Kausales Schließen in komplexen Systemen. Philippe Büttner

Transkript

1 Kausales Schließen in komplexen Systemen Philippe Büttner

2 Ziel der Arbeit Erforschung der menschlichen Problemlösefähigkeiten und Beschreibung durch formale Modelle Zentrale Fragen Wie wird Kausalwissen kognitiv organisiert? Wie kommt es zur Anwendung? Wie beeinflusst es die Problemlösefähigkeit? 2

3 Methodisches Vorgehen Erste Studie Konditionales Schließen in MMS Modellierung Konstruktion eines kognitiven Modells Zweite Studie Konditionales Schließen bei Einsichtsproblemen Modellerweiterung Replizieren empirischer Daten (zweite Studie) Vorhersage empirischer Daten (Validierung) Validierungsstudie 3

4 Fokus des Vortrags Erste Studie Konditionales Schließen in MMS Modellierung Konstruktion eines kognitiven Modells Zweite Studie Konditionales Schließen bei Einsichtsproblemen Modellerweiterung Replizieren empirischer Daten (zweite Studie) Vorhersage empirischer Daten (Validierung) Validierungsstudie 4

5 Problemraumtheorie (Newell& Simon, 1972) 1. Ausgangszustand 2. Zielzustand 3. Problemraum wird durch mögliche Zwischenzustände definiert, die der Problemlöser erreichen kann. Beispiel: Doppelstockexperiment (Köhler, 1917) in Kognitive Psychologie (Anderson, 2007) 5

6 Wenn allerdings Problemlösen nur darin bestünde, den Problemraum Schritt für Schritt in möglichst günstiger Weise abzusuchen, dann stünde weder zu erwarten, dass Problemlöser an bestimmten Stellen einfach nicht mehr weiter wissen, noch, dass die Lösung aus heiterem Himmel erfolgt. Außerdem kann nicht erklärt werden, wieso manche Probleme, bei denen der Problemraum sehr klein ist (wenige Möglichkeiten zulässt), extrem schwierig zu lösen sind. (Knoblich& Öllinger, 2006, S. 50) 6

7 Vier-Phasen-Modell (Wallas, 1926) Versuch mit einzelnen Stöcken die Banane zu erreichen wendet sich vom Problem ab nach wiederholtem Scheitern Vorbereitungsphase Inkubationsphase Durch das Spielen mit den Stöcken entdeckt er die Eigenschaft des Zusammensteckens Löst das Problem sofort nach der Entdeckung Illuminationsphase Verifikationsphase 7

8 Einsicht Das unmittelbare Erkennen der Zusammenhänge beschreibt Köhler mit dem Begriff Einsicht. Die beobachtbaren Verhaltensqualitäten sind: Plötzlichkeit der Problemlösung, glatter Verlauf einer zum Ziel führenden Handlungsreihe Aha-Erlebnis (Dorsch et al., 1991, S. 163) 8

9 Repräsentationale Veränderungstheorie (Ohlsson, 1984a, 1984b, 1992) Einsicht kann als das Entkommen einer mentalen Sackgasse aufgefasst werden Sackgasse beschreibt den mentalen Zustand der Ratlosigkeit -> subjektive Unlösbarkeit Ursprüngliche Problemrepräsentation beinhaltet keine Möglichkeit der Problemlösung Folge -> Sackgasse Durch unbewusste Prozesse kann eine Sackgasse überwunden werden 9

10 Erweiterte Repräsentationale Veränderungstheorie (Kaplan & Simon, 1990) Anfänglichen Enkodierung werden relevante Aspekte nicht aktiviert Folge -> unvollständiger Problemraum Durch eine Elaboration zuvor ignorierter Aspekte wird der Problemraum vervollständigt Warum werden relevante Aspekte ignoriert? Auf welcher Grundlage könnten Elaborationsprozesse stattfinden? 10

11 mcams(autocams2.0) Simuliert ein Lebenserhaltungssystem Masteralarm Kritische Bereiche Kennwerte (im Normalbereich) Subsystem Zwei-Ventil- Ein-Ventil- Subsystem Ventilsteuerung 11

12 Diagnosefenster 3 mögliche Fehlerkategorien 12

13 Störung Automatik defekt Durch das Steuern der Ventile muss die Ursache der Störung diagnostiziert werden 13

14 Störung Automatik defekt 14

15 Störung Automatik defekt 15

16 Störung Automatik defekt 16

17 Störung Ventil lässt sich nicht öffnen 17

18 Störung Ventil lässt sich nicht öffnen 18

19 Störung Ventil lässt sich nicht öffnen 19

20 Lernen einfacher Zusammenhänge 1. Wenn das Ventil steuerbar ist (es sich also öffnen oder schließen lässt), dann ist die Automatik defekt. 2. Wenn das Ventil nicht manuell steuerbar ist und der Kennwert befindet sich oberhalb des Toleranzbereiches, dann ist es blockiert und lässt sich nicht öffnen. 3. Wenn das Ventil nicht manuell steuerbar ist und der Kennwert befindet sich unterhalb des Toleranzbereiches, dann ist es blockiert und lässt sich nicht schließen. 20

21 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem 21

22 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem 22

23 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem 23

24 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem Es kann vorerst keine Aussage darüber gemacht werden, welche Ursache vorliegt Zwei Ursachen sind möglich 24

25 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem Es können zwei unterschiedliche Ursachen mit identischer Symptomatik erzeugt werden Für die Lösung ist strukturelles Wissen erforderlich Erfordert ebenso Wissen über zwei Interaktionsschritte 25

26 Störungsszenario im Zwei-Ventil-Subsystem 26

27 (Vermeintlich) offensichtliche Ursache Automatik defekt Verborgene Alternativursache Ventil schließt nicht

28 Zweite Studie Probanden der ersten Studie konnten das Störungsszenario des vierten Subsystems nicht lösen Äußere Faktoren konstant halten Wissensstand der Probanden manipulieren (Strategie-versusStrukturwissen) Strategiegruppe (N=15) Erhält Interaktionsschritte Strukturgruppe (N=15) Ventileigenschaften Problemraumtheorie Repräsentationale Veränderungs Theorie 28

29 Versuchsplan Unabhängige Variable Wissensform Strategie (N=15) versus Struktur (N=15) Abhängige Variable Anzahl falscher Diagnosen in Blöcken 1 Block = 6 Trials (3 Auto. defekt + 3 schließt nicht) Ablauf Lernphase: Zwölf Störungen innerhalb Ein-Ventil-Subsysteme Hauptteil: 42 Störungen (7 Blöcke) innerhalb Zwei-Ventil-Subsysteme 29

30 Ergebnisse Strukturgruppe hat signifikant weniger Trials benötigt das Problem zu lösen! t 21,345 =,014; p <,05; g =,971; 1 β=,83 30

31 Diagnoseverhalten der Probanden Häufigkeit Störung Ventil schließt nicht pro Block Häufigkeit der verborgenen Alternativdiagnose im Mittel pro Block 31

32 Kognitive Modellierung versucht für ausgewählte kognitive Leistungen Symbolstrukturen (für Daten und Regeln) anzugeben und zu zeigen, dass mit eben diesen Regeln die zu erklärende kognitive Leistung erbracht werden kann. (Tack, 1995, S.117) Über das Anbinden der kognitiven Architektur (ACT-R) an mcams, wird eine Interaktion ermöglicht Theorien über kognitive Prozesse können getestet werden Verhalten kann statistisch vorhergesagt werden 32

33 Modellierung einer mentalen Sackgasse Basiert auf der Annahme, dass beim Lernen der einfachen Zusammenhänge den Diagnosekategorien Eigenschaften zugesprochen werden Kategorie Auto. defekt schließt nicht öffnet nicht öffnet wahr wahr falsch schließt wahr falsch wahr Bei der Rekonstruktion einer Ursache wird diese nicht zufällig selektiert, sondern nach ihrer ursprünglich erlernten Eigenschaften 33

34 Modellierung einer mentalen Sackgasse Durch die Interaktion wird beobachtet, dass sich beide Ventile vermeintlich öffnen und schließen lassen Die verborgene Alternativursache wird aufgrund ihrer Eigenschaften zunächst ignoriert Der Problemraum ist eingeschränkt Eine vollständige Lösung nicht möglich 34

35 Die Sackgasse überwinden Auffinden der Interaktionsschritte da Störungen sonst nicht voneinander diskriminiert werden können durch schrittweise Suche (Problemraumtheorie) Zusammenhang zwischen Interaktionsschritte und den Ventilanzeigen quantitativer Zuwachs an Wissen nach jedem Trial offensichtliche Ursache wird eindeutig identifiziert 35

36 Zusammenhang zwischen Interaktionsschritte und der offensichtlichen Ursache (chunk chunk-type konditional subname level location step1 step2 valvem1 valvea1 valvem2 valvea2 diagnose result) step1 step2 valvem2 valvea2 diagnose Erster Interaktionsschritt schließen Zweiter Interaktionsschritt Auto Ventilanzeige manuelles Ventil (step2) grün Ventilanzeige Automatik-Ventil (step2) transparent potentielle Ursache Auto. defekt 6 36

37 qualitativer Sprung 37

38 Die Sackgasse überwinden Basiert auf der Annahme, dass weitere Lösungsprozesse initiiert werden, sobald äußere Geschehnisse unerwartet verlaufen. 38

39 Strukturbedingung (a posteriori) r² = 0,997; RMSD = 0,49 39

40 Vorgabe der Strategie (chunk chunk-type konditional subname level location step1 step2 valvem1 valvea1 valvem2 valvea2 diagnose result) step1 step2 Ventile schließen Automatik 40

41 Expertenbedingung (a priori) erhielt Struktur- und Strategiewissen r² = 0,97; RMSD = 0,47 41

42 Strategiebedingung (a posteriori) r² = 0,983; RMSD = 0,44 42

43 Kontrollbedingung (a priori) erhielt weder Struktur- noch Strategiewissen r² = 0,97; RMSD = 0,52 43

44 Wie entsteht eine mentale Sackgasse? Attribuierung als Lernprozess Bei der Beobachtung kausaler Ereignisse, werden den in diesem Zusammenhang stehenden Dingen Eigenschaften zugesprochen. 44

45 Wie entsteht eine mentale Sackgasse? Attribuierung als Lernprozess Bei der Beobachtung kausaler Ereignisse, werden den in diesem Zusammenhang stehenden Dingen Eigenschaften zugesprochen. Aktivierung als Lösungsprozess Die Eigenschaften bzw. Attribute dienen der späteren Rekonstruktion möglicher Ursachen eines Ereignisses Mentale Sackgasse Für die Lösung relevante Aspekte werden genau dann ignoriert, wenn ihre Attribute entweder unbekannt sind oder nicht mit den geforderten Prämissen übereinstimmen. 45

46 Wie überwindet man eine mentale Sackgasse? Das Faktenwissen bzw. das Weltwissen muss verändert werden. Schwierigkeit liegt darin, dass dies Chunksbetrifft, die nicht Teil der Repräsentation selbst sind. Sie müssen erst ausfindig gemacht werden Attribute eines Chunksmüssen so verändert werden, dass das im Chunkrepräsentierte Konzept als solches noch plausibel bleibt. Häufigkeit der Aktivierung repräsentierte Struktur passt sich der Problemstruktur näherungsweise an zuvor ignorierte Chunks werden isoliert betrachtet 46

47 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 47

48 Literatur Anderson, J. R. (2007): Kognitive Psychologie. 6. Aufl. Spektrum, Heidelberg. Dorsch, F., Häcker, H. O. & Stapf, K.-H. (1991): Psychologisches Wörterbuch. Hans Huber, Bern. Kaplan, C. A. & Simon, H. A. (1990): In Searchof Insight. In: Cognitive Psychology, 22: Knoblich, G. & Öllinger, M. (2006): Einsicht und Umstrukturierung beim Problemlösen. In: Funke, J. (Hg.), Denken und Problemlösen, Enzyklopädie der Psychologie C/II/8, Hogrefe, Göttingen. Köhler, W. (1973): Intelligenzprüfungen an Menschenaffen: Mit einem Anhang: Zur Psychologie des Schimpansen. Springer, Berlin. Newell, A. & Simon, H. A. (1972): Human Problem Solving. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Ohlsson, S. (1984a): Restructuringrevisited: I0. Summaryand critiqueof thegestalt theory of problem solving. In: Scandinavian Journal of Psychologie, 25: Ohlsson, S. (1984b): Restructuringrevisited: II. An informationprocessingtheoryof restructuring and insight. In: Scandinavian Journal of Psychologie, 25: Ohlsson, S. (1992): Information-processing explanations of insight and related phenomena. In: Keane, M. T. & Gilhooly, K. J. (Hg.), Advances in the psychologie of thinking, Harvester-Wheatsheaf, London. Wallas, G. (1926): The art of thought. Harcourt Brace Jovanovich, New York. 48

49 Problemlösen bei linksseitiger Hemisphärendominanz Rausch (1977): Rechtshemisphärischer Schädigung halten an Strategien fest, auch wenn sich diese als falsch erweisen Linkshemisphärischer Schädigung wechseln ständig Strategien, auch wenn diese sich bereits bewährt haben Fiore& Schooler(1998): Rechter Hemisphäre wird eine besondere Bedeutung bei der Lösung von Einsichtsproblemen zugeschrieben Rausch, R. (1977): Cognitive strategies in patients with unilateral temporal lobe excisions. In: Neuropsychologia, 15(3): Fiore, S. M. & Schooler, J. W. (1998): Right HemisphereContributionsto CreativeProblem Solving: ConvergingEvidenceforDivergent Thinking. In: Beeman, M. J. & Chiarello, C. (Hg.), Right Hemisphere Language Comprehension: Perspectives From Cognitive Neuroscience, Psychology Press. 49

50 Diagnosekategorien: Auto. defekt öffnet nicht schließt nicht 50

51 Ergebnisse Exp1 und Modell 1 51

52 Spreading Activation Collins & Loftus (1975): Durch Primingwerden verwandte Worte schneller erkannt, wie z.b. Urlaub und Ferien, anstatt Urlaub und Tisch Netwerkmodell Konzepte über Knoten vernetzt Assoziationsstärke hängt von der Anzahl der Eigenschaften ab, die sie miteinander teilen 52

53 Neun-Punkte-Problem (Scheerer, 1963) Problemstellung: Verbinden Sie alle neun Punkte mit vier geraden Linien ohne den Stift abzusetzen 53

54 Mögliche Lösungen: 54

55 Das unvollständige Schachbrett (Wickelgren, 1974) Ist ein vollständiges Bedecken der Felder mit 31 Dominosteinen, die immer zwei benachbarte Felder überdecken, möglich? 55

56 Kaplan & Simon (1990) Anfängliche Repräsentation repräsentiert einen Problemraum mit Millionen von Möglichkeiten Das jedoch 30 Felder weiß und 32 Felder schwarz sind wird anfänglich nicht repräsentiert Problemlöser benutzen Heuristiken, um Invarianten unterschiedlicher Repräsentationen aufzudecken 56

57 Einsicht (Dorsch et al., 1991, S. 163) Einsicht, das unmittelbare Verstehen eines Sachverhalts, das Erkennen der Zusammenhänge, der Ursachen und Wirkungen eines Geschehens und einer Handlung. Einsichtiges Verhalten ist das einer Aufgabe angepasste Verhalten. Die beobachtbaren Verhaltensqualitäten der E. sind nach Köhler: Plötzlichkeit der Problemlösung, glatter Verlauf einer zum Ziel führenden Handlungsreihe, Verhaltens- und Ausdrucksänderung kurz vor der eigentlichen Endhandlung (das Aha-Erlebnis begleitend), subjektive Neuartigkeit der Problemlösung. 57