認(rèn)知模型在空管初始技能自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

周通 劉麗陽(yáng) 王俊偉

摘 要：認(rèn)知科學(xué)作為一個(gè)新興交叉的學(xué)科領(lǐng)域備受當(dāng)今世界關(guān)注。本文簡(jiǎn)述了認(rèn)知科學(xué)，在介紹五種認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)規(guī)范性、理論合理性和工程適用性三方面類(lèi)比分析這些認(rèn)知模型，從而選擇出一種適用于空管初級(jí)技能自主訓(xùn)練的認(rèn)知模型。結(jié)果表明認(rèn)知模型的應(yīng)用能夠幫助軟件的使用者提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知科學(xué)；認(rèn)知模型；空管初始技能自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練

認(rèn)知科學(xué)是一門(mén)研究人類(lèi)感知和思維信息處理過(guò)程的科學(xué)，包括從感覺(jué)的輸入到復(fù)雜問(wèn)題求解，從人類(lèi)個(gè)體到人類(lèi)社會(huì)的智能活動(dòng)，以及人工智能和機(jī)器智能的性質(zhì)。隨著認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)展，1973年朗蓋特·系金斯開(kāi)始使用“認(rèn)知科學(xué)”一詞。1975年，美國(guó)斯隆基金投資研究“在認(rèn)識(shí)過(guò)程中信息是如何傳遞的”，為此學(xué)者將哲學(xué)、心理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、人類(lèi)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)作為六大支撐學(xué)科進(jìn)行合并研究，由此產(chǎn)生了認(rèn)知科學(xué)。認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階

段，即20世紀(jì)40年代中期到50年代中期的前人工智能時(shí)期、20世紀(jì)50年代末到80

年代初期的經(jīng)典符號(hào)處理模型時(shí)期、以及20世紀(jì)80年代之后的聯(lián)結(jié)主義模型的興盛時(shí)期。

在認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，原本作為支撐的六大學(xué)科產(chǎn)生了學(xué)科分支，即心智哲學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、認(rèn)知語(yǔ)言學(xué)、認(rèn)知人類(lèi)學(xué)、人工智能和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。而后隨著六大支撐學(xué)科之間進(jìn)一步的相互交叉融合，由此衍生出11個(gè)新興交叉學(xué)科：1、控制論；2、神經(jīng)語(yǔ)言學(xué)；3、神經(jīng)心理學(xué)；4、認(rèn)知過(guò)程仿真；5、計(jì)算語(yǔ)言學(xué)；6、心理語(yǔ)言學(xué)；7、心理哲學(xué)；8、語(yǔ)言哲學(xué)；9、人類(lèi)學(xué)語(yǔ)言學(xué)；10、認(rèn)知人類(lèi)學(xué)；11、腦進(jìn)化。認(rèn)知科學(xué)雖然是一門(mén)新興的學(xué)科，但是卻在人類(lèi)揭示人腦的工作機(jī)理方面做出了卓越貢獻(xiàn)。

一、認(rèn)知模型

所謂認(rèn)知模型，是指依據(jù)認(rèn)知科學(xué)的概念、方法和數(shù)據(jù)而構(gòu)建的一種“組織性的框架”。建立認(rèn)知模型可以使研究人員從特定的角度探索研究人體的思維機(jī)制，尤其是人對(duì)所接收信息的處理機(jī)制，而且為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)相應(yīng)的人工智能系統(tǒng)時(shí)，提供新的理論體系和技術(shù)方法。

（一）簡(jiǎn)單介紹幾種認(rèn)知模型

伴隨認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，人們渴望用語(yǔ)言來(lái)表達(dá)人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程，為此科研人員構(gòu)建了許多認(rèn)知模型，在此我們簡(jiǎn)單地介紹五種具有代表性的認(rèn)知模型，即S-O-R模型、SRK模型、信息處理模型、階梯模型和通用認(rèn)知模型。

1、S-O-R模型。從傳統(tǒng)心理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，感知、信息處理和反應(yīng)是組成人的認(rèn)知行為的基本三要素，以此建立了S-O-R模型，如圖1所示。模型中S代表外界刺激，指人體在感受到外界的信息時(shí)，將其轉(zhuǎn)變成訊號(hào)通過(guò)神經(jīng)傳遞給大腦；O代表人體思維組織，指大腦收到訊號(hào)后，先對(duì)訊號(hào)進(jìn)行分析處理，然后決策，并制定下一步行動(dòng)計(jì)劃，最后將指令經(jīng)神經(jīng)傳導(dǎo)給相應(yīng)器官；R代表人體反應(yīng)，即人體相應(yīng)器官在收到指令后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

2、SRK模型。Rasmussen在1983年提出了SRK模型，他將人的認(rèn)知行為劃分為技能型行為模式、規(guī)則型行為模式和知識(shí)型行為模式，如圖2所示。技能型行為模式是指在人感知外界信息時(shí)，憑借自身的工作能力和經(jīng)驗(yàn)就可毫不猶豫地對(duì)信息進(jìn)行處理、執(zhí)行的行為模式。規(guī)則型行為模式是指人從自身比較熟悉情景中感知到信息時(shí)，依據(jù)自身以往實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別，然后選擇比較合適的規(guī)則來(lái)執(zhí)行任務(wù)的行為模式。知識(shí)型行為模式是指人在外界感知到信息時(shí)，無(wú)法憑借自身的工作能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)信息進(jìn)行處理，而需要依靠自己知識(shí)來(lái)對(duì)信息進(jìn)行診斷分析，才能做出決策、制定計(jì)劃，最終按照行動(dòng)計(jì)劃來(lái)執(zhí)行的行為模式。

3、信息處理模型。信息處理模型是Wickens在1984年提出的，從信息接收、信息分析、決策與分析、執(zhí)行四個(gè)階段來(lái)描述了人的認(rèn)知過(guò)程，他將人的認(rèn)知行為擬化為一個(gè)信息流的過(guò)程，如圖3所示。信息接收模塊用于接收外界信息，而信息分析模塊則利用大腦的思維能力對(duì)信息進(jìn)行分析處理，然后決策與計(jì)劃模塊則依據(jù)處理后的信息確定決策和計(jì)劃，最終執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)將決策和計(jì)劃付諸于行動(dòng)。此外在該流程中，研究人員考慮到了注意力、工作記憶和長(zhǎng)效記憶對(duì)信息分析、決策與計(jì)劃、執(zhí)行等模塊的影響。

（二）認(rèn)知模型的比較

每種模型都是從某個(gè)方面對(duì)人的認(rèn)知行為進(jìn)行模擬，各有各的優(yōu)勢(shì)，下面從認(rèn)知模型的規(guī)范性、理論合理性、工程適用性三方面對(duì)以上幾種認(rèn)知模型進(jìn)行對(duì)比。

1、認(rèn)知模型的規(guī)范性、判別模型的規(guī)范性，可從模型的結(jié)構(gòu)規(guī)范性和描述規(guī)范性兩方面入手。S-O-R模型、SRK模型、信息處理模型，結(jié)構(gòu)清晰，容易讓人了解其所描述的認(rèn)知過(guò)程，同時(shí)使用了比較規(guī)范的語(yǔ)言，例如感知、識(shí)別、計(jì)劃、決策等，這些詞語(yǔ)很好地表征了每個(gè)認(rèn)知階段所代表的功能。相對(duì)于這些模型，通用模型在流程中使用了大量的判斷語(yǔ)句、執(zhí)行語(yǔ)句，雖然使行為過(guò)程更加細(xì)化，但是增加了模型的復(fù)雜性，影響了該模型的規(guī)范性。

2、認(rèn)知模型的理論合理性、每一種認(rèn)知模型的提出都體現(xiàn)出該階段研究人員對(duì)認(rèn)知行為的探索結(jié)果，在當(dāng)時(shí)都具有一定的理論合理性。然而隨著時(shí)代的進(jìn)步，由于當(dāng)時(shí)的研究條件和研究領(lǐng)域的限制，使得認(rèn)知模型的理論不足逐漸凸顯。S-O-R模型比較簡(jiǎn)單，只列出了認(rèn)知行為的一般性結(jié)構(gòu)；信息處理模型相對(duì)詳細(xì)的描述了人的認(rèn)知行為過(guò)程，同時(shí)考慮到了人的注意力和記憶對(duì)認(rèn)知過(guò)程的影響，但是將認(rèn)知行為描述為單一串行化形式；SRK模型，考慮到了認(rèn)知過(guò)程中可能存在的途徑，并且SRK模型更是將認(rèn)知行為模式細(xì)化，但是不足之處在于未將認(rèn)知過(guò)程不同階段之間的交互性做進(jìn)一步的解釋。

3、認(rèn)知模型的工程適用性、S-O-R模型大多數(shù)情況下只作為其他認(rèn)知模型的理論根源，并不太適合比較復(fù)雜的工程系統(tǒng)；信息處理模型結(jié)構(gòu)比較清晰，分析難度不高，比較適合工程應(yīng)用；SRK模型具備信息處理模型的特點(diǎn)，而且各個(gè)認(rèn)知功能并非嚴(yán)格的串行過(guò)程，在認(rèn)知過(guò)程中可重復(fù)進(jìn)行，因此也適合工程應(yīng)用。

二、認(rèn)知模型在空管初級(jí)技能自主訓(xùn)練中的應(yīng)用

空中交通管制員的工作性質(zhì)比較特殊，肩負(fù)著保證航空器在地面以及空中的安全、快速、有序地運(yùn)行的責(zé)任。要想很好地完成這項(xiàng)工作，必須有堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)和工作經(jīng)驗(yàn)。管制員需要時(shí)刻掌握航班的計(jì)劃和動(dòng)態(tài)，因此監(jiān)控下航空公司的徽標(biāo)、三字代碼、航空器呼號(hào)、航向、起飛機(jī)場(chǎng)和目的機(jī)場(chǎng)的四字代碼等都是極為重要的情報(bào)信息。因此在初級(jí)管制員的培訓(xùn)工作中，首先應(yīng)該讓管制員熟練掌握這些信息。因?yàn)閲?guó)內(nèi)尚未開(kāi)發(fā)初級(jí)管制員關(guān)于這些技能的學(xué)習(xí)軟件，為此我們開(kāi)發(fā)了空管初始技能訓(xùn)練系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外的航空公司、機(jī)場(chǎng)眾多，因此初級(jí)管制員需要掌握的知識(shí)信息量非常大，但是其中的記憶規(guī)律又不是很明顯，為此我們選擇了較為簡(jiǎn)單的S-O-R模型作為系統(tǒng)的人體認(rèn)知過(guò)程的理論基礎(chǔ)。在空管初始技能訓(xùn)練系統(tǒng)中，界面中文字和圖片作為外界刺激源，在使用者將刺激轉(zhuǎn)化為訊號(hào)傳遞給大腦后，然后經(jīng)由大腦的思維功能對(duì)訊號(hào)進(jìn)行處理，將文字與圖片相結(jié)合，形成相應(yīng)的聯(lián)系，制定行動(dòng)計(jì)劃，最終將行動(dòng)訊號(hào)作用于記憶細(xì)胞，形成短時(shí)記憶。使用者在自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中，通過(guò)不斷地刺激，最終促使使用者形成長(zhǎng)期記憶，如圖5所示。

（一）S-O-R模型的應(yīng)用結(jié)果

空管初始技能訓(xùn)練系統(tǒng)中的航空公司徽標(biāo)以及三字名代碼的模塊已經(jīng)開(kāi)發(fā)完畢，并且已經(jīng)在已經(jīng)簽約華北空管局的大四學(xué)生中投入了試用。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的效果，為此我們對(duì)四十個(gè)大四管制學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試者未開(kāi)始使用該系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)之前，我們應(yīng)用該系統(tǒng)中的出題系統(tǒng)對(duì)測(cè)試者進(jìn)行了模擬考試，并對(duì)他們的成績(jī)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。然后讓測(cè)試者使用該系統(tǒng)進(jìn)行了5個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束之后，再次進(jìn)行模擬考核，成功收集了成績(jī)數(shù)據(jù)?？己私Y(jié)果顯示，測(cè)試者的國(guó)內(nèi)、國(guó)外的航空公司徽標(biāo)、三字名代碼的平均測(cè)試結(jié)果從35.1分和36分分別提高到了72.94分和71分，對(duì)比兩次的成績(jī)數(shù)據(jù)表明出該系統(tǒng)對(duì)初級(jí)管制員的促進(jìn)作用。

三、結(jié)束語(yǔ)

在我們的生活中，認(rèn)知模型應(yīng)用十分廣泛，諸如人工智能、類(lèi)腦計(jì)算、人機(jī)交互等。但相比國(guó)外，我國(guó)認(rèn)知模型的研究還處于初級(jí)階段，人們對(duì)于認(rèn)知模型還沒(méi)有很深的了解。本文將認(rèn)知模型引入空管初級(jí)技能自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，從成績(jī)分析來(lái)看取得了良好的效果，可見(jiàn)應(yīng)用認(rèn)知模型能夠幫助我們提高學(xué)習(xí)效率，因此了解認(rèn)知模型的發(fā)展和重要性非常必要。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)（IECAUC2015040）。中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐基地。