1、第一部認(rèn)知科學(xué)之研究途徑臺(tái)南大學(xué) 孫光天1認(rèn)知科學(xué)認(rèn)知科學(xué)是心智（mind）與智能（intelligence）的跨學(xué)科研究，包含哲學(xué)、心理學(xué)、人工智能、神經(jīng)科學(xué)、語言學(xué)及人類學(xué)源起在1950年代中，數(shù)個(gè)領(lǐng)域的研究者開始發(fā)展根據(jù)複雜表徵及計(jì)算程序的心智理論計(jì)算機(jī)科學(xué)及工程的學(xué)生，他們精於計(jì)算卻只知道一點(diǎn)點(diǎn)心理學(xué)及哲學(xué)心理學(xué)或哲學(xué)背景，而只知道一點(diǎn)計(jì)算2呈現(xiàn)方式三個(gè)不同方式介紹認(rèn)知科學(xué)給各種學(xué)科的聽眾。第一個(gè)集中在心理學(xué)、人工智能等的不同領(lǐng)域。第二個(gè)是組織心智不同功能的討論，如：問題解決、記憶、學(xué)習(xí)及語言。第三個(gè)方式，系統(tǒng)地描述及評(píng)估心理表徵（mental representation）的主要理論

2、，它們?yōu)檎J(rèn)知科學(xué)家所提倡，包含邏輯、法則、概念、類比、心像及聯(lián)結(jié)（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）3目的心理系學(xué)生可理解的方式解說邏輯、以英文系學(xué)生可理解的方式解說計(jì)算機(jī)演算法、以計(jì)算機(jī)科學(xué)系學(xué)生可理解的方式解說哲學(xué)主張本書篇幅相對(duì)的簡短，強(qiáng)調(diào)森林而非樹木。我已經(jīng)省略許多在人工智能、認(rèn)知心理學(xué)、心智哲學(xué)等等的導(dǎo)論內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)主題4第一章表徵與計(jì)算5研究心智認(rèn)知科學(xué)的主要目的是解釋人們?nèi)绾瓮瓿蛇@類種種思維。我們不僅僅描述不同問題的解決及學(xué)習(xí)，也解釋心智如何實(shí)行這些操作。對(duì)許多實(shí)際活動(dòng)很重要。例如 :教育學(xué)者需要知道學(xué)生的思維特質(zhì)，以便設(shè)置較好的方式去教育他們。工程師及其他設(shè)計(jì)者需要知道產(chǎn)品的潛在使用者。藉由思維什麼使

3、人變得聰明，可以做出比較聰明的計(jì)算機(jī)。政治家及其他決策訂定者可以更成功，如果他們明瞭和他們打交道的人的心理過程。 6研究心智簡單嗎 ? 研究心智並不簡單 ，不同學(xué)者有不同心智隱喻(但有些學(xué)者不認(rèn)同用隱喻描述心智)，例如 : 形成印象的白紙 、幾種力量作用於其中的水力裝置，及電話交換機(jī)等。7你知道什麼？大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，有許多比課業(yè)更多的東西要學(xué) : 不同學(xué)程要應(yīng)付許多不同的科目、如何運(yùn)作的基本知識(shí)、如何選課、什麼時(shí)候開始上課、學(xué)位的要求是什麼、從一棟建築到另外一棟的最好路徑是什麼、周五晚上娛樂的最好去處是哪裡等？這些問題的答案變成大多數(shù)學(xué)生心思的一部分，但是，是部分的哪一種類？大部分認(rèn)知科學(xué)家同意心

4、中的知識(shí)（knowledge）由心理表徵（mental representations）所組成 8心理表徵與程序解釋許多種知識(shí)，像是學(xué)生所知道的大學(xué)，認(rèn)知科學(xué)家提議用不同的心理表徵，例如 :法則、概念、心像（image）及類比表示 心理程序（mental procedure）作用在心理表徵以產(chǎn)生思想及行動(dòng)。羅馬數(shù)字也表達(dá)數(shù)目（I, II, III, V, X, L(50), C(100), D(500), M(1000)）(類似心理表徵)，但是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算需要不同的程序(類似心理程序) ，試試CIV(104)除以XXXVI(36) 9起始 瞭解心智以及它的運(yùn)作之企圖可回溯至古希臘，當(dāng)時(shí)哲學(xué)家像

5、是柏拉圖及亞理士多德嘗試解說人類知識(shí)的性質(zhì)，柏拉圖認(rèn)為最重要的知識(shí)來自概念，像是人們天生就知道的美德 笛卡爾及萊布尼茲相信知識(shí)可僅由思維及推論而得，為理性主義（rationalism）理論 10亞理士多德討論知識(shí)，使用得自經(jīng)驗(yàn)的法則， 像是人是會(huì)死的。這個(gè)哲學(xué)看法為人所認(rèn)知為經(jīng)驗(yàn)主義（empiricism）十八世紀(jì)，康德（Kant）企圖結(jié)合理性主義及經(jīng)驗(yàn)主義，主張人類知識(shí)依賴感官經(jīng)驗(yàn)及心智的天生能力。十九世紀(jì)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)發(fā)展之時(shí)，心智的研究仍舊停留在哲學(xué)的範(fàn)疇內(nèi)。馮德（Wilhelm Wundt）及他的學(xué)生創(chuàng)立實(shí)驗(yàn)室方法，比較有系統(tǒng)地研究心智的運(yùn)作。然而在幾十年之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)心理學(xué)被行為主義（beh

6、aviorism）所主宰 11在1956左右，知識(shí)份子的景觀開始劇烈地改變。密勒（George Miller）總結(jié)許多研究，顯示人類的思維能力是有限的，例如短期記憶限於大約七個(gè)項(xiàng)目（這也就是為什麼很難記住長電話號(hào)碼或社會(huì)安全號(hào)碼）。喬姆斯基（Noam Chomsky）（1957, 1959）拒絕行為學(xué)者假設(shè)語言只是學(xué)得的習(xí)慣，而提議用法則組成的心理語法以解釋人們瞭解語言的能力，視為認(rèn)知科學(xué)的建立者之一。121960年，紐惠爾及西蒙用法則說明人類智能1970年間，明斯基提議概念似的框架是知識(shí)表徵的中心形式，其他人工智能及心理學(xué)的研究者討論稱為基模（schema）及劇本（script）等類似結(jié)構(gòu)

7、1980年代起許多實(shí)驗(yàn)及計(jì)算研究涉及類比的（analogical）思維，也稱為個(gè)案基底的推理（case-based reasoning）與聯(lián)結(jié)論者(connectionist） (腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) )理論的興起心智以心理表徵及程序來瞭解的中心觀點(diǎn)，今日已經(jīng)面臨許多挑戰(zhàn)13認(rèn)知科學(xué)的方法 不同領(lǐng)域的研究者帶來對(duì)心智及智能的種種觀點(diǎn)及方法 心智如何工作的結(jié)論必須不止根據(jù)普通常識(shí)及內(nèi)省，因?yàn)楹芏嗍菬o法有意識(shí)地獲得，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的心理運(yùn)作描繪。因此從各方向小心地處理心理運(yùn)作的心理實(shí)驗(yàn)對(duì)認(rèn)知科學(xué)成為科學(xué)是很重要的。發(fā)展理論架構(gòu)的最好方法之一是形成及測試類似於心理運(yùn)作的計(jì)算模型(computational mod

8、els） 14人工智能計(jì)算模型的設(shè)計(jì)、建立及實(shí)驗(yàn)是人工智能的核心方法 認(rèn)知科學(xué)中計(jì)算模型及心理實(shí)驗(yàn)是聯(lián)手進(jìn)行，但在人工智能中，將心理實(shí)驗(yàn)排除於外 如同認(rèn)知科學(xué)家一般，神經(jīng)科學(xué)家常實(shí)行控制實(shí)驗(yàn)，但他們的觀察是非常不一樣，因?yàn)樯窠?jīng)科學(xué)家是直接研究腦的性質(zhì) 15腦神經(jīng)科學(xué)對(duì)非人類(猴子)受驗(yàn)者，研究者插入電極並記錄個(gè)別神經(jīng)的擊發(fā)。對(duì)人類而言，這技術(shù)太過於侵入性，最近年來使用腦波儀(EEG) 、核磁共振(f MRI)及正電子掃描（positronic scanning）設(shè)備蒐集與觀察腦損傷人們動(dòng)作，確定腦部位的功能，所以神經(jīng)科學(xué)（neuroscience）是理論及實(shí)驗(yàn) 形成。例如，腦在負(fù)責(zé)語言部位中風(fēng)

9、會(huì)導(dǎo)致無法說話16認(rèn)知人類學(xué)認(rèn)知人類學(xué)（cognitive anthropology）考慮在不同文化情況下思維如何作用。心智的研究很明顯不應(yīng)限於英語使用者如何思維，而應(yīng)考慮跨文化思維模式的可能差異。例如: 顏色對(duì)不同文化之差異哲學(xué)家一般不實(shí)施有系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀察或建構(gòu)計(jì)算模型。但哲學(xué)對(duì)認(rèn)知科學(xué)仍然是重要的，因?yàn)樗幕局黝}構(gòu)成心智的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法之基礎(chǔ)。心智哲學(xué)（philosophy of mind）和其他方法相似，但是應(yīng)該和其他領(lǐng)域共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果。17廣義形式，認(rèn)知科學(xué)（cognitive science）是各領(lǐng)域之總和：心理學(xué)、人工智能、語言學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、人類學(xué)及哲學(xué)。當(dāng)理論及實(shí)驗(yàn)收歛至關(guān)於心智

10、性質(zhì)的結(jié)論時(shí)，跨學(xué)科的工作變得較為有趣。理論上最富成效的方法是用表徵及計(jì)算去瞭解心智18心智的計(jì)算 - 表徵之理解認(rèn)知科學(xué)的中心假設(shè)是：藉由心智的表徵結(jié)構(gòu)及作用在此結(jié)構(gòu)的計(jì)算程序，可對(duì)思維作最好的瞭解這個(gè)假設(shè)來瞭解心智的方式為CRUM，它代表心智的計(jì)算 表徵之理解（Computational-Representational Understanding of Mind）。CRUM已是既有理論及實(shí)驗(yàn)上對(duì)心智最成功的方法。(但不是每一個(gè)在認(rèn)知科學(xué)學(xué)科的人同意CRUM)，但檢視心理學(xué)及其他領(lǐng)域的期刊，CRUM是目前認(rèn)知科學(xué)最主要的方法。19CRUM 與 計(jì)算機(jī)CRUM的成功在於它使用計(jì)算機(jī)中的豐富類

11、比計(jì)算機(jī)程式 = 資料結(jié)構(gòu) 及演算（algorithms）例如: 串列（A B C）及樹（tree）。演算法(機(jī)械式程序)可定義為作用於某種結(jié)構(gòu)上。例如，程序REVERSE 定義為顛倒一個(gè)串列（A B C）轉(zhuǎn)成（C B A）20CRUM 與 計(jì)算機(jī)CRUM假設(shè)心理表徵類似於資料結(jié)構(gòu)（data structures）計(jì)算程序類似於演算法如下圖 :認(rèn)知科學(xué)中最主要的類比21另一類比 : 頭腦另一類比 : 頭腦。聯(lián)結(jié)論者提出 表徵及計(jì)算的新奇觀念 神經(jīng)和其聯(lián)結(jié)當(dāng)作為資料結(jié)構(gòu)將神經(jīng)擊發(fā)（neuron firing）及擴(kuò)散激活（spreading activation）當(dāng)作為演算法CRUM以心智、腦及計(jì)

12、算機(jī)之間的三個(gè)方式類比來運(yùn)作。沒有單一的心智計(jì)算模型，因?yàn)椴煌挠?jì)算機(jī)及寫程式方法，提出了心智的可能工作之不同方式。22另一種類比 :食譜以計(jì)算方式來思維心智應(yīng)該是相當(dāng)自然且有用的另一種類比 :食譜。食譜通常有兩部分：成分材料清單及一群處理它們的指令。應(yīng)用烹飪指令於材料，產(chǎn)生一盤菜，就如應(yīng)用演算法於數(shù)字及串列的資料結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生執(zhí)行程式相似23理論、模型及程式認(rèn)知科學(xué)模型的理解，需要注意四個(gè)關(guān)鍵成分：理論、模型、程式及平臺(tái)（platform）認(rèn)知理論 : 一群表徵結(jié)構(gòu)以及操作於其上的程序。( 類似於資料結(jié)構(gòu)及演算法組成的計(jì)算機(jī)程式)計(jì)算模型 : 使得這些結(jié)構(gòu)及程序比較精確程式語言 : 以程式語言

13、製作軟體程式(像是LISP 或 C)來測試模型。硬體平臺(tái) : 程式可以執(zhí)行的硬體平臺(tái)，如Macintoshes, Sun 工作站，或IBM PC24範(fàn)例要明瞭孩童如何把數(shù)目加在一起 : 1328認(rèn)知理論將假定孩童如何表徵這些數(shù)字，以及他們?nèi)绾翁幚磉@些表徵以完成加法理論可能提議 : 13 用單一結(jié)構(gòu)表示、組合結(jié)構(gòu)如10加3 、或類似神經(jīng)結(jié)構(gòu)的複合體程序: 產(chǎn)生41的結(jié)果，可能是做 30加11的運(yùn)算計(jì)算模型將會(huì)比較精確地描述表徵及程序的本質(zhì)用LISP的計(jì)算機(jī)語言來寫程式，並執(zhí)行程式以比較人類加法者和它的動(dòng)作執(zhí)行於不同的平臺(tái)像是PC，或特殊的計(jì)算機(jī)25認(rèn)知理論發(fā)展的三個(gè)階段：發(fā)現(xiàn)、修改及評(píng)價(jià)，這個(gè)心

14、智和計(jì)算機(jī)的類比是有用的理論發(fā)展、模型發(fā)展及程式發(fā)展常連在一起，因?yàn)閷懗淌娇蓪?dǎo)致新種類的資料結(jié)構(gòu)及演算法的發(fā)明，而變成模型的一部分，它在理論中也有類似對(duì)應(yīng)部分執(zhí)行程式對(duì)模型的評(píng)價(jià)之貢獻(xiàn)有三：第一，它有助於顯示假定的表徵及程序是計(jì)算上可實(shí)現(xiàn)的 (因?yàn)樵S多看似合理的演算法，無法解決在真正計(jì)算機(jī)上的大型問題)26第二，為了顯示不僅理論上計(jì)算可行，而且心理學(xué)上看似合理，程式必須考慮質(zhì)的方面應(yīng)用。例如，我們的加法程式應(yīng)該能得到像孩童同樣的正確及錯(cuò)誤的答案第三，為顯示在理論及人類思維之間比較細(xì)節(jié)的吻合，程式應(yīng)該能夠量化地產(chǎn)生預(yù)測，和實(shí)驗(yàn)作比較。例如，加法問題，心理實(shí)驗(yàn)顯示孩童得到某個(gè)百分比的正確率，那麼計(jì)

15、算機(jī)程式應(yīng)該得到概略同樣百分比的正確率27心理表徵評(píng)估途徑五個(gè)複雜準(zhǔn)則，據(jù)以評(píng)估用來解釋思維的表徵及計(jì)算。第二至第八章用這些準(zhǔn)則來評(píng)估心理表徵的六個(gè)不同途徑(方式)：邏輯（logic）、法則（rules）、概念（concepts）、心像（images）、類比（analogies）、及聯(lián)結(jié)（connections）（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）等不同心理表徵方式。28評(píng)估心理表徵理論的五大準(zhǔn)則1. 表徵的能力2. 計(jì)算的能力(1) 問題解決（problem solving）- 計(jì)畫（planning） - 決策（decision）- 解釋（explanation） (2) 學(xué)習(xí)（learning） (3) 語

16、言（language）29評(píng)估心理表徵理論的五大準(zhǔn)則3. 心理學(xué)上的合理性（psychological plausibility）4. 神經(jīng)學(xué)上的合理性（neurological plausibility）5. 實(shí)際適用性（applicability） (1) 教育（education） (2) 設(shè)計(jì)（design） (3) 智能系統(tǒng)（intelligent systems）301. 表徵的能力關(guān)於一個(gè)特定表徵能表達(dá)多少資訊例如，一個(gè)大學(xué)行事曆要求，一旦準(zhǔn)許入大學(xué)，建議學(xué)生在開課前預(yù)先註冊。認(rèn)真接受這個(gè)勸告的學(xué)生需要將其內(nèi)在表徵為一個(gè)形式，而導(dǎo)致更進(jìn)一步推論，像是他們應(yīng)到註冊辦公室為下學(xué)期簽字

17、的結(jié)論312. 計(jì)算的能力問題解決：一個(gè)心理表徵的理論應(yīng)該能夠解釋人們?nèi)绾瓮普撘酝瓿伤麄兊哪康摹Ｓ腥N要說明的問題解決：計(jì)畫、決策及解釋。 - 計(jì)畫（planning） 從初始狀態(tài)到目的狀態(tài)去找出所經(jīng)歷的中間狀態(tài)。例如 : 學(xué)生在測驗(yàn)的問題。在這些問題中，給予某些資訊，學(xué)生必須找出如何計(jì)算答案。起始狀態(tài)包括學(xué)生所知和問題描述中的資訊，而目的狀態(tài)則包括答案。學(xué)生必須建構(gòu)一系列成功的計(jì)算以找出解答。32 (1) 問題解決 - 決策（decision）為了達(dá)成他們的目的，面對(duì)許多不同的 方法，必須選出最好的一個(gè)。 - 解釋（explanation） 解釋問題要求人們找出為什麼某些事情 發(fā)生，像是為什

18、麼朋友晚餐遲到33 (2) 學(xué)習(xí)（learning）當(dāng)人們解決問題時(shí)，他們通常能夠從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，因而下一次可以更容易解決它。例如，學(xué)生第一次註冊時(shí)常常很迷惑，因?yàn)椴恢雷駨氖颤N程序或如何選好的科目。然而後來的註冊則簡單多了。具有智能的一部分是能從經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，因此， 心理表徵的理論必須有充分的計(jì)算能力以解釋人們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)。34(3) 語言（language）解決問題及學(xué)習(xí)須經(jīng)過語言使用來說明使用語言是必須特別處理的唯一認(rèn)知能力語言的使用至少有三方面必須加以解釋：人們瞭解語言的能力、他們說話的能力及孩童學(xué)習(xí)語言的普遍能力。353. 心理學(xué)上的合理性認(rèn)知科學(xué)有瞭解人類認(rèn)知的目的，因此重要的是心理表徵理論

19、不僅有許多表徵及計(jì)算能力之外，也關(guān)心人們?nèi)绾嗡季S心理學(xué)上的合理性，要求不只是人在質(zhì)的能力，也要求關(guān)於這些能力的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)在量的結(jié)果這個(gè)準(zhǔn)則和計(jì)算能力的不同處是心理表徵的認(rèn)知理論不只顯示出任務(wù)在計(jì)算上是可能，而且也試著解釋人完成它的特別方式364. 神經(jīng)學(xué)上的合理性因?yàn)槿祟愃季S是由人腦完成的，心理表徵理論至少必須和神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致記錄腦波的EEG神經(jīng)科技與新的掃描技術(shù) ，確認(rèn)何處及何時(shí)腦中某些認(rèn)知任務(wù)在實(shí)行。試著評(píng)估每一個(gè)知識(shí)表徵的方法。目前，腦如何產(chǎn)生認(rèn)知的資訊仍然有限375. 實(shí)際適用性三個(gè)方面重要的應(yīng)用教育 認(rèn)知科學(xué)應(yīng)能夠增加對(duì)學(xué)生如何學(xué)習(xí)的瞭解，也能夠建議如何更好地教他們(2) 設(shè)計(jì) 像是如何製作人們喜愛使用的計(jì)算機(jī)介面，應(yīng)可從計(jì)算機(jī)運(yùn)作時(shí)，如何容易讓人們瞭解其中的內(nèi)容385. 實(shí)際適用性(3)智能系統(tǒng) 發(fā)展智能系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的專家或支援人類決策的工具，幫助人類思維的計(jì)算。 不同的心理表徵已產(chǎn)生非常不同的專家系統(tǒng)，包括法則基底、個(gè)案基底及聯(lián)結(jié)論者工具。其他認(rèn)知科學(xué)的潛在實(shí)際應(yīng)用包含瞭解及治療心理疾病。39準(zhǔn)則現(xiàn)