深層學習：心智如何超越經驗2.2 認知結構：基本要素

<b>2.2　認知結構：基本要素</b>

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心智是一個系統，但是是一個怎樣的系統呢？科學家們熟悉生态系統、電力系統、機械系統、天氣系統及其他許多系統。不同類型的系統由不同種類的成分組成，且這些成分具有不同的加工和轉換過程。對于人類的認知——19世紀被稱為智力——其相關的成分由表征構成。像觀看、記憶、思維和決策這些認知功能是由創造、使用和修正這些表征的過程來實作的。這些過程通過控制結構進行協調。表2-1總結了核心的概念。這些概念的闡述為人類的認知提供了一個藍本，雖然它不可能是完全正确的，但卻是最合适的了。

表2-1　本書假定的背景原理概要

關鍵概念 主要内容

唯心主義 對人類行為的解釋需要不同于對行為本身描述的水準，也不同于對大腦和環境的描述

表征 表征是對自身之外的事物的建構

機能主義 從實作主要的認知功能（動作、學習、感覺、記憶和思考）這一加工過程角度分析認知

多重加工 每一種功能都是由全部的基本過程來執行的，并不是某一單一過程

多水準 必須從描述的多個水準來了解認知

投射 在系統n水準上的過程間的互動創造了系統n+1水準的屬性和過程

中央執行系統 盡管心理過程是平行發生的，但它們為實作特定的意圖或目标需要做出協調；目标是逐漸實作的

2.2.1　表征的核心

世界上幾乎沒有建築物像巴黎的埃菲爾鐵塔一樣世界聞名且容易辨認。想象埃菲爾鐵塔；嘗試在腦海中看到它！如此照做便會形成一種瞬間的特殊心智狀态，一般被稱為視覺表象。這一表象與埃菲爾鐵塔自身具有特殊的關系：它是埃菲爾鐵塔的表象。借用語言學的術語，這一表象指代埃菲爾鐵塔，而并非指代斯德哥爾摩的三皇冠市政廳或芝加哥的西爾斯大廈。反之也是同樣如此：對後者的表象并不是埃菲爾鐵塔。

對并不存在的事物的可視化練習證明了心智的可表征性。[14]視覺表象——可視化過程中保持的一種心智狀态——是一個表征。對那些有這樣經曆的個體來說，表象的主觀經驗是真實的，是以毋庸置疑。指代其他事物的事物就是該事物的定義符号或表征。如果心理表征不存在，那麼對可視化埃菲爾鐵塔的要求将變得毫無意義且不可能完成，但事實并非如此。當我在課堂上要求一百多名學生閉上眼睛，想象一隻草坪上的孔雀，沒有人會舉手質疑我此舉的意義。在腦海中表征事物這一有意識的可視化經驗為大多數人所熟悉，但也有極少數人并沒有這樣的體驗。後者通常聲稱他們用“文字”思考。并不是說他們沒有表征，而是他們以一種更接近語言而非圖檔的心理表征形式進行思考。視覺資訊比沉默的語言資訊更容易被記住，這一古老的說法也已為實驗室研究所證明，是以表征的選擇具有可測量的結果。[15]表征不僅僅是一個附帶現象。

表征能力可以加強認知系統的特性和能力。我們的知覺表征——對當下即時的表征——在實體刺激對我們感官的影響和決策制定之間構成一個緩沖區。飛蛾撲火是因為它們的眼睛與翅膀之間存在一種關聯，當一隻眼睛比另一隻眼睛接收到更少的光時，陰影一側的翅膀會更快地顫動，使得飛行方向調整，最終導緻飛蛾撲火，自取滅亡。[16]如果飛蛾是有意識的，随着它們徑直飛入火焰，它們可能會在痛苦中哀号，但仍無法改變它們的眼睛和翅膀之間的因果聯系。人類并非如此工作；實體刺激并不能誘發我們的行動。相反，實體刺激可以産生知覺表征，而這些表征的加工過程決定了我們的決策及随後的行為。表征的能力（而不是對知覺輸入所做的反應）為我們提供了特定水準的刺激獨立性，也就是donald o. hebb和jerome s. bruner等不同的思想家強調的人類認知的核心特征。[17]

表征對過去和未來同樣必要。沒有表征，我們就不會有記憶，因為過去不可能再次出現——這是一個悖論——隻能在當下被表征。盡管被表征的事物發生在過去，但記憶表征卻存在于現在。除了通過對過去的表征外，再沒有其他方式可以使過去作用于現在。類似地，預言就是對未來還沒有成為現實的事物的一種表征。我們有時候會根據預期做反應——如果天氣預報說會下雨，我們會帶上傘——但是未來本身不可能引起我們的決策或行動，因為未來還不存在，而且原因是先于結果的。像過去一樣，未來也隻能通過我們的表征對現在産生作用。

我們形成抽象思維的能力極大增長了認知的力量。像2的平方根和四維球體這樣的數學概念不是我們徒步爬山時能偶遇到的事，它們僅存在于我們對它們的表征中。諸如公平和正義等道德概念以及欺詐和貪婪等失德的概念也是如此。沒有表征，我們就不能進行抽象思考，因為除了對它們的表征外，沒有其他可行的方式能反映抽象實體。[18]

當我們思考目标、期望和意圖時，假定表征的必要性便更加顯而易見。目标并不是對存在的某一物體的表征；如果我們已經擁有了它，那它便不再稱為目标。目标是對不存在事物的表征，是以它是對未來表征的一個分支，但它與未來也存在一點差異：目标表征了期望得到的未來的某個方面。期望的性質并不是物體屬性，它不存在于一個物體或一種事件狀态中，但卻被人類歸屬到某一物體或事件狀态中，是以它僅僅作為人類對這一物體或者事件狀态的表征的一部分而存在。

最後，表征使想象成為可能：我們可以幻想與現實僅具有一點點聯系的事物。反事實推理已經在或然曆史（如果德國赢得了北大西洋之戰，那麼……）中發展成一門藝術。我們甚至可以向自己表征那些我們堅信不可能的事件、物體或者事态。聖誕老人在平安夜拜訪每個孩子是一個例子；時間旅行（科幻的一個主題）是另一個例子。我們相信這些事情是不可能的，但仍然可以創作關于它們的故事，如此将它們表征給自己，也可以表征給彼此。簡而言之，我們能在心理上操縱現實、過去、未來、抽象和幻想的能力，強調并證明了心智的表征特性。

認知科學家通常把心智表征當作知識表征。[19]這時，他們使用術語“知識”的方式與哲學家并不相同。後者在解釋知識的概念上遇到了困難。真實的陳述意味着什麼？在什麼情況下可以保證真實？怎樣才能可靠地分辨事實和謊言呢?知識學家們為回答這樣的問題至少努力奮鬥了兩個半世紀，[20]進展卻不大。隻要我們處理的僅僅是目前的陳述，如貓在地毯上，就容易去相信這個陳述的事實可以用與它所表征的事物相似或一緻的術語來較長的描述。陳述在字面上顯然與情境并不相似，是以對應的相關概念并不容易界定。一旦進行一般的描述，這一方法就會變得非常棘手，以至于不再值得關注。細想一下周期性天文事件引起的太陽輻射變化導緻冰川時代的這一斷言。這種描述與其指代的事件狀态是如何在任何意義上都能相似的呢？但是，如果與現實的對應關系都不能作為真理的标志的話，那麼什麼又能呢？盡管在實踐中是有用的，但僅僅将與其他真理的一緻性作為标準依然顯得有些太弱。哲學家們努力創造了關于事實的其他理論，但至今沒有人能得到普遍的認同。不切實際的答案有時預示着對問題的誤解。

認知科學家忽略了認識論的問題，将知識作為一種自然現象進行研究。傳統的認識論和認知研究取向之間的不同之處在于它們如何處理信念之間的差異。比如，孩子所看到的世界的許多方面是與成年人不同的。對孩子來講，雲彩或許是有生命的，地球或許是平的。在哲學家對術語“知識”的使用中，認為這些信念并非知識。在認知科學研究中，這些信念組成了孩子們對這些物質的知識，盡管這些信念或許是錯誤的。由于從心理功能角度并沒有什麼方式可以區分出某一知識的真實性和錯誤性這一事實，是以這種談論方式是有道理的。錯誤的信念由與正确信念相同類型的概念組成，且這些概念彼此之間并不相關。一個懷有不準确或錯誤信念的人并不知道信念是不準确的或錯誤的（否則他應該會做出改變），是以這些信念會以與正确表征一樣的方式進入認知加工過程。在這種自然主義取向下，對知識的研究并不是尋找真理标準，而是描述知識的表征是什麼樣的，它們是如何形成以及運作的；也就是，信念是如何進入到個體的認知系統中的。[21]心智法則不僅适用于真理，也同樣适用于虛幻。

雖然我們無法确定地描述心智表征能力形成的時期以及其形成過程，但考古學和古生物學的記錄為我們提供了線索：在我們這一種系出現之前，并不存在相應的實體表征痕迹——岩洞壁畫、骨頭雕刻、石雕和木質模型。[22]比如直立人普遍被認為是我們祖先的一個種系，在其存活的一百多萬年裡并沒有留下任何實體表征。對我們神秘的近親和共存者——尼安德特人的考古遺迹也同樣沒有發現任何圖檔或雕像。但是對我們自己種系的考古遺迹中卻存在多種形式的實體表征。法國南部的肖維岩洞和科斯奎洞穴以及最古老的雕像距今約有30?000年。非洲南部的考古學發現則将表征的開始推到了大約100?000年前，時間接近現代人的出現。

表征心理與表征外部的能力平行進化這一假設很具誘惑力。畢竟，如果一個人沒有想象野牛的能力，那麼他怎麼能在漆黑一片的洞穴峭壁上畫出一頭野牛呢？如果内部和外部的表征是同時進化的，那麼前人類的表征制品的缺失則表明，包括尼安德特人在内的其他原始人類并沒有表征，那麼表征能力的出現則是人類進化的一個決定性進步。當人第一次有意地創造了一個畫像，人類種系便誕生了，這個畫像的價值并不展現在它是什麼，而是在于它展現了人的某種能力。内部表征和外部表征的能力一旦形成，它便要經受強大的選擇壓力，以更好地支援記憶、推理、計劃和其他的認知功能，或許這為智人提供了超過早就滅絕的尼安德特人的決定性的競争優勢。[23]

2.2.2　功能與過程

傳統的科學分析的目的是，通過将系統分解為若幹部分并指出各部分之間的關系的方式了解一個自然系統——循環系統，或說一個生态系統。因為心智不是實體實體，是以如何在心理學中應用科學的分析還不清楚。如何判定心智可以分成哪些部分？之前，心理學家們希望通過眼球向内旋轉180度并且自省以确定心智的一部分，但是這一方法最終難以行通：研究人員不能對在那裡看到的事物達成一緻。有人認為可能心智與大腦是一一對應的，事實證明也并非如此。顱相學也不再被認為是一種可行的理論[24]，腦成像的研究結果顯示，每一個複雜活動都會激活皮層的多個區域，且很多區域都在不同類型的活動中發揮作用。[25, 26]心理測量學的研究試圖将心智分析為不同的能力和因素，并通過不同種類的心理測試之間的相關性來界定[27]，例如數字、言語和視覺能力等。然而，由于心理測量學對能力的定義并不涉及人們如何執行測試項目的描述，是以這種能力的解釋力是有限的。

已經取得了一些進展的研究取向，從我們認知系統的功能開始，然後對執行那些功能的特殊過程進行假設。[28]衆所周知，我們至少具備5種主要認知功能：感覺、記憶、思維（包括推理和決策）、行動和學習，而每一種功能的實作都需要多種認知機制和過程的協同合作。如果将這一系列實作每種功能的認知機制和過程轉變成認知理論，那會更有價值。

感覺功能實作了對外部資訊的即時表征（此時此刻），包括注意力配置設定、辨認顔色、識别物體、距離評估等一系列認知過程。記憶需要将表征通過編碼的方式存儲于長時記憶之中，并且長時間地保持。對于有用的資訊，當需要的時候必須有一個提取表征的過程。思維能夠從既存資訊中提煉出新的結論，相關的過程則決定着結論如何。演繹推理需要選擇前提和應用推理規則，而類比推理隻需要選擇一個類比物，然後在它與目前對象之間建立一種類比關系，等等。決策的實作則需要先構思多種方案，然後通過評估它們可能的效用在其中做出選擇。行動（計劃和執行）需要先将總目标分解成子目标，喚起動作并将其應用于現有的情境。最後，學習代表一種元功能；它會導緻其他認知功能的改變。

一系列心理過程會促成三種事件流：一連串主觀經驗、一連串行動和一連串語言表達，見圖2-1。任何一種心理過程都能夠以其中一種、二種或者三種方式表現。譬如我關于所工作的校園空間布局的記憶表征能夠讓我俯瞰校園全貌（主觀經驗），在校園中找到去特定建築物的路（動作）或者給别人指明線路（語言）。将這種記憶表征方式應用于紙質地圖（另外一種表征方式）能夠幫助我遊刃有餘地穿行于不熟悉的城市中。關鍵點在于，主觀經驗、行動和語言這三種事件流是由作用于個體表征庫的認知過程所産生的。

心智的元素是以更可能是一個動态實體——過程，而不是事物。從這個角度而言，心智更像變化莫測的天氣，而不是井然有序、按部就班的鐘表或者腎髒。這也解釋了為什麼它具備超凡的特質。每一種心智狀态的存在無非是為了承接下一種狀态的來臨。

2.2.3　控制的必要性

任何一個時刻，大腦中都會有多個認知加工過程發生：注意力的焦點在環境中從一處到另一處連續不斷地移動，每一次的注意轉移都會重建立立一個新的知覺表征，所見所聞對存儲于記憶中的資訊起到了提示的作用，回憶觸發了反思或者選項間的選擇等。這衆多的加工過程是如何協調的？盡管神經科學家已經能夠把許多功能映射到大腦的不同區域，但他們并沒有發現任何一種神經自我（neural self），沒有發現類似于電腦中央處理器的東西，也沒有發現控制大腦子產品運作的操作中心。這意味着大腦是一個分布式的系統，在這一系統中多個加工過程可以并聯且彼此獨立地進行，不需要任何支配一切的組織。

除了自我（作為一個人）的主觀經驗（獨立而非互動的過程的集合）之外，有兩點限制了心智的純粹分布式模型的準确性。首先，加工是有選擇性的。任何時刻發生的過程在時間上均是在那一時刻發生的無限多個過程的一個小子集。同樣，在某個時刻提取的記憶是在那一時刻已經提取的所有記憶的一個小子集，引出的推論相對于個體可能已經形成的許多推論來說也是極少的。純粹分布式觀點意味着，認知的某一領域中的選擇與另一個認知領域的選擇互相獨立。然而，當從事一項任務時，我們的認知過程是協同工作的，注意力通過某種方式進行配置設定以選擇我們環境中的資訊，進而使我們的記憶過程能夠準确提取知識，以幫助推理過程決定下一步需要執行的行動。

此外，引入分布式觀點的平行主義是有局限的。毫無疑問，知覺、記憶提取、推理和決策是互相交織并行發生的，但同樣毋庸置疑，作為一個人，我在某一時間隻能做一件事：做早飯，穿衣服，上課，回複郵件，修改一本書的篇章，等等。盡管認知過程的發生是并行的，但是有意識的行動，總的來說是順序進行的。即使是當我們似乎在同時做兩件事情時，如開車時打電話，但仔細的測量顯示，相對于并行加工，從雙任務間快速切換的角度來了解這樣的情形更為合适。[29]隻有在兩個非常簡單且可重複的知覺運動任務被反複地練習之後，它們才能以真正并行加工的方式進行。抛開這種罕見的情況不談，有意識的行動基本是順序加工的。

行動也需要長期的組織。設想一下去度假或者上大學的計劃。這類計劃需要協調成百上千的行動，每個行動又以多個認知過程為基礎，并服務于目标——大學學曆、舒适的退休生活等，這可能需要好多年。難以置信，這樣的持續性項目隻不過是局部互動作用和分布式加工的副産品而已。

可以得出結論，存在某種東西在有目的的行動中協調着各種認知過程。控制結構的主要任務就是解決沖突。在每一時刻，可能有多種認知過程在運作，多種記憶需要提取，多個推論可能得出，多個目标需被設定，多重行動将要進行，是以認知流需要對選項進行實時評估并不斷選擇需要執行的過程。這就是所謂的沖突解決的方法。

術語“控制結構”源自計算機科學。一些心理學家喜歡用“中央執行”這一術語，也有些心理學家喜歡用“執行功能”或“總的工作空間”；與之密切相關的一個術語便是“認知結構”。[30]這一認知實體在概念上與精神分析的“自我”這一概念是表親。[31]考慮到大腦中沒有任何關于自我的子產品，心智是如何并通過哪些過程在分布式的、無中心的神經基質中執行一種協調的功能，這是一個基本的但還是沒有解決的認知神經科學問題。在等待解決方案之時，我們可以抛開控制結構由什麼構成這一問題，而在描述它如何工作方面有所突破。

2.2.4　turing-newell的觀點

20世紀30年代英國數學家和第二次世界大戰密碼破譯專家alan turing（阿蘭·圖靈）第一次清楚地描述了這樣一個觀點：一個智能代理（可以是動物、人類、機器人或太空外星人）可以通過細化其表征、基本過程及其獨立于物質化身的控制結構的方式予以精确地模組化。[32]這是認知科學的基本觀點之一，也是諸如筆記本等電腦的通用設計基礎。

這類理論向心理學的轉變集合了認知心理學奠基一代的集體成就，其中包括donald broadbent、jerome bruner、noam chomsky、allan collins、george a. miller、ulric neisser、allen newell、donald a. norman、zenon pylyshyn、roger c. schank和herbert simon等。在本章開端引用的1958年的一篇開創性文章中，allen newell、j. c. shaw和herbert a. simon把turing的觀點轉變成了心了解釋的一個激進、新穎的概念：行為（或其中的規則）的解釋就是制定一個程式，也就是産生這一行為（或規則）的一個控制結構、一套過程和一系清單征。[33]為了驗證程式确實産生了解釋性目标，實作這一程式，并在計算機中運作，觀察行為或規則是否真實産生。解釋即再現。這一智慧的轉變使得現代認知心理學成為不同的學科。

在1972年和1973年發表的文章中，newell将這一想法發展成了認知心理學觀點。[34]認知心理學的最終目标并不是一系列的表征-過程-控制的三聯體（我們每個想解釋的現象都包含一個三聯體），而是可以解釋所有行為規律和現象的單一系統，newell便持有這樣激進的觀點。我們較長的描述了心理表征、基本過程的全部功能以及控制結構，進而一勞永逸。從一種解釋到另一種解釋唯一的變化成分是表征的内容，也就是，确切地說是我們所假定的人們在認知表現過程中所用到的知識。在newell提出觀點的十年之後，john r. anderson為這一規範和術語創造了“認知結構”這個标簽。anderson提出了act-r理論，被認為是20世紀認知心理學最具影響力的理論，是對newell的理論的持續嘗試。[35]圖2-2是大多數認知心理學家都認可的認知結構的藍本。認知結構的關鍵在于準确描述正确的系統。如果結果系統以與人相同的方式解決認知任務，并表現出與人相同的行為規律和現象，那麼這個描述便是正确的。對于擁有一個人類認知的統合理論而言，newell的觀點過去是現在依然是唯一清晰、完整和連貫的概念，正如一些實體學家所懷疑的萬物終極理論可能就在他們的研究之中。[36]

表征-過程-控制的解釋與諸如行為主義、本能論、格式塔、弗洛伊德式、皮亞傑式或心理測量學等其他心理學解釋截然不同。對這些不同解釋的優缺點的研究舉不勝舉。相對于其他解釋，turing-newell概念的解釋更加清晰，且為建立特定的認知過程模型提供了具體的指導，這是它更受青睐的主要原因。因為這些優勢，turing-newell概念在當代的認知心理學中占據了主導地位。認知心理學教材反複使用了資訊加工的概念。隻有假定了一個具有跨任務、跨内容穩定性的認知結構的存在，心理學研究報告中的實驗才能講通；畢竟，被試很少會對這些實驗中執行的任務具有内在興趣。

雖然如此，turing-newell概念也不太可能是正确的。[37]如果說表征和過程在大腦中就像在計算機中一樣是整齊分開的，這似乎并不合理。如果說心智的載體最終被認為是過程的表征或者表征的過程，這似乎更加合理。我們并不知道如何模拟如此怪異的實體。而且，關于确定的、固有的控制結構的假設可能不得不服從源自神經層面自組織的更不确定的控制的概念。但這樣的發展還未實作，是以接下來的章節采用了一種受newell觀點啟發的認知結構作為概念平台，并以此研究認知變化的原理。