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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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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”
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Beispiel “Virtuelle Entwurfsumgebung”
Projekt “VIENA”, Wachsmuth, Bielefeld, 1993-1997)
Beispiel Innenarchitektur
Entwurf via Avatar Hamilton
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Beispiel – Dialog mit Hamilton
“Move the bowl to the right.”
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Beispiel – Dialog mit Hamilton
I: intrinsische Sicht(Schreibtisch mitdef. Vorderseite)
U: deiktische Sicht(Nutzer-Sicht aufMonitor)
H: deiktische Sicht(Agent Hamilton)
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Methoden der Psychologie
Psychologie ist eine Erfahrungswissenschaft (vgl. Physik,Biologie, ...)
Erfahrungswissenschaftliche Methoden:
BeobachtungExperiment
Beobachtung Experiment
Komplexitat/Naturlichkeit + -
Selektivitat/Kausalerklarung - +
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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.
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Allgemeine Voraussetzungen
Gute Kenntnisse in und Freude an: theoretischer Informatikund praktischer Informatik
Interesse an kognitiver Psychologie (Besuch vonLehrveranstaltungen, siehe Studienempfehlungen fur Bachelor“Angewandte Informatik”)
Ute Schmid Einfuhrung in die 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)
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Folienskript, Lehrbucher in englischer Sprache; Vorlesung undUbung in deutscher Sprache
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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)
Folienskript, Lehrbucher in englischer Sprache; Vorlesung undUbung in deutscher Sprache
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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.
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
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
Ute Schmid Einfuhrung in die Angewandte Informatik
Themen in EIDAI
Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie
Problemlosen und Planen
Empirische Forschungsmethoden
Gedachtnis und Lernen
Analoges und Fallbasiertes Schließen
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