Изучение технологии нейронных сетей в профильном курсе информатики

критиковалось за свою биологическую неправдоподобность. Трудно вообразить

обучающий механизм в мозге, который бы сравнивал желаемые и действительные

значения выходов, выполняя коррекцию с помощью обратной связи. Если

допустить подобный механизм в мозге, то откуда тогда возникают желаемые

выходы? Обучение без учителя является намного более правдоподобной моделью

обучения в биологической системе. Развитая Кохоненом и многими другими, она

не нуждается в целевом векторе для выходов и, следовательно, не требует

сравнения с предопределенными идеальными ответами. Обучающее множество

состоит лишь из входных векторов. Обучающий алгоритм подстраивает веса сети

так, чтобы получались согласованные выходные векторы, т.е. чтобы

предъявление достаточно близких входных векторов давало одинаковые выходы.

Процесс обучения, следовательно, выделяет статистические свойства

обучающего множества и группирует сходные векторы в классы. Предъявление на

вход вектора из данного класса даст определенный выходной вектор, но до

обучения невозможно предсказать, какой выход будет производиться данным

классом входных векторов. Следовательно, выходы подобной сети должны

трансформироваться в некоторую понятную форму, обусловленную процессом

обучения. Это не является серьезной проблемой. Обычно не сложно

идентифицировать связь между входом и выходом, установленную сетью.

Алгоритмы обучения.

Большинство современных алгоритмов обучения выросло из концепций

Хэбба. Им предложена модель обучения без учителя, в которой синоптическая

сила (вес) возрастает, если активированы оба нейрона, источник и приемник.

Таким образом, часто используемые пути в сети усиливаются, и феномен

привычки и обучения через повторение получает объяснение. В искусственной

нейронной сети, использующей обучение по Хэббу, наращивание весов

определяется произведением уровней возбуждения передающего и принимающего

нейронов. Это можно записать как

w ij(n + 1) = wij(n) + aOUTiOUTj

где wij(n)- значение веса от нейрона i к нейрону j до подстройки, w

ij(n + 1)- значение веса от нейрона i к нейрону j после подстройки, a-

коэффициент скорости обучения, OUTi- выход нейрона i и вход нейрона j, OUTj

- выход нейрона j.

Сети, использующие обучение по Хэббу, конструктивно развивались,

однако за последние 20 лет были развиты более эффективные алгоритмы

обучения. В частности, были развиты алгоритмы обучения с учителем,

приводящие к сетям с более широким диапазоном характеристик обучающих

входных образов и большими скоростями обучения, чем использующие простое

обучение по Хэббу. В настоящее время используется огромное разнообразие

обучающих алгоритмов. Потребовалась бы значительно большая по объему

статья, чем эта, для рассмотрения этого предмета полностью. Чтобы

рассмотреть этот предмет систематически, если и не исчерпывающе, в каждой

из последующих глав подробно описаны алгоритмы обучения для рассматриваемой

в главе парадигмы. В дополнение в приложении представлен общий обзор, в

определенной мере более обширный, хотя и не очень глубокий. В нем дан

исторический контекст алгоритмов обучения, их общая таксономия, ряд

преимуществ и ограничений. В силу необходимости это приведет к повторению

части материала, оправданием ему служит расширение взгляда на предмет. [6]

1.2 Влияние обучения технологии нейронных сетей на развитие мышления

школьников

Установим связь между предметом изучаемой темы – искусственным

интеллектом – и мышлением.

Как сложный познавательный процесс мышление издавна вызывает большой

интерес у ученых. Возникло немало теорий, имеющих различные теоретические

основания.

Рассмотрим наиболее известные теории, объясняющие процесс мышления

[1]. Их можно разделить на две большие группы: те, которые исходят из

гипотезы о наличии у человека природных, не изменяющихся под влиянием

жизненного опыта интеллектуальных способностей, и те, в основу которых

положено представление о том, что умственные способности человека в

основном формируются и развиваются прижизненно.

Концепции, согласно которым интеллектуальные способности и сам

интеллект определяются как совокупность внутренних структур, обеспечивающих

восприятие и переработку информации с целью получения нового знания,

составляют одну группу теорий мышления. Считается, что соответствующие

интеллектуальные структуры существуют у человека с рождения в потенциально

готовом виде, постепенно проявляясь (развиваясь) по мере взросления

организма.

Эта идея априорно существующих интеллектуальных способностей –

задатков – характерна для многих работ в теории мышления, выполненных в

немецкой школе психологии. Наиболее отчетливо она представлена в

гештальттеории мышления, согласно которой способность формировать и

преобразовывать структуры, видеть их в реальной действительности и есть

основа интеллекта.

В современной психологии влияние идей обсуждаемых теорий

прослеживается в понятии схемы. Давно замечено, что мышление, если оно не

связано с какой-либо конкретной, внешне детерминированной задачей,

внутренне подчиняется определенной логике. Эту логику, которой следует

мысль, не имеющая внешней опоры, называют схемой.

Предполагается, что схема рождается на уровне внутренней речи, а затем

руководит разверткой мысли, придавая ей внутреннюю стройность и

последовательность, логичность. Мысль без схемы обычно называют аутичной

мыслью, ее особенности уже были нами рассмотрены. Схема не есть нечто раз и

навсегда заданное. Она имеет свою историю развития, которое происходит за

счет усвоения логики, средств управления мыслью. Если некоторая схема

используется довольно часто без особых изменений, то она превращается в

автоматизированный навык мышления, в умственную операцию.

Другие концепции интеллекта предполагают признание неврожденности

умственных способностей, возможность и необходимость их прижизненного

развития. Они объясняют мышление, исходя из воздействия внешней среды, из

идеи внутреннего развития субъекта или взаимодействия того и другого.

Своеобразные концепции мышления представлены в следующих направлениях

психологических исследований: в эмпирической субъективной психологии,

ассоциативной по характеру и интроспективной по основному методу; в

гештальтпсихологаи, которая отличалась от предыдущей только отрицанием

элементности психических процессов и признанием доминирования их

целостности над составом этих элементов, в том числе и в мышлении; в

бихевиоризме, сторонники которого пытались заменить процесс мышления как

субъективный феномен на поведение (открытое или скрытое, умственное); в

психоанализе, который мышление, как и все другие процессы, подчинил

мотивации.

Активные психологические исследования мышления ведутся начиная с XVII

в. В это время и в течение следующего довольно длительного периода истории

психологии мышление фактически отождествлялось с логикой, а в качестве

единственного его вида, подлежащего изучению, рассматривалось понятийное

теоретическое мышление, которое иногда не совсем правильно называют

логическим (неправильно потому, что логика присутствует в любом другом виде

мышления не в меньшей степени, чем в данном).

Сама способность к мышлению считалась врожденной, а мышление, как

правило, рассматривалось вне развития. К числу интеллектуальных

способностей в то время относили созерцание (некоторый аналог современного

абстрактного мышления), логические рассуждения и рефлексия (самопознание).

Созерцание, кроме того, понималось как умение оперировать образами (в нашей

классификации – теоретическое образное мышление), логические рассуждения —

как способность рассуждать и делать умозаключения, а рефлексия — как умение

заниматься самоанализом. Операциями мышления в свою очередь считались

обобщение, анализ, синтез, сравнение и классификация.

Мышление в ассоциативной эмпирической психологии во всех его

проявлениях сводилось к ассоциациям, связям следов прошлого и впечатлений,

полученных от настоящего опыта. Активность мышления, его творческий

характер были основной проблемой, которую (как и избирательность восприятия

и памяти) не смогла решить данная теория. Поэтому ее сторонникам не

оставалось ничего другого, как объявить умственные творческие способности

априорными, не зависящими от ассоциаций с врожденными способностями разума.

В бихевиоризме мышление рассматривалось как процесс формирования

сложных связей между стимулами и реакциями, становления практических умений

и навыков, связанных с решением задач. В гештальтпсихологии оно понималось

как интуитивное усмотрение искомого решения за счет обнаружения нужной для

него связи или структуры.

Нельзя сказать, что оба последних направления в психологии не дали

ничего полезного для понимания мышления. Благодаря бихевиоризму в сферу

психологических исследований вошло практическое мышление, а в русле

гештальттеории стали обращать особое внимание на моменты интуиции и

творчества в мышлении.

Определенные заслуги в решении проблем психологии мышления есть и у

психоанализа. Они связаны с привлечением внимания к бессознательным формам

мышления, а также к изучению зависимости мышления от мотивов и потребностей

человека. В качестве своеобразных форм мышления у человека можно

рассматривать уже обсуждавшиеся нами защитные механизмы, которые также

впервые начали специально изучаться в психоанализе.

В отечественной психологической науке, основанной на учении о

деятельностной природе психики человека, мышление получило новую трактовку.

Его стали понимать как особый вид познавательной деятельности. Через

введение в психологию Мышления категории деятельности было преодолено

противопоставление теоретического и практического интеллекта, субъекта и

объекта познания. Тем самым для конкретного исследования открылась новая;

ранее невидимая связь, существующая. Между деятельностью и мышлением, а

также между различными видами самого мышления. Впервые появилась

возможность ставить и решать вопросы о генезисе мышления, о его

формировании и развитии у детей в результате целенаправленного обучения.

Мышление в теории деятельности стали понимать как прижизненно формирующуюся

способность к решению разнообразных задач и целесообразному преобразованию

действительности, направленному на то, чтобы открывать скрытые от

непосредственного наблюдения ее стороны.

А.Н.Леонтьев, подчеркивая произвольный характер высших форм

человеческого мышления, их производность от культуры и возможность развития

под влиянием социального опыта, писал, что мышление человека не существует

вне общества, вне языка, вне накопленных человечеством знаний и

выработанных им способов мыслительной деятельности: логических,

математических и других действий и операций. Отдельный человек становится

субъектом мышления, лишь овладев языком, понятиями, логикой. Им была

предложена концепция мышления, согласно которой между структурами внешней,

составляющей поведение, и внутренней, составляющей мышление, деятельности

существуют отношения аналогии. Внутренняя, мыслительная деятельность не

только является производной от внешней, практической, но имеет

принципиально то же самое строение. В ней, как и в практической

деятельности, могут быть выделены отдельные действия, операции. При этом

внешние и внутренние элементы деятельности являются взаимозаменяемыми. В

состав мыслительной, теоретической деятельности могут входить внешние,

практические действия, и наоборот, в структуру практической деятельности

могут включаться внутренние, мыслительные операции и действия.

Деятельностная теория мышления способствовала решению многих

практических задач, связанных с обучением и умственным развитием детей. На

базе ее были построены такие теории обучения (их же можно рассматривать и

как теории развития мышления), как теория П.Я.Гальперина, теория

Л.В.Занкова, теория В.В.Давыдова.

В последние несколько десятилетий на базе успехов в разработке идей

кибернетики, информатики, алгоритмических языков высокого уровня в

математическом программировании появилась возможность построения новой,

информационно-кибернетической теории мышления. В ее основе лежат понятия

алгоритма, операции, цикла и информации. Первое обозначает

последовательность действий, выполнение которых ведет к решению задачи;

второе касается отдельного действия, его характера; третье относится к

многократному исполнению одних и тех же действий до тех пор, пока не будет

получен необходимый результат; четвертое включает совокупность сведений,

передаваемых с одной операции на другую в процессе решения задачи.

Оказалось, что многие специальные операции, которые применяются в

программах машинной обработки информации и в процессе решения задач на ЭВМ,

похожи на те, которыми в мышлении пользуется человек. Это открывает

возможность изучения операций человеческого мышления на ЭВМ и построения

машинных моделей интеллекта.

Развитие мышления

Мышление человека развивается, его интеллектуальные способности

совершенствуются [8]. К этому выводу уже давно пришли психологи в

результате наблюдений и применения на практике приемов развития мышления. В

практическом аспекте развитие интеллекта традиционно рассматривается в трех

направлениях: филогенетическом, онтогенетическом и экспериментальном.

Филогенетический аспект предполагает изучение того, как мышление человека

развивалось и совершенствовалось в истории человечества. Онтогенетический

подход включает исследование процесса и выделение этапов развития мышления

на протяжении жизни одного человека, с рождения до старости.

Экспериментальный подход к решению этой же проблемы ориентирован на анализ

процесса развития мышления в особых, искусственно созданных

(экспериментальных) условиях, рассчитанных на его совершенствование.

Один из наиболее известных психологов современности швейцарский ученый

Ж. Пиаже предложил теорию развития интеллекта в детстве, которая оказала

большое влияние на современное понимание его развития. В теоретическом

плане он придерживался мысли о практическом, деятельностном происхождении

основных интеллектуальных операций.

Теория развития мышления ребенка, предложенная Ж. Пиаже, получила

название «операциональной» (от слова «операция»). Операция, по Пиаже,

представляет собой «внутреннее действие, продукт преобразования

(«интериоризации») внешнего, предметного действия, скоординированного с

другими действиями в единую систему, основным свойством которой является

обратимость (для каждой операции существует симметричная и противоположная

операция)».

В развитии операционального интеллекта у детей Ж. Пиаже выделил

следующие четыре стадии:

Стадия сенсомоторного интеллекта, охватывающая период жизни ребенка от

рождения до примерно двух лет. Она характеризуется развитием способности

воспринимать и познавать окружающие ребенка предметы в их достаточно

устойчивых свойствах и признаках.

Стадия операционального мышления, включающая его развитие в возрасте от

двух до семи лет. На этой стадии у ребенка складывается речь, начинается

активный процесс интериоризации внешних действий с предметами, формируются

наглядные представления.

Стадия конкретных операций с предметами. Она характерна для детей в

возрасте от 7—8 до 11—12 лет. Здесь умственные операции становятся

обратимыми.

Стадия формальных операций. Ее в своем развитии достигают дети в среднем

возрасте: от 11—12 до 14—15 лет. Данная стадия характеризуется способностью

ребенка выполнять операции в уме, пользуясь логическими рассуждениями и

понятиями. Внутренние умственные операции превращаются на этой стадии в

структурно организованное целое.

В нашей стране наиболее широкое практическое применение в обучении

мыслительным действиям получила теория формирования и развития

интеллектуальных операций, разработанная П.Я.Гальпериным. В основу данной

теории было положено представление о генетической зависимости между

внутренними интеллектуальными операциями и внешними практическими

действиями. Ранее это положение получило разработку во французской

психологической школе (А.Валлон) и в трудах Ж.Пиаже. На нем основывали свои

теоретические и экспериментальные работы Л.С.Выготский, А.НЛеонтьев,

В.В.Давыдов, А.В.Запорожец и многие другие.

П.Я.Гальперин и Н.Ф.Талызина внесли в соответствующую область

исследований новые идеи. Ими была разработана теория формирования мышления,

получившая название концепции планомерного формирования умственных

действий. Гальперин и Талызина выделили этапы интериоризации внешних

действий, определили условия, обеспечивающие их наиболее полный и

эффективный перевод во внутренние действия с заранее заданными свойствами.

Процесс переноса внешнего действия вовнутрь, по П.Я.Гальперину,

совершается поэтапно, проходя строго определенные стадии. На каждом этапе

происходит преобразование заданного действия по ряду параметров. В этой

теории утверждается, что полноценное действие, т.е. действие высшего

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5