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深层学习:心智如何超越经验2.2 认知结构:基本要素

简介:

2.2 认知结构:基本要素


心智是一个系统,但是是一个怎样的系统呢?科学家们熟悉生态系统、电力系统、机械系统、天气系统及其他许多系统。不同类型的系统由不同种类的成分组成,且这些成分具有不同的加工和转换过程。对于人类的认知——19世纪被称为智力——其相关的成分由表征构成。像观看、记忆、思维和决策这些认知功能是由创造、使用和修正这些表征的过程来实现的。这些过程通过控制结构进行协调。表2-1总结了核心的概念。这些概念的阐述为人类的认知提供了一个蓝本,虽然它不可能是完全正确的,但却是最合适的了。

表2-1 本书假定的背景原理概要

关键概念 主要内容

唯心主义 对人类行为的解释需要不同于对行为本身描述的水平,也不同于对大脑和环境的描述

表征 表征是对自身之外的事物的建构

机能主义 从实现主要的认知功能(动作、学习、感知、记忆和思考)这一加工过程角度分析认知

多重加工 每一种功能都是由全部的基本过程来执行的,并不是某一单一过程

多水平 必须从描述的多个水平来理解认知

投射 在系统N水平上的过程间的交互创造了系统N+1水平的属性和过程

中央执行系统 尽管心理过程是平行发生的,但它们为实现特定的意图或目标需要做出协调;目标是逐步实现的

 

2.2.1 表征的核心

世界上几乎没有建筑物像巴黎的埃菲尔铁塔一样世界闻名且容易辨认。想象埃菲尔铁塔;尝试在脑海中看到它!如此照做便会形成一种瞬间的特殊心智状态,一般被称为视觉表象。这一表象与埃菲尔铁塔自身具有特殊的关系:它是埃菲尔铁塔的表象。借用语言学的术语,这一表象指代埃菲尔铁塔,而并非指代斯德哥尔摩的三皇冠市政厅或芝加哥的西尔斯大厦。反之也是同样如此:对后者的表象并不是埃菲尔铁塔。

对并不存在的事物的可视化练习证明了心智的可表征性。[14]视觉表象——可视化过程中保持的一种心智状态——是一个表征。对那些有这样经历的个体来说,表象的主观经验是真实的,因此毋庸置疑。指代其他事物的事物就是该事物的定义符号或表征。如果心理表征不存在,那么对可视化埃菲尔铁塔的要求将变得毫无意义且不可能完成,但事实并非如此。当我在课堂上要求一百多名学生闭上眼睛,想象一只草坪上的孔雀,没有人会举手质疑我此举的意义。在脑海中表征事物这一有意识的可视化经验为大多数人所熟悉,但也有极少数人并没有这样的体验。后者通常声称他们用“文字”思考。并不是说他们没有表征,而是他们以一种更接近语言而非图片的心理表征形式进行思考。视觉信息比沉默的语言信息更容易被记住,这一古老的说法也已为实验室研究所证实,所以表征的选择具有可测量的结果。[15]表征不仅仅是一个附带现象。

表征能力可以加强认知系统的特性和能力。我们的知觉表征——对当下即时的表征——在物理刺激对我们感官的影响和决策制定之间构成一个缓冲区。飞蛾扑火是因为它们的眼睛与翅膀之间存在一种关联,当一只眼睛比另一只眼睛接收到更少的光时,阴影一侧的翅膀会更快地颤动,使得飞行方向调整,最终导致飞蛾扑火,自取灭亡。[16]如果飞蛾是有意识的,随着它们径直飞入火焰,它们可能会在痛苦中哀号,但仍无法改变它们的眼睛和翅膀之间的因果联系。人类并非如此工作;物理刺激并不能诱发我们的行动。相反,物理刺激可以产生知觉表征,而这些表征的加工过程决定了我们的决策及随后的行为。表征的能力(而不是对知觉输入所做的反应)为我们提供了特定水平的刺激独立性,也就是Donald O. Hebb和Jerome S. Bruner等不同的思想家强调的人类认知的核心特征。[17]

表征对过去和未来同样必要。没有表征,我们就不会有记忆,因为过去不可能再次出现——这是一个悖论——只能在当下被表征。尽管被表征的事物发生在过去,但记忆表征却存在于现在。除了通过对过去的表征外,再没有其他方式可以使过去作用于现在。类似地,预言就是对未来还没有成为现实的事物的一种表征。我们有时候会根据预期做反应——如果天气预报说会下雨,我们会带上伞——但是未来本身不可能引起我们的决策或行动,因为未来还不存在,而且原因是先于结果的。像过去一样,未来也只能通过我们的表征对现在产生作用。

我们形成抽象思维的能力极大增长了认知的力量。像2的平方根和四维球体这样的数学概念不是我们徒步爬山时能偶遇到的事,它们仅存在于我们对它们的表征中。诸如公平和正义等道德概念以及欺诈和贪婪等失德的概念也是如此。没有表征,我们就不能进行抽象思考,因为除了对它们的表征外,没有其他可行的方式能反映抽象实体。[18]

当我们思考目标、期望和意图时,假定表征的必要性便更加显而易见。目标并不是对存在的某一物体的表征;如果我们已经拥有了它,那它便不再称为目标。目标是对不存在事物的表征,所以它是对未来表征的一个分支,但它与未来也存在一点差异:目标表征了期望得到的未来的某个方面。期望的性质并不是物体属性,它不存在于一个物体或一种事件状态中,但却被人类归属到某一物体或事件状态中,所以它仅仅作为人类对这一物体或者事件状态的表征的一部分而存在。

最后,表征使想象成为可能:我们可以幻想与现实仅具有一点点联系的事物。反事实推理已经在或然历史(如果德国赢得了北大西洋之战,那么……)中发展成一门艺术。我们甚至可以向自己表征那些我们坚信不可能的事件、物体或者事态。圣诞老人在平安夜拜访每个孩子是一个例子;时间旅行(科幻的一个主题)是另一个例子。我们相信这些事情是不可能的,但仍然可以创作关于它们的故事,如此将它们表征给自己,也可以表征给彼此。简而言之,我们能在心理上操纵现实、过去、未来、抽象和幻想的能力,强调并证实了心智的表征特性。

认知科学家通常把心智表征当作知识表征。[19]这时,他们使用术语“知识”的方式与哲学家并不相同。后者在解释知识的概念上遇到了困难。真实的陈述意味着什么?在什么情况下可以保证真实?怎样才能可靠地分辨事实和谎言呢?知识学家们为回答这样的问题至少努力奋斗了两个半世纪,[20]进展却不大。只要我们处理的仅仅是当前的陈述,如猫在地毯上,就容易去相信这个陈述的事实可以用与它所表征的事物相似或一致的术语来详细描述。陈述在字面上显然与情境并不相似,所以对应的相关概念并不容易界定。一旦进行一般的描述,这一方法就会变得非常棘手,以至于不再值得关注。细想一下周期性天文事件引起的太阳辐射变化导致冰川时代的这一断言。这种描述与其指代的事件状态是如何在任何意义上都能相似的呢?但是,如果与现实的对应关系都不能作为真理的标志的话,那么什么又能呢?尽管在实践中是有用的,但仅仅将与其他真理的一致性作为标准依然显得有些太弱。哲学家们努力创造了关于事实的其他理论,但至今没有人能得到普遍的认同。不切实际的答案有时预示着对问题的误解。

认知科学家忽略了认识论的问题,将知识作为一种自然现象进行研究。传统的认识论和认知研究取向之间的不同之处在于它们如何处理信念之间的差异。比如,孩子所看到的世界的许多方面是与成年人不同的。对孩子来讲,云彩或许是有生命的,地球或许是平的。在哲学家对术语“知识”的使用中,认为这些信念并非知识。在认知科学研究中,这些信念组成了孩子们对这些物质的知识,尽管这些信念或许是错误的。由于从心理功能角度并没有什么方式可以区分出某一知识的真实性和错误性这一事实,因此这种谈论方式是有道理的。错误的信念由与正确信念相同类型的概念组成,且这些概念彼此之间并不相关。一个怀有不准确或错误信念的人并不知道信念是不准确的或错误的(否则他应该会做出改变),所以这些信念会以与正确表征一样的方式进入认知加工过程。在这种自然主义取向下,对知识的研究并不是寻找真理标准,而是描述知识的表征是什么样的,它们是如何形成以及运作的;也就是,信念是如何进入到个体的认知系统中的。[21]心智法则不仅适用于真理,也同样适用于虚幻。

虽然我们无法确定地描述心智表征能力形成的时期以及其形成过程,但考古学和古生物学的记录为我们提供了线索:在我们这一种系出现之前,并不存在相应的物理表征痕迹——岩洞壁画、骨头雕刻、石雕和木质模型。[22]比如直立人普遍被认为是我们祖先的一个种系,在其存活的一百多万年里并没有留下任何物理表征。对我们神秘的近亲和共存者——尼安德特人的考古遗迹也同样没有发现任何图片或雕像。但是对我们自己种系的考古遗迹中却存在多种形式的物理表征。法国南部的肖维岩洞和科斯奎洞穴以及最古老的雕像距今约有30?000年。非洲南部的考古学发现则将表征的开始推到了大约100?000年前,时间接近现代人的出现。

表征心理与表征外部的能力平行进化这一假设很具诱惑力。毕竟,如果一个人没有想象野牛的能力,那么他怎么能在漆黑一片的洞穴峭壁上画出一头野牛呢?如果内部和外部的表征是同时进化的,那么前人类的表征制品的缺失则表明,包括尼安德特人在内的其他原始人类并没有表征,那么表征能力的出现则是人类进化的一个决定性进步。当人第一次有意地创造了一个画像,人类种系便诞生了,这个画像的价值并不体现在它是什么,而是在于它体现了人的某种能力。内部表征和外部表征的能力一旦形成,它便要经受强大的选择压力,以更好地支持记忆、推理、计划和其他的认知功能,或许这为智人提供了超过早就灭绝的尼安德特人的决定性的竞争优势。[23]

2.2.2 功能与过程

传统的科学分析的目的是,通过将系统分解为若干部分并指出各部分之间的关系的方式理解一个自然系统——循环系统,或说一个生态系统。因为心智不是物理实体,所以如何在心理学中应用科学的分析还不清楚。如何判定心智可以分成哪些部分?之前,心理学家们希望通过眼球向内旋转180度并且自省以确定心智的一部分,但是这一方法最终难以行通:研究人员不能对在那里看到的事物达成一致。有人认为可能心智与大脑是一一对应的,事实证明也并非如此。颅相学也不再被认为是一种可行的理论[24],脑成像的研究结果显示,每一个复杂活动都会激活皮层的多个区域,且很多区域都在不同类型的活动中发挥作用。[25, 26]心理测量学的研究试图将心智分析为不同的能力和因素,并通过不同种类的心理测试之间的相关性来界定[27],例如数字、言语和视觉能力等。然而,由于心理测量学对能力的定义并不涉及人们如何执行测试项目的描述,因此这种能力的解释力是有限的。

已经取得了一些进展的研究取向,从我们认知系统的功能开始,然后对执行那些功能的特殊过程进行假设。[28]众所周知,我们至少具备5种主要认知功能:感知、记忆、思维(包括推理和决策)、行动和学习,而每一种功能的实现都需要多种认知机制和过程的协同合作。如果将这一系列实现每种功能的认知机制和过程转变成认知理论,那会更有价值。

感知功能实现了对外部信息的即时表征(此时此刻),包括注意力分配、辨认颜色、识别物体、距离评估等一系列认知过程。记忆需要将表征通过编码的方式存储于长时记忆之中,并且长时间地保持。对于有用的信息,当需要的时候必须有一个提取表征的过程。思维能够从既存信息中提炼出新的结论,相关的过程则决定着结论如何。演绎推理需要选择前提和应用推理规则,而类比推理只需要选择一个类比物,然后在它与当前对象之间建立一种类比关系,等等。决策的实现则需要先构思多种方案,然后通过评估它们可能的效用在其中做出选择。行动(计划和执行)需要先将总目标分解成子目标,唤起动作并将其应用于现有的情境。最后,学习代表一种元功能;它会导致其他认知功能的改变。

一系列心理过程会促成三种事件流:一连串主观经验、一连串行动和一连串语言表达,见图2-1。任何一种心理过程都能够以其中一种、二种或者三种方式表现。譬如我关于所工作的校园空间布局的记忆表征能够让我俯瞰校园全貌(主观经验),在校园中找到去特定建筑物的路(动作)或者给别人指明线路(语言)。将这种记忆表征方式应用于纸质地图(另外一种表征方式)能够帮助我游刃有余地穿行于不熟悉的城市中。关键点在于,主观经验、行动和语言这三种事件流是由作用于个体表征库的认知过程所产生的。

心智的元素因此更可能是一个动态实体——过程,而不是事物。从这个角度而言,心智更像变化莫测的天气,而不是井然有序、按部就班的钟表或者肾脏。这也解释了为什么它具备超凡的特质。每一种心智状态的存在无非是为了承接下一种状态的来临。

2.2.3 控制的必要性

任何一个时刻,大脑中都会有多个认知加工过程发生:注意力的焦点在环境中从一处到另一处连续不断地移动,每一次的注意转移都会重新建立一个新的知觉表征,所见所闻对存储于记忆中的信息起到了提示的作用,回忆触发了反思或者选项间的选择等。这众多的加工过程是如何协调的?尽管神经科学家已经能够把许多功能映射到大脑的不同区域,但他们并没有发现任何一种神经自我(Neural Self),没有发现类似于电脑中央处理器的东西,也没有发现控制大脑模块运作的操作中心。这意味着大脑是一个分布式的系统,在这一系统中多个加工过程可以并联且彼此独立地进行,不需要任何支配一切的组织。

除了自我(作为一个人)的主观经验(独立而非交互的过程的集合)之外,有两点限制了心智的纯粹分布式模型的准确性。首先,加工是有选择性的。任何时刻发生的过程在时间上均是在那一时刻发生的无限多个过程的一个小子集。同样,在某个时刻提取的记忆是在那一时刻已经提取的所有记忆的一个小子集,引出的推论相对于个体可能已经形成的许多推论来说也是极少的。纯粹分布式观点意味着,认知的某一领域中的选择与另一个认知领域的选择相互独立。然而,当从事一项任务时,我们的认知过程是协同工作的,注意力通过某种方式进行分配以选择我们环境中的信息,从而使我们的记忆过程能够准确提取知识,以帮助推理过程决定下一步需要执行的行动。

此外,引入分布式观点的平行主义是有局限的。毫无疑问,知觉、记忆提取、推理和决策是相互交织并行发生的,但同样毋庸置疑,作为一个人,我在某一时间只能做一件事:做早饭,穿衣服,上课,回复邮件,修改一本书的篇章,等等。尽管认知过程的发生是并行的,但是有意识的行动,总的来说是顺序进行的。即使是当我们似乎在同时做两件事情时,如开车时打电话,但仔细的测量显示,相对于并行加工,从双任务间快速切换的角度来理解这样的情形更为合适。[29]只有在两个非常简单且可重复的知觉运动任务被反复地练习之后,它们才能以真正并行加工的方式进行。抛开这种罕见的情况不谈,有意识的行动基本是顺序加工的。

行动也需要长期的组织。设想一下去度假或者上大学的计划。这类计划需要协调成百上千的行动,每个行动又以多个认知过程为基础,并服务于目标——大学学历、舒适的退休生活等,这可能需要好多年。难以置信,这样的持续性项目只不过是局部交互作用和分布式加工的副产品而已。

可以得出结论,存在某种东西在有目的的行动中协调着各种认知过程。控制结构的主要任务就是解决冲突。在每一时刻,可能有多种认知过程在运行,多种记忆需要提取,多个推论可能得出,多个目标需被设定,多重行动将要进行,所以认知流需要对选项进行实时评估并不断选择需要执行的过程。这就是所谓的冲突解决的方法。

术语“控制结构”源自计算机科学。一些心理学家喜欢用“中央执行”这一术语,也有些心理学家喜欢用“执行功能”或“总的工作空间”;与之密切相关的一个术语便是“认知结构”。[30]这一认知实体在概念上与精神分析的“自我”这一概念是表亲。[31]考虑到大脑中没有任何关于自我的模块,心智是如何并通过哪些过程在分布式的、无中心的神经基质中执行一种协调的功能,这是一个基本的但还是没有解决的认知神经科学问题。在等待解决方案之时,我们可以抛开控制结构由什么构成这一问题,而在描述它如何工作方面有所突破。

2.2.4 Turing-Newell的观点

20世纪30年代英国数学家和第二次世界大战密码破译专家Alan Turing(阿兰·图灵)第一次清楚地描述了这样一个观点:一个智能代理(可以是动物、人类、机器人或太空外星人)可以通过细化其表征、基本过程及其独立于物质化身的控制结构的方式予以精确地建模。[32]这是认知科学的基本观点之一,也是诸如笔记本等电脑的通用设计基础。

这类理论向心理学的转变集合了认知心理学奠基一代的集体成就,其中包括Donald Broadbent、Jerome Bruner、Noam Chomsky、Allan Collins、George A. Miller、Ulric Neisser、Allen Newell、Donald A. Norman、Zenon Pylyshyn、Roger C. Schank和Herbert Simon等。在本章开端引用的1958年的一篇开创性文章中,Allen Newell、J. C. Shaw和Herbert A. Simon把Turing的观点转变成了心理解释的一个激进、新颖的概念:行为(或其中的规则)的解释就是制定一个程序,也就是产生这一行为(或规则)的一个控制结构、一套过程和一系列表征。[33]为了验证程序确实产生了解释性目标,实现这一程序,并在计算机中运行,观察行为或规则是否真实产生。解释即再现。这一智慧的转变使得现代认知心理学成为不同的学科。

在1972年和1973年发表的文章中,Newell将这一想法发展成了认知心理学观点。[34]认知心理学的最终目标并不是一系列的表征-过程-控制的三联体(我们每个想解释的现象都包含一个三联体),而是可以解释所有行为规律和现象的单一系统,Newell便持有这样激进的观点。我们详细描述了心理表征、基本过程的全部功能以及控制结构,从而一劳永逸。从一种解释到另一种解释唯一的变化成分是表征的内容,也就是,确切地说是我们所假定的人们在认知表现过程中所用到的知识。在Newell提出观点的十年之后,John R. Anderson为这一规范和术语创造了“认知结构”这个标签。Anderson提出了ACT-R理论,被认为是20世纪认知心理学最具影响力的理论,是对Newell的理论的持续尝试。[35]图2-2是大多数认知心理学家都认可的认知结构的蓝本。认知结构的关键在于准确描述正确的系统。如果结果系统以与人相同的方式解决认知任务,并表现出与人相同的行为规律和现象,那么这个描述便是正确的。对于拥有一个人类认知的统合理论而言,Newell的观点过去是现在依然是唯一清晰、完整和连贯的概念,正如一些物理学家所怀疑的万物终极理论可能就在他们的研究之中。[36]

表征-过程-控制的解释与诸如行为主义、本能论、格式塔、弗洛伊德式、皮亚杰式或心理测量学等其他心理学解释截然不同。对这些不同解释的优缺点的研究举不胜举。相对于其他解释,Turing-Newell概念的解释更加清晰,且为建立特定的认知过程模型提供了具体的指导,这是它更受青睐的主要原因。因为这些优势,Turing-Newell概念在当代的认知心理学中占据了主导地位。认知心理学教材反复使用了信息加工的概念。只有假定了一个具有跨任务、跨内容稳定性的认知结构的存在,心理学研究报告中的实验才能讲通;毕竟,被试很少会对这些实验中执行的任务具有内在兴趣。

虽然如此,Turing-Newell概念也不太可能是正确的。[37]如果说表征和过程在大脑中就像在计算机中一样是整齐分开的,这似乎并不合理。如果说心智的载体最终被认为是过程的表征或者表征的过程,这似乎更加合理。我们并不知道如何模拟如此怪异的实体。而且,关于确定的、固有的控制结构的假设可能不得不服从源自神经层面自组织的更不确定的控制的概念。但这样的发展还未实现,所以接下来的章节采用了一种受Newell观点启发的认知结构作为概念平台,并以此研究认知变化的原理。

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