Kognitive Modellierung: Menschliche Wissensrepräsentation und Verarbeitungsstrategien

In diesem Kapitel wird Kognitive Modellierung als ein interdisziplinäres Forschungsgebiet vorgestellt, das sich mit der Entwicklung von computerimplementierbaren Modellen beschäftigt, in denen wesentliche Eigenschaften des Wissens und der Informationsverarbeitung beim Menschen abgebildet sind. Nach einem allgemeinen Überblick über Zielsetzungen, Methoden und Vorgehensweisen, die sich auf den Gebieten der kognitiven Psychologie und der Künstlichen Intelligenz entwickelt haben, sowie der Darstellung eines Theorierahmens werden vier Modelle detaillierter besprochen: In einem I>crnmodcll, das in einem Intelligenten Tutoriellen System Anwendung findet und in einem Performanz-Modell der MenschComputer-Interaktion wird menschliches Handlungswissen beschrieben. Die beiden anderen Modelle zum Textverstehen und zur flexiblen Gedächtnisorganisation beziehen sich demgegenüber vor allem auf den Aufbau und Abruf deklarativen Wissens. Abschließend werden die vorgestellten Modelle in die historische Entwicklung eingeordnet. Möglichkeiten und Grenzen der Kognitiven Modellierung werden hinsichtlich interessant erscheinender Weiterentwicklungen diskutiert. 1. Einleitung und Überblick Das Gebiet der Künstlichen Intelligenz wird meist unter Bezugnahme auf ursprünglich nur beim Menschen beobachtetes Verhalten definiert. So wird die Künstliche Intelligenz oder KI als die Erforschung von jenen Verhaltensabläufen verstanden, deren Planung und Durchführung Intelligenz erfordert. Der Begriff Intelligenz wird dabei unter Bezugnahme auf den Menschen vage abgegrenzt |Siekmann_83,Winston_84]. Da auch Teilbereiche der Psychologie, vor allem die Kognitive Psychologie, Intelligenz und Denken untersuchen, könnte man vermuten, daß die KI-Forschung als die jüngere Wissenschaft direkt auf älteren psychologischen Erkenntnissen aufbauen würde. Obwohl K I und kognitive Psychologie einen ähnlichen Gegenstandsbereich erforschen, gibt es jedoch auch vielschichtige Unterschiede zwischen beiden Disziplinen. Daraus läßt sich möglicherweise erklären, daß die beiden Fächer bislang nicht in dem Maß interagiert haben, wie dies wünschenswert wäre. 1.1 Unterschiede zwischen KI und Kognitiver Psychologie Auch wenn keine klare Grenze zwischen den beiden Gebieten gezogen werden kann, so müssen wir doch feststellen, daß K I nicht gleich Kognitiver Psychologie ist. Wichtige Unterschiede bestehen in den primären Forschungszielen und Methoden, sowie in der Interpretation von Computermodellen (computational models). Zielsetzungen und Methoden Während die K I eine Modellierung von Kompetenzen anstrebt, erforscht die Psychologie die Performanz des Menschen. • Die K I sucht nach Verfahren, die zu einem intelligenten Verhalten eines Computers fuhren. Beispielsweise sollte ein Computer natürliche Sprache verstehen, neue Begriffe lernen können oder Expertenverhalten zeigen oder unterstützen. Die K I versucht also, intelligente Systeme zu entwickeln und deckt dabei mögliche Prinzipien von Intelligenz auf, indem sie Datenstrukturen und Algorithmen spezifiziert, die intelligentes Verhalten erwarten lassen. Entscheidend ist dabei, daß eine intelligente Leistung im Sinne eines Turing-Tests erbracht wird: Eine Implementierung des Algorithmus soll für eine Menge spezifizierter Eingaben (z. B . gesprochene Sprache) innerhalb angemessener Zeit die vergleichbare Verarbeitungsleistung erbringen wie der Mensch. Der beobachtete Systemoutput von Mensch und Computer wäre also oberflächlich betrachtet nicht voneinander unterscheidbar [Turing_63]. Ob die dabei im Computer verwendeten Strukturen, Prozesse und Heuristiken denen beim Menschen ähneln, spielt in der K I keine primäre Rolle. • Die Kognitive Psychologie hingegen untersucht eher die internen kognitiven Verarbeitungsprozesse des Menschen. Bei einer psychologischen Theorie sollte also auch das im Modell verwendete Verfahren den Heuristiken entsprechen, die der Mensch verwendet. Beispielsweise wird ein Schachprogramm nicht dadurch zu einem psychologisch adäquaten Modell, daß es die Spielstärke menschlicher Meisterspieler erreicht. Vielmehr sollten bei einem psychologischen Modell auch die Verarbeitungsprozesse von Mensch und Programm übereinstimmen (vgl. dazu [deGroot_66]).Für psychologische Forschungen sind daher empirische und gezielte experimentelle Untersuchungen der menschlichen Kognition von großer Bedeutung. In der K I steht die Entwicklung und Implementierung von Modellen im Vordergrund. Die kognitive Psychologie dagegen betont die Wichtigkeit der empirischen Evaluation von Modellen zur Absicherung von präzisen, allgemeingültigen Aussagen. Wegen dieser verschiedenen Schwerpunkt Setzung und den daraus resultierenden unterschiedlichen Forschungsmethoden ist es für die Forscher der einen Disziplin oft schwierig, den wissenschaftlichen Fortschritt der jeweils anderen Disziplin zu nutzen [Miller_78]. Interpretation von Computermodellen Die K I ist aus der Informatik hervorgegangen. Wie bei der Informatik bestehen auch bei der K I wissenschaftliche Erkenntnisse darin, daß mit ingenieurwissenschaftlichen Verfahren neue Systeme wie Computerhardund -Software konzipiert und erzeugt werden. Die genaue Beschreibung eines so geschaffenen Systems ist für den Informatiker im Prinzip unproblematisch, da er das System selbst entwickelt hat und daher über dessen Bestandteile und Funktionsweisen bestens informiert ist. Darin liegt ein Unterschied zu den empirischen Wissenschaften wie der Physik oder Psychologie. Der Erfahrungswissenschaftler muß Objektbereiche untersuchen, deren Gesetzmäßigkeiten er nie mit letzter Sicherheit feststellen kann. Er m u ß sich daher Theorien oder Modelle über den Untersuchungsgegenstand bilden, die dann empirisch überprüft werden können. Jedoch läßt sich durch eine noch so große Anzahl von Experimenten niemals die Korrektheit eines Modells beweisen [Popper_66]. E in einfaches Beispiel kann diesen Unterschied verdeutlichen. • E in Hardwarespezialist, der einen Personal Computer gebaut hat, weiß, daß die Aussage "Der Computer ist mit 640 K B Hauptspeicher bestückt" richtig ist, weil er ihn eben genau so bestückt hat. Dies ist also eine feststehende Tatsache, die keiner weiteren Überprüfung bedarf. • Die Behauptung eines Psychologen, daß der menschliche Kurzzeitoder Arbeitsspeicher eine Kapazität von etwa 7 Einheiten oder Chunks habe, hat jedoch einen ganz anderen Stellenwert. Damit wird keinesfalls eine faktische Behauptung über die Größe von Arealen im menschlichen Gehirn aufgestellt. "Arbeitsspeicher" wird hier als theoretischer Term eines Modells verwendet. Mit der Aussage über die Kapazität des Arbeitsspeichers ist gemeint, daß erfahrungsgemäß Modelle, die eine solche Kapazitätsbescfiränkung annehmen, menschliches Verhalten gut beschreiben können. Dadurch wird jedoch nicht ausgeschlossen, daß ein weiteres Experiment Unzulänglichkeiten oder die Inkorrektheit des Modells nachweist. In den Erfahrungswissenscharten werden theoretische Begriffe wie etwa Arbeitsspeicher innerhalb von Computermodellen zur abstrahierten und integrativen Beschreibung von empirischen Erkenntnissen verwendet. Dadurch können beim Menschen zu beobachtende Verhaltensweisen vorhergesagt werden. Aus der Sichtweise der Informatik bezeichnen genau die gleichen Tcrme jedoch tatsächliche Komponenten eines Geräts oder Programms. Diese unterschiedlichen Sichtweisen der gleichen Modelle verbieten einen unkritischen und oberflächlichen Informationstransfer zwischen K I und Kognitiver Psychologie. Aus der Integration der Zielsetzungen und Sichtweisen ergeben sich jedoch auch gerade vielversprechende Erkenntnismöglichkeiten über Intelligenz. Da theoretische wie auch empirische Untersuchungen zum Verständnis der Intelligenz beitragen, können sich die Methoden und Erkenntnisse von beiden Disziplinen (ähnlich wie Mathematik und Physik im Bereich der theoretischen Physik) ergänzen und befruchten. 1.2 Synthese von KI und Kognitiver Psychologie Im Rahmen der Kognitionswissenschaften(cognitive science) tragen viele Disziplinen (z.B. K I , Psychologie, Linguistik, Anthropologie ...) Erkenntnisse über informationsverarbeitende Systeme bei. Die Kognitive Modellierung als ein Teilgebiet von sowohl K I als auch Kognitiver Psychologie befaßt sich mit der Entwicklung von computerimplementierbaren Modellen, in denen wesentliche Eigenschaften des Wissens und der Informationsverarbeitung beim Menschen abgebildet sind. Durch Kognitive Modellierung wird also eine Synthese von K I und psychologischer Forschung angestrebt. E in Computermodell wird zu einem kognitiven Modell, indem Entitätcn des Modells psychologischen Beobachtungen und Erkenntnissen zugeordnet werden. Da ein solches Modell auch den Anspruch erhebt, menschliches Verhalten vorherzusagen, können Kognitive Modelle aufgrund empirischer Untersuchungen weiterentwickelt werden. Die Frage, ob ein KI-Modell als ein kognitives Modell anzusehen ist, kann nicht einfach bejaht oder verneint werden, sondern wird vielmehr durch die Angabe einer Zuordnung von Aspekten der menschlichen Informationsverarbeitung zu Eigenschaften des Computermodells beantwortet.