest użytecznym
przybliżeniem do sposobu działania prawdziwego umysłu.
ACT
Wiele modeli kognitywnych: SOAR, Oscar, Cog ...
Teoria umysłu Act* Johna Andersona, CMU.
Prosta architektura systemu kognitywnego.
3 rodzaje pamięci:
• Deklaratywna pamięć długotrwała (PD): sieć semantyczna + mechanizm
asocjacji, przechowuje pojęcia, reguły, obrazy.
• Pamięć proceduralna: reguły postępowania
Jeśli Warunek => Konluzja. Warunki pasują do informacji z PD, konkluzje
to nowe obiekty lub skojarzenia, zapisywane w PD.
• Pamięć robocza: aktywna część pamięci długotrwałej.
• Uczenie: przypisanie wag regułom produkcji.
Często używane reguły stają się coraz ważniejsze.
ACT - zastosowania
Model Act* zastosowano do wyjaśnienia wielu zagadnień poznawczych:
własności pamięci, np. kolejność odpowiedzi i przypominania,
uczenia się nowych słów, uczenia się elementów programowania i
rozumowań geometrycznych w czasie dowodzenia twierdzeń.
System jest zbyt skomplikowany by można było przeanalizować teoretycznie
jego zachowanie, pozostają jedynie symulacje komputerowe.
Model ACT to baza do tworzenia programów wspomagających nauczanie
arytmetyki, algebry, geometrii, pisania, programowania.
Cognitive Tutor™ for Writers
Testy w szkołach Pensylwanii dały bardzo dobre wyniki: nawet o 100%
lepsze dla niektórych kursów, czas nauki do 1/3 krótszy.
Komercyjna firma: http://www.carnegilearning.com
Środowiska wirtualne
Awatary mogą nauczać w środowiskach wirtualnych.
STEVE - „agent pedagogiczny”, oparty na modelu SOAR (uczenie
symboliczne, porcjowanie, tworzenie przestrzeni problemów).
Środowisko wirtualne - grafika,
„łatwe” do zaprogramowania.
Trudne:
model umysłu ucznia;
system konwersacji w języku
naturalnym;
rozumienie pytań,
zdrowy rozsądek.
Szukanie informacji
Internet: miliardy stron zawierających potencjalnie użyteczną informację.
Szukarki: trudno coś znaleźć, dużo śmieci.
Mapy informacyjne: tworzone automatycznie, wzorowane na
organizacji map topograficznych w mózgu.
„Agent programowy”: program rozsyłany w sieci, mający swoje cele i metody
szukania informacji.
Integracja informacji z wielu źródeł, automatyczne tłumaczenie.
Najprostsze: agenci sprawdzający oferty sklepów.
Osobisty asystent: nasz dublet, awatar, który w naszym imieniu będzie
załatwiał sprawy przez Internet.
Mieszkańcy infosystemów: agenci lub infohabitanci, wymieniający informacje
i współnie rozwiązujący problemy.
Rozwiązywanie problemów
Myśl!
Łatwo powiedzieć, trudno zrobić?
Jak myśli mózg?
1. Zrobić miejsce, wprowadzić informację.
2. Informacja trafia do obszarów mózgu,
które potrafią na nią zareagować.
3. Odpowiedź „przychodzi nam do głowy”
Wniosek: nie trzeba mózgowi przeszkadzać
wysilając się.
Najważniejsze jest skupienie, nastawienie i
dobre podstawy, cegiełki wiedzy.
Koncentracji trzeba się uczyć!
Ekologia umysłu
Mity:
•
•
•
duch nad materią - bardzo bym chciał ...
powszechna równość - oczywiste różnice w genach;
powszechna sprawiedliwość - niestety ...
Realia
•
•
•
Łatwo zniszczyć, trudno stworzyć;
umysły skrzywione - geny, środowisko;
przyzwyczajenie jest łatwe, odwyk jest trudny.
Jak chronić umysły przed niszczeniem przez środowisko, media,
szkołę ... ?
•
•
•
•
•
Nauka krytycznej oceny, sceptycyzmu;
zrozumienie ludzkich reakcji, potrzeb;
nauka skupienia i odpowiedniego nastawienia;
wrażliwość, empatia, współ-czucie;
zrozumienie i wzmacnianie naturalnych talentów.
Perspektywy
Dzikusy w kosmicznej przestrzeni?
Czy przemoc i seks to wszystko, na co ludzkość stać?
Jakie są prawdziwe potrzeby człowieka?
Jak wpływać na jego rozwój by był szczęśliwy i rozwinął
w pełni swoje możliwości?
Nadchodzą wielkie zmiany: nauczanie na odległość, środowiska automatyzujące
nauczanie, awatary szukające informacji ...
Jak się do nich przygotować? Jak powinna być rola nauczyciela w przyszłości?
Zrozumienie umysłu jest możliwe.
Biologiczne podstawy uczenia: sprawne działanie mózgu, percepcji, pamięci.
Uczymy się zmieniać nasze umysły, mózgi, korzystać z wiedzy o naszej
aparaturze poznawczej.
Kognitywistyka stanie się najważniejszą z nauk w niedalekiej przyszłości.