Когнитивная компьютерная графика. 2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………...2

1. Когнитивная компьютерная графика………………………………….3
2. Концепция когнитивной компьютерной графики…………………….5
3. Иллюстративная и когнитивная функции КГ………………………....6
4. Задачи и требования когнитивной КГ………………………………....8
5. Иллюстративная и когнитивная функции мультимедиа…………….10

Вывод……………………………………………………………………………13

Список использованной литературы………………………………………...14

ВВЕДЕНИЕ

Развитие электронных  средств мультимедиа открывает  для сферы обучения принципиально  новые дидактические возможности. Так, системы интерактивной графики  и анимации позволяют в процессе анализа изображений управлять  их содержанием, формой, размерами, цветом и другими параметрами для  достижения наибольшей наглядности. Эти  и ряд других возможностей слабо  еще осознаны разработчиками электронных  технологий обучения, что не позволяет  в полной мере использовать учебный  потенциал мультимедиа. Дело в том, что применение мультимедиа в  электронном обучении 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 интерактивной  компьютерной графики на интуитивное, образное мышление привело к возникновению  нового направления в проблематике искусственного интеллекта – когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графике.

Цель работы заключается  в рассмотрении вопросов системной  организации программных средств  для реализации когнитивных альбомов в сетевой среде, а также концепций  когнитивной компьютерной графики.

1. Когнитивная компьютерная графика

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. Это – умение работать с текстами в самом широком  смысле этого слова. Такое мышление можно было бы назвать символическим  или алгебраическим. Другой – 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 отражать в нашем сознании окружающий мир в той полноте, которая  для нас характерна. Способность  работать с чувственными образами (и, прежде всего, со зрительными образами) определяет то, что можно было бы назвать геометрическим мышлением.¹

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

Возникает необходимость  появления специальных средств  работы со зрительными представлениями  и способы перехода от них к  текстовым представлениям и обратного  перехода. Так была поставлена основная задача, из которой сейчас возникает  новая проблемная область – когнитивная  графика.

Когнитивная графика отличается от машинной графики тем, что ее основной задачей является создание таких  моделей представления знаний (когнитивных  моделей), в которых была бы возможность  однообразными средствами представлять как объекты, характерные для  алгебраического мышления, так и  образы-картины, с которыми оперирует  геометрическое мышление. Эти комбинированные  когнитивные структуры – основные объекты когнитивной графики.

Все большую роль начинает играть использование возможностей ИКГ и в фундаментальных научных  исследованиях. При этом характерный  для начального этапа акцент на иллюстративной функции ИКГ, т.е. построении, например, типовых диа- и гистограмм, всевозможных двумерных графов, планов и схем, графиков различных функциональных зависимостей и т.п., все более  смещается в сторону активного  использования тех возможностей ИКГ, которые позволяют «максимально использовать в научных исследованиях  свойственную человеку способность  мыслить сложными пространственными  образами».

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.²

Систематическое использование  когнитивной графики в компьютерах  в составе человеко-машинных систем сулит многое. Даже весьма робкие попытки  в этом направлении, известные как  мультимедиа-технологии, привлекающие сейчас пристальное внимание специалистов (особенно тех, кто занят созданием интеллектуальных обучающих систем), показывает перспективность подобных исследований.

2. Концепция когнитивной компьютерной графики

"Лучше один раз увидеть,  чем сто раз услышать..." - гласит  народная мудрость. С этой точки  зрения вся история науки является  убедительной иллюстрацией извечного  стремления человека расширить  эволюционные пределы своего  видения окружающего мира. Человек  изобрел телескоп, чтобы приблизить  и лучше разглядеть скрытые  от прямого наблюдения загадки  звездных миров, создал микроскоп,  чтобы увидеть, рассмотреть мельчайшие  объекты микромира... Рентгенография  и спектроскопия позволили человеку  увидеть внутреннее строение  вещества, томография открыла взгляду  человека внутренний мир живых  организмов, тепловидение позволило  ему непосредственно увидеть  тепло, радиовизор - радиоволны... И  т.д., и т.п... - Увидеть, рассмотреть,  разглядеть..., - но не только потому, что через глаз в человеческий  мозг поступает свыше 90 процентов  информации об окружающем мире: зрение - это не просто канал,  или приемник, или преобразователь  визуальной информации, но, по-видимому, и один из важнейших элементов  самой технологии образного, интуитивного, творческого, т.е. именно порождающего  новое знание, мышления.

Хорошо известно, что удачный  рисунок может не только убедительно  проиллюстрировать суть, смысл сложного теоретического вопроса: такой рисунок  позволяет иногда - и не так уж редко - увидеть новые, неожиданные  грани, казалось бы, хорошо известной  проблемы, именно УВИДЕТЬ новое соображение, мысль, идею. Другими словами, графика  выполняет не только привычную, традиционную ИЛЛЮСТРАТИВНУЮ функцию, но и другую, не менее важную, КОГНИТИВНУЮ, или  способствующую познанию, функцию. И  современная информационная технология открывает принципиально новые возможности использования именно такой Когнитивной Компьютерной Графики (ККГ) в области, прежде всего, абстрактно-теоретических исследований Фундаментальной Науки (ФН).

ККГ и представляет собой  некий универсальный аналог телескопа, микроскопа, рентгеновского спектрометра, томографа, тепловизора и т.п. с  тем, однако, существенным отличием, что  она является первым в истории  науки физическим прибором, который  позволяет увидеть объекты нефизического, невидимого мира научных абстракций. Если учесть, что к числу таких  абстракций относятся также и  многие закономерности, определяющие поведение объектов и систем реального  мира, то проблема ККГ-визуализации абстрактных  сущностей выходит за рамки чисто  академического интереса.

3. Иллюстративная и когнитивная функции КГ

В настоящее время компьютерная графика - это одно из наиболее бурно  развивающихся направлений новых  информационных технологий. Так, в научных  исследованиях, в том числе и  в фундаментальных, характерный  для начального этапа акцент на иллюстративной функции КГ все более смещается  в сторону использования тех  возможностей КГ, которые позволяют  активизировать свойственную человеку способность мыслить сложными пространственными  образами. В связи с этим начинают четко различать две функции  КГ: иллюстративную и когнитивную.³

Иллюстративная функция  КГ 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  КГ состоит в том, чтобы с помощью  некоего графического изображения получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней мере, способствовать интеллектуальному процессу получения этого знания.

Иллюстративные функции  КГ реализуются в учебных системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными - и  видеоиллюстрациями.

Когнитивная же функция КГ проявляется в системах процедурного типа, когда учащиеся "добывают" знания с помощью исследований на математических моделях изучаемых  объектов, 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 процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать  возможным проведение различных  экспериментов на математических моделях.

Роль КГ в 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 компьютерные 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 компьютерного  изображения превращается в функцию  когнитивную. С другой стороны, когнитивная  функция компьютерного изображения  при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах может превращаться 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  функций компьютерной графики и  позволяют более четко формулировать  дидактические задачи графических  изображений при разработке компьютерных систем учебного назначения.

4. Задачи и требования когнитивной КГ

Известный специалист в области  искусственного интеллекта Д. А. Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики. Первой задачей является создание таких  моделей представления знаний, в  которых была бы возможность однообразными  средствами представлять как объекты, характерные для логического  мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление. Вторая задача - визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания. Третья - поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин.⁴

Эти три задачи когнитивной  КГ с позиций информационных технологий обучения следует дополнить четвертой  задачей, заключающейся в создании условий для развития у обучаемых  профессионально-ориентированных интуиции и творческих способностей.

При разработке компьютерных систем инженерного анализа, проектирования и обучения обычно исходят из первых двух задач когнитивной графики, когда знания о техническом объекте, полученные в ходе исследований на многомерных математических моделях  и представленные в обычной символьно-цифровой форме, становятся недоступными для  анализа человеком из-за большого объема информации.

Четкое осознание третьей  и четвертой задач когнитивной  графики позволяет формулировать  дополнительные требования как к  собственно графическим изображениям, так и к соответствующему программно-методическому  обеспечению. Среди них можно  выделить: адекватность изучаемым объектам или процессам, используемым инженерным методам и методикам обучения; естественность и доступность для  восприятия слабо подготовленными  или даже неподготовленными пользователями; удобство для анализа качественных закономерностей распределения  параметров; эстетическую привлекательность, быстроту формирования изображения.

Учащиеся должны иметь  также возможность выбирать тип  изображения. Дело в том, что одну и ту же информацию можно отобразить в графической форме различным  образом. Например, в механике деформированного твердого тела для представления  скалярных и векторных полей  физических параметров используют порядка  десяти различных типов изображений. Результаты специальных исследований этих типов графического отображения  информации свидетельствуют, что каждый человек в силу своего индивидуального, личностного восприятия по-своему оценивает  эффективность того или иного  типа изображения, причем оценки разных людей могут существенно отличаться. Поэтому компьютерные системы учебного назначения должны иметь набор различных  способов графического отображения  информации, чтобы каждый учащийся мог выбрать наиболее подходящий для него тип изображения, либо использовать различные графические картины  для анализа результатов машинных расчетов. Необходимо предоставить учащимся и возможность управлять изображениям - варьировать его размерами, цветовой гаммой, положением точки зрения наблюдателя, количеством и положением источников освещения, степенью контрастности  изображаемых величин и т.п. Все  эти возможности графического интерфейса не только позволяют учащимся выбирать подходящие формы графических изображений, но и вносят игровые и исследовательские  компоненты в учебную работу, естественным образом побуждают учащихся к  глубокому и всестороннему анализу  свойств изучаемых объектов и  процессов.

5. Иллюстративная и когнитивная функции мультимедиа

Интерпретируя рассмотренные  выше различия между лево- и правополушарным  механизмами мышления применительно  к познавательной деятельности учащихся, можно сделать вывод о том, что логическое мышление выделяет лишь некоторые, наиболее существенные элементы знания и формирует из них однозначное представление об изучаемых объектах и процессах, в то время как подсознание обеспечивает целостное восприятие мира во всем его многообразии.

Исходя из этого различия, можно выделить две функции мультимедиа - иллюстративную и когнитивную.

Иллюстративная функция  обеспечивает поддержку логического  мышления. В этом случае объект мультимедиа  подкрепляет, иллюстрирует какую-то четко  выраженную мысль, свойство изучаемого объекта или процесса, т.е. то, что уже сформулировано, например, преподавателем-разработчиком.

Когнитивная же функция состоит  в том, чтобы с помощью некоего  объекта мультимедиа получить новое, т.е. еще не существующее даже в голове специалиста знание или, по крайней  мере, способствовать интеллектуальному  процессу получения этого знания.

Иллюстративная функция  мультимедиа реализуется в учебных  системах декларативного типа при передаче учащимся артикулируемой части знания, представленной в виде заранее подготовленной информации с графическими, анимационными, аудио- и видеоиллюстрациями. Когнитивная  же функция мультимедиа проявляется  в системах процедурного типа, когда  учащиеся "добывают" знания с помощью  исследований на математических моделях  изучаемых объектов, 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 процедурного типа позволяет в существенной мере интенсифицировать этот процесс, устранив из него рутинные операции, сделать возможным проведение различных экспериментов на математических моделях.

Трудно переоценить в  этих учебных исследованиях роль компьютерной графики. 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 компьютерные 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.

Однако когнитивная функция  мультимедиа может быть реализована  и в учебных системах декларативного типа. Например, при первом знакомстве с каким-либо техническим объектом создать его целостный образ  в сознании учащихся можно с помощью  натурных видеофрагментов.

К тому же, различия между  иллюстративной и когнитивной функциями  мультимедиа достаточно условны. Нередко  обычная графическая иллюстрация, анимация или видеофрагмент 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 мультимедиа объекта превращается в функцию когнитивную. С другой стороны, когнитивная функция компьютерного изображения при первых экспериментах с учебными системами процедурного типа в дальнейших экспериментах может превращаться в функцию иллюстративную для уже "открытого" и, следовательно, уже не нового свойства изучаемого объекта.

Вывод

Таким образом, на основе анализа  доступных на сегодня технологий сформулированы требования и осуществлен  выбор прототипов для создания программного обеспечения, предназначенного для  синтеза интерактивных альбомов, на основе которых можно будет  существенно повысить уровень научных  и учебных презентаций. 

Дидактический потенциал  презентационной графики связан, в частности, с возможностью управления когнитивными процессами. Восприятие физических образов, отображаемых формулами, словами, пространственно-временными и чувственными картинами значительно  облегчается, когда текстовая (словесная) информация сопровождается демонстрацией  натурного эксперимента предъявлением  подготовленной графики. Это способствует осознанию изучаемого материала  и, как следствие, к адекватному  запоминанию выделенных логических схем, связей и отношений. Эти обстоятельства способствуют продуктивности мыслительных процессов при дальнейшем решении  задач.

Когнитивно-компьютерно-графическая  технология не есть всего лишь очередное  новое техническое средство, с  помощью которого ученый может рисовать научные абстракции. Это скорее уникальный по своей мощности и креативным (порождающим) возможностям канал связи человека с миром научных абстракций.

Графика выступает в роли иллюстративной графики, способствуя  лучшему пониманию процессов. Когнитивная  компьютерная графика требует творческого  подхода к использованию ранее  полученного комплекса знаний.

Список использованной литературы

1. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика/ Под ред. Д.А. Поспелова, Наука, Москва, 1991.

2. Зенкин А.А., Знание-порождающие технологии когнитивной реальности. - Новости Искусственного Интеллекта, 1996, No. 2, стр. 72-78.

3. Зенкин Александр А., Зенкин Антон А., Интеллектуальные системы, основанные на концепции когнитивной компьютерной графики. - Международная конференция "Анализ систем на пороге XXI века", Москва, 27-29 февраля, 1996 г. - Труды конференции, том 3, стр. 357-371 (1997) - Москва : "Интеллект", 1997.

4. Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие, СГАУ, Самара, 1995.

5. Соловов А.В. Когнитивная компьютерная графика в инженерной подготовке, Журнал "Высшее образование в России", МГУП, Москва, 1998, № 2, с. 90-96.

6. Поспелов Д.А. Фантазия или Наука. На пути к искусственному интеллекту, Наука, Москва, 1982.

¹ Зенкин А.А., Знание-порождающие технологии когнитивной реальности. - Новости Искусственного Интеллекта, 1996, No. 2, стр. 72-78.

² Зенкин Александр А., Зенкин Антон А., Интеллектуальные системы, основанные на концепции когнитивной компьютерной графики. - Международная конференция "Анализ систем на пороге XXI века", Москва, 27-29 февраля, 1996 г. - Труды конференции, том 3, стр. 357-371 (1997) - Москва : "Интеллект", 1997.

³ Соловов А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения: Учебное пособие, СГАУ, Самара, 1995.

⁴ Поспелов Д.А. Фантазия или Наука. На пути к искусственному интеллекту, Наука, Москва, 1982.