Zastosowania kognitywistyki Włodzisław Duch Katedra Metod Komputerowych, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Grudziądzka 5, 87-100 Toruń. WWW: http://www.phys.uni.torun.pl/~duch (c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved

Plan Kogni ... co? Co to takiego? Mózgi i uczenie. Umysły i uczenie. Inne zastosowania. Perspektywy.

Z ciemności prowadź mnie ku jasności. 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 D. O. Hebb, 1949 „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 senso-motoryczne, 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.