Intensivkurs: Kognitive Modellierung

Dozenten:

Dr. Marco Ragni und PD Dr. Lars Konieczny

Tutoren:

• Rebecca Albrecht: albrechr@informatik.uni-freiburg.de
• Markus Lohmeyer: markus.lohmeyer@gmx.de

Zeit und Ort:

Montag 16-18 Uhr, Wilhelmstraße (Vorlesung)
Freitag 09-13 Uhr, Wilhelmstraße  (Vorlesung + Übung)

Klausurtermin:

Inhalt

Kognitive Modellierung ist die zentrale Methodologie der Kognitionswissenschaft, die neben formalen und empirischen Analysen auch die Formulierung einer Theorie als Computerprogramm umfasst. Das Programm soll sich dabei in wesentlichen Aspekten so verhalten wie das menschliche "Original" und mit entsprechenden Resultaten aus empirischen Untersuchungen übereinstimmen.

Wir beginnen mit einfachen Modellen des menschlichen Gedächtnisses und werden anschließend Produktionsregelsysteme als Modellierungsplattform kennenlernen. Der größte Teil der Veranstaltung widmet sich der ACT-R Theorie (Anderson, Bothell, Byrne, und Lebiere, 2002) und deren Anwendungen.

ACT-R ist eine hybride Theorie der Architektur menschlicher Kognition (mit symbolischen und subsymbolischen Repräsentationsformen), auf deren Basis sich Modelle kognitiver Phänomene verschiedenster Art formulieren lassen. Ihre Bausteine ("Adaptive Components of Thought") sind allesamt psychologisch fundiert und schränken die Möglichkeiten der Modellbildung sinnvoll ein. ACT-R Modelle adaptieren an die Anforderungen ihrer Umwelt, indem sie Erfahrungen über Lösungswahrscheinlichkeiten und Kosten von Lösungsalternativen bei der Entscheidungsfindung einbeziehen ("Adaptive Character of Thought-Rational"). Aus ACT-R Modellen lassen sich zudem Echtzeitverläufe kognitiven Verhaltens vorhersagen und mit empirisch gewonnenen Daten von Menschen abgleichen. Die Anwendungen von ACT-R sind vielfältig: sie reichen von kognitionspsychologischen Modellen des Lernens, Gedächtnisses, Problemlösens, der Sprachverarbeitung, Wahrnehmung, Aufmerksamkeit, über Modelle der Mensch-Computer-Interaktion (HCI) hin zu neuropsychologischen Modellen zur Interpretation von fMRI-Daten.

Aktuelle Implementierungen von ACT-R stellen eine komfortable Entwicklungsumgebung für kognitive Modelle zur Verfügung. Diese soll in den begleitenden Übungen verwendet werden.

Die Veranstaltung richtet sich hauptsächlich an Studierende, die Kognitionswissenschaft als Nebenfach im Magister- oder BA-Studiengang studieren und den Pflichtschein "Kognitive Modellierung" erwerben wollen. Studierende der Kognitionswissenschaft aus anderen Studiengängen (Diplomstudiengänge Psychologie, Informatik usw.) können nach Absprache ebenfalls daran teilnehmen. Vorkenntnisse, wie sie in den beiden Vorlesungen zur Einführung in die Kognitionswissenschaft und den begleitenden Intensivkursen vermittelt werden, insbesondere Kenntnisse empirischer Methoden und der Programmiersprache LISP, sind erforderlich.

Vorlesungen

           Materialienordner

Übungen

Lösungen 

• Semantics model aus der Übung am 18.05.2012

Projekte  

Wie bereits erwähnt, müssen zum Bestehen des Intensivkurs' "Kognitive Modellierung" 50 von 100 Punkten in der Klausur erreicht werden. Studenten, die sich für die Bearbeitung eines Bonusprojekts entscheiden, können in diesem Punkte erwerben, die auf die Klausur angerechnet werden. Dabei richtet sich die Anzahl der Punkte, die für ein Bonusprojekt vergeben werden, nach der Komplexität des Problems sowie dem Erfolg bei der Implementierung. Dabei gilt, auch ein Modell, das eine psychologische Studie nicht nachstellen kann, bringt Bonuspunkte, wenn die Gruppe hieraus valide Schlüsse über kognitiven Prozesse, die bei der zugrunde liegenden Aufgabe ablaufen, ziehen kann. Für die Bearbeitung der Bonusprojekte stehen folgende Themenbereiche zur Verfügung:

• Kleinere Theorien zum relationalen Schließen (10-20 Punkte)
• Water-Jug Probleme (10-20 Punkte)
• Hobbits und Orcs Problem (30-40 Punkte)
• Implicit Sequence Learning (30-40 Punkte)

In Absprache mit den Dozenten sind auch eigene Themenvorschläge möglich, wichtig ist dabei jedoch, dass die Frist für die Abgabe der Folien eingehalten wird. Ferner müssen für den erfolgreichen Einstieg in das Bonusprojekt folgende Punkte berücksichtigt werden: 

• Die Anmeldung erfolgt als Gruppe mit maximal 3 Mitgliedern. Die Zusammensetzung der Gruppen bleibt Euch überlassen, wobei es sinnvoll erscheint, dass zuerst das Themengebiet gewählt und dann Gruppenmitglieder gesucht werden. Am Freitag den 25.05.2012 wird hierzu kurz Gelegenheit gegeben werden, aber auch die Pausen eignen sich hervorragend, um über das gemeinsame Interesse für ein Themengebiet Gruppenpartner zu finden – nutzt das.  
• Sucht eine psychologische Studie, zum Beispiel aus einem der oben genannten Themenbereiche.
• Bereitet eine Präsentation mit maximal 5 Folien vor.

Die Präsentation sollte folgende Informationen enthalten:

1. Wie funktioniert die Aufgabe?
2. Was ist der untersuchte Effekt (Hypothese)? Wie werden die Stimuli präsentiert? Welche Bedingungen gibt es? Wie war der Ablauf des Experiments?

1. Was sind die empirischen Ergebnisse?

Die Abgabe der Folien muss unter Angabe der Gruppenmitglieder zum 01.06.2012 um 10.00 Uhr erfolgt sein, ansonsten ist es nicht mehr möglich an einem Bonusprojekt teilzunehmen!

Anmerkung: Das Ziel des Bonusprojekts liegt im Verständnis für das interdisziplinäre Vorgehen, dass beim kognitiven Modellieren notwendig ist. Somit ist das Einlesen in ein Themengebiet, das Verständnis der psychologischen Studie und die Entwicklung einer plausiblen Strategie für die Erstellung eines guten kognitiven Modells ebenso wichtig, wie die konkrete Implementierung in ACT-R. Informatiker haben somit nicht automatisch einen Vorteil. Darüber hinaus wird alles, was zum erfolgreichen Abschluss eines Bonusprojekts notwendig ist, im Kurs vermittelt. Jede Person ist somit zumindest potentiell in der Lage an jedem Themenbereich zu arbeiten. 

Projekt Teil 2

• Projektbeschreibung
• Experimentenumgebung
  • 25.6.2012, 21:35: Die Funktion save-decision erkennt jetzt einen Zustand mit 0 Hobbits korrekt als erlaubt. Die Parameternamen wurden angepasst.

Literatur

• Anderson, J. R., Bothell, D., Byrne, M. D., Douglass, S., Lebiere, C., Qin, Y . (2002). An integrated theory of the mind. Psychological Review 11, (4). 1036-1060.
• Anderson, J. R. & Lebiere, C. (1998). The Atomic components of thought. Lawrence Erlbaum Associates, ISBN 0-8058-2817-6.
• Taatgen, N.A. & Anderson, J.R. (2008). ACT-R. In R. Sun (ed.), Constraints in Cognitive Architectures. Cambridge University Press, pp 170-185. (PDF)
• Anderson, J.R. (2007). How can the human mind occur in the physical universe?. Oxford Series on cognitive models and architectures. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-532425-9
• Newell, Allen (1994). Unified Theories of Cognition. Harvard University Press. Cambridge, MA. ISBN 0-674-92101-1