Einführung in die Angewandte Informatik

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1 I: Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie Fakultät WIAI, Otto-Friedrich Universität Bamberg Angewandte Informatik/Kognitive Systeme WS 2006/2007

2 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

3 Kognitive Systeme als Interdisziplin Informatik Programmier konzepte Neuro inf. Robotik Logik Formale Sprachen Intelligente Systeme Wissensrepräsentation Inferenz Planen Maschinelles Lernen Bildverarbeitung Sprachverarbeitung Expertensysteme Kognitive Systeme Kognitive Psychologie Wahrnehmung Motivation Denken Lernen Sprache Sensumotorik Emotion Problemlösen Gedächtnis Entscheidung Psychologie empirische Methoden Neuro psych. Entwicklungs psych.

4 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

5 Beispiel Virtuelle Entwurfsumgebung Projekt VIENA, Wachsmuth, Bielefeld, ) Beispiel Innenarchitektur Entwurf via Avatar Hamilton

6 Beispiel Dialog mit Hamilton Move the bowl to the right.

7 Beispiel Dialog mit Hamilton I: intrinsische Sicht (Schreibtisch mit def. Vorderseite) U: deiktische Sicht (Nutzer-Sicht auf Monitor) H: deiktische Sicht (Agent Hamilton)

8 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

9 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

10 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

11 Methoden der Psychologie Psychologie ist eine Erfahrungswissenschaft (vgl. Physik, Biologie,...) Erfahrungswissenschaftliche Methoden: Beobachtung Experiment Beobachtung Experiment Komplexität/Natürlichkeit + - Selektivität/Kausalerklärung - +

12 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 Messer Teller Gabel Tasse

13 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 Messer Teller Löffel Teller Messer Gabel Tasse Gabel Tasse Empirische Vorhersage: Je mehr alternative Modelle existieren, desto länger sind die Antwortzeiten, desto mehr Fehler werden gemacht

14 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.

15 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

16 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

17 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 )

18 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)

19 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

20 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

21 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

22 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.

23 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

24 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

25 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

26 Themen in EIDAI Kognitive Systeme und Kognitive Psychologie Problemlösen und Planen Empirische Forschungsmethoden Gedächtnis und Lernen Analoges und Fallbasiertes Schließen

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