認知科學

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認知科學是20世紀世界科學標誌性的新興研究門類,它作為探究人腦或心智工作機制的前沿性尖端學科,已經引起了全世界科學家們的廣泛關注。一般認為認知科學的基本觀點最初散見40年代到50年代中的一些各自分離的特殊學科之中,60年代以後得到了較大的發展。

認知科學是一門相當年輕的學科,然而卻為揭示人腦的工作機制這一最大的宇宙之謎作出了不可磨滅的貢獻。

近年來,在大腦處理信息整體運作機制研究方面有了一些新的進展,如近年發表的《大腦處理信息量化模型和細節綜合報告》等一系列論文綜合整理分析已有的各層面的知識,建立有堅實解剖學基礎、能聯繫各層面、量化描述大腦信息處理過程的模型和框架用量化模型結合結構風險最小化相關理論分析說明時序控制作用對大腦高效可靠處理信息的意義;匯總介紹量化模型中的細節;分析了大腦能正確而高效處理信息,使智力能夠誕生的原因;分析了理論建立和套用過程的神經生理學原理、只能有相對真理的神經生理學原因;還建立和介紹了另外一種量化分析方案等。

  • 中文名稱
    認知科學
  • 外文名稱
    Cognitive Science

簡介

認知科學專家:鄭南寧認知科學專家:鄭南寧

認知科學是20世紀世界科學標志性的新興研究門類,它作為探究人腦或心智工作機製的前沿性尖端學科,已經引起了全世界科學家們的廣泛關註。一般認為認知科學的基本觀點最初散見40年代到50年代中的一些各自分離的特殊學科之中,60年代以後得到了較大的發展。根據奧爾登大學認知科學研究所所長席勒爾(E.Sheener)的意見,“認知科學”(CognitiveScience)一詞于1973年由朗蓋特•系金斯開始使用,20世紀70年代後期才逐漸流行。1975年,“斯隆基金會”(AlfredP.SloanFoundation,系紐約市的一個私人科研資助機構)開始考慮對認知科學的跨學科研究計畫給予支持,該基金會的資助一直持續至今,對這門新學科的製度化起了重要的作用。因為斯隆基金會通過組織第一次認知科學會議並確立研究方案,在推動認知科學方面起了決定性作用。

爭論

認知科學尚未成熟,作為一個獨立的學科,也尚未得到足夠的統一和整合。對于什麽是認知科學,也還存在著很大的分歧。1978年10月1日,“認知科學現狀委員會”遞交斯隆基金會的報告,(席勒爾,仕琦譯,1989)把認知科學定義為“關于智慧型實體與它們的環境相互作用的原理的研究”。然後,該報告作者們沿著兩個方向展開這一定義。第一個是外延的:列舉了人認知科學的分支領域以及它們之間的交叉聯系。列舉的分支領域有電腦科學、心理學、哲學、語言學、人類學和神經科學。第二種展開是內涵的,指出共同的研究目標是“發現心智的表征和計算能力以及它們在人腦中的結構和功能表示”。以上對認知科學的界定集中體現了“符號處理”或“信息處理”範式,但是隨著20世紀80年代中期聯結主義重新崛起之後,關于認知科學的定義也就出現了及其微妙的變化。但是,符號主義和聯結主義二者的爭執主要影響到的認知科學定義的內涵,而對其外延卻是沒有什麽影響的,因為這兩種範式都能包含上面所提及的認知科學的分支學科。

主要內容

認知科學相關書籍認知科學相關書籍

對認知科學範圍的了解,還可以從認知科學的內容上來看,到目前為止認知科學所涉及的主要內容,有感知覺(包括模式識別)、註意、記憶、語言、思維與表象、意識等。這似乎都是心理學家們所關註的問題,但其實也同樣是哲學家語言學家、電腦科學家、神經生理學家、人類學家們所關心的內容。隻是不同專業背景的研究者,對這些同一個問題,所採取的具體研究方法不同罷了。我國學者李伯約指出,人工智慧認知心理學心理語言學是認知科學的核心學科,神經科學、人類學和哲學是認知科學的外圍學科。

由于認知系統的復雜性,對它要進行多維度的研究,認知科學需要運用多門學科所使用的工具和方法,從完整的意義上對認知系統進行全方位的綜合研究。可以說,認知科學迄今為止所取得的成就,是與其跨學科的研究方法緊密聯系在一起的。但是跨學科的研究方法,也給認知科學帶來了不少問題和挑戰。

認知科學是研究人類感知和思維信息處理過程的科學,包括從感覺的輸入到復雜問題求解,從人類個體到人類社會的智慧型活動,以及人類智慧型和機器智慧型的性質。認知科學是現代心理學、信息科學、神經科學、數學、科學語言學、人類學乃至自然哲學等學科交叉發展的結果。

認知科學的興起和發展標志著對以人類為中心的認知和智慧型活動的研究已進入到新的階段。認知科學的研究將使人類自我了解和自我控製,把人的知識和智慧型提高到空前未有的高度。生命現象錯綜復雜,許多問題還沒有得到很好的說明,而能從中學習的內容也是大量的、多方面的。如何從中提煉出最重要的、關鍵性的問題和相應的技術,這是許多科學家長期來追求的目標。要解決人類在21世紀所面臨的許多困難,諸如能源的大量需求、環境的污染、資源的耗竭、人口的膨脹等笛單靠現有的科學成就是很不夠的。必須向生物學習,尋找新的科技發展的道路。

知覺

知覺信息的表達是知覺研究的基本問題,是研究其它各個層次認知過程的基礎。知覺過程是從那裏開始的?外在物理世界的那些變數具有心理學的知覺意義?作為知覺的計算模型計算的對象是什麽?這些圍繞知覺信息表達的問題是建立任何知覺和跟知覺有關的學說和理論模型,無論是人類的還是電腦的,都必須首先回答的問題。知覺信息表達的研究可以有不同層次的問題,包括諸如知覺組織的問題、知覺學習的問題、知覺動態記憶的問題、以及面孔識別的問題等。

將在計算理論層次、腦的知識表達層次和電腦實現層次上,把認知神經科學實驗研究和電腦視覺研究結合起來,將對上述科學問題提出嶄新的理論(或思想)和解決的方法。

學習

學習是基本的認知活動,是經驗與知識的積累過程,也是對外部事物前後關聯地把握和理解的過程,以便改善系統行為的性能。

學習的神經生物學基礎是神經細胞之間的聯系結構突觸的可塑性變化,已成為當代神經科學中一個十分活躍的研究領域。突觸可塑性條件即在突觸前纖維與相聯的突後細胞同時興奮時,突觸的連線加強。1949年,加拿大心理學家Hebb提出了Hebb學習規則,他構想在學習過程中有關的突觸發生變化,導致突觸連線的增強和傳遞效能的提高。Hebb學習規則成為連線學習的基礎。神經網路是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛並行互連的網路。Kohonen提出自組織對應網路。Haken根據協同形成結構,競爭促進發展的規律,將協同的非線性動力理論與神經網路有機結合,提出了協同聯想記憶網路。Amari提出用微分流形和統計推理來研究神經網路。在Amari理論的基礎上史忠植等提出了一種神經場模型,由場組織模型和場效應模型構成。

感知學習是發生在感知水準上的學習,主要研究如何從低級的感測器輸入的原始資料獲取相關的抽象資料。感知學習主要考慮通過視覺和聽覺的學習,研究從非結構與半結構信息到結構信息變換方法,研究圖像的語義描述及其快速提取技術,研究感知學習中的註意機製與元認知等。

認知學習理論認為在人的行為背後都有一個相應的思維過程,行為的變化是可觀察的,並且通過行為的變化也可以推斷出學習者內心的活動。在認知學習理論中,如Ausubel提出的有意義學習理論(又稱同化理論),其核心思想是獲得新信息主要取決于認知結構中已有的有關觀念;意義學習是通過新信息與學習者認知結構中已有的概念相互作用才得以發生;由于這種相互作用的結果,導致了新舊知識意義的同化。Gagne提出的信息加工學習理論則將學習過程類比成電腦的信息加工過程,學習結構由感受登記器、短時記憶、長時記憶、控製器、輸出系統組成,認知過程可分為選擇性接收、監控、調節、復述、重構。在這個信息加工過程中,非常關鍵部分是執行控製和期望。執行控製是指已有的學習經驗對當前學習過程的影響,期望是指動機系統對學習過程的影響,整個學習過程都是在這兩個部分的作用下進行的。

內省學習是一種自我反思、自我觀察、自我認識的學習過程。在領域知識和範例庫的支持下,系統能夠自動進行機器學習演算法的選擇和規劃,更好進行海量信息的知識發現。

內隱學習就是無意識獲得刺激環境復雜知識的過程。在內隱學習中,人們並沒有意識到或者陳述出控製他們行為的規則是什麽,但卻學會了這種規則。在80年代中期之後,內隱學習成了心理學界、尤其是學習和認知心理領域最熱門和最受關註的課題,成了將對認知心理學的發展產生深遠影響的最重要課題之一。內隱學習具有以下三個特點:

內隱知識能自動地產生,無需有意識地去發現任務操作的外顯規則;

內隱學習具有概括性,很容易概括到不同的符號集合;

內隱學習具有無意識性,內隱獲得的知識一般不能用語言系統表達出來。

語言

人類進化過程中,語言的使用使大腦兩半球功能分化。語言半球的出現使人類明顯有別于其他靈長類。一些研究表明,人腦左半球同串列的、時序的、邏輯分析的信息處理有關,而右半腦同並行的、形象的、非時序的信息處理有關。

語言是以語音為外殼、以辭彙為材料、以文法為規則而構成的體系。語言通常分為口語和文字兩類。口語的表現形式為聲音,文字的表現形式為形象。口語遠較文字古老,個人學習語言也是先學口語,後學文字。

語言是最復雜、最有系統、而套用又最廣的符號系統。語言符號不僅表示具體的事物、狀態或動作,而且也表示抽象的概念。漢語以其獨特的詞法和句法體系、文字系統和語音聲調系統而顯著區別于印歐語言,具有音、形、義緊密結合的獨特風格。概念是反映事物的特有屬性的思維形態,概念與語詞有密切的聯系。概念的產生和存在,必須依附于語詞。語詞所以能夠表示其它事物,就是由于人們頭腦中有相應的概念。所以,語詞是概念的語言形式,概念是語詞的思想內容。

從神經、認知和計算三個層次上研究漢語,給予我們開啓智慧型之門極好的機遇。漢語的認知心理學研究已有多年歷史,取得了世界一流的研究成果。但這些研究多側重于漢字與辭彙,對更高層次的句法和語句加工尚需深入探討。對整個言語鏈的研究還不夠系統,特別是對腦的語言加工機製知之不多。在智慧型系統領域,我國對漢語電腦信息處理極為重視,曾投入大量資金,支持計算語言學機器翻譯自然語言理解系統的研究和開發,取得了一大批重要成果。但就整體而言,語言信息的智慧型處理存在許多懸而未決的問題,其解決必須需要以認知科學的研究為基礎,以新的理論為指導才有可能取得突破。

1991年Mayeux和Kandel在Wernicke-Geschwind模型基礎上提出新的語言信息處理模型。聽覺輸入的語言信息由聽皮層傳至角回,然後至Wernicke區,再傳到Broca區。視覺輸入的語言信息直接從視覺聯合皮層傳至Broca區。對一個詞的視知覺與聽知覺是由感覺模式不同的通路相互獨立地處理的。這些通路各自獨立地到達Broca區,以及與語言含義和語言表達相關的更高級區域。大腦中語言處理通路的每一步工作機理都有待深入研究。

數學方法研究語言,尋找語言結構的形式、模型和公式,使語言的文法規則能象數學符號和公式一樣具有系統化、形式化的特點,可以用來生成無限的句子。美國著名語言學家Chomsky于1956提出了語言的形式文法,為語言信息處理建立了理論基礎。1996年,Yip和Sussman提出在語音學規則中使用雙向約束傳播機理,可以解釋神經水準的聽覺信號怎樣對應思維層次的符號。

值得一提的是,機器翻譯涉及語言學電腦科學認知科學數學等多個學科,是一門前沿交叉學科。這一充滿挑戰的研究領域,被列為21世紀世界十大科技難題的第一位。不過就已有的成就來看,機譯系統的譯文質量離終極目標仍相差甚遠;而機譯質量是機譯系統成敗的關鍵。

中國數學家、語言學家周海中教授曾在論文《機器翻譯五十年》中指出:要提高機譯的質量,首先要解決的是語言本身問題而不是程式設計問題;單靠若幹程式來做機譯系統,肯定是無法提高機譯質量的。另外,在人類尚未明了人腦是如何進行語言的模糊識別和邏輯判斷的情況下,機譯要想達到“信、達、雅”的程度是不可能的。這些都是製約機譯質量提高的瓶頸。

記憶

記憶是人腦對過去經驗中發生過的事物的反映,是新獲得行為的保持。由于記憶,人才能保持過去的反映,使當前的反映在以前反映的基礎上進行,使反映更全面、更深入。也就是有了記憶,人才能積累經驗,擴大經驗。

人類記憶有三種類型:感覺記憶、短時記憶和長時記憶。刺激作用停止後,它的影響並不立刻消失,可以形成後象。視覺後象最為明顯。後象可以說是最直接、最原始的記憶。後象隻能存在很短的時間,如最鮮明的視覺後象也不過持續幾十秒鍾,這就是感覺記憶。短時記億的時間間隔比感覺記憶的要長些。但是,存儲材料的時間也隻有一分鍾左右,或者甚至更短些。長時記憶是指保持時間在一分鍾以上信息存儲。人類的記憶可以分為過程記憶和命題記憶。過程記憶是保持有關操作的技能,主要由知覺運動技能和認知技能組成。命題記憶是存儲用符號表示的知識,反映事物的實質。命題記憶更進一步分為情景記憶和語義記憶。前者是存儲個人發生的事件和經驗的記憶形式。後者是存儲個人理解的事件的本質的知識,即記憶關于世界的知識。

1974年,Baddeley和Hitch在模擬短時記憶障礙的實驗基礎上提出了工作記憶的三系統概念,用“工作記憶”代替了原來“短時記憶”的概念。Baddeley認為工作記憶指的是一種系統,它為復雜的任務比如言語理解、學習和推理等提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息,工作記憶系統能同時儲存和加工信息,這和短時記憶概念僅強調儲存功能是不同的。工作記憶分成三個子成分,分別是中樞執行系統、視空初步加工系統和語音環路。大量行為研究和神經心理學上的許多證據表明了三個子成分的存在,有關工作記憶的結構和作用形式的認識也在不斷地豐富和完善。人們發現工作記憶與語言理解能力、註意及推理等聯系緊密,工作記憶蘊藏智慧型的玄機。

研究

認知科學是研究人類感知和思維信息處理過程的科學,包括從感覺的輸入到復雜問題求解,從人類個體到人類社會的智慧型活動,以及人類智慧型和機器智慧型的性質。認知科學是現代心理學、信息科學、神經科學、數學、科學語言學、人類學乃至自然哲學等學科交叉發展的結果。

認知科學的興起和發展標志著對以人類為中心的認知和智慧型活動的研究已進入到新的階段。認知科學的研究將使人類自我了解和自我控製,把人的知識和智慧型提高到空前未有的高度。生命現象錯綜復雜,許多問題還沒有得到很好的說明,而能從中學習的內容也是大量的、多方面的。如何從中提煉出最重要的、關鍵性的問題和相應的技術,這是許多科學家長期來追求的目標。要解決人類在21世紀所面臨的許多困難,諸如能源的大量需求、環境的污染、資源的耗竭、人口的膨脹等笛單靠現有的科學成就是很不夠的。必須向生物學習,尋找新的科技發展的道路。

其它信息

知覺信息的表達和處理

知覺信息的表達是知覺研究的基本問題,是研究其它各個層次認知過程的基礎。知覺過程是從那裏開始的?外在物理世界的那些變數具有心理學的知覺意義?作為知覺的計算模型計算的對象是什麽?這些圍繞知覺信息表達的問題是建立任何知覺和跟知覺有關的學說和理論模型,無論是人類的還是電腦的,都必須首先回答的問題。知覺信息表達的研究可以有不同層次的問題,包括諸如知覺組織的問題、知覺學習的問題、知覺動態記憶的問題、以及面孔識別的問題等。

將在計算理論層次、腦的知識表達層次和電腦實現層次上,把認知神經科學實驗研究電腦視覺研究結合起來,將對上述科學問題提出嶄新的理論(或思想)和解決的方法。

知覺信息的表達和處理

知覺信息的表達是知覺研究的基本問題,是研究其它各個層次認知過程的基礎。知覺過程是從那裏開始的?外在物理世界的那些變數具有心理學的知覺意義?作為知覺的計算模型計算的對象是什麽?這些圍繞知覺信息表達的問題是建立任何知覺和跟知覺有關的學說和理論模型,無論是人類的還是電腦的,都必須首先回答的問題。知覺信息表達的研究可以有不同層次的問題,包括諸如知覺組織的問題、知覺學習的問題、知覺動態記憶的問題、以及面孔識別的問題等。

將在計算理論層次、腦的知識表達層次和電腦實現層次上,把認知神經科學實驗研究和電腦視覺研究結合起來,將對上述科學問題提出嶄新的理論(或思想)和解決的方法。

學習提升智慧型

學習是基本的認知活動,是經驗與知識的積累過程,也是對外部事物前後關聯地把握和理解的過程,以便改善系統行為的性能。學習的神經生物學基礎是神經細胞之間的聯系結構突觸的可塑性變化,已成為當代神經科學中一個十分活躍的研究領域。突觸可塑性條件即在突觸前纖維與相聯的突後細胞同時興奮時,突觸的連線加強。1949年,加拿大心理學家Hebb提出了Hebb學習規則,他構想在學習過程中有關的突觸發生變化,導致突觸連線的增強和傳遞效能的提高。Hebb學習規則成為連線學習的基礎。神經網路是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛並行互連的網路。Kohonen提出自組織對應網路。Haken根據協同形成結構,競爭促進發展的規律,將協同的非線性動力理論與神經網路有機結合,提出了協同聯想記憶網路。Amari提出用微分流形和統計推理來研究神經網路。在Amari理論的基礎上史忠植等提出了一種神經場模型,由場組織模型和場效應模型構成。

感知學習是發生在感知水準上的學習,主要研究如何從低級的感測器輸入的原始資料獲取相關的抽象資料。感知學習主要考慮通過視覺和聽覺的學習,研究從非結構與半結構信息到結構信息變換方法,研究圖像的語義描述及其快速提取技術,研究感知學習中的註意機製與元認知等。

認知心理學家

認知心理學是最新的心理學分支之一,從1950至1960年代間才發展出來的,到70年代成為西方心理學的主要流派。1956年被認為是認知心理學史上的重要年份。這一年幾項心理學研究都體現了心理學的信息加工觀點。如Chomsky的語言理論和紐厄爾(Alan Newell)和西蒙(Herbert Alexander simon)的“通用問題解決者”模型。“認知心理學”第一次在出版物出現是在1967年Ulrich Neisser的新書。而唐納德·布羅德本特于1958年出版的《知覺與傳播》一書則為認知心理學取向立下了重要基礎。此後,認知心理取向的重點便在唐納德·布羅德本特所指出的認知的訊息處理模式--一種以心智處理來思考與推理的模式。因此,思考與推理在人類大腦中的運作便像電腦軟體在電腦裏運作相似。認知心理學理論時常談到輸入、表征、計算或處理,以及輸出等概念。

1.喬治·米勒

喬治·米勒 [George Armitage Miller 1920.02.03],出生在美國西弗吉尼亞州的查爾斯頓,是普林斯頓大學的心理學教授。曾經擔任洛克斐勒大學、麻省理工學院心理學教授以及哈佛大學心理學系主任。他也是牛津大學的Fulbright 研究伙伴,以及美國心理學會會長。他最著名的著作是《神奇的數位 7 +/- 2;我們信息加工能力的局限》,1956年發表于《心理學評論》(The Psychological Review)。

2.奈瑟

Ulric Neisser:奈瑟爾(1928-2012),美國認知心理學家,1967年著《認知心理學》一書,標志著認知心理學的開始。他的主要研究興趣是記憶、智力以及自我概念。他對自然環境下關于生活事件的記憶和個體、群體在測驗成績上的差異的研究十分著名。1984年當選為國家科學院院士。

Ulric(迪克)奈瑟爾“是”認知心理學之父“,倡導生態的方法來認知研究。奈瑟是一個輝煌的合成不同的想法和發現。他是一個優雅的,明確的,有說服力的作家。奈瑟也一個勁兒創意的研究,不斷努力,發明的方法,探討的重要問題。在他的整個職業生涯中,,奈瑟仍然是冠軍的劣勢,頑固不化的革命 - 他的目標是推動心理學在正確的方向。此外,迪克是一個終身的棒球迷,一個具有挑戰性的導師,和一個很好的朋友。

3.司馬賀(西蒙)

司馬賀教授作為認知科學與人工智慧的創始人之一,在電腦科學與心理學的結合方面做出了卓越的貢獻,使認知心理學和電腦科學相結合產生了人工智慧這一新學科,被譽為“人工智慧之父”。與A.紐威爾等提出的“物理符號系統”假設從信息加工的觀點研究人類思維,推動了人工智慧的發展。

與E.A.費根鮑姆等人利用啓發方式設計了EPAM程式,並和紐威爾設計了GPS程式,提出手段-目的分析等,為電腦模擬人的思維活動提供了具體的幫助。對經濟組織內的決策程式進行了開創性研究,建立起決策理論,獲諾貝爾經濟學獎。

1994年當選為中國科學院外籍院士。因仰慕中國文化而取中文名字為司馬賀。

3.托爾文

Endel Tulving:托爾文(1927- ),加拿大認知心理學家,在人類記憶方面的研究世界著名。他將長時記憶分為情景記憶語義記憶,並認為記憶的存儲和提取是兩個彼此獨立的功能。1983年獲美國心理學會頒發的傑出科學貢獻獎,1988年當選為國家科學院院士。

4.唐納德·布羅德本特

唐納德·布羅德本特(Donald E. Broadbent,1926年5月6日-1993年4月19日)是一位英國著名實驗心理學家。他的研究工作成為第二次世界大戰前弗雷德裏克·巴特萊特爵士的方法與戰爭期間套用心理學發展之間的橋梁,從1960年代末以後又以認知心理學著稱。

1926年5月6日,唐納德·布羅德本特出生在英格蘭城市伯明翰。他就讀于劍橋大學,在1958年擔任套用心理學研究所主管,該研究所隸屬于英國醫學研究院,由巴特萊特建立于1944年,盡管研究所大部分工作都是關于軍事或工業套用問題,布羅德本特還是很快以其理論研究出名。當學術界開始使用數位電腦時,他首先將其類推到人類的認知活動,發展了選擇性註意短時記憶理論。

在每年的英國心理學會年會上,都舉行布羅德本特演講。

其它詞條