Концепция инструментального опосредования деятельности в прикладных когнитивных исследованиях

К. Р. Червинская

КОНЦЕПЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ОПОСРЕДОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ПРИКЛАДНЫХ КОГНИТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

В последние годы в русле современных исследований выделяется прикладной аспект когнитивных наук, связанный с моделированием когнитивной деятельности человека для решения практических задач в различных сферах. Обсуждая тенденции развития когнитивных исследований, Б. М. Величковский подчеркивает актуальность прикладных аспектов когнитивной науки и особо выделяет направления, перспективные для решения различных практических проблем в образовании, медицине, а также для построения когнитивных технических систем: «Поддержка процессов коммуникации выдвигается на первый план в современных технологических приложениях когнитивных исследований. Специальной прикладной дисциплиной, занимающейся оптимизацией взаимодействия человека и компьютера, стала возникшая в начале 80-х гг. прошлого столетия когнитивная эргономика. Наконец, специфический анализ и моделирование (или “извлечение”) знаний являются предметом инженерии знаний, связывающей такие разделы когнитивной психологии, как психосемантика, с информатикой и искусственным интеллектом» [1, т. 2, с. 169-170].

Цель настоящей статьи — описать концептуальные рамки прикладных когнитивных исследований, направленных на решение практических задач в различных сферах деятельности человека. Основная проблема таких исследований — моделирование когнитивной деятельности человека. В настоящее время можно выделить несколько областей, исследования в которых основаны на необходимости такого моделирования: человеко-компьютерное взаимодействие, проектирование когнитивных компьютерных систем, обучающих систем, систем управления знаниями сотрудниками организации и пр.

В конце 70-х гг. прошлого столетия в результате создания первых экспертных систем — интеллектуальных (компьютерных) программ, моделирующих в рамках определенной предметной области решение задач, возникла проблема извлечения экспертных знаний, связанная с необходимостью разработки практических рекомендаций для программистов. Зародившись в русле теории искусственного интеллекта как технического направления, связанного с созданием интеллектуальных (компьютерных) систем, она вышла за его рамки. Возникли иные очевидные психологические проблемы, решить которые невозможно, не ответив на вопросы: что такое экспертные знания, как их можно «извлечь» или эксплицировать, как построить работоспособную модель принятия решений специалистом в предметной области для создания экспертной системы — интеллектуальной программы, решающей профессиональные задачи так же, как это делает опытный профессионал.

Проектирование интеллектуальных (экспертных) систем можно считать частным случаем более общих проблем (автоматизации человеческой деятельности, взаимодей-

© К. Р. Червинская, 2011

ствия человека и компьютера), рассматриваемых в русле современной когнитивной эргономики и инженерной психологии. С начала 90-х гг. вплоть до настоящего времени зарубежные инженерно-психологические исследования развиваются в соответствии с антропоцентрической парадигмой. Суть ее заключается в том, что техника (компьютер) принципиально интерпретируется как нечто вторичное в субъект-объектных отношениях, как элемент человеческой деятельности, как артефакт (понятие, заимствованное из когнитивной антропологии и означающее любой материальный объект, изготовленный человеком) [2].

Опираясь на утверждение Л. С. Выготского относительно того, что высшая ментальная активность человека порождается культурно опосредованной исторически развивающейся практической деятельностью и в целом опосредована знаками («психологическими инструментами») широкого класса семиотических форм (структуры естественного языка, схемы, карты, формулы, чертежи, символические образы и пр.) [3], зарубежные авторы формулируют основной принцип исследования — инструментальное опосредование деятельности, подразумевая, что исследоваться должны не сами инструменты (объекты, артефакты), а те значения и смыслы, которые появляются у человека в процессе взаимодействия с ними [4-6]. Таким образом, речь идет об исследовании познавательных процессов человека, деятельность которого опосредована взаимодействием с инструментами. При этом понятие «инструмент» (артефакт) может трактоваться очень широко — от объекта (например, компьютер, техника, социо-тех-ническая среда и пр.) до символического продукта деятельности человека (дискурс, речь, знания, роли, сценарии и пр.).

Методологическим приемом в таких исследованиях является когнитивный анализ деятельности, под которым понимается необходимость описания и анализа действий (когнитивных операций) специалиста (пользователя) в процессе решения им своих задач с помощью артефактов [7, 8]. В рамках антропоцентрической парадигмы исследователи различают деятельность по проектированию когнитивных (компьютерных) систем и деятельность по их использованию [9, 10]. В обоих случаях встают вопросы об извлечении знаний. В первом случае (проектирование) — об извлечении знаний экспертов, то есть о моделировании когнитивной деятельности опытных специалистов (экспертов), а во втором (использование) — об извлечении знаний пользователей, то есть о моделировании когнитивной деятельности пользователей для проектирования интерфейсов. При этом учитывается, что интерфейс включает в себя и формализованное представление о предметной области (контент, содержание).

Для того чтобы проиллюстрировать конструктивность антропоцентрической парадигмы, предполагающей исследование инструментального опосредования деятельности, опишем разработанный нами операционально-инструментальный аспект концепции извлечения экспертных знаний, опираясь на принцип инструментального опосредования взаимодействия когитолога и эксперта.

Под извлечением экспертных знаний понимается процесс построения модели экспертных представлений и рассуждений путем взаимодействия двух субъектов труда: инженера по знаниям (когитолога — специалиста по извлечению знаний, от лат. cogi-tio — мыслить; греч. logos — слово, учение) и эксперта (специалиста в предметной области) [11]. Извлечение экспертных знаний включает в себя совокупность взаимосвязанных процессов выявления и структурирования знаний эксперта по решению проблем предметной области. Подчеркнем важность двух процессов — выявления

и структурирования знаний. В процессе выявления знаний происходит взаимодействие когитолога и эксперта, способствующее осознанию экспертом имплицитно усвоенного основания категоризации. Структурирование экспертных знаний — это процесс концептуального анализа знаний для формирования модели экспертных представлений с помощью инструментов структурирования декларативного и процедурного типа.

Понятия «когнитивные артефакты» и «инструменты структурирования» активно разрабатываются в зарубежных инженерно-психологических исследованиях [9, 12-14].

Выше отмечалось, что теоретическим обоснованием этих работ является концепция опосредования деятельности Л. С. Выготского. Введенное им понятие «психологические инструменты» подразумевает, что инструменты в процессе их использования воссоздают целостную деятельность, кристаллизуют трудовые операции, выработанные в процессе коллективного труда, и фиксируют видовой опыт человека. В теории артефактов М. Коула традиционное толкование понятия «артефакт» расширяется, включает продукты истории человечества (идеальный объект), а культура рассматривается как целостная совокупность артефактов, накопленных социальной группой в ходе ее исторического развития [2]. В соответствии с концепцией «трехуровневой иерархии артефактов» М. Вартофского, предполагается, что первый уровень составляют первичные артефакты, непосредственно используемые в производстве (дубина, топоры, и пр.). Вторичные артефакты включают первичные, а также способы действия с их использованием; вторичные артефакты играют центральную роль в сохранении и трансляции представлений и способов действия и включают предписания, обычаи, нормы, конституции и т. п. Третий уровень представлен схемами и сценариями [15].

Анализ результатов исследований показывает, что понятия «когнитивные артефакты» и «когнитивные инструменты» трактуются не однозначно. Так, под когнитивным артефактом понимается искусственное устройство (то есть созданное человеком), предназначенное для сохранения, представления или переработки информации с целью обеспечения репрезентативной функции [12]; под когнитивным инструментом — артефакт, внешний по отношению к субъекту объект, интегрирующий знания (отсюда и когнитивный характер), являющийся результатом процесса разработки, носящего социальный характер [9]. В концепции П. Рабарделя инструмент формируется из двух составляющих: с одной стороны, из символического артефакта, созданного субъектом или другими субъектами, а с другой — из одной или нескольких схем использования. Сам по себе артефакт не является инструментом или составной его частью, даже если изначально он был создан именно для этого. Его делает инструментом субъект, придавая ему статус средства для достижения целей своего действия [9].

Структурирование деятельности, связанное с использованием артефактов и инструментов, постулировано многими авторами [13, 14, 16]. Исследователи отмечают, что мышление человека оформлено, штамповано артефактами, инструментами и что артефакты структурируют задачу пользователей, ставя новые проблемы (artifacrs-centred problems) и внося новые ресурсы для решения этих проблем [13]. Экспериментальные работы показывают, что стратегии деятельности испытуемых зависят от типа артефакта, которым они располагают для выполнения задачи, и что артефакты не только структурируют действие в индивидуальном плане, но и обусловливают формы коллективных действий [16].

Предложенный П. Рабарделем инструментальный подход реализован в разработанной нами концепции. Если снабдить когитолога и эксперта инструментами структурирования, то это может значительно облегчить процесс выявления и структурирования экспертных знаний. Однако такая постановка проблемы требует ответов на многие вопросы, прежде всего о том, что можно считать артефактами, каковы могут быть схемы (типичные сценарии) использования их для адекватного построения модели экспертных представлений. Это привело нас к мысли проанализировать результаты многочисленных экспериментов в области когнитивной психологии, иллюстрирующие модели семантической репрезентации знаний в памяти человека, с тем чтобы попытаться выделить содержащиеся в этих моделях обобщенные элементы, претендующие на роль когнитивных артефактов, и рассмотреть основные способы их использования для создания набора инструментов структурирования.

Концептуальные структуры знаний сегодня описываются как особый уровень когнитивной организации, который фиксирует индивидуальный вариант «модели мира», ориентирующей деятельность в типичных условиях [1]. Анализ показал, что существуют всевозможные структурные описания различных видов знаний (знания об объектах, о действиях, о ситуациях и событиях) [17]. В табл. 1 представлено установленное нами соответствие видов знаний и их структурных описаний или способов структурирования.

Табпица 1. Соответствие видов знаний и способов структурирования

Виды знаний Способы структурирования

Объекты Когнитивная структура [18]

Категория — примеры [19]

Понятие — признак [19, 20]

Понятие — прототип (типичное понятие) [21]

Ассоциативная сеть [19]

Семантическая сеть [22]

Действия Иерархическая сеть действий [14, 17]

Декомпозиция процедур на элементарные действия [14, 17]

Действие — прототип (типичное действие) [17, 23]

Результат действия — способ действия [17]

Результат действия — способ действия — предварительные условия [14, 17].

Предварительные требования — результат действия [17]

Действие — инструмент действия [17]

Ситуации Схема сцен: фреймы [24]

События Схема событий: сценарии [25]

Соответствие видов знаний и способов структурирования (табл. 1) показывает, что одни и те же виды знаний могут иметь различные способы структурирования или различное описание на языке семантической репрезентации. Так, например, ситуации и события, представляемые скриптами, можно представить с помощью способа структурирования под названием «декомпозиция процедур на элементарные действия»

или в виде семантической сети. Любой из этих способов структурирования в своей основе имеет два элемента — понятия (концепты), представляющие собой репрезентации объектов (характеристик объектов, признаков объектов, ситуаций, действий и пр.), и взаимосвязи как репрезентации связей между конкретными объектами или понятийными классами. С помощью этих элементов можно описывать любую феноменологию знаний, в том числе как «знания-что», так и «знания-как». Например, ситуацию, описываемую кратко как «визит к врачу», можно рассматривать как процедуру, как последовательность действий (скрипт, сценарий), а можно и как понятие, имеющее определенные атрибуты: «запись на прием», «поездка на место приема», «ожидание приема», «визит», «оплата».

Эксперименты в области когнитивной психологии показывают, что существуют пять разновидностей структурных моделей семантической памяти человека, или пять видов когнитивных структур: деревья, кластеры, пространства, цепочки и сети [26]. Разновидность когнитивных структур определяется или порождается классами базовых семантических отношений. То есть в зависимости от класса семантических отношений возможно следующее графическое представление различных видов когнитивных структур:

— отношения классификации порождают структуры в виде дерева;

— отношения принадлежности порождают структуры в виде кластеров;

— отношения сравнения, пространственные, порядковые и признаковые отношения предполагают пространственную структуру;

— каузальные и временные отношения отображаются в виде цепочечных структур;

— комбинации различных отношений можно представить в виде того, что называется семантической сетью и ее разновидностями, среди которых отдельно могут быть выделены ассоциативные и пропозициональные сети.

В соответствии с этим, под когнитивными артефактами следует понимать виды когнитивных структур, опосредованные конкретными классами базовых семантических отношений: деревья, кластеры, пространства, цепочки и сети. Под инструментами структурирования — набор формализмов, полученных в результате использования когнитивных артефактов в процессе концептуального анализа знаний. Для того чтобы сформировать набор таких формализмов, необходимо ответить на вопрос, касающийся того, как можно использовать приведенные выше когнитивные артефакты: деревья, кластеры, пространства, цепочки и сети. Очевидно, что когнитивный артефакт в виде дерева можно использовать для построения как декларативных, так и процедурных знаний. В первом случае это будет классификационное дерево, а во втором — дерево решений (вывода) и дерево целей. Артефакт кластерного вида можно использовать для оценки объема понятий, что отражено в виде известных диаграмм Венна. Артефакт цепочечной структуры можно использовать для создания продукционных правил или же сценариев. Пространства служат для построения шкал, а семантические сети — для создания специализированных сетевых языков программирования или языков представления знаний.

Соответствие когнитивных артефактов и инструментов структурирования декларативного и процедурного типа представлено в табл. 2. Указанный набор инструментов структурирования необходим для выявления и структурирования экспертных знаний и может выступать в качестве мета-языка взаимодействия когитолога и эксперта. Он может расширяться с учетом специфики разных предметных областей.

Таблица 2. Соответствие когнитивных артефактов и инструментов структурирования декларативного и процедурного типа

Когнитивные артефакты Инструменты структурирования

Декларативного типа Процедурного типа

Деревья Классификационное дерево Дерево решений Таблица решений Дерево целей Иерархическая сеть действий

Кластеры Диаграммы Венна Фреймы -

Цепочки Ассоциативная сеть Продукционные правила Скрипты

Пространства Шкалы -

Сети Семантические сети Семантические сети действий Пропозициональные сети

Подводя итог, отметим, что в области когнитивных исследований актуально исследование проблем, связанных с моделированием когнитивной деятельности человека, извлечением экспертных знаний в практическом аспекте для решения прикладных задач в различных сферах деятельности человека, в том числе и для построения когнитивных технических систем. Концепция извлечения экспертных знаний, предполагающая моделирование экспертных рассуждений путем взаимодействия когитолога и эксперта, реализует основной принцип антропоцентрической парадигмы — исследование инструментального опосредования деятельности. Моделирование экспертных рассуждений включает в себя две основных стадии — выявление знаний и их структурирование. В обоих случаях деятельность когитолога и эксперта будет более успешной и эффективной, если она будет опосредована некоторым мета-языком — инструментами структурирования декларативного и процедурного типа, позволяющими фиксировать различные виды знаний (знания об объектах, о действиях, о ситуациях и событиях) в наглядной и иллюстрированной форме.

Таким образом, основной принцип антропоцентрической парадигмы (инструментальное опосредование деятельности, т. е. исследование познавательных процессов человека, деятельность которых опосредована взаимодействием с инструментами) подтверждает свою конструктивность и может являться концептуальным базисом исследований в области прикладной когитологии.

Литература

1. Величковский Б. М. Когнитивная наука: Основы психологии познания: в 2 т. М.: Смысл, Издательский центр «Академия», 2006. Т. 1. 445 с.; Т. 2. 448 с.

2. Коул М. Культурно-историческая психология. М.: Когито-центр, 1997. 432 с.

3. Выгодский Л. С. Психология развития человека. М.: Смысл; Эксмо, 2005. 1136 с.

4. Bannon L. J., Bodker S. Beyond the interface: encountering artifacts in use // Designing Interaction: Psychology at the Human Computer Interface / ed. by J. Caroll. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1991. P. 227-253.

5. Engestrom Y., Miettinen R. Introduction to Perspectives on Activity Theory / eds. Y. Engestrom, R. Miettinen, R. L. Punamaki. Cambridge (Mass.): Cambridge Univ. Press, 1999. P. 1-18.

6. Nardi B. Activity Theory and Human-Computer Interaction // Context and Consciousness: Activity Theory and Human-Computer Interaction. Cambridge (Mass.): MIT Press, 1996. P. 17-44.

7. Vicente K. J. Cognitive work analysis: Toward safe, productive, and healthy computer-based work. Mahwah; New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, 1999. 392 p.

8. Naikar N., Hopcroft R., Moylan F. Work Domain Analysis: Theoretical Concepts and Methodology. DSTO, Australia, 2005. 102 p.

9. Рабардель П. Люди и технологии: когнитивный подход к анализу современных инструментов. М.: Институт психологии РАН, 1999. 264 с.

10. Darses F О. Providing practitioners with techniques for cognitive work analysis // Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2001. Vol. 2, N 3. P. 268-277.

11. Червинская К. Р. Психология извлечения экспертных знаний субъектов труда: автореф. ... д-ра психол. наук. СПб., 2010. 46 с.

12. Norman D. A. Cognitive artifacts // Designing Interaction: Psychology at the Human Computer Interface / ed. by J. Caroll. Cambridge: Cambridge Univ. Press,. 1991. P. 17-38.

13. Payne S. J. User’s mental models: the very ideas // HCI Models, Theories and Frameworks: Toward a Multidisciplinary Science / ed. by J. Caroll. San Francisco: CA, 2003. P. 135-156.

14. Sebillotte S. Hierarchical planning as method for task analysis: the example of office task analysis // Behaviour and Information Technology. 1988. Vol. 7, N 3. P. 275-293.

15. Вартофский М. Модели: репрезентация и научное понимание. М.: Прогресс, 1988. 507 c.

16. Hutchins E. Cognition in the World. Cambridge (Mass.): MIT Press, 1995. 356 p.

17. Ришар Ж. Ф. Ментальная активность. Понимание, рассуждение, нахождение решений / пер. с франц. Т. А. Ребеко. М.: Ин-т психологии РАН, 1998. 232 с.

18. Кук Н. М., Макдональд Д. Формальная методология приобретения и представления экспертных знаний // ТИИЭР. 1986. Т. 74, № 10. С. 145-155.

19. Хофман И. Активная память. М.: Медицина, 1986. 312 с.

20. Солсо Р. Л. Когнитивная психология. М.: Тривола, 1996. 600 с.

21. Rosch E., Mervis S. Family Resemblances // Cognitive Psychology. 1975. N 7. Р. 532-547.

22. Collins A. M., Quillian M. R. Experiments on semantic memory and language comprehension // Cognition in learning and memory / ed. by L. W. Gregg. New York: Wiley, 1972. P. 117-137.

23. Дункер К. Психология продуктивного (творческого) мышления // Психология мышления. М., 1965. С. 86-221.

24. Минский М. Фреймы для представления знаний. М.: Мир. 1979. 152 c.

25. Шенк Р., Бирнбаум Л., Мей Дж. К интеграции семантики и прагматики // Новое в зарубежной лингвистике. Компьютерная лингвистика. М., 1989. 432 с.

26. Величковский Б. М. Современная когнитивная психология. M.: Изд-во Моск. ун-та, 1982. 336 с.

Статья поступила в редакцию 28 декабря 2010 г.