-
2020-09-14
Linköpings universitet 1
Kognitionsvetenskaplig introduktionskursFöreläsning 7
–TvärvetenskapDelvetenskaper, metoderIntegrationsutmaningen
1
Vad är kognitionsvetenskap?”Kognitionsvetenskap är ett
tvärvetenskapligt kunskaps- och forskningsområde som studerar
tänkande, språk och kommunikation hos naturliga och artificiella
system i samspelmed den fysiska och sociala miljön”
(Nils Dahlbäck)
2
Tvärvetenskap
3
• Kognitionsvetenskap nyttjar teorier och metoder från många
delvetenskaper
• Vad har dessa delvetenskaper gemensamt och hur kan de bidra i
en gemensam tvärvetenskaplig strävan?
3
Vetenskapliga metoder (Janlert)Ämne Studieobjekt Huvudmetoder
Mål
Datavetenskap BeräkningBeräkningsmekanismer
Datavetenskapligt tänkande, programmering
Skapa och utvärdera beräkningsmekanismer som implementerar
tänkande
Filosofi Medvetande, existens, kunskap
Konceptuell analys, logik, tankeexperiment
Förstå tänkandets och medvetandets förutsättningar och
möjligheter
Lingvistik Språk och kommunikation Experiment med människor
Kartlägga och förstå naturligt språk och kommunikation
Neurovetenskap Människans och djurs nervsystem
Laborativa experiment med människor (och djur)
Kartlägga och förstå människans och djurs
neurofysiologi/Kartlägga och förstå hur människans olika förmågor
och egenskaper avspeglas i form av aktivitet i hjärnan
Psykologi Människan i sig Experiment med människor
Kartlägga och förstå mänskligt beteende
Antropologi Människor i sin miljö Fältstudier av människor i sin
miljö
Kartlägga och förstå mänskligt beteende i ett sammanhang
4
Metoder inom kognitionsvetenskap• Formella modeller och
dator-
implementeringar– SHRDLU
• Empiriska undersökningar
– Mental imagery
5
Empiriska undersökningar
TEORI EXPERIMENT/UNDERSÖKNING
HYPOTES
Stöd/Motsägelse
Stöd/Motsägelse
6
-
2020-09-14
Linköpings universitet 2
Empiriska undersökningar
TEORIMänniskor
använder bildlika representationer
EXPERIMENTMät hur lång tid det tar att besvara om tornet har
en
klocka resp en dörr?
HYPOTESDet tar längre tid att
scanna ett föremål om avståndet är större
Stöd
Stöd
7
Empiriska undersökningar: HRI
TEORIFörståelse av
autonoma system/robotar
EXPERIMENTJämför två grupper som får
samma beskrivning av människa och robot
HYPOTESMänniskor använder ToMför människor och robotar
Motsägelse
Motsägelse
9
Empiriska undersökningar: Ögonrörelse
TEORISelektiv
uppmärksamhet
EXPERIMENTPresentera ett stimuli och be fp att fokusera på
olika
saker
HYPOTESMänniskor kan inte
fokusera på två saker samtidigt
Stöd
Stöd
10
Formella modeller och datorimplementeringar
TEORI IMPLEMENTATIONMODELL
Stöd/Motsägelse
Stöd/Motsägelse
TESTNING
11
Formella modeller och datorimplementeringar
TEORISpråk är en
regelstyrd process
IMPLEMENTATIONSHRDLU
MODELLLexikon och grammatik
Stöd
Stöd
UTVÄRDERINGMata in
meningar och bedöm svaren
12
Designmetod – PICTIVE med Sofia
14
• Användarcentrerad/Deltagande design
– Hur skulle vi kunna utforma… • Utforskande och
utvärderande
• Kvalitativ och iterativ• LoFi -> HiFi
• Färre försökspersoner
• Kan en design vara sann?
• Pragmatisk kunskapssyn
14
-
2020-09-14
Linköpings universitet 3
Vetenskapliga undersökningar
15
• Inledning, vad är problemet och vad har gjorts förut, vad ska
jag göra– Tidigare forskning– Teori– Fråga/Hypotes
• Metod, vad var receptet– Metodval– Datainsamling– Analys
• Resultat, vad hände• Diskussion, vad betyder det i relation
till inledningen
– Tolkning av resultat– Reviderade/Nya teorier
15
Vetenskapliga metoder
16
• Empiriska metoder
– Kvantitativa– Kvalitativa
• Formella och dator-modeller– Diskret matematik och Logik
– Programmering• Design och utvärdering
• Konversation- och samtalsanalys
• fMRI, EEG, ….• Tankeexperiment
• Etnografisk metod
16
Tvärvetenskap
17
• Kognitionsvetenskap nyttjar teorier och metoder från många
delvetenskaper
• Vad har dessa delvetenskaper gemensamt och hur kan de bidra i
en gemensam tvärvetenskaplig strävan?
17
Delvetenskaper
18
• Psykologi
• Datalogi och Artificiell Intelligens• Lingvistik och
kommunikation
• Neurovetenskap• Filosofi
• Antropologi
18
Sloan report, 1978
19
19
Sloan report, 1978
20
• Identifierar kopplingar mellan olika del-vetenskaper, men inte
varför dessa kopplingar finns
• Hjälper oss inte att förstå vad varje delvetenskap bidrar
med
20
-
2020-09-14
Linköpings universitet 4
Nivåer
21
Fysisk och social miljö
Kognition (“the mind”)
Neurologi
Situerad och distribueradkognition
Sub-symbolisk kognition / neurokognition
21
Three dimension model
22
22
Integrationsutmaningen
23
• En enhetlig förklaring av kognition som baseras på och
integrerar hela rymden
• Ett ramverk som visar den gemensamma nämnaren för alla
delvetenskaper som studerar kognition och hur de är relaterade till
varandra
• Kognitionsvetenskap är mer än summan av delarna
23
Lokal integrering
24
• Två eller flera delvetenskaper
– Evolutionär psykologi och psykologiska resonemang– Psykologi
och neurologi
– Lingvistik och datalogi– Datalogi och neurologi
– …
24
Global integrering
25
• Försöker definiera relationen mellan
– Olika nivåer av förklaring (Y-axeln)– Olika nivåer av
organisation (X-axeln)
• (Interteoretisk reduktion)
• Marr’s trenivåmodell• Mentala arkitekturer
25
Interteoretisk reduktion
26
• Termodynamik
– Temperatur– Volym
– Energi– Tryck
• Statistisk mekanik
– Statistiska egenskaper hos molekyler
– Mekaniklagar
”Brygga”Temperatur är medelvärdet av molekylers
rörelseenergi
26
-
2020-09-14
Linköpings universitet 5
Kognitionsvetenskapens lagar
27
?27
Marrs trenivåmodell (1982)
29
• Beräkningsnivå
– Varför, d.v.s. vad är målet med informationsbearbetningen, och
vad är logiken bakom strategin som används?
• Algoritmnivå– Vad görs i informationsbearbetningen, vilken
representation används för input och output, och vilken algoritm
används för transformationen?
• Implementationsnivå
– Hur kan representationen och algoritmen realiseras
fysiskt?Top-down analys av kognitiva system
Exempliferias av Marr för mänskligt seende, baserat på
neuropsykologi, psykofysik, fysiologi
29
Marrs trenivåmodell – Exempel
30
• Beräkningsnivå
– Visuella systemet ska ge en 3D representation av den visuella
omgivningen. Representations ska kunna användas för att känna igen
och klassificera objekt, dvs måste innehålla information om form
och rumsliga aspekter
– Denna 3D representation är objekt-centrerad snarare än
person-centrerad
30
Marr’s trenivåmodell – Exempel
31
• Algoritmnivå
– Input = ljus som träffar näthinna– Output = 3D representation
av omgivningen
– Frågor: • Vilken typ av information kan extraheras från ljuset
på
näthinnan?
• Hur kan systemet gå från denna information till en 3D
representation av omgivningen?
– Angreppsätt:• Vi behöver finna representationer som tillåter
oss att
överbrygga strukturen hos bilden till strukturen hos
omgivningen
31
Primal sketch
32
• Förändringar i ljusstyrka kan användas för att hitta
former
• Där intensiteten blir noll (dvs. vitt i bilderna) finns det en
kontur
• Tillsammans med annan information kan detta användas för att
skapa en primal sketch
32
2.5D sketch
34
• Visar riktning på synbara ytor i ett person-centrerat
koordinatsystem
• Visar avstånd för varje punkt till personen
• Visar också riktning på varje punkt och kontur
• Mycket enkel information om djup
34
-
2020-09-14
Linköpings universitet 6
3D sketch
35
• Visar former och deras rumsliga organisation
• Objekt-centrerad• Visar förenklade volymer och ytor
35
Marr’s trenivåmodell – Exempel
36
• Representation
– Primal sketch, zero crossings– 2,5 D sketch
– 3 D modell
36
Marrs tre-nivåmodell
37
37
Mentala arkitekturer
39
• Studerar frågor gemensamma för alla delvetenskaper:
1. I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?
2. Hur transformeras informationen i ett kognitivt system?3. Hur
är medvetande organiserat?
• Svaret på frågorna 1-2 kan dock variera beroende på vad man
anser med ett kognitivt system, t ex :– neuron eller medvetandet
som helhet
– minne, beslutsfattande eller språk• Svaret på fråga 3 har
besvarats utifrån både generella och
domänspecifika funktioner
39
Mental arkitektur: Fysiska symbolsystem
40
• I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?– Symboler!
– Symbolerna kan kombineras till komplexa symbolstrukturer!
• Hur transformeras informationen i ett kognitivt system?
– Regelstyrda processer/Algoritmer för att transformera symboler
och symbolstrukturer
– Algoritmerna kan uttryckas i symboler!
40
Mental arkitektur: Language of Thought
41
• I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?– Formellt mentalt språk liknande logik
– Belief, Desires, Intentions – Propositionella attityder• Hur
transformeras informationen i ett kognitivt system?
– Slutledningar kan göras utifrån regler som endast beror på
strukturen/syntax
– Eftersom det mentala språket är ett formellt språk så följer
reglerna semantiska restriktioner: Om premisser är sanna måste
också slutsatser vara sanna
41
-
2020-09-14
Linköpings universitet 7
Mental arkitektur: Neurala nätverk
42
• I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?– Distribuerat över många icke-symboliska
sammanlänkade enheter
• Hur transformeras informationen i ett kognitivt system?–
Generella regler för hur aktivering sprider sig
– Generella regler för hur länkar justeras (lär från
erfarenhet)
42
FSS kontra NN
43
• Är konnektionism ett alternativ till fysiska
symbolsystems-hypotesen, eller en implementation? (jfr Marrs
algoritmiska nivå och implementationsnivå!)
• Har människor bara en typ av kognition, eller kan det finnas
flera olika, t ex symbolbearbetning för mer abstrakta resonemang
och problemlösning och distribuerade för perception och
mönstermatchning?
43
Mental arkitektur: Situerad och distribuerad kognition
44
• I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?– Internt i individer och externt i artefakter
• Hur transformeras informationen i ett kognitivt system?– I en
interaktion mellan individer och artefakter
44
Mentala arkitekturer
46
• Studerar frågor gemensamma för alla delvetenskaper:
– I vilken form representeras information i ett kognitivt
system?
– Hur transformeras informationen i ett kognitivt system?– Hur
är medvetande organiserat?
• Svaret på frågorna 1-2 kan dock variera beroende på vad man
anser med ett kognitivt system, t ex :– neuron eller medvetandet
som helhet
– minne, beslutsfattande eller språk• Svaret på fråga 3 har
besvarats utifrån både generella och
domänspecifika funktioner
46
Modularitet (Fodor, 1983)
47
• Medvetandet består av
– högnivå generella centrala processer
– lågnivå specifika modulära processer
47
Modulära processer
48
• Domänspecifika
• Inkapslad information• Automatisk användning
• Snabba• Associerade med specifika regioner i hjärnan
• Specifika mönster för misslyckanden
• Exempel från perception:
– Färg, form, 3D rumsliga relationer, ansiktsigenkänning,
grammatisk analys av talade yttranden, känna igen röster
48
-
2020-09-14
Linköpings universitet 8
Centrala processer
49
• Värderar, jämför och sammanför utdata från moduläraprocesser–
Quinean
• Kunskap som helhet• Individens ”teori om världen”
• Konsekvent och Koherent
– Isotropisk• INTE inkapslad information
49
Problem?
50
• Fodor’s first law of the nonexistence of cognitive science:The
more global a cognitive process is, the less anybody understands
it
• LOT bygger på att meningar kan manipuleras syntaktiskt, utan
hänsyn till kontexten, men centrala processer är beroende av
kontexten
50
Massive modularity (Cosmides & Tooby, 1994)
51
• Det finns bara specialiserade kognitiva system som uppstått
genom evolution (naturligt urval) för att lösa specifika uppgifter–
Dessa uppfyller inte Fodors definition av modulära
processer!
• Argument för:
– Domänspecifik (negativ) feedback på beteenden– Statistiskt
återkommande domänspecifika mönster
• Argument mot: – Hur filtreras indata till en modul?
– Hur hanteras motstridiga utdata från flera moduler?
51
