Когнитивные карты и абстрактные понятия

Одним из первых сторонников когнитивного подхода к научению был Эдвард Толмэн. Он изучал то, как крысы заучивают путь через сложный лабиринт (Tolman, 1932). По его мнению, крыса, пробегающая по сложному лабиринту, не заучивает последовательность из реакций типа «повернуть налево» или «повернуть направо», а формирует когнитивную карту — мысленное представление о схеме лабиринта.

В более новых исследованиях найдены убедительные подтверждения наличия у крыс когнитивной карты. Рассмотрим лабиринт, изображенный на рис. 7.9. Он состоит из центральной платформы с восемью одинаковыми рукавами, расходящимися от нее радиально. В каждой пробе экспериментатор помещает пищу в конце каждого рукава; крысе надо научиться пройти каждый рукав (и получить там пищу), не возвращаясь ни в один из рукавов дважды. Крысы замечательно учатся этому; после 20 проб они практически никогда уже не заходят в один и тот же рукав дважды. (Они справляются с этим, даже если лабиринт пропитывают лосьоном после бритья, чтобы уничтожить запаховые признаки тех рукавов, где еще осталась пища.) Самое важное, что крысы редко пользуются стратегиями, которые предпочли бы люди, например, прохождение рукавов в определенном порядке, скажем по часовой стрелке. Крыса проходит рукава в случайном порядке, и это говорит о том, что она заучила не жесткую последовательность реакций. Что же тогда она заучила? Видимо, крыса выработала картоподобную репрезентацию этого лабиринта, в которой определены пространственные отношения рукавов, и в каждой пробе она мысленно отмечает каждый посещенный ею рукав (Olton, 1979, 1978).

Рис. 7.9. Лабиринт для изучения когнитивных карт.В конец каждого рукава кладут пищу, и задача крысы — найти всю пищу, не повторяя свои пути. Показанная здесь схема отражает совершенное научение: крыса посетила каждый рукав лабиринта только один раз, съев все, что она там нашла; она ни разу не вернулась в пустой рукав.

В более новых исследованиях, где участвовали приматы, а не крысы, получены еще более сильные свидетельства в пользу сложных мысленных репрезентаций. Особенно примечательны исследования, показавшие, что шимпанзе могут приобретать абстрактные понятия, хотя когда-то считалось, что эта сфера принадлежит только человеку. В типичном эксперименте шимпанзе учились использовать в качестве слов пластиковые значки различных форм, величин и цветов. Они, например, смогли заучить, что один значок означает «яблоки», а другой — «бумага», причем физического сходства между значком и объектом не было. Из того, что шимпанзе могут заучивать эти обозначения, следует, что они понимают такие конкретные понятия, как «яблоко» и «бумага». Больше впечатляет то, что они могут приобретать и абстрактные понятия, например «такой же», «другой», «причина». Так, шимпанзе могут научиться использовать свой значок «такой же», когда им показывают либо два значка «яблоко», либо два значка «апельсин», и свой значок «другой», когда им показывают значок «яблоко» и значок «апельсин». Сходным образом, шимпанзе, видимо, понимают причинные отношения. Они используют значок «причина», когда им показывают немного резаной бумаги и ножницы, но не когда им показывают целый лист бумаги и ножницы (Premack, 1985a; Premack & Premack, 1983).

<Рис. При помощи методики, разработанной Премэком, экспериментатор тестирует способность шимпанзе пользоваться языком путем манипулирования с пластиковыми значками, представлящими конкретные слова.>

Инсайт в научении

В недавнем прошлом, пока многие ученые пытались изучать сложное научение у видов, очень далеких от человека (у крыс и голубей), другие сочли, что лучшее подтверждение сложного научения следует искать у других видов приматов. Среди таких ученых был Вольфганг Кёлер, работы которого с шимпанзе, проведенные в 1920-х годах, и сегодня не утратили своей актуальности. Кёлер ставил перед шимпанзе задачи, оставлявшие некоторое пространство для догадок (инсайта), поскольку ни один из элементов задачи не был скрыт от глаз шимпанзе (в отличие от работы раздатчика пищи в ящике Скиннера, которую животное наблюдать не могло). Как правило, Кёлер помещал шимпанзе в огороженное пространство, а аппетитный фрукт, чаще — банан, находился вне досягаемости. Чтобы заполучить фрукт, животному надо было использовать находящийся рядом предмет в качестве инструмента. Обычно шимпанзе решал эту задачу и делал это способом, предполагавшим наличие у него некоторой способности к инсайту. Вот типичное изложение Кёлера:

«Султан [самый умный шимпанзе Кёлера] сидит на корточках у прутьев клетки, но не может достать лежащий снаружи фрукт при помощи только имеющейся у него короткой палки. Более длинная палка лежит за прутьями, примерно в двух метрах в стороне от объекта и параллельно решетке. Ее нельзя схватить рукой, но можно придвинуть ближе с помощью маленькой палки (иллюстрацию похожей задачи с несколькими палками см. на рис. 7.10). Султан пытается достать фрукт с помощью меньшей палки. Когда это не получается, он отрывает кусок проволоки, который торчит из сетки его клетки, но тоже напрасно. Затем он смотрит вокруг (в ходе этих тестов всегда было несколько длинных пауз, во время которых животные тщательно просматривали всю видимую зону). Неожиданно он опять подбирает короткую палку, подходит к прутьям клетки прямо напротив длинной палки, подтягивает ее к себе с помощью "приспособления", хватает ее и идет с ней к месту напротив цели (фрукта), которую он и достает. С того момента, когда его взгляд падает на длинную палку, его действия составляют неразрывное целое, без пробелов, и хотя выуживание большой палки при помощи маленькой можно представить как полное и отдельное действие, из наблюдений ясно, что оно появляется внезапно после периода замешательства и сомнения — пристального оглядывания, — который несомненно имеет отношение к финальной цели и немедленно переходит к завершающему действию по достижению конечной цели» (Koehler, 1925, р. 174-175).

Рис. 7.10. Задача с несколькими палками.При помощи короткой палки шимпанзе притягивает к себе палку достаточно длинную, чтобы добраться до кусочка фрукта. Она научилась решать эту задачу, поняв связь между палками и кусочком фрукта.

Некоторые аспекты поведения этих шимпанзе отличаются от поведения кошек у Торндайка или крыс и голубей у Скиннера. Во-первых, решение было внезапным, а не явилось результатом постепенного процесса проб и ошибок. Во-вторых, после того как шимпанзе решила задачу, с этих пор она будет решать ее с малым числом ненужных движений. Это существенное отличие от крысы в ящике Скиннера, которая продолжает совершать ненужные реакции во многих пробах. Далее, шимпанзе у Кёлера могли легко переносить выученное на новую ситуацию. В одной задаче, например, Султана не сажали в клетку, но несколько бананов поместили слишком высоко, чтобы он мог до них дотянуться (рис. 7.11). Для решения этой задачи Султан сложил один на один несколько разбросанных вокруг ящиков, взобрался на этот «постамент» и ухватил бананы. В последующих задачах, если фрукты снова оказывались слишком высоко, Султан находил другие предметы для постройки подставки; в некоторых случаях он использовал стол и небольшую лестницу, а один раз Султан притянул самого Кёлера и использовал экспериментатора как подставку.

Рис. 7.11 Шимпанзе конструирует подставку. Чтобы добраться до бананов, свисающих с потолка, шимпанзе ставит ящики один на один и делает подставку.

Таким образом, у решения шимпанзе есть три важнейших особенности: внезапность; повторяемость после того, как оно один раз найдено; возможность его переноса. Эти особенности не свойственны поведению типа «проб и ошибок», которое наблюдали Торндайк, Скиннер и их коллеги. Скорее, решения шимпанзе отражают мысленные пробы и ошибки. То есть животное формирует мысленную репрезентацию задачи, манипулирует компонентами этой репрезентации, пока не нападает на решение, и затем реализует его в реальном мире. Решение потому и кажется внезапным, что умственные процессы обезьяны недоступны исследователям. Само решение сохраняется в дальнейшем, поскольку мысленная репрезентация со временем не исчезает. И это решение можно переносить на другие ситуации, поскольку репрезентация либо достаточно абстрактна, чтобы охватить не только первоначальную ситуацию, либо достаточно податлива, чтобы распространить ее на новую ситуацию.

Из работы Кёлера следует, что комплексное научение часто состоит из двух фаз. В начальной фазе задача решается, чтобы получить само решение; на второй фазе это решение сохраняется в памяти и воспроизводится каждый раз, когда возникает сходная проблемная ситуация. Следовательно, комплексное научение изначально связано с памятью и мышлением (это темы следующих двух глав). Кроме того, такое двухфазное строение характерно не только для научения шимпанзе, но и для многих случаев сложного научения у человека. Действительно, попытка моделировать человеческое научение была недавно включена в программы исследований по искусственному интеллекту (Rosenbloom, Laird & Newell, 1991).

<Рис. «Deep Blue», компьютер фирмы IBM, играющий в шахматы, с применением искусственного интеллекта обыгрывает гроссмейстера Гарри Каспарова. Каспаров считает, что компьютер фактически обучился формулировать стратегии, а не просто следует правилам игры в шахматы, заложенным в его программу.>

Предубеждения

В исследованиях на животных преимуществом пользуется научение с абсолютно предсказуемыми соотношениями. Например, в большинстве экспериментов по классическому обусловливанию за УС в 100% случаев следует БУС. Но в реальной жизни отношения между стимулами или событиями обычно не являются абсолютно предсказуемыми. Исследования ассоциативного научения с менее чем абсолютными соотношениями проводились в основном на людях. Во многих работах использовались совершенно новые задачи, не очень связанные с предубеждениями испытуемых. В таких случаях испытуемые весьма чувствительны к степени объективной связи между стимулами (Wasserman, 1990; Shanks, 1987). Но нас интересуют как раз исследования, где использовались задачи, прямо затрагивающие предубеждения. В них было показано, что предубеждения могут влиять на то, чему научаются, откуда следует, что в научении участвуют не только процессы формирования ассоциаций между входными сигналами.

В интересующих нас исследованиях в каждой пробе предъявлялась пара стимулов, скажем, изображение и описание человека; задачей испытуемого было установить связь между членами этих пар — например, что изображения высокого человека имеют тенденцию ассоциироваться с краткими описаниями. Некоторые поразительные данные о роли предубеждений были получены в тех случаях, когда никакой объективной связи между этими стимулами не существовало, и все же испытуемые такую связь «находили». В одном эксперименте испытуемых просили указать возможную связь между рисунками психически больных и проявлявшимися у них симптомами. В каждой пробе испытуемым показывали рисунок человека, сделанный пациентом, и один из шести симптомов, среди которых были «подозрительность к другим людям» и «хочет, чтобы о нем заботились». Задачей испытуемых было определить, есть ли в рисунке какой-либо признак — например, что-то в глазах или очертании рта, — относящийся к какому-либо из этих симптомов. На самом деле эти шесть симптомов сочетались с рисунками в случайном порядке, так что никакой связи между признаками (рисунком) и симптомом не было. И тем не менее испытуемые неизменно сообщали о наличии такой связи, причем знание о ней, по всей видимости, сложилось у них до участия в эксперименте: например, что большие глаза связаны с подозрительностью или что большой рот связан с желанием заботы со стороны других. Эти несуществующие, но правдоподобные отношения называют мнимыми ассоциациями (Chapman & Chapman, 1967).

В этом исследовании предубеждения относительно стимулов определили то, что было «выучено». Поскольку предубеждения являются частью знаний человека, эти результаты свидетельствуют о когнитивной природе такого научения. Но здесь ничего не говорится о том, как происходит научение, когда надо заучить объективно существующую ассоциацию. Этот вопрос анализировался в следующем исследовании.

В каждой пробе испытуемым предъявлялись две меры честности человека, взятые из двух совершенно разных ситуаций. Например, одна мера могла заключаться в том, насколько часто мальчик списывает в школе у одноклассника домашнюю работу, а другой мерой могли быть свидетельства, насколько часто тот же мальчик врет дома. Хорошо известно, что большинство людей полагают (ошибочно), что две меры одного и того же свойства личности (честности, например) всегда высококорреспондируют. Это основное предубеждение. На самом деле объективная связь между этими двумя мерами честности варьировалась в зависимости от условий эксперимента, иногда оказываясь весьма слабой, а задачей испытуемых было оценить силу этой связи путем перечеркивания числа в диапазоне от 0 (отсутствие связи) до 100 (полная связь). Результаты показали, что испытуемые неизменно переоценивали силу этой связи. Их предубеждение, что честный человек честен во всех ситуациях, заставляло их видеть больше, чем есть на самом деле (Jennings, Amabile & Ross, 1982).

В этом исследовании предубеждения испытуемых иногда расходились с объективной ассоциацией, которую надо было усвоить. В таких случаях люди, как правило, следуют своим предубеждениям. Если люди считают, например, что две различные меры честности человека тесно связаны, они «обнаружат» такую связь даже при отсутствии объективной ассоциации. Однако по мере того как данные (объективная ассоциация) делаются все более заметными, предубеждения постепенно сдают свои позиции, и тогда человек усваивает то, что есть на самом деле (Alloy & Tabachnik, 1984).

Результаты предыдущих исследований напоминают то, что в восприятии мы назвали обработкой по принципу «сверху вниз» (см. гл. 5). Вспомним, что так называются ситуации, в которых окончательный перцепт воспринимающего складывается из объединения ожиданий того, что он желал бы видеть, с тем, что действительно имеется на перцептивном входе. При обработке по принципу «сверху вниз» в научении происходит объединение предубеждений об ассоциативной связи с объективными входными данными об этой связи, что в результате и приводит к окончательной оценке ее силы.

Влияния предубеждений на научение играют важную роль в педагогике. В частности, преподавая, скажем, физиологию пищеварения, нельзя игнорировать предубеждения об этом предмете. Учащиеся зачастую пытаются ассимилировать новую информацию с учетом своих предубеждений. С педагогической точки зрения, лучше всего дать проявиться этим предубеждениям вовне, так чтобы их мог оспорить преподаватель, если они в самом деле ошибочны (Center & Stevens, 1983).

Подводя итог, скажем, что это направление исследований демонстрирует важную роль предубеждений в научении человека, укрепляя тем самым когнитивный подход к научению. Это направление связано также с этологическим подходом к научению. Подобно крысам и голубям, ограниченным в научении только теми ассоциациями, которые для них заготовила эволюция, мы, люди, ограничены в научении теми ассоциациями, к которым мы подготовлены своими предубеждениями. Без тех или иных априорных ограничений нам приходилось бы учитывать слишком много потенциальных ассоциаций, и ассоциативное научение стало бы тогда хаотичным, да и едва ли возможным.

Нейронный базис научения

Биология нейронов и их соединений, роль которых была продемонстрирована при анализе ощущений и восприятия, играет важную роль также в исследованиях процессов научения, в особенности — классического обусловливания и таких простых форм научения, как привыкание. Далее мы кратко рассмотрим некоторые ключевые идеи, лежащие в основе этой активно развивающейся области исследований.

Структурные изменения

Ученые полагают, что нервная основа научения заключена в структурных изменениях нервной системы, и они все больше ищут эти изменения на уровне нервных соединений. Чтобы оценить эти идеи, надо вспомнить из гл. 2, как устроено нервное соединение и как оно передает импульс. Импульс от одного нейрона к другому передается по аксону нейрона-отправителя. Поскольку аксоны отделены синаптической щелью, аксон отправителя выделяет медиатор, который распространяется сквозь эту щель и стимулирует нейрон-получатель. Точнее говоря, когда импульс проходит по аксону отправителя, он активирует окончания этого нейрона, высвобождая медиатор, который вбирается рецепторами нейрона-получателя. Весь этот механизм называется синапсом. Ключевыми моментами, относящимися к научению, являются следующие: 1) некоторые структурные изменения в синапсе и есть нервная основа научения и 2) результатом этого структурного изменения является более эффективная синаптическая передача.

Что может служить подтверждением этой гипотезы? Молено было бы, например, показать, что после сеанса научения синапс стал более эффективным, т. е. он легче срабатывает при следующей стимуляции. В настоящее время это трудно продемонстрировать на организмах любой сложности: если вы регистрируете активность определенных нейронов, то как вы можете найти задачу научения, влияющую именно на эти нейроны? Ученые выбрали путь, при котором сначала подвергается электрической стимуляции определенный набор нейронов (предполагается, что так имитируется обучение), а затем проверяется, возрастает ли активность этих нейронов при последующей стимуляции. Такой рост активности был найден в ряде участков мозга кролика, и он может длиться несколько месяцев. Это явление называют долговременной потенциацией, и оно косвенно подтверждает идею структурных изменений при научении (Berger, 1984; Bliss & Lomo, 1973).