Einführung in die Angewandte Informatik - I: Kognitive Systeme … · 2007. 10. 9. · Empirische Belege f¨ur Mentale Modelle Experiment von Mani & Johnson-Laird (1982) 20 Probanden

Einfuhrung in die Angewandte Informatik

I: Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie

Ute Schmid

Fakultat WIAI, Otto-Friedrich Universitat Bamberg

Angewandte Informatik/Kognitive Systeme

WS 2006/2007

Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik

Was sind Kognitive Systeme?

Intelligentes System: lost Probleme, die bislang nur vonMenschen losbar waren

Kognitives System: intelligentes System, das kognitiveFunktionen so realisiert, dass sie auf ahnlichen Strukturen undProzessen basieren wie bei einem menschlichenInformationsverarbeiter.

Beispiele fur kognitive Funktionen

Wahrnehmung und MustererkennungWissensreprasentation und SchlussfolgernLernen aus ErfahrungProblemlosenEntscheidenVerarbeitung naturlicher Sprache


Kognitive Systeme als Interdisziplin

KognitiveSysteme

Intelligente SystemeInformatik Psychologie

Wahrnehmung Sensumotorik

Motivation

Denken

Lernen

Emotion

Problemlösen

Gedächtnis

Sprache Entscheidung

WissensrepräsentationInferenzPlanenMaschinelles Lernen

BildverarbeitungSprachverarbeitungExpertensysteme

empirischeMethoden

Neuro−psych.

Entwicklungs−psych.

Formale Sprachen

Logik

Robotik

Programmier−konzepte

Neuro−inf.

Kognitive Psychologie


Zwei Perspektiven

Ingenieurswissenschaftlich: Nutzung von Erkenntnissen derPsycholgie,

um effiziente intelligente Systeme zu realisieren (“Psychonik”)zur Gestaltung von Mensch-Maschine-Interaktionen(menschgerechteKommunikationsschnittstellen/Informationsdarbietung)

→ performanz-/erfolgsorientiert

Erkenntniswissenschaftlich: Als Werkzeug fur die theoretischePsychologie

Formale Modellierung zur Beschreibung und Erklarungkognitiver Strukturen und ProzesseAnalyse genereller Beschrankungen

→ generative Theorien/“Bauplane”


Beispiel “Virtuelle Entwurfsumgebung”

Projekt “VIENA”, Wachsmuth, Bielefeld, 1993-1997)

Beispiel Innenarchitektur

Entwurf via Avatar Hamilton


Beispiel – Dialog mit Hamilton

“Move the bowl to the right.”


Beispiel – Dialog mit Hamilton

I: intrinsische Sicht(Schreibtisch mitdef. Vorderseite)

U: deiktische Sicht(Nutzer-Sicht aufMonitor)

H: deiktische Sicht(Agent Hamilton)


Verstehen raumlicher Beschreibungen

Technische Seite: Reprasentation von raumlichem Wissen,Realisierung eines Layout-Algorithmus (Skalierung,Transformation, ...)

Kognitive Seite:

Welches Referenzsystem wahlen Nutzer?KS/HCI: Annahme des “naturlichen”/praferiertenReferenzsystems im DialogKS/Modellierung: “Verstehen” raumlicher Beschreibungen alsAufbau mentaler Modelle

Nutzung von kognitiven Theorien

Verstandnis empirischer/experimentellerUntersuchungsmethoden


Was ist Kognitive Psychologie?

Psychologie: Wissenschaft vom menschlichen Erleben undVerhalten unter Einschluß damit verbundener physiologischerund neurologischer Vorgange

Allgemeine Psychologie: Frage nach universalenGesetzmaßigkeiten im Bereich psychischer Grundfunktionenwie Wahrnehmung, Motivation, Emotion, Gedachtnis, Denken,Problemlosen, Lernen, Handeln, Entscheiden, Sensumotorik

→ Abstraktion von individuellen Unterschieden (DifferentiellePsychologie)→ Entwicklung psychischer Funktionen im Lauf derLebensspanne durch innere und außere Einflusse(Entwicklungspsychologie)→ Erleben und Verhalten im sozialen Kontext(Sozialpsychologie)→ Anwendungsnahe Forschung: Klinische Psychologie,Diagnostik, Padagogische Psychologie, Arbeits-, Betriebs-,Organisationspsychologie


Was ist Kognitive Psychologie?

Alternative Bezeichnung fur Allgemeine Psychologie

Einschrankung der Allgemeinen Psychologie auf reineErkennens- und Verstehensprozesse (Ausgrenzung vonEmotion, Motivation)

Abgrenzung von anderen theoretischen Sichtweisen auf denGegenstandsbereich der Allgemeinen Psychologie (z.B.:Behaviorismus): Mentale Reprasentationen und Prozesse alszentrale Grundlage fur die Erklarung von Verhalten


Methoden der Psychologie

Psychologie ist eine Erfahrungswissenschaft (vgl. Physik,Biologie, ...)

Erfahrungswissenschaftliche Methoden:

BeobachtungExperiment

Beobachtung Experiment

Komplexitat/Naturlichkeit + -

Selektivitat/Kausalerklarung - +


Beispiel – Mentale Modelle

Theorie der Mentalen Modelle von Johnson-Laird (1983, 1999)

Schlußfolgerndes Denken

Pramissen: (Voraussetzungen)Der Loffel ist links vom Messer.Das Teller ist rechts vom Messer.Die Gabel ist vor dem Loffel.Die Tasse ist vor dem Messer.Abgleitete Schlussfolgerung(en):Die Gabel ist links von der Tasse.

Annahme: Pramissenintegrarion

Loffel Messer TellerGabel Tasse


Beispiel – Mentale Modelle

Verstehen der Pramissen meint Konstruktion einer integrierten(raumlichen) Reprasentation

Alle Schlussfolgerungen sind enthalten,konnen abgelesen werden

Problem: Unbestimmtheit (Anzahl alternativer Modelle)Modifikation der zweiten Pramisse:Das Teller ist rechts vom Loffel

Loffel Messer Teller Loffel Teller MesserGabel Tasse Gabel Tasse

Empirische Vorhersage: Je mehr alternative Modelleexistieren, desto langer sind die Antwortzeiten, desto mehrFehler werden gemacht


Empirische Belege fur Mentale Modelle

Experiment von Mani & Johnson-Laird (1982)

20 Probanden

50 % bestimmte und 50 % unbestimmte Beschreibungen (invariierten Reihenfolgen, within subjects)

Aufgabe: Beurteilung, ob Diagramme konsistent oderinkonsistent zu den Beschreibungen sindUnangekundigter Gedachtnistest

OriginalsatzeIm Mentalen Modell enthaltene Satze (“Inferierbar”)(Die Gabel ist links von der Tasse)Fuller-Items mit anderer Bedeutung

Ergebnis: Cross-Over-Effect

Original/Enthalten vor Fuller Original vor Enthaltenbestimmt 88 % 68 %unbestimmt 58 % 88 %

Bei eindeutigen Mentalen Modellen kann nicht mehr zwischenoriginalen und inferierten Aussagen unterschieden werden.


Psychologische Theoriebildung

Zweck einer psychologischen Theorie: Beschreibung, Erklarungund Vorhersage von menschlichem Verhalten

Theoriebildung als Wechsel aus Top-down und Bottom-upProzessen

Beoachtungen: Hypothesengenerierung

Experiment: Hypothesentestung

Kognitive Theorien: Erklarung auf der Ebene vonInformationsverarbeitungsprozessen

Neuronale Korrelate konnen kognitive Annahmen stutzenSituative Aspekte haben Einfluss auf kognitive Prozesse


KogSys – Lerninhalte

Methoden, Techniken und Werkzeuge zum Entwurf, zurImplementation, zur Analyse und Evaluationintelligenter/kognitiver Systeme

Informatische Ansatze:

Anwendung formaler Methoden aus dem Bereich dertheoretischen Informatik zur Beschreibung und Analyse vonProblemen und Algorithmen (Komplexitat, Lernbarkeit)Beherrschung von Programmiersprachen und grundlegendenAlgorithmen zur Umsetzung von auf kognitiven Prinzipienbasierenden Algorithmen in lauffahige Systeme

Psychologische Theorien und empirische Methoden:

Formulierung und Uberprufung von Hypothesen uberspezifische Charakteristika menschlicherInformationsverarbeitungEvaluation implementierte Systeme auf ihre Nutzbarkeit hin


Allgemeine Voraussetzungen

Gute Kenntnisse in und Freude an: theoretischer Informatikund praktischer Informatik

Interesse an kognitiver Psychologie (Besuch vonLehrveranstaltungen, siehe Studienempfehlungen fur Bachelor“Angewandte Informatik”)


Lehrangebot

Vorlesungen

KogSysI: Intelligente Agenten (WS, ab 2008: SS)KogSysII: Lernende Systeme (WS)KogSysIII: Mensch-Computer-Interaktion (SS ab 2008: WS )

Praktikum Kognitive Systeme (WS/SS)

Seminar Kognitive Systeme (WS/SS)


KogSysI

Grundlagen intelligenten Handelns mit Bezugen zurmenschlichen Informationsverarbeitung

Themenfokus: Problemlosen und Planen, (heuristische Suche,deduktives Planen, PL in Multi-Agentensystemen)

Ubungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.TProgrammieraufgaben in Prolog

Folienskript, Lehrbucher in englischer Sprache; Vorlesung undUbung in deutscher Sprache

Voraussetzungen: Grundkenntnisse im Umgang mit Rechnern(fur die Bearbeitung einiger Ubungsaufgaben), in Algorithmen(Suchverfahren) und Logik(“Mathematik fur Informatiker”, “Algorithmen undDatenstrukturen”.)Gunstig: “Semantische Informationsverarbeitung” im 3. Sem,danach KogSysI


KogSysII

Primar: Master-Veranstaltung

Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw.Semantische Informationsverarbeitung – kann parallel gehortwerden) oder einer einfuhrenden LV in Kunstliche Intelligenz)

Wesentliche symbolische, statistische und neuronale Ansatzedes maschinellen Lernens mit Bezugen zum menschlichenLernen

Ubungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.TProgrammieraufgaben in Java und Prolog



KogSysIII

Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI oderSemantischer Informationsverarbeitung (auch parallel dazu)oder einer einfuhrenden LV in Kunstliche Intelligenz

Techniken zum Entwurf, zur Implementierung und zurEvaluation interaktiver Computersysteme unter besondererBerucksichtigung der Eigenschaften menschlicherInformationsverarbeitung

Ubungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.TAufgaben am Rechner (Nutzung von Simulationsumgebungen)



Praktikum

Einubung des Entwurfs und der Analyse kognitiver Systeme anbeispielhaften Themen in Gruppenarbeit

Themen orientieren sich an den aktuellen Forschungsarbeitender Gruppe ”Kognitive Systeme”

“Forschung im Kleinen”: Vorbereitung auf die Erstellung vonQualifikationsarbeiten (Bachelorarbeit, Masterarbeit oderDiplomarbeit)

Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw.Semantischer Informationsverarbeitung oder einereinfuhrenden LV in Kunstliche Intelligenz).Erwunscht ist der Besuch weiterer Veranstaltungen im BereichKognitive Systeme sowie Interesse am Abfassen einerQualifikationsarbeit in diesem Bereich.


Anforderungen im Praktikum

Praktikumsarbeit umfasst:

Einarbeiten in ein Themengebiet durch Finden und Rezipierender relevanten wissenschaftlichen LiteraturEinordnung des eigenen Themas in den Stand der Forschungund Vortrag vor den PraktikumsteilnehmernStrukturierung der konkreten Arbeit durch Entwicklung einesArbeits- und ZeitplansBearbeitung des Themas durch Entwurf und/oderImplementierung von Algorithmen, theoretische Analysenund/oder empirische Evaluation der Algorithmenschriftliche Darstellung (in Form eines wissenschaftlichenAufsatzes) und mundliche Prasentation der Ergebnisse


Seminar

Thema I: Problemlosen und Planen (WS)Thema II: Reading Club zu aktuellen Themen (Master-Level,SS)Philosophische Grundlagen Kognitiver Systeme (SS)

Erarbeiten eines Themenbereichs durch Lesenenglischsprachiger Originalarbeiten (sowie evtl. Aneignungzum Verstandnis notwendiger Grundlagen uberEinfuhrungsliteratur)

Illustrieren oder Testen der beschriebenenAnsatze/Algorithmen/Systeme

Vorbesprechung, Seminarvortrag (max. 45 min), Ausarbeitungin LaTeX (max. 12 Seiten)

Erwunscht: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw.Semantischer Informationsverarbeitung oder einereinfuhrenden LV in Kunstliche Intelligenz) sowie weitererVeranstaltungen im Bereich Kognitive Systeme


Studienempfehlungen

Erst eine oder mehr Vorlesungen

dann Projekt, Seminar

Besuch von LVs in der Psychologie

Beruhrungen zu anderen Fachern: Kulturinformatik, SEDA

Gut kombinierbar mit: Theoretische Informatik, PraktischeInformatik


Themen in EIDAI

Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie

Problemlosen und Planen

Empirische Forschungsmethoden

Gedachtnis und Lernen

Analoges und Fallbasiertes Schließen


Documents

Einführung in die Angewandte Informatik - I: Kognitive Systeme … · 2007. 10. 9. · Empirische Belege f¨ur Mentale Modelle Experiment von Mani & Johnson-Laird (1982) 20 Probanden