Методика изучения и модель информационной структуры памяти человека

Проведённые исследования продемонстрировали новые возможности данной концепции - совмещения программно-аппаратной модели деятельности оператора с полиграфическим психофизиологическим комплексом в вопросах исследования процессов адаптации, а также для тренинга и подготовки персонала.

В.А. Ляховецкий, А.С. Потапов, Е.П. Попечителев

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ И МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ

ПАМЯТИ ЧЕЛОВЕКА

Разработка проблемы повышения эффективности и качества деятельности че-ловека-оператора предполагает проведение тщательного анализа психологических механизмов усвоения практических умений. Недостаточно исследованными остаются процессы, обеспечивающие объединение сведений, первоначально воспринимаемых оператором разрозненно, в целостную структуру практического знания. Очевидно, что существенная роль в построении такой целостной структуры принадлежит памяти [1].

В когнитивной психологии характеристики памяти, как правило, изучаются с помощью не связанных между собой «простых» стимулов (наборы бессмысленных слогов, отдельных слов, изображений геометрических фигур и т.д.), которые невозможно представить в рамках единой связной информационной структуры [2]. В то же время в практической психологии применяется чрезвычайно «сложный» стимульный материал - многофакторные сюжетные изображения, при использовании которого затруднительно выявить закономерности хранения структурированной информации. В качестве примеров подобных ситуаций можно привести исследования работы человека-оператора в биотехнических системах, изучение и тренировка памяти шахматистов и ряд других [3, 4]. Существующие методики позволяют получить лишь интегральные оценки качества запоминания без выявления структуры внутренних представлений (ВП) памяти человека. Последнее является принципиальным при исследовании усвоения практических знаний.

Для исследования ВП предлагается подход, в рамках которого производится моделирование информационной структуры памяти (ИСП). Для этого необходимо исследовать память человека посредством использования стимульного материала, позволяющего:

- высказывать гипотезы о структуре ВП, в котором происходит запоминание;

- вводить количественные оценки подобия между эталонным стимулом и дист-ракторами - ложными отвлекающими альтернативами среди перечня возможных ответов на вопрос тестового задания.

Вычислительные модели, построенные на основе разных ВП, предсказывают различные распределения ошибок узнавания в зависимости от степени подобия между стимулом и дистрактором. Соотнесение кривых распределения ошибок, предсказываемых моделями и допускаемых человеком, позволяет выявлять структуру ВП последнего.

Методика построения ИСП основана на следующем предположении. При запоминании стимула 8 часть информации теряется, что представимо как независимое искажение элементов хь..., хм ВП, а не самого стимула 8 (т.е. информация теряется после перевода в ВП): 8 ^ X + ДХ. При повторном предъявлении стимула 8 и дистракторов Б1 каждый из них переводится в неискаженном виде в ВП: 8 ^ X, Б1 ^ У1. Далее в метрике ВП сравнивается запомненный (искаженный) стимул X + ДХ с предъявленными эталонным стимулом и дистракторами. Истинный стимул будет выбран, если ||ДХ||< ||Х + ДХ - У1| для любого дистрактора. По

выбранному дистрактору можно судить об искажениях ДХ, которые стимул претерпел при запоминании, так как для такого дистрактора ДХ ~У1 - Х.

Процесс моделирования заключается в следующем. Сначала предполагается ВП, в которое переводится стимул. Далее эмулируется процесс запоминания с частичной потерей информации, т. е. компьютерная программа при переводе стимула 8 в ВП добавляет случайные ошибки ДХ. После этого эмулируется процесс выбора стимула в присутствии дистракторов.

Нельзя, однако, предполагать, что при правильной структуре ВП программа будет в каждом конкретном случае ошибочно выбирать тот же дистрактор, что и человек, так как величина ДХ случайна. Тем не менее, выбранные программой и человеком дистракторы должны совпадать в среднем. Таким образом, кривые вероятности выбора дистрактора Б при стимуле 8: Р(Б|8) для человека и компьютерной программы при правильно выбранном ВП, должны совпадать.

Получение оценки этого распределения вероятностей может быть проблематичным из-за недостатка экспериментальных данных (это распределение должно быть посчитано в пространстве большой размерности). Поэтому имеет смысл считать проекцию этого распределения на некоторый параметр ^8, Б), зависящий от стимула и выбранного дистрактора. Этот параметр можно трактовать как степень подобия или расстояние между стимулом и дистрактором. В результате можно построить функцию, характеризующую зависимость выбранных дистракторов от этого параметра, т. е. Р(^8, Б)). Для этой функции доступно получение более надежной оценки, которая позволяет сравнивать одинаковые ли дистракторы в среднем выбирают человек и компьютерная программа при некотором ВП. Вопрос о выборе параметризующей функции ^-) является достаточно важным аспектом методики моделирования, однако его рассмотрение выходит за рамки статьи.

Одним из вариантов простого, легко формализуемого тестового задания для практической проверки предложенной методики исследования ВП является запоминание последовательности простых шахматных позиций. Методика проведения психологического эксперимента, реализованная с помощью оригинального программного обеспечения, заключается в следующем.

Стимульный материал состоит из шахматных позиций, содержащих одну фигуру (например, слона). Мерой сходства между стимулами является евклидово расстояние между положениями фигуры. Для изучения потенциально различных ВП использованы два типа последовательностей. В последовательности первого типа каждая последующая позиция формируется из предыдущей путем случайного перемещения фигуры, в последовательности второго типа - исходя из шахматного хода фигуры. Руководящим принципом, т.е. инструкцией, в соответствии с которой испытуемый принимает решения [5], выбрано требование как можно более точного запоминания последовательности шахматных позиций.

На стадии запоминания после подтверждения испытуемым своей готовности на экране монитора предъявляется первая позиция из последовательности заранее выбранных позиций. После того, как испытуемый сочтет, что запомнил позицию, он нажимает любую кнопку на клавиатуре, и на экране предъявляется вторая позиция, затем третья и т.д. Непосредственно после запоминания испытуемым последней позиции начинается стадия воспроизведения. В левой части экрана появляется первая позиция последовательности, а справа - четыре варианта второй позиции. Один вариант всегда является стимулом, предъявленным на стадии запоминания, а три варианта - дистракторами, т. е. близкими позициями. Испытуемый выбирает правильный вариант продолжения последовательности путем нажатия одной из четырех кнопок (рис. 1). После того, как испытуемый осуществил выбор, в левой части экрана появляется вторая позиция последовательности, а справа -

четыре варианта третьей и т.д. После окончания опыта испытуемого при его желании информируют о количестве допущенных ошибок.

Воспроизведение

Рис. 1. Стимульный материал из шахматных позиций

Для каждой позиции регистрируется время запоминания и время воспроизведения позиции, правильность ответа, а в случае неверного ответа и оценка сходства между выбранным дистрактором и стимулом. Длина и тип последовательности предварительно задаются экспериментатором.

Для подтверждения валидности методики на двух группах испытуемых был проведен установочный эксперимент. В первую группу вошло 27 студентов СПбГЭТУ (ЛЭТИ), регулярно занимающихся в шахматной секции (уровень игры от 3-го разряда до мастера спорта, 6 девушек и 21 юноша, средний возраст - 19,4 года). Во вторую группу вошло 12 студентов, знакомых с правилами шахмат, но не имеющих разряда и игровой практики (4 девушки и 8 юношей, средний возраст -21,7 года). Каждому испытуемому предъявлялось по 4-6 последовательностей типов 1 и 2. Длина последовательности варьировалась от 7 (для безразрядников) до 15 позиций (для кандидатов и мастеров спорта). Если испытуемый не допускал ошибок при некоторой длине последовательности, то экспериментатор увеличивал количество позиций в последовательности.

Как и следовало ожидать, испытуемые, имеющие игровую практику, допускали при выполнении тестового задания меньшее число ошибок (18% для 1-й группы, 28% для 2-й). Наибольший интерес представляет зависимость числа ошибок от степени подобия между стимулом и ошибочно выбранным дистрактором. На рис.2 по оси абсцисс отложено евклидово расстояние между положениями слона (в клетках шахматной доски), по оси ординат - процент от общего числа ошибок, допущенных при данном расстоянии между стимулом и дистрактором. Ромбы -ошибки при запоминании случайных перемещений фигуры (тип 1), квадраты -ошибки при запоминании ходов фигуры (тип 2). Данные для группы 1 представлены на рис. 2, А, для группы 2 - на рис. 2,Б.

При моделировании ИСП шахматистов в качестве стимула выступает шахматная позиция, являющаяся элементом некоторой последовательности позиций. Однако перебор всех ВП при моделировании невозможен, поэтому сначала необходимо высказать предположение, какое именно ВП нужно проверять. Принятая гипотеза заключается в том, что:

- если фигура перемещается случайным образом (и следующим ее положением с равной вероятностью может оказаться любая клетка доски), то запоминается абсолютное положение фигуры;

- для случая запоминания шахматных позиций, получающихся при регулярном перемещении фигуры, запоминаются не абсолютные положения фигуры, а ее перемещения.

Рис. 2. Зависимость числа ошибок от степени подобия

Для проверки гипотезы были построены две модели с различными ВП. В первом ВП (модель А) каждое положение фигуры запоминалось независимо от предыдущих положений. Положение фигуры на доске описывалось следующими элементами:

- углом (одним из четырех) доски, ближе к которому располагается фигура;

- двумя логическими величинами, определяемыми тем, располагается ли фигура ближе к центру или к краю доски в горизонтальном и вертикальном направлении;

- двумя величинами, определяемыми тем, прилегает ли фигура к краям доски (или к центру, если она расположена ближе к нему) или нет.

Во втором ВП (модель Б) запоминались перемещения фигуры, а не ее абсолютное положение. Перемещение описывалось следующими элементами:

- расстоянием, на которое происходит перемещение;

- направлением перемещения.

В проведенном исследовании детали этих представлений не столь существенные, важна лишь разница в том, запоминается ли положение фигуры или ее перемещение.

Обе модели были протестированы как для случайного перемещения фигуры, так и для хода. В качестве параметра ^8,Б) было взято расстояние между положением фигуры в стимуле и ее положением в выбранном дистракторе. Следует однако подчеркнуть, что параметризующая функция могла быть задана иначе. Например, как угол между двумя векторами, начинающимися в клетке, в которой располагалась шахматная фигура в предыдущей позиции, и оканчивающимися в клетках, занимаемых фигурой в текущем стимуле и выбранном дистракторе, соответственно.

На рис. 3 представлены модельные кривые распределения дистракторов. Как и на рис. 2, ромбами обозначены ошибки при запоминании случайных перемещений фигуры, а квадратами - ошибки при запоминании ходов фигуры. Из рис. 3 видно,

что модель А с запоминанием абсолютных положений фигуры дает тот же характер распределения дистракторов (кривая 1А на рис. 3), что и шахматисты, но только при случайном перемещении фигуры (см. кривую 1А на рис. 2). В случае хода фигуры эта модель памяти дает распределение дистракторов, не совпадающее ни с одним другим распределением. В то же время, модель Б с запоминанием перемещения фигуры дает тот же характер распределения дистракторов (кривая 2Б на рис. 3), что и шахматисты, но только при ходе фигуры (см. кривую 2А на рис. 2). Напротив, при случайном перемещении фигуры модельное распределение дист-ракторов не совпадает ни с одним распределением, полученным в психологических опытах.

Рис. 3. Модельные кривые распределения дистракторов

Следует отметить, что небольшие отклонения в распределении дистракторов для шахматистов и вычислительных моделей памяти вполне укладываются в статистическую погрешность, вызванную сравнительно малым числом испытуемых (вычислительные модели исследовались на значительно большем числе тестов, поэтому форма распределения дистракторов для них более гладкая, без выбросов). В то же время не исключена возможность того, что эти отклонения вызваны различиями в деталях ВП, использованных при моделировании, от ВП, присущего шахматистам. Однако для уточнения деталей ВП требуется значительно большее количество испытуемых.

Полученные результаты согласуются с предположением об оптимальном кодировании информации в процессе запоминания [6, 7]. Действительно, при ходе фигура не может оказаться на произвольной клетке доски, поэтому для запоминания перемещения требуется около 4 бит (в зависимости от предыдущего положения на доске), в то время как для запоминания ее абсолютного положения требуется 6 бит (^264). В пользу этого предположения говорит и то, что более экономичное ВП вырабатывается у шахматистов, имеющих опыт практической игры (рис. 2,А, квадраты), а не у испытуемых, лишь знакомых с шахматными правилами (рис. 2,Б, квадраты). Однако для дальнейшего исследования гипотезы требуется более сложный стимульный материал, для которого выбор ВП, обеспечивающего оптимальное кодирование информации, будет более показательным.

В заключение следует отметить, что ни одна из испробованных моделей ВП не объясняет одновременно формы кривых распределения дистракторов при случайном перемещении фигуры и при ходе. Это дает сильную уверенность в том, что разработанная методика действительно позволила выявить структуру внутреннего

представления информации, продемонстрировав, что у шахматистов при запоминании последовательностей позиций происходит привлечение ВП с разной структурой, зависящей от априорной информации о способе перемещения фигуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Заика Е.В., Кузнецов М.А. Кратковременная память и усвоение практических умений // Вопросы психологии. 1989.- № 2. -С. 120-123.

2. Развитие психофизиологических функций взрослых людей / Под ред. Б. Г. Ананьего, Е. И. Степановой; АПН СССР. - М.: Педагогика, 1972. -248 с.

3. Симкин Ю.Е, Суханов В.Ю., Барташников А А. Объективная диагностика оперативной памяти у шахматистов-спортсменов // Теория и практика физической культуры. 1984. № 2. -С. 55-56.

4. de Groot A.D., Gobet F., Jongman R.W. Perception and memory in chess Studies in the heuristics of the professional eye. Assen, The Netherlands: Van Gorcum, 1996.

5. Ахлаков М.К., Болсунов К.Н., Попечителев Е.П. Тестовые системы в медикобиологических исследованиях// Учебное пособие. -СПбГЭТУ - «ЛЭТИ», 2003. - 80 с.

6. Feldman J. Minimization of Boolean complexity in human concept learning // Nature. 2000. Vol.407. Pp. 630-632.

7. Myung I.J., PittM.A., Zhang S., Balasubramanian V. The use of MDL to select among computational models of cognitions // Advances in Neural Information Processing Systems. 2001. Vol.13. Pp. 38-44.

И.Н. Статников, Г.И. Фирсов

МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОСПРИЯТИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ ВИБРОТАКТИЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ЧЕЛОВЕКОМ-ОПЕРАТОРОМ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Задача исследования такой сложной биомеханической системы как человек-оператор в экстремальной ситуации относится к классу информационноуправленческих, а сама система является человеко-машинной, в которой человек берет на себя все или часть функций по управлению системой [1]. Это приводит к двум, относительно автономным по практическому исполнению, но в немалой степени влияющим друг на друга по результатам, этапам исследования. Заметим, что такое разделение на этапы и есть пример планирования экспериментов в широком смысле, как момент правильной (экономной) организации экспериментальных исследований.

А. Разработка критериев качества информационного вибротактильного канала “внешняя среда - оператор”; построение рационального по множеству критериев такога канала; определение условий и рациональных способов адаптации оператора к такому каналу.

Б. Разработка множества критериев качества многоканальной системы; определение условий и рациональных способов адаптации оператора к информационному вибротактильному каналу и к подсистеме управления системой; рациональный синтез всей системы по множеству критериев.

Успешному проведению обоих этапов способствовало бы наличие какой-либо интегральной теории (пусть даже имеющей локальное применение), дающей приближенные характеристики системы и соответствующие значения ее параметров. Такой теории на сегодняшний день, насколько известно, нет. Отдельно по множеству проблем каждого из указанных этапов имеются априорные теоретические сведения (теория информации, физиология сенсорных анализаторов, психофизика,