→ Пошук по сайту       Увійти / Зареєструватися

2.1.4. Когнитивная графика

Появление вычислительных машин с развитыми системами графики, когда пользователь имеет возможность не только видеть графические образы, но и строить изображение на дисплее, оказалось явлением намного более серьезным, чем это представлялось.

Стало возможным использовать графические образы не только в качестве иллюстраций, но и изменять их по своему усмотрению, исследовать поведение объектов.

Мы рассмотрим следующие аспекты понятия «когнитивная графика»:

  • Психологические предпосылки
  • Интерактивная компьютерная графика
  • Когнитивная графика и искусственный интеллект
  • Когнитивная графика в обучении

Психологические предпосылки

Человеческое познание пользуется как бы двумя механизмами мышления. Один из них — возможность работать с абстрактными цепочками символов, с которыми связаны некоторые семантические и прагматические представления, а именно: умение работать с текстами в самом широком смысле этого слова. Такое мышление можно было бы назвать символическим или алгебраическим. Форму семантической репрезентации этого вида (алгебраическую) часто называют вербальной.

Другой механизм мышления — способность работать с чувственными образами и представлениями об этих образах.

Такие образы обладают куда большей конкретностью и интегрированностью, чем символические представления. Но они и значительно более расплывчаты, менее логичны, чем то, что скрывается за элементами, с которыми оперирует алгебраическое мышление. Но без них мы не могли бы отображать в нашем сознании окружающий мир в той полноте, которая для нас характерна. Способность работать с чувственными образами (со зрительными образами) определяет то, что можно назвать геометрическим, образным мышлением. Образная репрезентация – это форма хранения информации в памяти о наглядных образах в пространстве и времени или форма хранения сенсорных компонентов, сенсорного опыта, приобретенного в прошлом.

Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление — с правым полушарием.

Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в этом мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Естественно-языковая речь, мышление словами, рационально-логические процедуры переработки информации и т.п. — все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей и открытий и т.п. Весь тот сложный механизм образного мышления, который нередко определяют одним термином «интуиция», и является правополушарной областью деятельности мозга.

Нередко правополушарное мышление связывают с деятельностью в искусстве. Иногда это мышление даже называют художественным. Однако и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления.

Человеческое мышление и человеческое поведение обусловлено совместной работой обоих полушарий человеческого мозга. В одних ситуациях преобладает логический компонент мышления, в других — интуитивный. По мнению психологов, все люди делятся на три группы: с преобладающим «левополушарным» мышлением, с «правополушарным», со смешанным мышлением. Это разделение генетически предопределено, и существуют специальные тесты для определения склонности к тому или иному типу мышления.

Эксперименты показывают, что способность к переходу от одной формы репрезентации к другой представляет собой важный источник творческих возможностей человека. Связи и трансформации, которые при одной форме репрезентации могут быть замаскированы, после смены репрезентации становятся вдруг очевидными, что может привести к быстрому решению проблемы.

Многие специалисты в области психологии мышления убеждены, что именно наличие двух способов представления информации, а именно в виде последовательности символов и в виде картин-образов, включая умение работать с ними и соотносить оба способа представления друг с другом, обеспечивают сам феномен человеческого мышления.

Описанные выше фундаментальные различия между лево- и правополушарной стратегией переработки информации имеют прямое отношение к формированию различных способностей. Так, для научного творчества, т.е. для преодоления традиционных представлений, необходимо восприятие мира во всей его целостности, что предполагает развитие способностей к организации многозначного контекста (образного мышления). И действительно, существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, монотонная работа. Люди же, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы «закрепощены» собственным формально-логическим мышлением. Отсюда ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным рассудочностью, чтобы не иссякал творческий потенциал человека.

Интерактивная компьютерная графика

Появление и развитие средств интерактивной компьютерной графики (ИКГ) открывает для сферы обучения принципиально новые графические возможности, благодаря которым учащиеся могут в процессе анализа изображений динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности. Применение графики в учебных компьютерных системах не только увеличивает скорость передачи информации учащимся и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для специалиста любой отрасли качеств, как интуиция, профессиональное «чутье», образное мышление.

Воздействие ИКГ на интуитивное, образное мышление привело к возникновению нового направления в проблематике искусственного интеллекта, названного когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графикой.

В настоящее время интерактивная компьютерная графика — это одно из наиболее бурно развивающихся направлений новых информационных технологий. В связи с этим начинают четко различать две функции компьютерной графики: иллюстративную и когнитивную.

Иллюстративная функция позволяет воплотить в более или менее адекватном визуальном оформлении лишь то, что уже известно, т.е. уже существует либо в окружающем нас мире, либо как идея в голове исследователя. Когнитивная же функция ИКГ состоит в том, чтобы с помощью некоего изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове пользователя знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Иллюстративные функции графики реализуются в учебных системах при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными, аудио — и видеоиллюстрациями. Когнитивная же функция проявляется, когда учащиеся «добывают» знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых объектов и процессов, причем, поскольку этот процесс формирования знаний опирается на интуитивный правополушарный механизм мышления, сами эти знания в существенной мере носят личностный характер. Каждый человек формирует приемы подсознательной умственной деятельности по-своему.

Современная психологическая наука не располагает строго обоснованными способами формирования творческого потенциала человека, пусть даже профессионального. Одним из известных эвристических подходов к развитию интуитивного профессионально-ориентированного мышления является решение задач исследовательского характера. Применение учебных компьютерных систем позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Роль компьютерной графики в этих учебных исследованиях трудно переоценить. Именно графические изображения хода и результатов экспериментов на математических моделях позволяют каждому учащемуся сформировать свой образ изучаемого объекта или явления во всей его целостности и многообразии связей. Несомненно, также, что изображения выполняют при этом прежде всего когнитивную, а не иллюстративную функцию, поскольку в процессе учебной работы с компьютерными системами процедурного типа у учащихся формируются сугубо личностные, т.е. не существующие в таком виде ни у кого, компоненты знаний.

Конечно, различия между иллюстративной и когнитивной функциями компьютерной графики достаточно условны. Нередко обычная графическая иллюстрация может натолкнуть каких-то учащихся на новую мысль, позволит увидеть некоторые элементы знания, которые не «вкладывались» преподавателем-разработчиком учебной компьютерной системы декларативного типа. Таким образом, иллюстративная по замыслу функция графического изображения превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция ИКГ-изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах превращается в функцию иллюстративную для уже «открытого» и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта. Тем не менее, принципиальные отличия в логическом и интуитивном механизмах мышления человека, вытекающие из этих различий формы представления знаний и способы их освоения, делают полезным в методологическом плане различение иллюстративной и когнитивной функции компьютерной графики и позволяют более четко формулировать дидактические задачи ИКГ-изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

Когнитивная графика и искусственный интеллект

В искусственном интеллекте термин «когнитивная графика» трактуется как совокупность методов и средств представления знаний и работы с ними на уровне графических (статических и/или динамических) образов. Такие системы предполагают единообразное описание не только графических примитивов, но и сложных графических представлений. Созданные компьютером образы могут рассматриваться как декларативные структуры, трансформирующиеся во внутреннее представление компьютера с помощью процедур, отражающих знания о законах преобразования сформированных образов, и позволяют активизировать представления об объектах, недоступных прямому наблюдению или вообще не имеющих образного представления в обычной реальности.
Установление связи между текстами, описывающими сцены, и соответствующими изображениями потребовало наличия в базах знаний специальных представлений для зрительных образов и процедур соотнесения их с традиционными формами представления знаний.

Графическая информация стала трактоваться с позиций знаний, содержащихся в ней. Если до этого её функция сводилась к иллюстрации тех или иных знаний и решений, то теперь она стала включаться равноправным образом в те когнитивные процессы, которые моделируются в базах знаний и на основе их содержимого. Термин «когнитивная графика» отражает этот принципиальный переход от иллюстрирующих изображений к видеообразам, способствующим решению задач и активно используемых для этого.

Когнитивная функция изображений использовалась в науке и до появления компьютеров. Образные представления, связанные с понятиями граф, дерево, сеть и т.п. помогли доказать немало новых теорем, круги Эйлера позволили визуализировать абстрактное отношение силлогистики Аристотеля, диаграммы Венна сделали наглядными процедуры анализа функций алгебры логики. Систематическое использование когнитивной графики в компьютерах в составе человеко-машинных систем сулит многое.

Когнитивная графика в обучении

Образное мышление в решении математических задач, особенно на эвристическом этапе решения задачи, имеет весьма существенное значение. Также невозможно представить себе решение задач из курса геометрии без наличия у человека способностей к пространственному воображению.

Основой принципа визуализации служит когнитивная графика, цель которой состоит в создании комбинированных когнитивных моделей представления знания, которые сочетают в себе символический и геометрический способы мышления и способствуют активизации процессов познания.

Во всей познавательной деятельности человека, и в частности в деятельности, связанной с решением практических задач, все время присутствуют две возможности. Одна из них состоит в использовании разного рода символьных систем, в которых реальные объекты и явления заменены абстрактными символами. Вторая возможность позволяет использовать для решения задач наглядные образные представления объектов и явлений.

Сравним две эти возможности, решая системы двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными. Пусть надо решить систему: x + 2y = 8, Зх – 2y = 32. Существуют два пути. Можно выразить х из первого уравнения, подставить второе, найти из него у, а затем вычислить х. Полученный ответ: х = 10, у = –1.

Но можно воспользоваться общим алгебраическим выражением, дающим для системы ax + by = с, dx + ey = f решение в виде: x = (ce – bf)/(ae – bd) y = (af – cd)/(ae – bd). В любом случае, решая задачу, надо осуществлять подстановки и другие алгебраические преобразования, а также выполнять арифметические операции. Можно, однако, поступить иначе. Ввести систему координат и построить два графика, уравнениями которых являются выражения, входящие в систему. Решение системы задается точкой пересечения прямых. Эти два подхода иллюстрируют достоинства и недостатки алгебраического и геометрического подходов.

Алгебраический подход дает возможность найти решение в общем виде, пригодном для любой конкретной системы уравнений. Геометрический подход не обладает такой степенью общности. Нельзя нарисовать в системе координат прямые «в общем виде», а значит, для каждой конкретной системы уравнений соответствующие прямые должны быть построены. Однако если нас интересуют не конкретные значения х и у, а лишь вопрос о наличии или отсутствии решения, то при алгебраическом подходе надо и в этом случае провести те же самые выкладки, что и при решении системы. При геометрическом же подходе, взглянув на изображение, можно дать мгновенный ответ. Если прямые пересекаются, то решение существует.

Наглядность — одна из основных особенностей когнитивной графики как совокупности приемов и методов образного представления условий задачи, которые позволяют либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения.

Другим примером использования когнитивной графики в учебном процессе является применение современных математических пакетов при проведении учебно-исследовательских работ.

Существует множество интегрированных математических программных систем для научно-технических расчетов: Eureka, Derive, Mercury, MathLab, MathCad, Maple, Mathematica. Системы MathCad традиционно занимают особое место среди этого множества программных продуктов и по праву могут называться самыми современными, универсальными и массовыми математическими системами. Новые версии системы просты в использовании и обучении. MathCad обладает широкими графическими возможностями. Это позволяет создавать математические графики практически всех типов (в том числе анимационные), а также фрагменты видеофильмов, что значительно облегчает визуализацию и анализ данных.

Облегчая решение сложных математических задач, система снимает психологический барьер при изучении математики, делая процесс изучения интересным и достаточно простым. Грамотное применение системы в учебном процессе способствует повышению фундаментальности математического и технического образования, содействует подлинной интеграции процесса познания.

загрузка...
Сторінки, близькі за змістом