Einführung in die Angewandte Informatik
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Einführung in die Angewandte Informatik I: Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie Ute Schmid Fakultät WIAI, Otto-Friedrich Universität Bamberg Angewandte Informatik/Kognitive Systeme WS 2006/2007 Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Was sind Kognitive Systeme? Intelligentes System: löst Probleme, die bislang nur von Menschen lösbar waren Kognitives System: intelligentes System, das kognitive Funktionen so realisiert, dass sie auf ähnlichen Strukturen und Prozessen basieren wie bei einem menschlichen Informationsverarbeiter. Beispiele für kognitive Funktionen Wahrnehmung und Mustererkennung Wissensrepräsentation und Schlussfolgern Lernen aus Erfahrung Problemlösen Entscheiden Verarbeitung natürlicher Sprache Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Kognitive Systeme als Interdisziplin Informatik Psychologie Intelligente Systeme Programmier− konzepte Neuro− inf. Wissensrepräsentation Inferenz Planen Maschinelles Lernen Robotik Logik Bildverarbeitung Sprachverarbeitung Expertensysteme Kognitive Psychologie Wahrnehmung Sensumotorik Kognitive Systeme Motivation Emotion Denken Problemlösen Lernen Gedächtnis Sprache Entscheidung Formale Sprachen Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik empirische Methoden Neuro− psych. Entwicklungs− psych. Zwei Perspektiven Ingenieurswissenschaftlich: Nutzung von Erkenntnissen der Psycholgie, um effiziente intelligente Systeme zu realisieren (“Psychonik”) zur Gestaltung von Mensch-Maschine-Interaktionen (menschgerechte Kommunikationsschnittstellen/Informationsdarbietung) ֒→ performanz-/erfolgsorientiert Erkenntniswissenschaftlich: Als Werkzeug für die theoretische Psychologie Formale Modellierung zur Beschreibung und Erklärung kognitiver Strukturen und Prozesse Analyse genereller Beschränkungen ֒→ generative Theorien/“Baupläne” Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Beispiel “Virtuelle Entwurfsumgebung” Projekt “VIENA”, Wachsmuth, Bielefeld, 1993-1997) Beispiel Innenarchitektur Entwurf via Avatar Hamilton Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Beispiel – Dialog mit Hamilton “Move the bowl to the right.” Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Beispiel – Dialog mit Hamilton I: intrinsische Sicht (Schreibtisch mit def. Vorderseite) U: deiktische Sicht (Nutzer-Sicht auf Monitor) H: deiktische Sicht (Agent Hamilton) Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Verstehen räumlicher Beschreibungen Technische Seite: Repräsentation von räumlichem Wissen, Realisierung eines Layout-Algorithmus (Skalierung, Transformation, ...) Kognitive Seite: Welches Referenzsystem wählen Nutzer? KS/HCI: Annahme des “natürlichen”/präferierten Referenzsystems im Dialog KS/Modellierung: “Verstehen” räumlicher Beschreibungen als Aufbau mentaler Modelle Nutzung von kognitiven Theorien Verständnis empirischer/experimenteller Untersuchungsmethoden Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Was ist Kognitive Psychologie? Psychologie: Wissenschaft vom menschlichen Erleben und Verhalten unter Einschluß damit verbundener physiologischer und neurologischer Vorgänge Allgemeine Psychologie: Frage nach universalen Gesetzmäßigkeiten im Bereich psychischer Grundfunktionen wie Wahrnehmung, Motivation, Emotion, Gedächtnis, Denken, Problemlösen, Lernen, Handeln, Entscheiden, Sensumotorik ֒→ Abstraktion von individuellen Unterschieden (Differentielle Psychologie) ֒→ Entwicklung psychischer Funktionen im Lauf der Lebensspanne durch innere und äußere Einflüsse (Entwicklungspsychologie) ֒→ Erleben und Verhalten im sozialen Kontext (Sozialpsychologie) ֒→ Anwendungsnahe Forschung: Klinische Psychologie, Diagnostik, Pädagogische Psychologie, Arbeits-, Betriebs-, Organisationspsychologie Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Was ist Kognitive Psychologie? Alternative Bezeichnung für Allgemeine Psychologie Einschränkung der Allgemeinen Psychologie auf reine Erkennens- und Verstehensprozesse (Ausgrenzung von Emotion, Motivation) Abgrenzung von anderen theoretischen Sichtweisen auf den Gegenstandsbereich der Allgemeinen Psychologie (z.B.: Behaviorismus): Mentale Repräsentationen und Prozesse als zentrale Grundlage für die Erklärung von Verhalten Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Methoden der Psychologie Psychologie ist eine Erfahrungswissenschaft (vgl. Physik, Biologie, ...) Erfahrungswissenschaftliche Methoden: Beobachtung Experiment Komplexität/Natürlichkeit Selektivität/Kausalerklärung Ute Schmid Beobachtung + - Experiment + Einführung in die Angewandte Informatik Beispiel – Mentale Modelle Theorie der Mentalen Modelle von Johnson-Laird (1983, 1999) Schlußfolgerndes Denken Prämissen: (Voraussetzungen) Der Löffel ist links vom Messer. Das Teller ist rechts vom Messer. Die Gabel ist vor dem Löffel. Die Tasse ist vor dem Messer. Abgleitete Schlussfolgerung(en): Die Gabel ist links von der Tasse. Annahme: Prämissenintegrarion Löffel Gabel Messer Tasse Ute Schmid Teller Einführung in die Angewandte Informatik Beispiel – Mentale Modelle Verstehen der Prämissen meint Konstruktion einer integrierten (räumlichen) Repräsentation Alle Schlussfolgerungen sind enthalten, können abgelesen werden Problem: Unbestimmtheit (Anzahl alternativer Modelle) Modifikation der zweiten Prämisse: Das Teller ist rechts vom Löffel Löffel Gabel Messer Tasse Teller Löffel Gabel Teller Messer Tasse Empirische Vorhersage: Je mehr alternative Modelle existieren, desto länger sind die Antwortzeiten, desto mehr Fehler werden gemacht Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Empirische Belege für Mentale Modelle Experiment von Mani & Johnson-Laird (1982) 20 Probanden 50 % bestimmte und 50 % unbestimmte Beschreibungen (in variierten Reihenfolgen, within subjects) Aufgabe: Beurteilung, ob Diagramme konsistent oder inkonsistent zu den Beschreibungen sind Unangekündigter Gedächtnistest Originalsätze Im Mentalen Modell enthaltene Sätze (“Inferierbar”) (Die Gabel ist links von der Tasse) Füller-Items mit anderer Bedeutung Ergebnis: Cross-Over-Effect Original/Enthalten vor Füller Original vor Enthalten bestimmt 88 % 68 % unbestimmt 58 % 88 % Bei eindeutigen Mentalen Modellen kann nicht mehr zwischen originalen und inferierten Aussagen unterschieden werden. Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Psychologische Theoriebildung Zweck einer psychologischen Theorie: Beschreibung, Erklärung und Vorhersage von menschlichem Verhalten Theoriebildung als Wechsel aus Top-down und Bottom-up Prozessen Beoachtungen: Hypothesengenerierung Experiment: Hypothesentestung Kognitive Theorien: Erklärung auf der Ebene von Informationsverarbeitungsprozessen Neuronale Korrelate können kognitive Annahmen stützen Situative Aspekte haben Einfluss auf kognitive Prozesse Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik KogSys – Lerninhalte Methoden, Techniken und Werkzeuge zum Entwurf, zur Implementation, zur Analyse und Evaluation intelligenter/kognitiver Systeme Informatische Ansätze: Anwendung formaler Methoden aus dem Bereich der theoretischen Informatik zur Beschreibung und Analyse von Problemen und Algorithmen (Komplexität, Lernbarkeit) Beherrschung von Programmiersprachen und grundlegenden Algorithmen zur Umsetzung von auf kognitiven Prinzipien basierenden Algorithmen in lauffähige Systeme Psychologische Theorien und empirische Methoden: Formulierung und Überprüfung von Hypothesen über spezifische Charakteristika menschlicher Informationsverarbeitung Evaluation implementierte Systeme auf ihre Nutzbarkeit hin Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Allgemeine Voraussetzungen Gute Kenntnisse in und Freude an: theoretischer Informatik und praktischer Informatik Interesse an kognitiver Psychologie (Besuch von Lehrveranstaltungen, siehe Studienempfehlungen für Bachelor “Angewandte Informatik”) Ute Schmid Einführung 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 Einführung in die Angewandte Informatik KogSysI Grundlagen intelligenten Handelns mit Bezügen zur menschlichen Informationsverarbeitung Themenfokus: Problemlösen und Planen, (heuristische Suche, deduktives Planen, PL in Multi-Agentensystemen) Übungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.T Programmieraufgaben in Prolog Folienskript, Lehrbücher in englischer Sprache; Vorlesung und Übung in deutscher Sprache Voraussetzungen: Grundkenntnisse im Umgang mit Rechnern (für die Bearbeitung einiger Übungsaufgaben), in Algorithmen (Suchverfahren) und Logik (“Mathematik für Informatiker”, “Algorithmen und Datenstrukturen”.) Günstig: “Semantische Informationsverarbeitung” im 3. Sem, danach KogSysI Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik KogSysII Primär: Master-Veranstaltung Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw. Semantische Informationsverarbeitung – kann parallel gehört werden) oder einer einführenden LV in Künstliche Intelligenz) Wesentliche symbolische, statistische und neuronale Ansätze des maschinellen Lernens mit Bezügen zum menschlichen Lernen Übungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.T Programmieraufgaben in Java und Prolog Folienskript, Lehrbücher in englischer Sprache; Vorlesung und Übung in deutscher Sprache Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik KogSysIII Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI oder Semantischer Informationsverarbeitung (auch parallel dazu) oder einer einführenden LV in Künstliche Intelligenz Techniken zum Entwurf, zur Implementierung und zur Evaluation interaktiver Computersysteme unter besonderer Berücksichtigung der Eigenschaften menschlicher Informationsverarbeitung Übungen: Vertiefung von Methoden und Techniken, z.T Aufgaben am Rechner (Nutzung von Simulationsumgebungen) Folienskript, Lehrbücher in englischer Sprache; Vorlesung und Übung in deutscher Sprache Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Praktikum Einübung des Entwurfs und der Analyse kognitiver Systeme an beispielhaften Themen in Gruppenarbeit Themen orientieren sich an den aktuellen Forschungsarbeiten der Gruppe ”Kognitive Systeme” “Forschung im Kleinen”: Vorbereitung auf die Erstellung von Qualifikationsarbeiten (Bachelorarbeit, Masterarbeit oder Diplomarbeit) Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw. Semantischer Informationsverarbeitung oder einer einführenden LV in Künstliche Intelligenz). Erwünscht ist der Besuch weiterer Veranstaltungen im Bereich Kognitive Systeme sowie Interesse am Abfassen einer Qualifikationsarbeit in diesem Bereich. Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Anforderungen im Praktikum Praktikumsarbeit umfasst: Einarbeiten in ein Themengebiet durch Finden und Rezipieren der relevanten wissenschaftlichen Literatur Einordnung des eigenen Themas in den Stand der Forschung und Vortrag vor den Praktikumsteilnehmern Strukturierung der konkreten Arbeit durch Entwicklung eines Arbeits- und Zeitplans Bearbeitung des Themas durch Entwurf und/oder Implementierung von Algorithmen, theoretische Analysen und/oder empirische Evaluation der Algorithmen schriftliche Darstellung (in Form eines wissenschaftlichen Aufsatzes) und mündliche Präsentation der Ergebnisse Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Seminar Thema I: Problemlösen und Planen (WS) Thema II: Reading Club zu aktuellen Themen (Master-Level, SS) Philosophische Grundlagen Kognitiver Systeme (SS) Erarbeiten eines Themenbereichs durch Lesen englischsprachiger Originalarbeiten (sowie evtl. Aneignung zum Verständnis notwendiger Grundlagen über Einführungsliteratur) Illustrieren oder Testen der beschriebenen Ansätze/Algorithmen/Systeme Vorbesprechung, Seminarvortrag (max. 45 min), Ausarbeitung in LaTeX (max. 12 Seiten) Erwünscht: erfolgreiche Teilnahme an KogSysI (bzw. Semantischer Informationsverarbeitung oder einer einführenden LV in Künstliche Intelligenz) sowie weiterer Veranstaltungen im Bereich Kognitive Systeme Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Studienempfehlungen Erst eine oder mehr Vorlesungen dann Projekt, Seminar Besuch von LVs in der Psychologie Berührungen zu anderen Fächern: Kulturinformatik, SEDA Gut kombinierbar mit: Theoretische Informatik, Praktische Informatik Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik Themen in EIDAI Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie Problemlösen und Planen Empirische Forschungsmethoden Gedächtnis und Lernen Analoges und Fallbasiertes Schließen Ute Schmid Einführung in die Angewandte Informatik