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认知科学

时间:2010-03-21 21:32:49  来源:  作者:

  认知科学
认知科学是研究人类感知和思维信息处理过程的科学,包括从感觉的输入到复杂问题求解,从人类个体到人类社会的智能活动,以及人类智能和机器智能的性质。认知科学是现代心理学、信息科学、神经科学、数学、科学语言学、人类学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果。

认知科学的兴起和发展标志着对以人类为中心的认知和智能活动的研究已进入到新的阶段。认知科学的研究将使人类自我了解和自我控制,把人的知识和智能提高到空前未有的高度。生命现象错综复杂,许多问题还没有得到很好的说明,而能从中学习的内容也是大量的、多方面的。如何从中提炼出最重要的、关键性的问题和相应的技术,这是许多科学家长期来追求的目标。要解决人类在21世纪所面临的许多困难,诸如能源的大量需求、环境的污染、资源的耗竭、人口的膨胀等笛单靠现有的科学成就是很不够的。必须向生物学习,寻找新的科技发展的道路。

一、知觉信息的表达和处理
知觉信息的表达是知觉研究的基本问题,是研究其它各个层次认知过程的基础。 知觉过程是从那里开始的?外在物理世界的那些变量具有心理学的知觉意义? 作为知觉的计算模型计算的对象是什么?这些围绕知觉信息表达的问题是建立任何知觉和跟知觉有关的学说和理论模型, 无论是人类的还是计算机的,都必须首先回答的问题。知觉信息表达的研究可以有不同层次的问题, 包括诸如知觉组织的问题、知觉学习的问题、知觉动态记忆的问题、以及面孔识别的问题等。
将在计算理论层次、 脑的知识表达层次和计算机实现层次上, 把认知神经科学实验研究和计算机视觉研究结合起来,将对上述科学问题提出崭新的理论(或思想)和解决的方法。


二、学习提升智能
学习是基本的认知活动,是经验与知识的积累过程,也是对外部事物前后关联地把握和理解的过程,以便改善系统行为的性能。
学习的神经生物学基础是神经细胞之间的联系结构突触的可塑性变化, 已成为当代神经科学中一个十分活跃的研究领域。突触可塑性条件即在突触前纤维与相联的突后细胞同时兴奋时, 突触的连接加强。1949年,加拿大心理学家Hebb提出了Hebb学习规则,他设想在学习过程中有关的突触发生变化,导致突触连接的增强和传递效能的提高。Hebb学习规则成为连接学习的基础。神经网络是由具有适应性的简单单元组成的广泛并行互连的网络。Kohonen提出自组织映射网络。Haken根据协同形成结构,竞争促进发展的规律,将协同的非线性动力理论与神经网络有机结合, 提出了协同联想记忆网络。Amari提出用微分流形和统计推理来研究神经网络。 在Amari理论的基础上史忠植等提出了一种神经场模型,由场组织模型和场效应模型构成。
感知学习是发生在感知水平上的学习,主要研究如何从低级的传感器输入的原始数据获取相关的抽象数据。感知学习主要考虑通过视觉和听觉的学习,研究从非结构与半结构信息到结构信息变换方法,研究图像的语义描述及其快速提取技术,研究感知学习中的注意机制与元认知等。
认知学习理论认为在人的行为背后都有一个相应的思维过程,行为的变化是可观察的,并且通过行为的变化也可以推断出学习者内心的活动。在认知学习理论中,如Ausubel提出的有意义学习理论(又称同化理论),其核心思想是获得新信息主要取决于认知结构中已有的有关观念;意义学习是通过新信息与学习者认知结构中已有的概念相互作用才得以发生;由于这种相互作用的结果,导致了新旧知识意义的同化。Gagne提出的信息加工学习理论则将学习过程类比成计算机的信息加工过程,学习结构由感受登记器、短时记忆、长时记忆、控制器、输出系统组成,认知过程可分为选择性接收、监控、调节、复述、重构。在这个信息加工过程中,非常关键部分是执行控制和期望。执行控制是指已有的学习经验对当前学习过程的影响,期望是指动机系统对学习过程的影响,整个学习过程都是在这两个部分的作用下进行的。
内省学习是一种自我反思、自我观察、自我认识的学习过程。在领域知识和范例库的支持下,系统能够自动进行机器学习算法的选择和规划,更好进行海量信息的知识发现。
内隐学习就是无意识获得刺激环境复杂知识的过程。在内隐学习中,人们并没有意识到或者陈述出控制他们行为的规则是什么,但却学会了这种规则。在80年代中期之后,内隐学习成了心理学界、尤其是学习和认知心理领域最热门和最受关注的课题,成了将对认知心理学的发展产生深远影响的最重要课题之一。内隐学习具有以下三个特点:


内隐知识能自动地产生,无需有意识地去发现任务操作的外显规则;

内隐学习具有概括性,很容易概括到不同的符号集合;

内隐学习具有无意识性,内隐获得的知识一般不能用语言系统表达出来。


三、语言开启智能之门
人类进化过程中,语言的使用使大脑两半球功能分化。语言半球的出现使人类明显有别于其他灵长类。一些研究表明,人脑左半球同串行的、时序的、逻辑分析的信息处理有关,而右半脑同并行的、形象的、非时序的信息处理有关。
语言是以语音为外壳、以词汇为材料、以语法为规则而构成的体系。语言通常分为口语和文字两类。口语的表现形式为声音,文字的表现形式为形象。口语远较文字古老,个人学习语言也是先学口语,后学文字。
语言是最复杂、最有系统、而应用又最广的符号系统。语言符号不仅表示具体的事物、状态或动作,而且也表示抽象的概念。汉语以其独特的词法和句法体系、文字系统和语音声调系统而显著区别于印欧语言,具有音、形、义紧密结合的独特风格。概念是反映事物的特有属性的思维形态,概念与语词有密切的联系。概念的产生和存在,必须依附于语词。语词所以能够表示其它事物,就是由于人们头脑中有相应的概念。所以,语词是概念的语言形式,概念是语词的思想内容。
从神经、认知和计算三个层次上研究汉语,给予我们开启智能之门极好的机遇。汉语的认知心理学研究已有多年历史,取得了世界一流的研究成果。但这些研究多侧重于汉字与词汇,对更高层次的句法和语句加工尚需深入探讨。对整个言语链的研究还不够系统,特别是对脑的语言加工机制知之不多。在智能系统领域,我国对汉语计算机信息处理极为重视,曾投入大量资金,支持计算语言学、机器翻译和自然语言理解系统的研究和开发,取得了一大批重要成果。但就整体而言,语言信息的智能处理存在许多悬而未决的问题,其解决必须需要以认知科学的研究为基础,以新的理论为指导才有可能取得突破。

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