Слайд 1 - Виртуальная лаборатория когнитивной науки

ВВЕДЕНИЕ
В КОГНИТИВНУЮ
НАУКУ
2007/2008
Когнитивная наука:
от теории к практике
Современная когнитивная наука:
некоторые направления
прикладных разработок
• Системы искусственного интеллекта
• Системы обработки естественного языка (NLP)
• Кросскультурная коммуникация
• Когнитивная эргономика и дизайн
• …
Искусственный интеллект:
мышление и речь
(2)70 лет спустя
Первые шаги
1956 -- «Дартмутская четверка»:
А. Ньюэлл и Г. Саймон -- лаборатория ИИ
в Карнеги-Меллон
М. Минский и Дж. Маккарти -- лаборатория ИИ
в Массачусетском технологическом институте
Дж. Маккарти -- лаборатория ИИ в Стэнфорде
+ лаборатория в Эдинбургском университете -Дональд Миши, основатель и редактор
сборников «Машинный интеллект»
С 1965 -- международные научные
семинары «Машинный интеллект»
Развитие интеллекта
Ассимиляция
Аккомодация
Развитие искусственного интеллекта
«Ассимиляция»
познавательных
функций человека
«Аккомодация»
к особенностям
познания человека
Искусственный интеллект
- решение задач /поиск (1956)
- игровые программы (шахматы
и т.д.): Гарри Каспаров против
Deep Blue
- экспертные системы и системы
поддержки принятия решения:
инженерия знаний
- системы распознавания образов,
движения и т.д.
- системы обработки текста и
машинного перевода
- обучаемые и обучающие системы
- робототехника и автономные
агенты (промышленные роботы)
- проблема взаимодействия
с пользователем на
естественном языке:
~ справочные системы
~ поисковые системы
~ компьютерные игры
~ компьютерные…
«психотерапевты»
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода (1950-е)
Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978)
1947 (в переписке с Норбертом Винером):
машинный перевод как криптография
(«дешифровка»)
1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с
обоснованием возможности машинного перевода:
• проблема многозначности: необходимость анализа
контекста
…и поэтому он, душа общества, которые
возглавлял, всё новыми правилами и
нормативами…
…и поэтому он, душа общества, которые
возглавлял, всё новыми правилами и
норматив
…
…и поэтому он, душа общества, которые
возглавлял, всё новыми правилами и
нормативами, не преминул подвергнуть
давлению и членов общества охраны
животных…
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода (1950-е)
Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978)
1947 (в переписке с Норбертом Винером):
машинный перевод как криптография
(«дешифровка»)
1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с
обоснованием возможности машинного перевода:
• проблема многозначности: необходимость анализа
контекста
• машинный перевод как логический вывод на основе
посылок
• применимость криптографии и теории информации
• «лингвистические универсалии» (логические
характеристики, общие для всех языков)
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода (1950-е)
Постановка задачи: Уоррен Уивер (1894–1978)
1947 (в переписке с Норбертом Винером):
машинный перевод как криптография
(«дешифровка»)
1949 -- меморандум «Перевод» (”Translation”) с
обоснованием возможности машинного перевода
1952 -- первая конференция по машинному переводу
1954 -- «Джорджтаунский эксперимент»: перевод с русского на
английский (250 слов, 6 грамматических правил)
1967 -- «Черная книга машинного перевода» (доклад комитета по
лингвистике Академии наук США о бесперспективности проекта)
1950-е и далее -- интенсивное развитие в СССР
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода (1950-е)
Spirit is strong, but
flesh is weak.
Vodka is good, but
meat is rotten.
Дух крепок, а плоть
немощна.
Водка отменная, но
мясо протухло.
Out of sight,
out of mind?
Invisible
idiot!
Проверка качества перевода:
обратный перевод!
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода -- 2000+
Google Translator: статья про «Алису в Стране Чудес» в
Википедии
(http://en.wikipedia.org/wiki/Alice's_Adventures_in_Wonderland).
… В нем рассказывается история
девочки по имени Алиса, кто падает
вниз кролик в отверстие в сфере
фантазии населены гротескные
цифры, как говорят игральные карты
и anthropomorphic существа…
… Он считается одним из наиболее
характерных примеров этого жанра
литературного бреда…
Обработка естественного языка:
системы машинного перевода (1970-е и далее)
Основные задачи:
• «ознакомительный» (черновой) перевод
• «окончательный» перевод: настройка на предметную
область (условие -- однородность текстов: напр.,
документооборот в организациях)
Проблемы:
• разрешение многозначности
• алгоритмы синтеза (пофразно или текст в целом)
•…
Обработка естественного языка:
взаимодействие с пользователем
• вопросно-ответные системы;
• диалоговые системы решения задач и принятия решений;
• проблемно-ориентированные системы обработки связных
текстов («интерпретаторы»);
• информационно-поисковые системы;
• техническое оснащение: системы распознавания и
синтеза речи.
Джозеф Вейценбаум
и его «Элиза» (MIT, 1963-1966)
Поиск ключевых слов,
анализ синтаксиса и…
заполнение «пауз»!
DEMO
Джозеф Вейценбаум
и его «Элиза» (MIT, 1966)
Проблема эмоциональной
привязанности к компьютерному
«психотерапевту»: случай
секретаря Дж. Вейценбаума -назад к критерию Тьюринга?!
Проблема осмысленности
высказываний компьютерного
«психотерапевта», или
«Тихо сам с собою…»:
Элиза и Перри
http://tools.ietf.org/html/rfc439
Что может «понять»
компьютер?
Джон Сирл (Беркли, 1980/1984):
парадокс «китайской комнаты»
«Иллюзия понимания» снаружи
при полном непонимании внутри.
Джон Сирл: «сильный» и «слабый» ИИ
«Сильный ИИ»:
машина может
мыслить, т.е.
обладать
психикой и
сознанием
«Слабый ИИ»:
машина может
совершать
разумные действия
Проблема обработки текстов
на естественном языке:
интерпретаторы текстов и
вопросно-ответные системы
Понятие схемы (сэр Ф.Ч. Бартлетт,
1932):
“активная структура прошлых
реакций и прошлого опыта”
Виды схем:
- когнитивные карты;
- прототипы и стереотипы;
- сценарии.
Проблема обработки текстов
на естественном языке:
интерпретаторы текстов и
вопросно-ответные системы
Роджер Шенк:
от схемсценариев к
структурам
концептуальной
репрезентации
(CRS).
Области применения структур
концептуальной репрезентации (CRS)
• Контекстуальный машинный перевод
• Резюме текстов (научные работы, подготовка
выпусков новостей, системы помощи в компьютере и
т.д.)
• Понимание историй и ответы на вопросы по их
содержанию (выводы)
• Создание историй (адаптивные компьютерные игры)
Пример 1. ATRANS: отношения передачи/обладания
(Йельский университет).
Пример 2. SAM, или «Механизм применения сценариев»
(Ричард Каллингфорд и др., 1975).
Когнитивная наука и рукотворный мир:
«психопатология обыденных вещей»
- Usability (эргономика и когнитивный
дизайн) -- Дональд Норман
Исследования:
• понимание инструкций;
• понимание работы системы;
• запись движений глаз
(информационный дизайн, реклама);
• регистрация времени
выполнения задачи (поиск
необходимой информации и т.п.);
• выполнение задачи за
ограниченное время…
Статьи по когнитивному дизайну
http://www.uie.com/articles/
Предметы из «Каталога невозможных
объектов» Жака Карельмана
Когнитивная наука и рукотворный мир:
«психопатология обыденных вещей»
Некоторые принципы дизайна (Д. Норман):
• наглядность
• взаимно-однозначное соответствие между целями и
способами их достижения
• умопостижимость (концептуальная/ментальная модель
-- понимание возможных результатов своих
действий)
• обратная связь (возможность получения наглядных
сведений о том, что в данный момент происходит в
системе)
Когнитивная наука и рукотворный мир:
«психопатология обыденных вещей»
Оставить место для ошибок:
- незавершенные действия
- ошибки по рассеянности:
- верные действия - неверные объекты
- неверные действия - верные объекты
• Понять, что произошло
• Исправить ошибку
Когнитивная наука и рукотворный мир:
дизайн человеко-машинных систем
Пример исследовательского метода в веб-дизайне:
оценка входной страницы Интернет-сайта
1. Инструкция испытуемому: найти необходимую
информацию (напр., «Представьте, что Вы хотите подать
стихи в журнал…» или «Представьте, что Вы хотите
оформить подписку на журнал…»)
2. Предъявление входной страницы на 5 с
3. Фиксация всей извлеченной информации и вопросы о
доступности информации, в доступности которой
наиболее заинтересованы создатели сайта
DEMO
Когнитивная наука и рукотворный мир
Дизайн в динамических системах:
возможности и ограничения
человеческого познания
Р. Рензинк (2004): системы навигации
Пределы устойчивости зрительного поиска при
изменении масштаба и угла наклона «карты»
T T
T
T
T
T
T
T
T
L
T
T
T
Когнитивная наука и рукотворный мир
Поворот (изменение
угла наклона)
60°
20°
7°
Когнитивная наука и рукотворный мир
Изменение масштаба
4:1
4:2
4:3
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
- Usability (эргономика и когнитивный дизайн),
взаимодействие человека с компьютером (HCI);
- Embedded cognition («ситуативное познание» ~
экологический подход к познанию)
Дедукция
ПЕРВЫЕ ШАГИ
Задача Уэйзона:
А
К
4
20-30%
7
Принятие
решения
Модификация Легренци:
если письмо запечатано,
на нем должна быть марка
стоимостью 50 центов
90%
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
- Usability (эргономика и когнитивный дизайн),
взаимодействие человека с компьютером (HCI);
- Embedded cognition («ситуативное познание» ~
экологический подход к познанию)
- Embodied cognition («воплощенное познание»:
познание в реальной жизни «телесного
материального субъекта» -- от «абстрактных
репрезентаций» к восприятию и действию)
Прайминг
в действии
Поиск
предмета
в комнате
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Иэн Гилкрист и др., 2001:
возрастание роли памяти
(значительно меньше перепроверок)
Поиск
предмета
в комнате
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Джон Касиоппо и др., 1993:
предъявление незнакомых иероглифов при
сгибании руки («притягивании») и
разгибании руки («отталкивании»)
Последующее ранжирование по степени предпочтения:
иероглифы, которые воспринимались в момент «притягивания»,
получили значительно более высокий рейтинг, чем иероглифы,
которые воспринимались в момент «отталкивания» (для знакомых
стимулов -- слов -- подобного эффекта не было)
Аналогичные результаты (Strack et al., 1988): просмотр мультфильма с
расслабленными мышцами лица и с карандашом в зубах (более смешной!)
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Проблема «воплощенного познания» в философии
и теории метафоры:
Джордж Лакофф, Марк Джонсон
(Metaphors we live by, 1980,
на русском языке -- 2004;
Philosophy in the Flesh, 1999)
Постигая мир и оперируя абстрактными
понятиями, человек пользуется метафорами,
соотносящими эти понятия с его собственным
телом (пространственными характеристиками,
перемещениями и т.п.)
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Сотни линий в одном волоске
Трудно назвать отрасль, в которой не использовались бы всевозможные провода и
кабели. Но наука неуклонно движется вперед, и пропускные возможности
привычных нам жил из меди и алюминия стали слишком малы. К тому же уже с
середины 60-х годов мировая промышленность вплотную подошла к проблеме
исчерпаемости природных ресурсов. К примеру, на изготовление кабельной
продукции расходуется половина всех запасов меди. Исследователи разных стран
обратились к разработке теории оптико-волоконной связи, увидев в ней новый
шаг в развитии информационных технологий. Активно занялась ею и
отечественная наука.[…]
Так что в ближайшее время предприятие имеет все шансы выйти на рынок с
законченными оптико-волоконными линиями.
Газета «Северный рабочий» от 6 февраля 2003 г.
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
- Usability (эргономика и когнитивный дизайн),
взаимодействие человека с компьютером (HCI);
- Embedded cognition («ситуативное познание» ~
экологический подход к познанию)
- Embodied cognition («воплощенное познание»:
познание в реальной жизни «телесного
материального субъекта» -- от «абстрактных
репрезентаций» к восприятию и действию)
- Distributed cognition: назад к Л.С. Выготскому -- «Совместное
внимание»
проблема разделенности высших психических
функций.
Социальная нейронаука: мозговые
механизмы межличностного познания
Б.М. Величковский и др.
(Дрезденский технический
университет)
Мозговые механизмы обработки взгляда виртуального
собеседника, направленного на данного человека и на
«третье лицо»:
Направление взгляда:
на испытуемого х на кого-то еще
Выражение лица:
социальное (стремление к контакту) х произвольное
Schilbach et al., 2005
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Майкл Коул
(Калифорнийский
университет
Сан-Диего, Лахойя)
«Культура и когнитивная наука» (2003):
- когнитивная антропология
- коммуникация (теория связи)
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Нейробиология культурных и
профессиональных различий («культурная
биология»):
• Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al.,
2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988)
См.: http://novoivan.narod.ru/soroban.htm
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Нейробиология культурных и
профессиональных различий («культурная
биология»):
• Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al.,
2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988)
• Португалия: сельская неграмотность
и обработка вербальной информации
(Castro-Caldes, 2000)
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Нейробиология культурных и
профессиональных различий («культурная
биология»):
• Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al.,
2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988)
• Португалия: сельская неграмотность и
обработка вербальной информации (CastroCaldes, 2000)
• Канада: сортировка почты и «выскакивание» в
зрительном поиске (Polk & Farah, 1998)
Ищем букву Б и цифру 6
НДЛОПЗРХА
ЮФКШВБТЕИ
ЧМКТЖЕЭКЛ
178938905
923495763
712785904
958390510
304Б75352
829134507
ХСНКТВКРЙ
ЧИВЛКЛВАЕ
УЕ6ПРТВНК
Когнитивная наука: «размыкание»
в окружающую действительность
Нейробиология культурных и
профессиональных различий («культурная
биология»):
• Япония: соробан и счет в уме (Hanakawa et al.,
2003; ср.: Hatta, Ikeda, 1988)
• Португалия: сельская неграмотность и
обработка вербальной информации (CastroCaldes, 2000)
• Канада: сортировка почты и «выскакивание» в
зрительном поиске (Polk & Farah, 1998)
• Великобритания: лондонские таксисты и
обработка пространственной информации
Горизонты когнитивной науки
- Когнитивная экономика (Д. Канеман, А. Тверский) и
нейроэкономика (Джеймс Хекман и др.)
- Нейроэстетика (В.С. Рамачандран и др.)
- Когнитивная поэтика (Р. Цур) / когнитивная
стилистика
- Когнитивная география (спецкурс в университете Баффало:
http://www.geog.buffalo.edu/~dmark/GEO592S04.html)
… астрономия
… ботаника
Когнитивная
… история
… политология
… геология
В КАЧЕСТВЕ ЭПИЛОГА…
Миннесотский проект:
100 самых влиятельных работ
по когнитивной науке в XX веке
5. Дэвид Румельхарт,
Джеймс Макклелланд
«Параллельно-распределенная
обработка: исследование
микроструктуры познания»
(1986)
3. Алан Тьюринг
«Вычислительная техника и
интеллект» (1957)
6. Алан Ньюэлл, Герберт Саймон
«Решение задач человеком» (1972)
4. Дональд Хэбб
«Организация поведения:
нейропсихологический анализ» (1949)
2. Дэвид Марр
«Зрительное восприятие:
вычислительное исследование
1. Ноэм Хомский
отображения и обработки зрительной
«Синтаксические структуры» (1957)
информации у человека» (1982)
Миннесотский проект:
100 самых влиятельных работ
по когнитивной науке в XX веке
56. А.Р. Лурия
«Введение в нейропсихологию»
(англ. 1973)
...
9. Джордж Миллер
«Магическое число 7+2:
о некоторых ограничениях
нашей способности обрабатывать
информацию» (1956)
7. Джерри Фодор
«Модульность познания» (1983)
...
28. Л.С. Выготский
«Мышление и речь» (англ. 1964)
...
10. Дональд Бродбент
«Восприятие и коммуникация»
(1958)
8. Фредерик Чарльз Бартлетт
«Припоминание: исследование
в области экспериментальной и
социальной психологии» (1932)