认知科学学习的意义是什么？

研究人的认知过程的前沿学科。

它是由思维科学、心理学、计算机科学、人类学和哲学相互渗透、相互影响而形成的。

它主要研究知识的性质、获取和结构。

对认知科学范围的理解，也可以从认知科学的内容上看出来。到目前为止，认知科学涉及的主要内容包括感官知觉(包括模式识别)、注意、记忆、语言、思维与表征、意识等。这似乎是心理学家关心的问题，但也是哲学家、语言学家、计算机科学家、神经生理学家和人类学家关心的问题。只是不同专业背景的研究者对这些相同的问题采取了不同的具体研究方法。中国学者李伯岳指出，人工智能、认知心理学和心理语言学是认知科学的核心学科，神经科学、人类学和哲学是认知科学的外围学科。

由于认知系统的复杂性，需要对其进行多维度的研究，而认知科学需要运用多学科中使用的工具和方法，对认知系统进行完整意义上的综合研究。可以说，认知科学迄今取得的成就与其跨学科的研究方法密切相关。然而，跨学科的研究方法也给认知科学带来了许多问题和挑战。

认知科学是研究人类感知和思维的信息处理过程的科学，包括感情对复杂问题解决的输入，从人类个体到人类社会的智能活动，以及人类智能和机器智能的本质。认知科学是现代心理学、信息科学、神经科学、数学、科学语言学、人类学乃至自然哲学交叉发展的结果。

认知科学的兴起和发展标志着对以人为中心的认知和智能活动的研究进入了一个新阶段。认知科学的研究将使人类认识和控制自己，把自己的知识和智力提高到前所未有的高度。生活现象是复杂的，很多问题还没有得到很好的解释，有很多东西可以借鉴。如何从中提炼出最重要、最关键的问题以及相应的技术，是很多科学家长期追求的目标。为了解决21世纪人类面临的诸多困难，如能源的大量需求、环境污染、资源枯竭、人口膨胀等，仅仅依靠现有的科学成就是不够的。我们必须向生物学学习，寻找发展科学技术的新途径。知觉信息的表达是知觉研究的基本问题，也是研究其他各级认知过程的基础。感知过程从哪里开始？外部物理世界中有哪些变量具有心理感知意义？作为感知的计算模型，计算的对象是什么？这些围绕感知信息表达的问题，是建立任何与感知相关的理论和理论模型时，无论是人还是计算机，都必须首先回答的问题。知觉信息表达的研究可以有不同层次的问题，包括知觉组织、知觉学习、知觉动态记忆和面孔识别等问题。

将认知神经科学的实验研究与计算机视觉在计算理论层面的研究相结合，大脑的知识表达和计算机实现将对上述科学问题提出全新的理论(或思路)和解决方案。学习是一种基本的认知活动，是积累经验和知识的过程，是为了提高系统行为的表现而对外界事物进行把握和理解的过程。

学习的神经生物学基础是神经细胞间连接结构和突触的可塑性变化，这已成为当代神经科学中非常活跃的研究领域。突触可塑性的条件是突触前纤维和相关的突触后细胞同时兴奋时，突触连接加强。1949年，加拿大心理学家Hebb提出了Hebb的学习法则。他假设相关的突触在学习过程中发生了变化，从而导致突触连接的增强和传递效率的提高。Hebb学习规则成为连接学习的基础。神经网络是由具有适应性的简单细胞组成的广泛并行的互联网络。Kohonen提出了一个自组织映射网络。根据协作形成结构，竞争促进发展的规律，哈肯将协作非线性动力学理论与神经网络有机结合，提出了协作联想记忆网络。Amari提出使用微分流形和统计推理来研究神经网络。在Amari理论的基础上，石中智等人提出了神经场模型，该模型由场组织模型和场效应模型组成。

感知学习是感知层面的学习，主要研究如何从低层传感器输入的原始数据中获取相关的抽象数据。感知学习主要考虑通过视觉和听觉学习将非结构化和半结构化信息转化为结构化信息的方法，图像的语义描述及其快速提取技术，以及感知学习中的注意机制和元认知。

认知学习理论认为，人的行为背后有相应的思维过程，可以观察到行为的变化，也可以通过行为的变化推断出学习者的内心活动。在认知学习理论中，如奥苏贝尔的有意义学习理论(又称同化理论)，其核心思想是获取新信息主要依赖于认知结构中已有的概念；意义学习只能通过新信息与学习者认知结构中已有概念的相互作用而发生；由于这种相互作用，新旧知识的意义被同化了。加涅的信息处理学习理论将学习过程类比为计算机的信息处理过程。学习结构由感觉寄存器、短时记忆、长时记忆、控制器和输出系统组成。认知过程可分为选择性接受、监控、调整、重复和重建。在这个信息处理过程中，关键部分是实施控制和期望。执行控制是指已有的学习经验对当前学习过程的影响，期望是指动机系统对学习过程的影响。整个学习过程都是在这两部分的作用下进行的。

内省学习是一种自我反思、自我观察、自我认识的学习过程。在领域知识和案例库的支持下，系统可以自动选择和规划机器学习算法，更好地发现海量信息中的知识。

内隐学习是无意识地获得刺激环境的复杂知识的过程。在内隐学习中，人们不会意识到或陈述控制他们行为的规则，但他们会学习这些规则。20世纪80年代中期以后，内隐学习成为心理学领域，尤其是学习和认知心理学领域最热门、最受关注的话题，成为将对认知心理学的发展产生深远影响的最重要的课题之一。内隐学习有以下三个特点:

隐性知识可以自动生成，无需有意识地发现任务操作的显性规则；

内隐学习是通用的，可以很容易地推广到不同的符号集；

内隐学习是无意识的，内隐学习获得的知识是语言系统无法表达的。在人类进化的过程中，语言的使用划分了大脑两个半球的功能。语言半球的出现使人类明显区别于其他灵长类动物。有研究表明，人脑左半球与串行、顺序和逻辑信息处理有关，而右半球与并行、视觉和非顺序信息处理有关。

语言是一个以语音为外壳，词汇为素材，语法为规则的系统。语言通常分为口语和书面语。口语的表现形式是声音，文字的表现形式是形象。口语远比书面语古老，个人先学习口语，再学习书面语。

语言是最复杂、最系统、最广泛使用的符号系统。语言符号不仅代表具体的事物、状态或动作，也代表抽象的概念。汉语因其独特的词汇句法系统、书写系统和语音声调系统而明显不同于印欧语系，具有音、形、义紧密结合的独特风格。概念是反映事物特有属性的思维形式，概念与词语密切相关。概念的产生和存在必须依附于文字。文字之所以能表达其他东西，是因为人的脑子里有相应的概念。所以，词是概念的语言形式，概念是词的思想内容。

从神经、认知、计算三个层面学习语文，给了我们一个打开智能大门的绝佳机会。中国认知心理学的研究已有多年历史，并取得了世界级的研究成果。然而，这些研究大多集中在汉字和词汇方面，在更高层次的句法和句子处理方面还需要进一步的讨论。对整个言语链的研究还不够系统，尤其是大脑的语言处理机制还不太为人所知。在智能系统领域，中国高度重视中文计算机信息处理，投入大量资金支持计算语言学、机器翻译和自然语言理解系统的研发，取得了大量重要成果。然而，从整体上看，语言信息的智能处理还有许多尚未解决的问题，其解决必须建立在认知科学的研究基础上，以新的理论为指导，才能取得突破。

在1991中，Mayeux和Kandel基于Wernicke-Geschwind模型提出了一种新的语言信息处理模型。听觉输入的语言信息从听觉皮层传递到角回，再到韦尼克区，再到布罗卡区。视觉输入的语言信息直接从视觉联合皮层传递到Broca区。对一个词的视觉感知和听觉感知是由具有不同感觉模式的通道相互独立地处理的。这些通道独立到达Broca区和与语言意义和表达相关的更高级区域。大脑中语言处理通路每一步的工作机制有待进一步研究。

用数学方法研究语言，寻找语言结构的形式、模式和公式，可以使语言的语法规则像数学符号和公式一样系统化、形式化，可以用来生成无限的句子。美国著名语言学家乔姆斯基在1956中提出了语言的形式语法，为语言信息处理奠定了理论基础。在1996中，Yip和Sussman提出了在语音学规则中使用双向约束传播机制，可以解释神经层面的听觉信号如何对应思维层面的符号。

值得一提的是，机器翻译涉及语言学、计算机科学、认知科学、数学等学科，是一门前沿交叉学科。这一极具挑战性的研究领域被列为21世纪世界十大科技难题之首。但就取得的成绩来看，机器翻译系统的翻译质量离最终目标还相差甚远；机器翻译的质量是机器翻译系统成功的关键。

我国数学家、语言学家周海中教授曾在《机器翻译五十年》一文中指出:要提高机器翻译的质量，首先要解决的是语言本身而不是编程问题；依靠几个程序做一个机器翻译系统，当然不可能提高机器翻译的质量。另外，在人类理解人脑如何对语言进行模糊识别和逻辑判断之前，机器翻译是不可能达到“信达雅”的水平的。这些都是制约机器翻译质量提高的瓶颈。记忆是对过去经历中发生的事情的反映，是对新获得的行为的维持。因为记忆，人可以保留对过去的反思，在之前反思的基础上做出现在的反思，让反思更全面更深刻。也就是有了记忆，人就可以积累经验，扩大经验。

人类的记忆有三种类型:感官记忆、短期记忆和长期记忆。刺激停止后，其影响并没有立即消失，还可以形成后像。视觉后像最明显。后像可以说是最直接最原始的记忆。后像只能存在很短的时间，比如最生动的视觉后像只持续几十秒，这就是感官记忆。短时记忆的时间间隔比感觉记忆的时间间隔长。而储存材料的时间只有一分钟左右，甚至更短。长期记忆是指持续一分钟以上的信息存储。人的记忆可以分为过程记忆和命题记忆。过程记忆是保持相关操作的技能，主要由知觉运动技能和认知技能组成。命题记忆是储存用符号表示的知识，反映事物的本质。命题记忆又进一步分为情境记忆和语义记忆。前者是一种存储个人事件和经历的记忆形式。后者是储存个体所理解的事件本质的知识，即记忆关于世界的知识。

1974年，Baddeley和Hitch在模拟短时记忆障碍的实验基础上提出了工作记忆的三系统概念，用“工作记忆”取代了原来的短时记忆概念。Baddeley认为工作记忆是指一个系统，它为语音理解、学习和推理等复杂任务提供临时存储空间和处理所必需的信息。工作记忆系统可以同时存储和处理信息，不同于只强调存储功能的短时记忆概念。工作记忆分为三个子成分，即中央执行系统、视觉空间初步加工系统和语音回路。来自行为研究和神经心理学的大量证据表明三个子成分的存在，对工作记忆的结构和功能形式的认识也在不断丰富和完善。人们发现工作记忆与语言理解、注意力和推理密切相关，它蕴含着智力的奥秘。自20世纪50年代中期以来，随着认知心理学的兴起，人们重新认识到注意在人脑信息处理中的重要性，并提出了几种注意模型。其中，注意力的过滤模型和衰减模型具有代表性，属于知觉选择模型。这两个模型将注意机制定位在信息加工的知觉阶段，实现识别前的信息选择。与知觉选择模型相反，反应选择模型认为注意的功能不是选择刺激，而是选择对刺激的反应。该模型认为所有信息都可以进入高级加工阶段，但只有最重要的信息才会引起中枢系统的反应。这两种模式的侧重点不同。知觉选择模型强调集中注意，反应选择模型强调分散注意。他们争论的焦点是注意机制在信息加工中的地位。注意力的中心能量模型就是在这种背景下产生的。该模型的理论基础是信息系统的有限处理能力。避免了信息加工中注意机制位置的难题，使知觉选择模型和反应选择模型的实验结果在形式上统一；但缺点是没有揭示注意所涉及的信息加工过程。

随着脑成像技术和神经生理学研究的快速发展，将注意力网络从其他信息处理系统中分离出来已经成为现实。利用正电子发射断层扫描(PET)和功能磁共振成像(fMRI)技术，我们可以精确测量完成特定注意任务时大脑各区域的脑血流量(rCBF)变化，从而确定各注意子网络的功能结构和解剖位置。20世纪80年代初，特雷斯曼的特征整合模型将注意和知觉加工的内部过程紧密结合起来，形象地将注意的空间选择性与“聚光灯”进行了对比。根据该模型，视觉加工过程分为两个相互联系的阶段，即预注意阶段和集中注意阶段。前者是对视觉刺激的颜色、方位、运动等简单特征进行快速、自动的并行处理，各种特征在大脑中分别编码，产生相应的“特征图”。特征图中的每个特征构成了前注意的表象。前注意加工是一种“自下而上”的信息加工过程，它不需要集中注意。每个特征在特征图中的位置是不确定的。为了获得物体感知，需要依靠集中注意力，通过“聚光灯”扫描“位置图”，有机整合属于被搜索目标的所有特征，实现特征的动态组装。在1989中，Gray指出，集中注意力可以引起与被观察事件相关的神经元同步放电，通常表现为40周左右的同步振荡。这一发现为注意的特征整合模型提供了神经生理学证据。

根据已有的研究成果，Posner将注意网络分为三个子系统:前注意系统、后注意系统和警报系统。前注意系统主要涉及额叶皮层、前扣带回和基底神经节。后注意系统主要包括顶叶皮层、丘脑枕核和上丘。警戒系统主要涉及大脑右额叶蓝斑的去甲肾上腺素向皮层的输入。这三个子系统的功能可以分别概括为方向控制、引导搜索和保持警戒。意识也许是人类大脑最大的谜团和最高成就之一。自1879现代心理学建立以来，意识成为心理学的主要研究对象。詹姆斯认为心理学是研究意识的科学。但由于方法论问题，无法对意识进行具体的科学研究。20世纪20年代兴起的行为心理学否认意识的存在。20世纪50年代出现的认知心理学再次提出了意识问题，从知觉和意识的角度研究意识。知觉的研究已经取得了很大的进展，但对意识等问题的研究还处于起步阶段。

目前很难给意识一个统一准确的科学定义。不同领域对意识的理解不同。诺贝尔奖获得者克里克认为，意识涉及到注意力和短时记忆相结合的神经机制，可以用科学方法进行研究[4]。克里克关于意识的惊人假说以及通过视觉注意和短时记忆研究视觉意识的具体建议引起了大量认知心理学家、神经科学家和计算神经科学家的广泛兴趣。

20世纪80年代末90年代初，视觉生理学研究中有一个重要发现:从不同神经元的释放中记录到同步振荡，这种约40Hz的同步振荡现象被认为是链接不同图像特征的神经信号。克里克和科赫提出了视觉注意力的40Hz振荡模型。据推测，神经元的40Hz同步振荡可能是视觉中不同特征的“捆绑”形式。至于“自由意志”，克里克认为与意识有关，涉及行为和计划的执行。另一位诺贝尔奖获得者埃克尔斯热衷于意识的研究。他在与哲学家波普尔合著的《自我与大脑》一书中，发表了“三个世界”的哲学观。认为世界1包括所有物质世界(包括大脑)，世界2包括人类的精神世界，世界3包括人类的社会、语言、科学和文化活动。在他后期的著作中，根据神经系统的结构和功能，提出了“树突”假说，树突是神经系统的基本结构和功能单位，由大约100个顶树突组成。据估计，人类大脑中有40万个树突。他进一步提出了“心理小孩”假说，世界2的心理小孩对应世界1的树状小孩。因为枝晶中的微观结构接近量子尺度，所以量子物理可能用于意识问题。

意识是一个复杂的问题，要找到切入点，结合目前可用的技术手段进一步研究。意识的研究可以以有意识和无意识为切入点，找出大脑活动中神经相关物质的差异。

其实还有一个情绪系统，这几年呈现出活跃的研究趋势。免疫系统也与智力密切相关，限于篇幅，这里就不讨论了。