第2期 秦裕林，等：Herbert Simon在最后几年里的两个研究方向 ·13· F.F(A)=F(B) 1995年在“图形推理”一书的前言中，Simon写 G.F(A)<F(B) 道：“在一个全神贯注于信息高速公路的社会中，对 H.所给条件不足以做出判断 图形推理的深刻理解将是保证这高速公路上车辆运 在这个实验中，学生通过学习能够和专家一样， 行的基本条件州s] 认出在这2题中，第一个条件是关键因素.在问题1 在这个方向上Simon的一个重要贡献是CaM 中，关键因素是“如果A和B均浮在水上”，因此，A eRa(computation with multiple representation, 重于B是有关信息，B大于A是无关信息.因而正 有多种表达的计算)i).这个系统是他和Hermina 确答案是A.在问题2中，关键因素变成了“A和B Tabachneck-Schilf以及M.Anthony Leonardo于 全部浸没于水中”，于是，A重于B成了无关信息，B 1997年合作开发的计算系统，用来模拟专家用多种 大于A成为有关信息，因而正确答案是C.可以预 表达方式（即图形(diagrammatic)表达与文字(ver 测，学生有能力建立子日标来正确的回答下面这个 bal)表达)解决问题的过程.它是用OPS5(一种基 更能“困惑”人的问题，“如果A和B都浮在水上，A 于Common LISP的产生式系统语言)实现的 比B重，但B比A体积大，哪一个物体排开的水更 CaMe Ra的一个重要特征是，不同的模态用不 多？”尽管B比A体积大，学生仍然能正确地回答 同的表达（数据结构及其操作）.系统有一个图形短 A排开的水更多 时记忆(psTM)和图形长时记忆(pLTM)用于图形 更重要的是，Simon热切地想看到这些发现被 表达，有一个文字短时记忆(vSTM)和文字长时记 用于现实世界中的学校教学过程中去，文献[13]综 忆(vLTM)用于文字表达.外界的图形表达于外在 述了例中学，例中学用于教学的基本原理.令人鼓舞 图形显示（一个位图bitmap)中，用于内部图形表达 的结果表明，认知理论已经发展到能为实际教学提 的pSTM,又叫做心理眼(mind'seye),由一个低层 供有用的启发式信息(heuristics)的地步.它显示 次的视觉缓冲区(vision buffer,也是一个位图，模 了从自适应产生式理论获得的经验，如何为实现有 拟主视觉皮层用)和一个由连接节点构成的高层次 效的理解性学习提供了具体的实践指导.Simon在 的空间和对象的信息结构所构成.一个小型的平行 他的网页上总结道：“能够通过检查已解出的问题的 网络用于处理视觉缓冲区中的低层次图形信息.文 例子来学习新技能的计算机程序已经建立，以这个 字记忆结构模型是命题表.这两种表达的共同特点 程序为模型经中国科学院的同事们的努力，中国的 是这两种知识都是由小的组块(Chunk)组成，这些 全部中学数学（代数，几何）教材己经设计出来，并且 组块可以在同一模态内或者跨模态而关联连接.然 在二十几个中学获得了成功的应用.” 而只能由他们所在模态的短时记忆来更动.基于规 则的过程用于高水平的图形的以及文字的推理中 2 多种表达(multiple representation) 模型中没有目标堆栈 在1955年的一段时间，Simon想用计算机来模 CaMeRa图形和文字表达是相互互补的表达 拟人求解几何题.但遇到了处理几何图形的困难 因而能得到两种表达特有的优势.例如：CaMeRa成 为了避免这个问题，他和Newell改选了“逻辑理论 功地模拟了经济学专家是如何处理供求关系的.它 家”作为用选择性搜索的方法来解决非数值算计问 模拟了专家用黑板上的图形来表达这种关系.如果 题的第一个程序，从这以后，表达(representation) 物价高于了平衡点，CaMeRa就会像专家一样察看 一直是他的研究领域中的核心问题之一 供求关系图，发现有剩余(Surplus),然后进行文字 1987年Jill Larkin和Simon在他们的著名的 推理，得出剩余将导致物价降低的结果 “为何一幅图（有时候）能抵万个词”论文中41仔细 CaMeRa的另一个重要特征是心理图像(men 地定义了表达的信息等价与计算等价，指出了一个 tal image)与视觉刺激非常相似.这样做是基于心理 表达的计算的有效性取决于它的数据结构，操作数 眼假说：由观看外在图画产生的心理图像于短时记 据结果做出新推断的程序的管理，以及它们是如何 忆中的表达与由对这个图画的记忆而形成的心理图 一起工作的.该文具体揭示了为什么图形表达有时 像有相同的图像结构.在CaMeRa中，图形短时记 会优于语句表达 忆中有视觉信息与文字信息的关联（而外部显示则 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.netF. Fb ( A) = Fb ( B) ; G. Fb ( A) < Fb ( B) ; H. 所给条件不足以做出判断. 在这个实验中 ,学生通过学习能够和专家一样 , 认出在这 2 题中 ,第一个条件是关键因素. 在问题 1 中 ,关键因素是“如果 A 和 B 均浮在水上”, 因此 , A 重于 B 是有关信息 , B 大于 A 是无关信息. 因而正 确答案是 A. 在问题 2 中 ,关键因素变成了“A 和 B 全部浸没于水中”,于是 , A 重于 B 成了无关信息 , B 大于 A 成为有关信息 , 因而正确答案是 C. 可以预 测 ,学生有能力建立子目标来正确的回答下面这个 更能“困惑”人的问题“, 如果 A 和 B 都浮在水上 , A 比 B 重 ,但 B 比 A 体积大 ,哪一个物体排开的水更 多 ?”尽管 B 比 A 体积大 , 学生仍然能正确地回答 A 排开的水更多. 更重要的是 ,Simon 热切地想看到这些发现被 用于现实世界中的学校教学过程中去 ,文献[ 13 ]综 述了例中学 ,例中学用于教学的基本原理. 令人鼓舞 的结果表明 ,认知理论已经发展到能为实际教学提 供有用的启发式信息 ( heuristics) 的地步. 它显示 了从自适应产生式理论获得的经验 ,如何为实现有 效的理解性学习提供了具体的实践指导. Simon 在 他的网页上总结道“: 能够通过检查已解出的问题的 例子来学习新技能的计算机程序已经建立 ,以这个 程序为模型 ,经中国科学院的同事们的努力 ,中国的 全部中学数学(代数 ,几何) 教材已经设计出来 ,并且 在二十几个中学获得了成功的应用. ” 2 多种表达(multiple representation) 在 1955 年的一段时间 ,Simon 想用计算机来模 拟人求解几何题. 但遇到了处理几何图形的困难. 为了避免这个问题 , 他和 Newell 改选了“逻辑理论 家”作为用选择性搜索的方法来解决非数值算计问 题的第一个程序 ,从这以后 ,表达 (representation) 一直是他的研究领域中的核心问题之一. 1987 年 ,Jill Larkin 和 Simon 在他们的著名的 “为何一幅图 (有时候) 能抵万个词”论文中[14 ] 仔细 地定义了表达的信息等价与计算等价 ,指出了一个 表达的计算的有效性取决于它的数据结构 ,操作数 据结果做出新推断的程序的管理 ,以及它们是如何 一起工作的. 该文具体揭示了为什么图形表达有时 会优于语句表达. 1995 年在“图形推理”一书的前言中 ,Simon 写 道“: 在一个全神贯注于信息高速公路的社会中 ,对 图形推理的深刻理解将是保证这高速公路上车辆运 行的基本条件”[15 ] . 在这个方向上 Simon 的一个重要贡献是 CaM2 eRa (comp utation wit h multiple representation ,具 有多种表达的计算) [16 ] . 这个系统是他和 Hermina Tabachneck2Schilf 以及 M. Anthony Leonardo 于 1997 年合作开发的计算系统 ,用来模拟专家用多种 表达方式(即图形 ( diagrammatic) 表达与文字 (ver2 bal) 表达) 解决问题的过程. 它是用 OPS5 (一种基 于 Common L ISP 的产生式系统语言) 实现的. CaMeRa 的一个重要特征是 ,不同的模态用不 同的表达(数据结构及其操作) . 系统有一个图形短 时记忆(pSTM) 和图形长时记忆 (pL TM) 用于图形 表达 ,有一个文字短时记忆 (vSTM) 和文字长时记 忆(vL TM) 用于文字表达. 外界的图形表达于外在 图形显示(一个位图 bitmap) 中 ,用于内部图形表达 的 pSTM , 又叫做心理眼(mind’s eye) ,由一个低层 次的视觉缓冲区 (vision buffer , 也是一个位图 , 模 拟主视觉皮层用) 和一个由连接节点构成的高层次 的空间和对象的信息结构所构成. 一个小型的平行 网络用于处理视觉缓冲区中的低层次图形信息. 文 字记忆结构模型是命题表. 这两种表达的共同特点 是这两种知识都是由小的组块 (Chunk) 组成 ,这些 组块可以在同一模态内或者跨模态而关联连接. 然 而只能由他们所在模态的短时记忆来更动. 基于规 则的过程用于高水平的图形的以及文字的推理中. 模型中没有目标堆栈. CaMeRa 图形和文字表达是相互互补的表达. 因而能得到两种表达特有的优势. 例如 :CaMeRa 成 功地模拟了经济学专家是如何处理供求关系的. 它 模拟了专家用黑板上的图形来表达这种关系. 如果 物价高于了平衡点 ,CaMeRa 就会像专家一样察看 供求关系图 ,发现有剩余 (Surplus) ,然后进行文字 推理 ,得出剩余将导致物价降低的结果. CaMeRa 的另一个重要特征是心理图像 (men2 tal image) 与视觉刺激非常相似. 这样做是基于心理 眼假说 :由观看外在图画产生的心理图像于短时记 忆中的表达与由对这个图画的记忆而形成的心理图 像有相同的图像结构. 在 CaMeRa 中 ,图形短时记 忆中有视觉信息与文字信息的关联 (而外部显示则 第 2 期 秦裕林 ,等 : Herbert Simon 在最后几年里的两个研究方向 · 31 ·