<mod-ki 0780> Forschungsberichte "Kognitive Systeme", Freiburg
Hans-Werner Hein
To: mod...@unido.informatik.uni-dortmund.de
Date: 24 Oct 91 12:31 +0100
Subject: <mod-ki 0780> Forschungsberichte "Kognitive Systeme", Freiburg
Keywords: Publikationen
mod-ki message 0780
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Nachfolgend ein Verzeichnis von Forschungsberichten der Freiburger
"Forschungsgruppe Kognitive Systeme". Bei Interesse bitten wir um
Kontaktaufnahme unter folgender Adresse:
Prof. Dr. Hans Spada
Psychologisches Institut der Universitaet
Niemensstr. 10
7800 Freiburg i.Br.
Tel.: 0761/203-3628
FAX : 0761/203-4164
e-mail: s...@cogsys.psychologie.uni-freiburg.dbp.de
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Opwis, K., Stumpf, M. & Spada, H. (1987). PRISM: Einfuehrung in die
Theorie und Anwendung von Produktionssystemen (Nr.39).
Viele Modelle der Wissensrepraesentation und -verarbeitung, die in den
letzten Jahren im Ueberschneidungsbereich von kognitiver Psychologie und
Kuenstlicher Intelligenz entwickelt wurden, beruhen auf der Konzeption
der Produktionssysteme. Der vorliegende Arbeitsbericht gibt eine
Einfuehrung in die Theorie und Anwendung von Produktionssystemen. Nach
einigen Vorbemerkungen zur wissenschaftstheoretischen Einordnung der
weiteren Ausfuehrungen werden im 2. Kapitel - ausgehend vom
Informationsverarbeitungsparadigma und einer Diskussion von Merkmalen
wissensbasierter Systeme - die inhaltlich-theoretischen Grundannahmen
von Produktionssystemen aufgearbeitet. Im 3. Kapitel werden die Struktur
eines speziellen Produktionssystems, des PRISM-Systems, und ausgewaehlte
Sprachelemente vorgestellt. Zur Abrundung werden dann einige konkrete
Illustrationsbeispiele fuer Produktionssysteme (Kapitel 4:
Turm-von-Hanoi; Kapitel 5: Verwaltung eines Und/Oder-Zielbaums) im
Detail dokumentiert und diskutiert.
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Ploetzner, R. & Opwis, K. (1987). Modeling Discrimination Learning in a
Production System Framework (Nr.40).
Learning that takes place in a so-called reactive learning environment
(e.g., a microworld) often requires learning by discovery and
experimentation and therefore some kind of induction. The core of
inductive learning processes such as generalization or discrimination is
the creation and modification of knowledge structures. This paper
describes the modeling of a discrimination-based learning mechanism
within the production system framework as it is provided by the PRISM
program. To accomplish this, PRISM had to be extended. Basically, these
extensions provided the discrimination algorithm and some additional
action side functions for rules written in the PRISM language. To
illustrate the algorithm at work, an adaptive production system is
presented. We chose to (re-) implement an often-quoted learning system,
the SAGE.2 system, which has been developed by Pat Langley and
colleagues. This system learns search strategies by the transformation
of general but weak methods, for example breadth-first search, into
powerful, domain-specific heuristics. It learns by creating and
strengthening rules. The well-known Towers of Hanoi puzzle is used as
the underlying problem domain.
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Stumpf, M. & Herderich, C. (1988). Netzwerk-Unterstuetzung fuer
InterLISP-D - Maschinen von XEROX bzw. Siemens (Nr.43).
Ab einer Anzahl von etwa 5 installierten InterLISP-D-Systemen von Typ
Xerox 11xx bzw. Siemens 58xx werden diese in der Regel unter Verwendung
eines lokalen Netzwerkes betrieben. Dieser Bericht beschreibt
ausfuehrlich die vielfaeltigen Vorteile einer leistungsfaehigen
Vernetzung dieser Systeme und diskutiert einige Realisierungsvarianten
auf der Basis verschiedener Protokolle wie NS, PUP, TCP/IP mit oder ohne
Verwendung eines dedizierten Servers. In diesem Zusammenhang wird auch
eingegangen auf die Kommunikationsmoeglichkeiten der betrachteten
Systeme sowie auf allgemeine Aspekte einer Ethernet-Vernetzung. Anhand
zweier Beispielkonfigurationen werden die Installation und die
Verwendung der fuer die Vernetzung der Lisp-Maschinen notwendigen
Software detailliert erlaeutert.
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Stumpf, M., Branskat, S., Herderich, C., Newen, A., Opwis, K.,
Ploetzner, R., Schult, T. & Spada, H. (1988). The Graphical User
Interface of DiBi, a Microworld for Collision Phenomena (Nr.44).
The background of the report is the development of better solutions of
how to assess and model the constructive process of knowledge
acquisition of a learner in a computerized responsive learning
environment (microworld). This report introduces a user interface and
its architecture as a major component of the system DiBi
(Disk Billiard). In interacting with the microworld DiBi, the student
explores a physical problem domain, namely elastic impacts as a branch
of classical mechanics. DiBi is a highly interactive program which
builds upon elaborate input and output facilities implemented on an
InterLISP-D machine (XEROX 11xx / Siemens 58xx). Designed as a
microworld, DiBi facilitates explorative learning within a restricted
domain of phenomena by allowing the simulation of a great range of
experiments (on the screen). The setting is arranged in such a way that
the collected data reflect the student's inquiry into and the processing
of information as well as his process of forming and testing the
hypotheses. The research report focuses on a documentation of the user
interface from a technical point of view, namely on the design and the
implementation; questions concerning the psychological background are
only sketched.
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Spada, H., Opwis, K. & Stumpf, M. (1988). Wissenserwerb durch
Hypothesenbildung: Computerisierte Modellierung, Diagnose und
Foerderung. Arbeitsbericht 1986-1987, Arbeitsprogramm 1988-1990 (Nr.47).
Die Projektarbeiten koennen als wissenspsychologische
Grundlagenforschung zu intelligenten tutoriellen Systemen beschrieben
werden. Drei miteinander verzahnte Ziele stehen im Vordergrund: (1) Die
Implementation einer computerisierten Mikrowelt, die dem Lernenden eine
kontrollierte Erfahrungsbildung durch ein weitgehend selbstgesteuertes
Experimentieren in einem physikalischen Gegenstandsbereich ermoeglicht
und die zugleich psychologisch gut interpretierbare detaillierte Daten
zum Lern- und Problemloeseverhalten liefert. (2) Die Entwicklung von
Algorithmen, die auf der Grundlage dieser Daten eine automatisierte
Diagnose des bereichsspezifischen Wissens des Lernenden im Sinne einer
Erschliessung der korrekten und/oder systematisch fehlerhaften Annahmen
und Konzepte ermoeglichen. (3) Die psychologisch valide kognitive
Modellierung induktiver Lernprozesse bei dem in der Mikrowelt
abgebildeten Gegenstandsbereich. Nachdem eine computerisierte Mikrowelt
fuer Phaenomene aus einem Teilbereich der klassischen Mechanik
entwickelt und die theoretischen und formalen Voraussetzungen fuer
umfassende kognitive Modellierungen unter Nutzung aktueller
Entwicklungen in der KI geschaffen wurden, wird der Arbeitsschwerpunkt
im zugrundeliegenden Zeitraum auf der Wissensdiagnose und der
Modellierung von Wissenserwerbsprozessen liegen.
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Reimann, P. (1988). Individual Differences in Hypothesis-Guided
Discovery Learning. Observations and a Protocol Analysis (Nr.48).
Observations on eight students learning with REFRACT, a microworld
program for geometrical optics, are reported. Students had to design
simulated experiments, predict experimental outcomes, and revise
hypotheses based on informational feedback. The process of hypothesis-
guided knowledge acquisition is analyzed focussing on individual
differences with respect to learning strategies employed and knowledge
acquired. Since the study ist intended to provide us with information
for developing computational models of learner differences, a protocol
analysis was conducted for two subjects, based on the problem solving
view of inductive thinking. The results of this analysis are reported,
together with implications for building cognitive simulation models of
the learning task that contain symbolic parameters for individual
differences.
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Reimann, P. (1988). REFRACT: A Discovery World Program for Geometrical
Optics. Program documentation (Nr.49).
A computerized interactive simulation program for optical refraction
called REFRACT is described. The program provides a discovery learning
environment wherein the phenomenon of refraction (Snell's law, lens
makers' equation) can be explored in a self-guided, hypothesis-driven
manner. The students' task is to find out about the laws that govern the
domain by conducting experiments and analyzing their results. In each
(simulated) experiment, students have to predict the outcome before they
receive feedback. REFRACT relies on graphical simulations and allows for
direct manipulation of the objects involved in the simulation.
Furthermore, students have available tools to inspect and record
graphical simulations as well as tools for analyzing experimental
outcomes quantitatively. The user interface and the program structure is
described in some detail, along with our design philosophy.
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Ernst, A. M. (1988). FCG - Ein System zur kognitiven Modellierung eines
oekologisch-sozialen Konflikts (Nr.52).
"FCG" steht fuer "Fishing Conflict Game". Es ist eine computerisierte
kognitive Modellierung von Aspekten der Motivation und Kognition von
Beteiligten an einem Umweltdilemma. Mit dieser Modellierung wird eine
doppelte Zielsetzung verfolgt: Zum einen wird eine formale theoretische
Fassung der die Handlungen in der betreffenden Situation vorbereitenden
Prozesse und deren Umsetzung in ein Performanzmodell angestrebt, zum
anderen wird das Paradigma regelbasierter Informationsverarbeitung auf
seine Anwendbarkeit in dem Bereich der Sozialen-Dilemma-Forschung
geprueft. Es wird die zugrundeliegende kognitive Teiltheorie skizziert,
deren Umsetzung geschildert, die Performanz des FCG diskutiert sowie die
Implementation des Systems dokumentiert.
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Ploetzner, R., Spada, H., Stumpf, M. & Opwis, K. (1990). Learning
Qualitative and Quantitative Reasoning in a Microworld for Elastic
Impacts (Nr.59).
From a psychological point of view efficient teaching by means of an
intelligent tutoring system necessarily involves that the communication
of knowledge is adapted to the requirements of the learner: to her
cognitive abilities, her pre-instructional knowledge and her learning
capabilities. To tackle these topics in a precise way, we have developed
the artificial-intelligence-based microworld DiBi (disk billiard) and
MULEDS, a multi-level diagnosis system. The microworld DiBi sets up a
learning environment which simulates elastic impacts, a subtopic of
classical mechanics. DiBi enables and supports reasoning on different
levels of mental domain representation ordered along the dimension
'qualitative/quantitative'. This way of representing the domain provides
a basis for passive adaptation in an advanced way. Correspondingly,
active adaptation is supported by MULEDS, wherein student modeling is
realized by assessing the student's correct and/or incorrect domain-
specific knowledge at these different levels. Within this psychological
perspective, the use of instructional tools, such as the microworld DiBi
and the computerized diagnosis system MULEDS, aims at gradually
supporting and guiding the student in the construction of more and more
powerful and sound domain representations. The progression through
these levels of domain representation will enable the student to solve
the problems posed by the domain in a flexible way.
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Opwis, K. & Lueer, G. (1990). Modelle der Repraesentation von Wissen
(Nr.60).
Dieser Beitrag gibt einen Ueberblick ueber die verschiedenen Formen der
Repraesentation von Wissen, die in der gedaechtnispsychologischen
Literatur diskutiert werden. Ausgangspunkt ist eine ausfuehrliche
Explikation und Strukturierung der Repraesentationsproblematik unter
Beruecksichtigung ihrer Bezuege zu Entwicklungen in anderen Disziplinen,
insbesondere der Informatik und der Linguistik. Als theoretisch-
konzeptueller Bezugsrahmen wird das Informationsverarbeitungsparadigma
zugrundegelegt. Aufbau und Nutzung von internen oder mentalen
Repraesentationen werden als Konstruktion und Interpretation von
Modellen aufgefasst. Vorgestellt werden die grundlegenden Modellarten:
Propositionale Repraesentationssysteme (semantische Netze, Frames,
Skripts) anhand semantischen und episodischen Wissens, die
Repraesentation von prozeduralem Wissen in Form von Regelsystemen
(Produktionssysteme) und analoge Formen der Repraesentation am Beispiel
bildhaft-anschaulichen Wissens. Angestrebt wird keine vollstaendige,
enzyklopaedische Darstellung, sondern eine detaillierte Eroerterung der
zentralen Annahmen vorgeschlagener Repraesentationssysteme. Allgemeine
Zielsetzung ist eine Beschreibung und Erklaerung der Struktur, der
Funktionalitaet und der Leistungen wissensbasierter Systeme. Dazu wird
eine Mehr-Ebenen-Betrachtung entwickelt: eine Ebene beobachtbarer
empirischer Phaenomene, eine abstrakte Ebene der theoretisch-
konzeptuellen Begrifflichkeit, eine formale Ebene der exakten
algorithmischen Formulierung und eine konkrete Ebene der Realisierung
auf einem Rechner. Damit korrespondieren unterschiedliche
Schwerpunktsetzungen in den einzelnen Abschnitten: Im Vordergrund der
Ausfuehrungen zu propositionalen und regelbasierten
Repraesentationssystemen stehen theoretisch-konzeptuelle Aspekte und
Gesichtspunkte der formalen Modellbildung. Im Unterschied dazu wird bei
der Eroerterung analoger Repraesentationssysteme ein staerkeres Gewicht
auf vorliegende empirisch-experimentelle Befunde gelegt.
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Spada, H. & Ernst, A.M. (1990). Wissen, Ziele und Verhalten in einem
oekologisch-sozialen Dilemma (Nr.63).
Es wurden die kognitiven und motivationalen Prozesse untersucht, die das
Verhalten von an einem oekologisch-sozialen Dilemma ("Allmende-Klemme")
Beteiligten bedingen. In einer derartigen Konfliktsituation sind zwei
Aspekte fuer die Schwierigkeit eines adaequaten Verhaltens zentral: der
oekologische Aspekt (Wie veraendert sich eine natuerliche Ressource in
Abhaengigkeit von ihrer Ausbeutung ueber die Zeit?) und der soziale
Aspekt (Wer hat welchen Nutzen, wer traegt welche Lasten?). 72 Gruppen
von Schuelern und Studenten spielten das sog. Fischereikonfliktspiel
unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Es stellt eine
experimentelle Simulation eines oekologisch-sozialen Dilemmas dar.
Theoriegeleitet wurden detaillierte Prozessdaten erhoben. Die Ergebnisse
zeigen, wie individuelle Spielziele und oekologisches sowie soziales
Wissen das Verhalten in der Dilemmasituation praegen und die Art des
Umgangs mit der (simulierten) Umwelt und die soziale Interaktion
bestimmen. Eine erste Version einer kognitiven und motivationalen
Prozesstheorie des Handelns in oekologisch-sozialen Dilemmata wird
beschrieben und ihre lauffaehige Implementation als Computermodell
vorgestellt. Das Modell eroeffnet verschiedene Moeglichkeiten zur
Pruefung der Theorie, aber auch Anwendungen im Bereich der
Umwelterziehung. Schlagworte: Soziale Dilemmata - Wissensbasiertes
Handeln - Computermodellierung - oekologische Psychologie
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Reimann, P., Bader, M. & Klenner, M. (1990). Computermodelle
inkrementellen Konzepterwerbs (Nr.64).
Beim inkrementellen Konzepterwerb geht es darum, eine Menge nacheinander
vorgegebener Elemente (Objekte, Ereignisse, kurz: Instanzen) anhand
ihrer Aehnlichkeit zu Gruppen zusammenzufuegen und fuer jede dieser
Gruppen eine symbolische Beschreibung zu generieren, also ein Konzept zu
formen. Nach einer Diskussion der allgemeinen Charakteristika dieses
Lernproblems stellen wir einige Computerprogramme vor, die auf diese Art
und Weise Konzepte bilden. Den Hauptteil des Berichts bildet die
Beschreibung von UNIMEM, einem solchen Programm zum inkrementellen
Konzepterwerb. Wir haben die zentrale Komponente von UNIMEM
reimplementiert, die ein Computermodell fuer die Schanksche Konzeption
eines dynamischen Gedaechtnisses darstellt, naemlich das Generalisation
Based Memory (GBM). Weiter wurden die von Lebowitz beschriebenen
Lernmechanismen, die ueber dem GBM ablaufen, implementiert, so dass wir
ueber eine relativ vollstaendige Version des Programms UNIMEM verfuegen.
Unsere Implementation wurde mittels KEE (Knowledge Engineering
Environment) und CommonLISP realisiert. Neben der Implementation
beschreiben wir zur Illustration das Lernverhalten von UNIMEM-KEE in
zwei Situationen: Der Klassifizierung von Nationen und von
Arbeitsplatzbeschreibungen. Wir schliessen mit einer Diskussion der
Probleme dieses Lernprogramms und einer Darstellung neuerer, auf UNIMEM
aufbauender Konzepterwerbsprogramme.
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Ploetzner, R. (1990). Analysis-based Induction of Elementary Functional
Relationships (Nr.65).
This paper presents a description and an analysis of the computerized
simulation model KAGE (knowledge acquisition governed by
experimentation). KAGE proposes a cognitive model of the learning
processes which take place during the acquisition of knowledge about
elementary functional relationships between physical variables. It
thereby places the main emphasis on the acquisition of knowledge about
proportional and inversely proportional relationships. KAGE reconstructs
learning as a progression through multiple levels of mental domain
representation ordered along the dimension qualitative/quantitative by
means of various analysis-based learning mechanisms. The model is
especially concerned with learning in an experimental setting as it
might be provided by computerized learning environments such as
intelligent tutoring systems (ITS). Since the development of KAGE has
been motivated by questions concerning the improvement of computerized
instructions as well as of computerized knowledge diagnosis, KAGE is not
only described in detail, but also embedded in and analyzed with respect
to these questions. By modeling the acquisition of knowledge about
elementary functional relationships between physical variables, KAGE
stresses the use of knowledge acquired already on a `lower' level of
mental domain representation for the formulation of hypotheses on a
`higher' level. In a first step KAGE analyzes single experiment
descriptions, which have been provided to the model, by means of
experimental and heuristic knowledge in order to determine which
variables effect each other. A subsequent mathematical elaboration forms
hypotheses about the kind of relationship between the considered
variables. The assumed relationships are then extrapolated to new
experimental situations by applying analogical inference processes. Such
analogical extrapolations are applied within as well as between
different levels of domain representation.
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Schult, T.J. (1990). "Erinnerst Du Dich an diese analoge Situation?"
CABAT - Eine Shell fuer tutorielle Erinnerungen (Nr.68).
Waehrend eines Lehrdialogs koennen Situationen entstehen, die in
gewisser Weise analog zu frueheren sind. Lernende und Lehrende koennen
dies ausnutzen, indem sie Loesungen aus einer Problemsituation auf eine
andere uebertragen und anpassen. Dies wurde von tutoriellen Systemen
bisher nicht ausreichend unterstuetzt. Es wird eine bereichsunabhaengige
Komponente fuer intelligente tutorielle Systeme namens CABAT
("CAse-BAsed Tutor") vorgestellt, die den oder die Lernende an fruehere
aehnliche Situationen erinnert, sofern solche existieren. CABAT ist fuer Gegenstandsbereiche geeignet, die sich mit Hilfe von Formeln darstellen
lassen. Das System verbindet eine algebraische Analyse der
Bereichsformeln mit einer bereichsunabhaengigen Theorie von
Analogietypen, die auf Modellen analogen Schliessens basiert. Bisher
wurde CABAT als Komponente fuer die Mikrowelt DiBi eingesetzt, die eine
Lernumgebung fuer physikalische Experimente zum elastischen Stoss
darstellt. Der dem System zugrundeliegende Analogiebegriff kann auch
fuer andere Zwecke verwendet werden, z.B. fuer die Erzeugung von
Aufgabenstellungen.
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Klenner, M. (1991). TELOS: Ein System zur Generierung temporaler
Konjunktionalsaetze (Forschungsbericht Nr. 75). Freiburg i. Br. :
Albert-Ludwigs-Universitaet, Psychologisches Institut.
Das Thema dieses Berichts ist die Satzgenerierung aus
zeitveraenderlichen Szenen. TELOS (Temporal Localization of Situations)
ist ein System, das - ausgehend von zeitlich und raeumlich zu
lokalisierenden Situationen des Weltausschnitts Strassenszenen -
temporale Konjunktionalsaetze generiert. Durch die Auswahl temporaler
Konjunktionen werden die Situationen zeitlich zueinander in Beziehung
gesetzt. Entscheidend fur die Auswahl einer Konjunktion ist, neben der
zugrundeliegenden zeitlichen Relation, die Konzeptualisierung der
Argumentssatzsituationen in einer den Aspektforderungen der Konjunktion
korrespondierenden Situationssorte - Ereignis oder Zustand. Perfektiver
Aspekt korrespondiert mit der Ereignissichtweise auf Situationen,
imperfektiver Aspekt mit der Zustandssichtweise auf Situationen. Die
Konzeptualisierung in der geforderten Situationssorte erfolgt in TELOS
primaer durch die raeumliche Verankerung der Situation bezueglich
bestimmter Wegabschnitte der Bewegung. Ein und dieselbe Situation kann
je nach Grenzbezug des Wegarguments als Zustand oder als Ereignis
konzeptualisiert werden. Die Konstitution der Situationssorte und die
Fragen der sich anschliessenden grammatischen Kodierung bilden den
Schwerpunkt des Berichts.
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