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4 认知发展理论-信息加工理论

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信息加工理论

一、信息加工理论的界定

信 息 加 工 理 论

1、符号加工取向

二、两种研究取向
2、联结主义取向

三、具身认知

四、斯滕伯格智力发展理论
五、后经典加工理论

信息加工理论的界定
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认知心理学有广义、狭义之分,广义的认知心理学是 指凡是研究人的认识过程的,都属于认知心理学。
目前西方心理学界通常所指的认知心理学,是指狭义 的认知心理学,也就是所谓的信息加工心理学。 信息加工心理学是指用信息加工的观点和术语,通过 与计算机相类比,模拟、验证等方法来研究人的认知 过程,认为人的认知过程就是信息的接受、编码,贮 存、交换、操作、检索、提取和使用的过程。

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信息加工是一个框架而非一个理论
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信息加工框架内有许多不同的理论。
创建于20世纪60-70年代的初创体系被称作标准的、早 期的、经典的理论。 新近还有变革。

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两种研究取向的由来
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20世纪中期,西方主流心理学掀起一场推翻行为主义心理学的革 命,产生了认知心理学。 认知心理学的目的在于研究和揭示人的认知过程的本质,但由于 大脑本身的不可直接研究性,使认知心理学不得不在孕育和诞生 之时就以假设、模拟和类比的方式来进行认知过程的研究。 符号加工和联结主义就是伴随认知心理学诞生而出现的两种研究 认知心理学的理论倾向。
符号加工取向 联结主义取向

把认知过程类比为计算机运算过 程,“心理活动像计算机”

把认知过程类比为神经网络的 整体活动,“心理活动像大脑”

符号加工取向
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最早由奈塞提出,后来由纽厄尔和西蒙等人发展。他 们通过对人类思维的研究创立了人工智能这门新学科, 对认知科学的发展作出了重大的贡献。 《人类问题解决》一书,是这一领域的极为重要的著 作。

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“物理符号系统”假设是纽厄尔和西蒙的最著名理论。

物理符号系统假设

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物理符号系统理论的贡献在研究具体事件的计算机科 学和研究抽象事件的心理学之间架起了一座桥梁。 用计算机的已知工作原理建立了人类认知模型。

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物理符号系统的六种功能
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输入符号(input):把字母打进计算机,眼睛看黑板上 的字都可认为是一种输入;
输出符号(output):计算机荧光屏上显示出结果,人在 纸上写字,都是输出; 存储符号(store):计算机中贮存信息,人记住某件事, 都是存储符号的功能; 复制符号(copy):计算机能复制出一段文字材料,人认 出某个字,并复制出来成为表征,存储在脑子的某个 地方,这都是复制符号的功能。

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建立符号结构(build symbol structure):计算机通过找 到各种符号之间的关系,形成符号结构。老师为了讲 课汇集各种材料、建立它们之间的联系,使之构成一 个完整的系统。
条件性迁移(conditional transfer):计算机依赖已有的符 号继续完成行为,即根据具体情况来改变符号结构。 如智能计算机辅助教学程序就具备这种条件性迁移功 能。人在记忆中已经有了一定的符号系统,再加上外 界的输入,就可以继续完成一个活动过程。

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物理符号系统的假设与推论
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假设:任何一个系统,如果他能表现出智能的话,它 就必须执行上述功能。

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三推论:1、既然人具有智能,他就一定是一个物理符 号系统;
2、既然计算机是一个物理符号系统,它就能表现出智 能,这是人工智能的基本条件; 3、既然人是一个物理符号系统,计算机也是一个物理 符号系统,那么我们就能够用计算机模拟人的活动。

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联结主义认知心理学发展历程
启蒙阶段 开始阶段 萧条阶段 复兴阶段 鼎盛时期

1、1943年,麦克 洛奇和匹茨发表 1、1969年,人 1890年,詹姆 了《神经系统中所 工智能学者明斯 蕴涵思想的逻辑 基和佩帕特出版 斯的《心理学 演算》,提出M 《感知机》,指出 原理》对相关 -P模型(阈值模 感知机处理能力 学习、联想记 型)。 有限。 忆的基本原理 2、赫布提出“联结 2、人工智能领 进行了开创性 主义”概念及赫布 域取得的研究成 学习定律。 果认为不需要考 研究。 3、鲁梅尔哈特制 虑脑功能的网络 造出视知觉的脑模 结构。 型——感知机。

1、人工智能用 符号逻辑的思维 方式不能解决人 1986年由鲁梅 类思维的本质 尔哈特和麦克 问题。 莱兰德出版了 2、脑科学与神 联结主义认知 经科学获得了 心理学的“圣经” 重大研究成果。 -《平行分布加 3、1982年霍普 工:认知结构 菲尔德提出神经 的微观探索》。 网络模型是复兴 的标志。

联结主义模式与基本内涵
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基本含义:联结主义模式(平行分布加工、人工神经网络、亚符 号范式)通常是指“通过简单加工单元之间的联结方式进行计算 的一类模型”。(Morris,1989)基本构成单位是单元和联结。
基本内涵:联结主义认为认知是由相互联系的具有活性值的神经 单元构成的网络的动态整体活动,这种网络实现的整体状态与对 象世界的特征基本一致,联结主义网络模型中的神经节中不包含 任何信息,信息是整个交互作用的神经节的激活模式,知识信息 并不存在于特定的地点,而是存在于神经网络的连接中或权重里, 通过调整权重就可以改变网络的联结关系并进而改变网络的功能。

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平行结构 和平行处 理机制 抵制噪声 分布式表 征

六大特征 自适应、 自学习、 自组织
很强的容 错性

连续性和 亚符号性

平行结构和平行处理机制
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联结主义神经网络是由大量简单加工单元相互联结构 成的高度平行的非线性网络,不仅如此,网络的所有 运算处理也都是同时平行进行的,在同一层次内的所 有加工单元都是同时进行操作的。 由于在隐含单元层中存有大量原型,一旦给网络输入 一个刺激,隐含层中的所有神经单元立即同时被激活, 并在储存的模型中寻找与输入数据相匹配的原型,并 快速做出反应。 同时处理信息,运算速度加快

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分布式表征
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模拟大脑联想或直观能力
联结主义网络模型呈现的是高度分布及维度-转换表征 特征,而且网络是以叠加的方式来贮存知识的。 知识存在于整个神经网络的相互联结权重之中,与此 相应,采用分布式表征的方式来加工知识,分布式表 征可以同时满足多重约束,节约大量单元,而且加工 速度也很快。 以整体论方式来贮存和提取信息

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连续性和亚符号性
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传统的符号加工理论是以离散的物理符号来表征较高 级的概念,它处理的是知识的结晶。 联结主义则强调模拟运算的连续性和信息表征的亚符 号性,它处理的是直觉经验以及尚未结晶或升华为用 语言表达出来的概念,即亚概念。

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很强的容错性
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人的大脑神经系统本身就具有很强的容错性,大脑细 胞的自动死亡并不影响人的认知能力,甚至大脑的局 部损伤也不影响大脑的整体功能。 联结主义也具有这样的特征,由于模型中信息的分布 式储存和分布式表征,如果某个神经单元或联结受到 损伤,记忆的一部分会有稍微降低,但整个记忆概念 不会丢失。但是与真实大脑一样,其容错能力也是有 限的。

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自适应、自学习、自组织
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人脑的优越性在于人脑可以根据环境通过“自学”来 认识未学习过的新知识并解决不熟悉的新问题。 联结主义模拟了人脑的这一特点,当网络面对一个全 新的输入模式时,其自身可以通过采取一定的训练策 略来调整神经单元之间的权重并修正自身的特性以达 到某种预期的效果。

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抵制噪声
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人类通常可以在噪声很大的环境下从事工作而不影响 工作的效果。 联结主义模拟了这一特点,联结主义网络经常可以抵 制噪声,因为假如噪声没有大到混淆网络的思维,输 入与所存储的一切不同模式相类似,网络就可以正确 地提取所存储的记忆。

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符号加工取向

联结主义取向

认知模拟对 计算机 象

人脑(接近神经网络)

认知机制

操纵符号,通过对符号的接收、通过简单加工单元之间的联结方 编码、存储、提取、变换和传 式进行计算,基本构成成分包括 递来加工信息 单元和联结

认知过程

以序列方式一次一个事件串行 同时平行处理所有的运算、操作 加工 所有的加工单元
以离散的物理符号来表征较高 表征和处理的是直觉经验以及尚 级的概念,处理的是知识的结 未结晶或升华为用言语表达出来 晶 的概念,即“亚概念”

知识表征

具身认知
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自20世纪60年代以来,认知心理学一直是西方心理学 的主流。最初,以计算机模拟为基础的符号加工模式 在认知心理学中居于支配地位,其后,以神经的网状 结构和并行加工原理为基础的联结主义模式进入认知 心理学家的视野。 受认知语言学、文化人类学、哲学、机器人技术、人 工智能等学科的影响,认知心理学正在经历一场“后 认知主义”的变革。在这场变革中,具身认知成为一 个焦点论题,代表了认知心理学研究中的一个新取向。

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从符号加工到联结主义,心灵始终与身体分离。笛卡 尔的身心二元论一直主导着人们对身心关系的认识。 但具身认知的出现打破了这一局面,身心一体论得以 确立。具身认知通过身体的主体性来说明认知对于身 体的依赖。近年来神经科学的发展也为具身思想提供 了生理学的依据。具身认知的出现为重构认知理论提 供了新思路。

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传统认知主义的基本信条是“认知是可计算的”。依 据这种观点,认知过程类似于计算机的符号加工过程, 都是一种对信息的处理、操纵和加工。
如果把大脑比作计算机的硬件,那么认知就是运行在 这个“硬件”上的“软件”或“程序”。由于程序从 功能上是独立于硬件的,那么从理论上讲,认知独立 于包括大脑在内的身体,于是就出现了所谓的“离身 的”的认知或心智。

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认知心理学的联结主义模式建构了“人工神经网络”, 力图体现大脑神经元的并行分布式加工和非线性特征, 研究目标从计算机模拟转向人工神经网络的建构。试 图找寻认知是如何在复杂的联结和并行分布加工中得 以涌现的。然而,无论联结主义的研究风格与符号加 工模式多么迥然相异,两者在“认知的本质就是计算” 方面是相同的。 认知虽然表现在包括大脑在内的身体上,但是却不依 赖于身体,其功能是独立的。

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具身认知的倡导者对这种离身的认知提出异议。
主张思维和认知在很大程度上是依赖和发端于身体的, 身体的构造、神经的结构、感官和运动系统的活动方 式决定了我们怎样认识世界,决定了我们的思维风格, 塑造了我们看世界的方式。

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如果我们拥有蝙蝠的生理结构,我们所感知到的世界 就完全不是现在的样子。

理解一
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认知过程进行的方式和步骤实际上是被身体的物理属 性所决定的。
例:对于深度知觉来说,最重要的影响因素源于两眼 视差的双眼网膜映像的差异。但这种差异同身体和头 部的转动有很大的关系。头部转动和身体的运动使得 双眼网膜映像差异明显,促进了深度知觉的形成。因 此,头部的转动和身体的前后运动实际上构成了深度 知觉信息加工的步骤。

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理解二
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认知的内容也是身体提供的。
我们的身体以及身体同世界的互动提供了我们认识世 界的最原始概念。例如,上下、左右、前后都是以身 体为中心,冷热温凉也是身体感受到的。以这些身体 中心的原型概念为基础,我们发展出其他一些更抽象 的概念,如热情、冷淡、兴高采烈、死气沉沉等。以 身体为中心,我们把上面的、接近我们的视为积极的, 把下面的、远离我们的视为消极的。

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理解三
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认知是具身的,而身体又是嵌入环境的。
传统认知理论将认知看做是抽象的内部状态,是外部 世界的内部表征,或一些静态的事实或规则。但具身 认知强调了身体与世界的互动,是大脑、身体与环境 相互作用的结果,是一个动态的过程。环境中的信息 也是我们认知过程中所要操作的对象。 “在解决乘法问题时,铅笔与纸张如此紧密地融合于 认知行为中,并且没有原则性的理由把这些外部物体 同认知系统的其他成分区别开来”。

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一.智力理论演变的三阶段模型
圆圈:特定方法中关于智 力的分析单元 外围粗线:强调单元具有 高度的秩序 表示智力理论中单元的不 同组织原则,圆圈的位置 和数量则仅表示描述说明

阶段1
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两种竞争理论 1.一元论:分析单元的单一事例决定着对智力的思考 例:智力因素理论的发展,斯皮尔曼的一般智力理论, 只承认一种单一的起控制作用的整体结构即一般因素。 格式塔学派关于智力概念的关键是顿悟 2.二元论:许多独立的具有一定的单元的事例决定着对 智力的思考 例:汤姆森认为智力应包含大量的具有独立结构的纽 带,即反射、习惯、联想学习 桑代克关于智力的S—R 阶段1中,紧张未解决,双方容纳对方关于智力本质的 概念而达到解除,进入阶段2

阶段2
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两种对抗的理论 1.层次论:某种智力的单元决定其他事例,但事实上单 元中的其他事例属于统一体系中。 例:卡特尔的智力理论,一般因素支配群因素,群因素 支配特殊因素 斯滕伯格,把元智力成分同其他成分区分开来,他们 的目的都是在2a的层次上解决了1a和1b之间的冲突, 且明显继承1a 2.多级层次理论:特定单元的实力彼此之间不独立,可 能在很多方面相互重叠,如功能、结构、因果关系等。 对阶段1中多重事例中的两种观点的整合,更多继承1b 例:西蒙等提出的产生式系统理论

阶段3
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单一且兼容的观点,即所有不同因素融 合成一种单一的一体化的观点,缺乏对 抗的事例造成了紧张,给研究者提出了 重新探索智力的要求 1.停滞不前 2.找到一种亚新方法 3.发现一种新方法

二.人类智力的三层次理论
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斯滕伯格

1.智力的情景子理论("我把智力看成是直接指向同个体生 活有关的.选择和塑造现实世界环境的心理活动")
——个体努力达到自己与其环境之间的适应(个体、阶段)

(1).情景子理论解决心理活动同情境的适应 (2).智力在情景方面的独特性
—— a.现实世界 b.相对性 c.有目的性 d.适应性 e.选择性 f.塑造

(3).情景子理论评价
优点:
a.智力的情景子理论避免了恶性循环 b.使人们看到了智力同人的生活与构成智力行为的外部世 界之间的关系 c.解决了期望标准的混淆 e.提供了将差异,认知和别的理论放在一起的框架
a.不可歪曲 b.含糊性 c.不完善

缺点:

2.智力的经验子理论
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含义:用某种任务在一定范围的功能来衡量智力.一定范 围的功能又需要两种能力中的一种或两种,第一种能力 是满足处理各种新颖的任务和情境的需要,第二章能力 是自动地对信息进行加工处理 (1).满足处理各种新颖的任务和情境的需要
用 a.新颖的任务 b.新的情境 c.任务.情境和个人之见的相互作

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(2).自动对信息进行加工的能力
a.作为完成任务的一种功能的自动化 b.作为情境的一种功能的自动化 c.任务、情境和个人的相互作用 d.解决新情况、新任务的能力和自动化信息加工自动化之间 的关系(加工资源的分配:新颖性和自动化技能)

(3)思考:哪些任务适合于测量智力?
一、实验室任务:简单的实验室任务:简单反应时、选择 反应时、字幕识别;较复杂的实验室任务:类比、分类、演绎 推理 二、各种心理测验的任务

3.人类智力的成分子理论
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揭示智力操作后面所潜伏的心理机制。智力理 论的基本分析单元是智力成分,而智力成分就 是一种基本的信息加工过程。
(1).元成分:指在完成任务时,用在计划、监控和 决策方面的较高程序性的加工
a.决定什么问题需要解决 b.选择低层次成分 c.选择适合于信息的 一种或多种表征或组织 d.联合低层次成分策略的选择 e.决定注意 资源的分配 f.决策监控 g.对外部反馈的敏感性

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(2)执行成分
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定义:指用于一个任务执行过程中的加 工(倾向于自动进入到解决任务的各阶 段) a.编码成分 b.成分的联系或比较 c.反应成分

(3)知识获得成分
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(学习新的信息加工)

三种成分与此相关
a.选择性编码,例,从无关信息中获得有关信 息 b.选择性联结,例,联结选择的编码信息 c.选择性比较,例,新获得的信息或检索的信 息同过去获得的信息进行比较

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成分分类
一般成分、分类成分、特殊成分

三成分之间的相互关系
双实线箭头:一种智力成分被另 一种智力成分直接激活, 单实线箭头:一种智力成分被另 一种智力成分间接激活,相同智 力成分之间的反馈 单虚线箭头:从一种智力成分到 另一种智力成分的直接反馈

元成分:概括水平最高、参与面 最广、最关键的决定性成分
M:一组元成分 A.R.T:知识获得的智力成分 T:迁移信息的功能 P:一组操作成分

4.三层次智力理论对理解智力本质的启发
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(1)确实存在一个“一般智力”的因素 (2)智力由一组基本的心理能力组成 (3)在层次因素分析中,存在两个较大的因素,有时被称为晶体智力和 流体智力 (4)因素分析旋转以后,导致大量智力结构因素的出现 (5)最佳且简单的综合智力测验之一是词汇测验 (6)儿童智力的绝对水平随年龄增加 (7)智力测验提供了对学业成就的预测,虽然不完美,但相当好 (8)有时人们在某一方面的智力功能可能很好,在另一方面可能很差 (9)智力对创造力来说是必要条件但不是充分条件 (10)智力操作的速度和准确性(或质量)可能存在正相关、负相关或 零相关 (11)智力操作训练在元成分和操作成分水平上进行时,是最成功的 (12)智力在不同的文化中可能意味着不同的内容

5.创造力三维模型理论
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一、创造性地应用智力 二、认知方式
a.认知运算的功能 b.认知运算的管理 c.认知运算的层次 e 认知运算的范围 f.认知运算的学习

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三、人格特质
a.对含糊的容忍 b.愿意克服障碍 c.愿意让自己的观念不断发 展 d.活动受内在动机的驱动 e.有适度的冒险精神 f.期望被 认可 g.愿意为争取再次被认可而努力

经典信息加工模式

后经典信息加工理论
一、研究模式的改进
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采用人类被试

采用计算机来模拟人类的心理操作

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一种假设:如果给予计算机程序与人类相同的问题解决的输入, 并且计算机产生与人类相同的输出,那么这一程序很可能包含了 与人类神经系统内部的那些操作相同的成分和加工步骤。 两大任务:(1)计算机的每一程序都能准确模拟儿童在特定心 理发展阶段的思维过程;(2)如何解释某一阶段的程序转换为 系列中的下一程序的方法。(克拉尔和华莱士)

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关于计算机与人类信息加工,有两个主要的发展:
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人工智能(artificial intelligence):常常只是用来指计算 机所遵循的信息加工步骤,而不管这些步骤是否模拟 了人类加工信息的实际的方式。人工智能中一个最实 际的目标,是要发现计算机贮存、提取、运演和使用 信息的最佳方式,至于人类在解决问题时是否遵循这 些步骤,这不是他们所关心的。 计算机模拟(computer simulation):通常是指利用各算 机和计算机语言来描述人类信息加工过程时所采用的 方法。这方面最典型的人物是西蒙。他认为,人的认 识活动与计算机是一一对应的。

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二、信息加工模式的修正
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阿什克拉夫特
有意识加工到自 动化加工 元认知 系列加工与平行 加工

注意
内隐知识和推理
知识表征 数据驱动加工与 概念驱动加工

注意:
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注意的重要性:注意在信息从感觉记忆转换到短时记 忆中的关键作用,注意在任何有意识的或部分有意识 的心理操作中的重要功能。(对环境信息的选择性, 举例)

有意识加工到自动化加工维度:
意识的努力程度

高度有意识

完全自动化

(过独木桥) (骑自行车) ? 简单且被经常练习的行为就成为自动化,实施这些行 为的时候不再需要有意识的努力。

系列加工与平行加工:
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经典信息加工模式:倾向于将所有的认知和运动活动 描述为系列加工(即学习新东西或解决复杂问题时信 息一步接一步加工)。 后经典加工模式:区分系列加工与平行加工(得到良 好训练的较为简单的任务,两个或更多行为可以被平 行执行)。(骑自行车打电话)

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数据驱 动

使用刺激信息

概念驱 动

使用储存在记忆中的 信息

我们要理解 的东西主要由环 境——人们亲眼 目睹的事件的性 质决定。(以经 验主义者斯金纳 为代表)

人们的心理 模块能够形成对 环境经历的理解 并且对其目睹的 事件赋予意义。 (以结构主义者 皮亚杰为代表)

受刺激与个人知识结构的特定关系决定

知识表征:
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表征(Representation) 又称心理表征或知识表征。认知心理学 的核心概念之一,指信息或知识在心理活动中的表现和记载的方 式。表征是外部事物在心理活动中的内部再现,因此,它一方面 反映客观事物,代表客观事物,另一方面又是心理活动进一步加 工的对象。
情景知识:对过去某一特定事件中某人某物的记 忆线索。

图尔文

记 忆
安德森

语义知识:由概念或过程等更概括化的思维工具 组成。 陈述性记忆:事件、事实、概念——事物的性质 产生式记忆:程序性知识、操作——如何做事情

内隐知识和推理:
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内隐知识:为个人主观的经验性、模拟性、具各别情境特殊性的 知识,通常无法直辨认,保存于人身上、制程、关系等型式中, 所以难以透过文字、程序或图形具体调列规划之形式向外传递, 此类知识之传递较为费时。(实践智力,解决问题的能力)

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人们的内隐知识系统和推理是如何发挥作用来决定人们的理解的 解释可以加入到信息加工之中。

元认知:
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我们对我们自身的认知系统如何操作的自我觉察和监 控。 采用内省的方式,但是不能确定它是否真实的反映了 思维运转的过程。

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三、不同的环境刺激影响信息加工的方式
事件A

数据驱动、大量的有意注意、系列加工

事件B

概念驱动、自动化、内隐知识的支持、平行加工

四、儿童认知加工的变化
从婴儿到青少年:
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是自动化的而非有意识的 是平行加工而非系列加工 概念驱动而非数据驱动 内隐知识增加 元认知技能更加复杂 长时记忆中的知识以更精准、复杂的模式加以表征 对注意指向的更强的意识控制



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