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From: "Thomas J. Schult" <schult@cogsys.psychologie.uni-freiburg.dbp.de>
To: mod-ki@unido.informatik.uni-dortmund.de
Date: 24 Oct 91 12:31 +0100
Subject: <mod-ki 0780> Forschungsberichte "Kognitive Systeme", Freiburg
Keywords: Publikationen

mod-ki message 0780
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Nachfolgend  ein  Verzeichnis  von  Forschungsberichten  der  Freiburger
"Forschungsgruppe  Kognitive  Systeme".  Bei  Interesse  bitten  wir  um
Kontaktaufnahme unter folgender Adresse:

   Prof. Dr. Hans Spada
   Psychologisches Institut der Universitaet
   Niemensstr. 10
   7800 Freiburg i.Br.
   Tel.: 0761/203-3628
   FAX : 0761/203-4164
   e-mail: sek@cogsys.psychologie.uni-freiburg.dbp.de

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Opwis, K., Stumpf, M. & Spada, H.  (1987).  PRISM:  Einfuehrung  in  die
Theorie und Anwendung von Produktionssystemen (Nr.39).

Viele Modelle der Wissensrepraesentation und -verarbeitung, die  in  den
letzten Jahren im Ueberschneidungsbereich von kognitiver Psychologie und
Kuenstlicher Intelligenz entwickelt wurden, beruhen auf  der  Konzeption
der  Produktionssysteme.  Der  vorliegende  Arbeitsbericht   gibt   eine
Einfuehrung in die Theorie und Anwendung von  Produktionssystemen.  Nach
einigen Vorbemerkungen  zur  wissenschaftstheoretischen  Einordnung  der
weiteren  Ausfuehrungen  werden   im   2.  Kapitel   -   ausgehend   vom
Informationsverarbeitungsparadigma und einer  Diskussion  von  Merkmalen
wissensbasierter Systeme -  die  inhaltlich-theoretischen  Grundannahmen
von Produktionssystemen aufgearbeitet. Im 3. Kapitel werden die Struktur
eines speziellen Produktionssystems, des PRISM-Systems, und ausgewaehlte
Sprachelemente vorgestellt. Zur Abrundung werden  dann  einige  konkrete
Illustrationsbeispiele     fuer     Produktionssysteme     (Kapitel   4:
Turm-von-Hanoi;  Kapitel  5:  Verwaltung  eines  Und/Oder-Zielbaums)  im
Detail dokumentiert und diskutiert.

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Ploetzner, R. & Opwis, K. (1987). Modeling Discrimination Learning in  a
Production System Framework (Nr.40). 

Learning that takes place in a so-called reactive  learning  environment
(e.g.,  a  microworld)  often  requires  learning   by   discovery   and
experimentation and therefore  some  kind  of  induction.  The  core  of
inductive learning processes such as generalization or discrimination is
the creation  and  modification  of  knowledge  structures.  This  paper
describes the modeling  of  a  discrimination-based  learning  mechanism
within the production system framework as it is provided  by  the  PRISM
program. To accomplish this, PRISM had to be extended. Basically,  these
extensions provided the discrimination  algorithm  and  some  additional
action side functions for  rules  written  in  the  PRISM  language.  To
illustrate the algorithm at  work,  an  adaptive  production  system  is
presented. We chose to (re-) implement an often-quoted learning  system,
the  SAGE.2  system,  which  has  been  developed  by  Pat  Langley  and
colleagues. This system learns search strategies by  the  transformation
of general but weak methods,  for  example  breadth-first  search,  into
powerful,  domain-specific  heuristics.  It  learns  by   creating   and
strengthening rules. The well-known Towers of Hanoi puzzle  is  used  as
the underlying problem domain.

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Stumpf,  M.  &  Herderich,  C.  (1988).   Netzwerk-Unterstuetzung   fuer
InterLISP-D - Maschinen von XEROX bzw. Siemens (Nr.43). 

Ab einer Anzahl von etwa 5 installierten  InterLISP-D-Systemen  von  Typ
Xerox 11xx bzw. Siemens 58xx werden diese in der Regel unter  Verwendung
eines  lokalen   Netzwerkes   betrieben.   Dieser   Bericht   beschreibt
ausfuehrlich  die   vielfaeltigen   Vorteile   einer   leistungsfaehigen
Vernetzung dieser Systeme und diskutiert  einige  Realisierungsvarianten
auf der Basis verschiedener Protokolle wie NS, PUP, TCP/IP mit oder ohne
Verwendung eines dedizierten Servers. In diesem Zusammenhang  wird  auch
eingegangen  auf  die  Kommunikationsmoeglichkeiten   der   betrachteten
Systeme sowie auf allgemeine Aspekte einer  Ethernet-Vernetzung.  Anhand
zweier  Beispielkonfigurationen  werden   die   Installation   und   die
Verwendung  der  fuer  die  Vernetzung  der  Lisp-Maschinen  notwendigen
Software detailliert erlaeutert.

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Stumpf, M.,   Branskat, S.,   Herderich, C.,    Newen, A.,    Opwis, K.,
Ploetzner, R.,  Schult, T. &  Spada, H.  (1988).    The  Graphical  User
Interface of DiBi, a Microworld for Collision Phenomena (Nr.44). 

The background of the report is the development of better  solutions  of
how  to  assess  and  model  the  constructive  process   of   knowledge
acquisition  of  a  learner  in  a  computerized   responsive   learning
environment (microworld). This report introduces a  user  interface  and
its  architecture  as   a   major   component   of   the   system   DiBi
(Disk Billiard). In interacting with the microworld  DiBi,  the  student
explores a physical problem domain, namely elastic impacts as  a  branch
of classical mechanics. DiBi  is  a  highly  interactive  program  which
builds upon elaborate input and  output  facilities  implemented  on  an
InterLISP-D  machine  (XEROX 11xx  /  Siemens 58xx).   Designed   as   a
microworld, DiBi facilitates explorative learning  within  a  restricted
domain of phenomena by allowing the  simulation  of  a  great  range  of
experiments (on the screen). The setting is arranged in such a way  that
the collected data reflect the student's inquiry into and the processing
of information as well  as  his  process  of  forming  and  testing  the
hypotheses. The research report focuses on a documentation of  the  user
interface from a technical point of view, namely on the design  and  the
implementation; questions concerning the  psychological  background  are
only sketched.

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Spada, H.,  Opwis, K.   &   Stumpf, M.   (1988).   Wissenserwerb   durch
Hypothesenbildung:   Computerisierte    Modellierung,    Diagnose    und
Foerderung. Arbeitsbericht 1986-1987, Arbeitsprogramm 1988-1990 (Nr.47).

Die     Projektarbeiten      koennen      als      wissenspsychologische
Grundlagenforschung zu intelligenten  tutoriellen  Systemen  beschrieben
werden. Drei miteinander verzahnte Ziele stehen im Vordergrund:  (1) Die
Implementation einer computerisierten Mikrowelt, die dem Lernenden  eine
kontrollierte Erfahrungsbildung durch ein  weitgehend  selbstgesteuertes
Experimentieren in einem physikalischen  Gegenstandsbereich  ermoeglicht
und die zugleich psychologisch gut interpretierbare  detaillierte  Daten
zum Lern- und Problemloeseverhalten liefert.  (2)  Die  Entwicklung  von
Algorithmen, die auf der  Grundlage  dieser  Daten  eine  automatisierte
Diagnose des bereichsspezifischen Wissens des Lernenden im  Sinne  einer
Erschliessung der korrekten und/oder systematisch fehlerhaften  Annahmen
und  Konzepte  ermoeglichen.  (3)  Die  psychologisch  valide  kognitive
Modellierung  induktiver  Lernprozesse  bei   dem   in   der   Mikrowelt
abgebildeten Gegenstandsbereich. Nachdem eine computerisierte  Mikrowelt
fuer  Phaenomene  aus  einem  Teilbereich   der   klassischen   Mechanik
entwickelt und  die  theoretischen  und  formalen  Voraussetzungen  fuer
umfassende   kognitive   Modellierungen    unter    Nutzung    aktueller
Entwicklungen in der KI geschaffen wurden, wird  der  Arbeitsschwerpunkt
im  zugrundeliegenden  Zeitraum  auf   der   Wissensdiagnose   und   der
Modellierung von Wissenserwerbsprozessen liegen.

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Reimann, P.  (1988).   Individual   Differences   in   Hypothesis-Guided
Discovery Learning. Observations and a Protocol Analysis (Nr.48).

Observations on eight  students  learning  with  REFRACT,  a  microworld
program for geometrical optics, are reported.  Students  had  to  design
simulated  experiments,  predict  experimental  outcomes,   and   revise
hypotheses based on informational feedback. The process  of  hypothesis-
guided  knowledge  acquisition  is  analyzed  focussing  on   individual
differences with respect to learning strategies employed  and  knowledge
acquired. Since the study ist intended to provide  us  with  information
for developing computational models of learner differences,  a  protocol
analysis was conducted for two subjects, based on  the  problem  solving
view of inductive thinking. The results of this analysis  are  reported,
together with implications for building cognitive simulation  models  of
the learning  task  that  contain  symbolic  parameters  for  individual
differences.

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Reimann, P. (1988). REFRACT: A Discovery World Program  for  Geometrical
Optics. Program documentation (Nr.49). 

A computerized interactive simulation  program  for  optical  refraction
called REFRACT is described. The program provides a  discovery  learning
environment  wherein the phenomenon of  refraction  (Snell's  law,  lens
makers' equation) can be explored in  a  self-guided,  hypothesis-driven
manner. The students' task is to find out about the laws that govern the
domain by conducting experiments and analyzing their  results.  In  each
(simulated) experiment, students have to predict the outcome before they
receive feedback. REFRACT relies on graphical simulations and allows for
direct  manipulation  of  the  objects  involved  in   the   simulation.
Furthermore,  students  have  available  tools  to  inspect  and  record
graphical simulations  as  well  as  tools  for  analyzing  experimental
outcomes quantitatively. The user interface and the program structure is
described in some detail, along with our design philosophy.

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Ernst, A. M. (1988).  FCG - Ein System zur kognitiven Modellierung eines
oekologisch-sozialen Konflikts (Nr.52). 

"FCG" steht fuer "Fishing Conflict Game". Es  ist  eine  computerisierte
kognitive Modellierung von Aspekten der  Motivation  und  Kognition  von
Beteiligten an einem Umweltdilemma. Mit dieser  Modellierung  wird  eine
doppelte Zielsetzung verfolgt: Zum einen wird eine formale  theoretische
Fassung der die Handlungen in der betreffenden Situation  vorbereitenden
Prozesse und deren Umsetzung in  ein  Performanzmodell  angestrebt,  zum
anderen wird das Paradigma regelbasierter  Informationsverarbeitung  auf
seine  Anwendbarkeit  in  dem  Bereich  der   Sozialen-Dilemma-Forschung
geprueft. Es wird die zugrundeliegende kognitive Teiltheorie  skizziert,
deren Umsetzung geschildert, die Performanz des FCG diskutiert sowie die
Implementation des Systems dokumentiert.

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Ploetzner, R.,  Spada, H.,  Stumpf, M.  &  Opwis, K.  (1990).   Learning
Qualitative and Quantitative  Reasoning  in  a  Microworld  for  Elastic
Impacts (Nr.59).

From a psychological point of view efficient teaching  by  means  of  an
intelligent tutoring system necessarily involves that the  communication
of knowledge is adapted to the  requirements  of  the  learner:  to  her
cognitive abilities, her pre-instructional knowledge  and  her  learning
capabilities. To tackle these topics in a precise way, we have developed
the artificial-intelligence-based microworld  DiBi  (disk billiard)  and
MULEDS, a multi-level diagnosis system. The microworld DiBi  sets  up  a
learning environment which simulates  elastic  impacts,  a  subtopic  of
classical mechanics. DiBi enables and supports  reasoning  on  different
levels of mental  domain  representation  ordered  along  the  dimension
'qualitative/quantitative'. This way of representing the domain provides
a basis for passive adaptation  in  an  advanced  way.  Correspondingly,
active adaptation is supported by MULEDS, wherein  student  modeling  is
realized by assessing the student's  correct  and/or  incorrect  domain-
specific knowledge at these different levels. Within this  psychological
perspective, the use of instructional tools, such as the microworld DiBi
and  the  computerized  diagnosis  system  MULEDS,  aims  at   gradually
supporting and guiding the student in the construction of more and  more
powerful and  sound  domain  representations.  The  progression  through
these levels of domain representation will enable the student  to  solve
the problems posed by the domain in a flexible way.

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Opwis, K. & Lueer, G. (1990). Modelle  der  Repraesentation  von  Wissen
(Nr.60).

Dieser Beitrag gibt einen Ueberblick ueber die verschiedenen Formen  der
Repraesentation  von  Wissen,  die  in  der   gedaechtnispsychologischen
Literatur  diskutiert  werden.  Ausgangspunkt  ist  eine   ausfuehrliche
Explikation und  Strukturierung  der  Repraesentationsproblematik  unter
Beruecksichtigung ihrer Bezuege zu Entwicklungen in anderen Disziplinen,
insbesondere  der  Informatik  und  der  Linguistik.  Als   theoretisch-
konzeptueller Bezugsrahmen wird  das  Informationsverarbeitungsparadigma
zugrundegelegt.  Aufbau  und  Nutzung   von   internen   oder   mentalen
Repraesentationen  werden  als  Konstruktion  und   Interpretation   von
Modellen aufgefasst. Vorgestellt werden die  grundlegenden  Modellarten:
Propositionale  Repraesentationssysteme  (semantische   Netze,   Frames,
Skripts)   anhand   semantischen   und   episodischen    Wissens,    die
Repraesentation  von  prozeduralem  Wissen  in  Form  von  Regelsystemen
(Produktionssysteme) und analoge Formen der Repraesentation am  Beispiel
bildhaft-anschaulichen Wissens.  Angestrebt  wird  keine  vollstaendige,
enzyklopaedische Darstellung, sondern eine detaillierte Eroerterung  der
zentralen Annahmen vorgeschlagener  Repraesentationssysteme.  Allgemeine
Zielsetzung ist eine  Beschreibung  und  Erklaerung  der  Struktur,  der
Funktionalitaet und der Leistungen wissensbasierter Systeme.  Dazu  wird
eine  Mehr-Ebenen-Betrachtung  entwickelt:  eine   Ebene   beobachtbarer
empirischer  Phaenomene,   eine   abstrakte   Ebene   der   theoretisch-
konzeptuellen  Begrifflichkeit,   eine   formale   Ebene   der   exakten
algorithmischen Formulierung und eine konkrete  Ebene  der  Realisierung
auf    einem    Rechner.    Damit    korrespondieren    unterschiedliche
Schwerpunktsetzungen in den einzelnen Abschnitten:  Im  Vordergrund  der
Ausfuehrungen      zu      propositionalen      und       regelbasierten
Repraesentationssystemen  stehen  theoretisch-konzeptuelle  Aspekte  und
Gesichtspunkte der formalen Modellbildung. Im Unterschied dazu wird  bei
der Eroerterung analoger Repraesentationssysteme ein staerkeres  Gewicht
auf vorliegende empirisch-experimentelle Befunde gelegt.

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Spada, H. & Ernst, A.M. (1990). Wissen, Ziele  und  Verhalten  in  einem
oekologisch-sozialen Dilemma (Nr.63). 

Es wurden die kognitiven und motivationalen Prozesse untersucht, die das
Verhalten von an einem oekologisch-sozialen Dilemma  ("Allmende-Klemme")
Beteiligten bedingen. In einer derartigen  Konfliktsituation  sind  zwei
Aspekte fuer die Schwierigkeit eines adaequaten Verhaltens zentral:  der
oekologische Aspekt (Wie veraendert sich eine natuerliche  Ressource  in
Abhaengigkeit von ihrer Ausbeutung ueber  die  Zeit?)  und  der  soziale
Aspekt (Wer hat welchen Nutzen, wer traegt welche Lasten?).  72  Gruppen
von Schuelern und Studenten  spielten  das  sog.  Fischereikonfliktspiel
unter  verschiedenen  experimentellen  Bedingungen.   Es   stellt   eine
experimentelle  Simulation  eines  oekologisch-sozialen  Dilemmas   dar.
Theoriegeleitet wurden detaillierte Prozessdaten erhoben. Die Ergebnisse
zeigen, wie individuelle Spielziele  und  oekologisches  sowie  soziales
Wissen das Verhalten in der Dilemmasituation praegen  und  die  Art  des
Umgangs  mit  der  (simulierten)  Umwelt  und  die  soziale  Interaktion
bestimmen.  Eine  erste  Version  einer  kognitiven  und  motivationalen
Prozesstheorie  des  Handelns  in  oekologisch-sozialen  Dilemmata  wird
beschrieben  und  ihre  lauffaehige  Implementation  als  Computermodell
vorgestellt.  Das  Modell  eroeffnet  verschiedene  Moeglichkeiten   zur
Pruefung  der  Theorie,   aber   auch   Anwendungen   im   Bereich   der
Umwelterziehung.   Schlagworte:   Soziale Dilemmata  -  Wissensbasiertes
Handeln - Computermodellierung - oekologische Psychologie

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Reimann,  P.,   Bader,  M.   &   Klenner,  M.  (1990).   Computermodelle
inkrementellen Konzepterwerbs (Nr.64). 

Beim inkrementellen Konzepterwerb geht es darum, eine Menge nacheinander
vorgegebener Elemente  (Objekte,  Ereignisse,  kurz:  Instanzen)  anhand
ihrer Aehnlichkeit zu Gruppen  zusammenzufuegen  und  fuer  jede  dieser
Gruppen eine symbolische Beschreibung zu generieren, also ein Konzept zu
formen. Nach einer Diskussion  der  allgemeinen  Charakteristika  dieses
Lernproblems stellen wir einige Computerprogramme vor, die auf diese Art
und Weise  Konzepte  bilden.  Den  Hauptteil  des  Berichts  bildet  die
Beschreibung von  UNIMEM,  einem  solchen  Programm  zum  inkrementellen
Konzepterwerb.  Wir   haben   die   zentrale   Komponente   von   UNIMEM
reimplementiert, die ein Computermodell fuer die  Schanksche  Konzeption
eines dynamischen Gedaechtnisses darstellt, naemlich das  Generalisation
Based  Memory  (GBM).  Weiter  wurden  die  von  Lebowitz  beschriebenen
Lernmechanismen, die ueber dem GBM ablaufen, implementiert, so dass  wir
ueber eine relativ vollstaendige Version des Programms UNIMEM verfuegen.
Unsere  Implementation  wurde   mittels   KEE   (Knowledge   Engineering
Environment)  und  CommonLISP  realisiert.  Neben   der   Implementation
beschreiben wir zur Illustration das  Lernverhalten  von  UNIMEM-KEE  in
zwei   Situationen:   Der   Klassifizierung   von   Nationen   und   von
Arbeitsplatzbeschreibungen. Wir  schliessen  mit  einer  Diskussion  der
Probleme dieses Lernprogramms und einer Darstellung neuerer, auf  UNIMEM
aufbauender Konzepterwerbsprogramme.

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Ploetzner, R. (1990).  Analysis-based Induction of Elementary Functional
Relationships (Nr.65). 

This paper presents a description and an analysis  of  the  computerized
simulation   model   KAGE    (knowledge    acquisition    governed    by
experimentation). KAGE  proposes  a  cognitive  model  of  the  learning
processes which take place during the  acquisition  of  knowledge  about
elementary  functional  relationships  between  physical  variables.  It
thereby places the main emphasis on the acquisition of  knowledge  about
proportional and inversely proportional relationships. KAGE reconstructs
learning as a progression  through  multiple  levels  of  mental  domain
representation ordered along the dimension  qualitative/quantitative  by
means of  various  analysis-based  learning  mechanisms.  The  model  is
especially concerned with learning in  an  experimental  setting  as  it
might  be  provided  by  computerized  learning  environments  such   as
intelligent tutoring systems (ITS). Since the development  of  KAGE  has
been motivated by questions concerning the improvement  of  computerized
instructions as well as of computerized knowledge diagnosis, KAGE is not
only described in detail, but also embedded in and analyzed with respect
to these questions. By  modeling  the  acquisition  of  knowledge  about
elementary functional relationships  between  physical  variables,  KAGE
stresses the use of knowledge acquired already on  a  `lower'  level  of
mental domain representation for the  formulation  of  hypotheses  on  a
`higher'  level.  In  a  first  step  KAGE  analyzes  single  experiment
descriptions, which have  been  provided  to  the  model,  by  means  of
experimental  and  heuristic  knowledge  in  order  to  determine  which
variables effect each other. A subsequent mathematical elaboration forms
hypotheses  about  the  kind  of  relationship  between  the  considered
variables. The  assumed  relationships  are  then  extrapolated  to  new
experimental situations by applying analogical inference processes. Such
analogical  extrapolations  are  applied  within  as  well  as   between
different levels of domain representation.

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Schult, T.J. (1990). "Erinnerst Du Dich  an  diese  analoge  Situation?"
CABAT - Eine Shell fuer tutorielle Erinnerungen (Nr.68). 

Waehrend  eines  Lehrdialogs  koennen  Situationen  entstehen,  die   in
gewisser Weise analog zu frueheren sind. Lernende und  Lehrende  koennen
dies ausnutzen, indem sie Loesungen aus einer Problemsituation auf  eine
andere uebertragen und anpassen. Dies  wurde  von  tutoriellen  Systemen
bisher nicht ausreichend unterstuetzt. Es wird eine bereichsunabhaengige
Komponente   fuer   intelligente   tutorielle   Systeme   namens   CABAT
("CAse-BAsed Tutor") vorgestellt, die den oder die Lernende an  fruehere
aehnliche Situationen erinnert, sofern solche existieren. CABAT ist fuer Gegenstandsbereiche geeignet, die sich mit Hilfe von Formeln  darstellen
lassen.  Das   System    verbindet   eine   algebraische   Analyse   der
Bereichsformeln   mit   einer    bereichsunabhaengigen    Theorie    von
Analogietypen, die auf Modellen  analogen  Schliessens  basiert.  Bisher
wurde CABAT als Komponente fuer die Mikrowelt DiBi eingesetzt, die  eine
Lernumgebung  fuer  physikalische  Experimente  zum  elastischen   Stoss
darstellt. Der dem System  zugrundeliegende  Analogiebegriff  kann  auch
fuer andere  Zwecke  verwendet  werden,  z.B.  fuer  die  Erzeugung  von
Aufgabenstellungen.

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Klenner,  M.  (1991).  TELOS:  Ein  System  zur  Generierung  temporaler
Konjunktionalsaetze   (Forschungsbericht   Nr. 75).    Freiburg i. Br. :
Albert-Ludwigs-Universitaet, Psychologisches Institut.

Das   Thema   dieses    Berichts    ist    die    Satzgenerierung    aus
zeitveraenderlichen Szenen. TELOS (Temporal Localization of  Situations)
ist  ein  System,  das  - ausgehend  von  zeitlich  und   raeumlich   zu
lokalisierenden   Situationen   des   Weltausschnitts   Strassenszenen -
temporale Konjunktionalsaetze generiert. Durch  die  Auswahl  temporaler
Konjunktionen werden die Situationen zeitlich  zueinander  in  Beziehung
gesetzt. Entscheidend fur die Auswahl einer Konjunktion ist,  neben  der
zugrundeliegenden  zeitlichen  Relation,  die   Konzeptualisierung   der
Argumentssatzsituationen in einer den Aspektforderungen der  Konjunktion
korrespondierenden Situationssorte - Ereignis oder Zustand.  Perfektiver
Aspekt  korrespondiert  mit  der  Ereignissichtweise  auf   Situationen,
imperfektiver Aspekt mit der  Zustandssichtweise  auf  Situationen.  Die
Konzeptualisierung in der geforderten Situationssorte erfolgt  in  TELOS
primaer  durch  die  raeumliche  Verankerung  der  Situation  bezueglich
bestimmter Wegabschnitte der Bewegung. Ein und dieselbe  Situation  kann
je nach Grenzbezug  des  Wegarguments  als  Zustand  oder  als  Ereignis
konzeptualisiert werden. Die Konstitution der  Situationssorte  und  die
Fragen der  sich  anschliessenden  grammatischen  Kodierung  bilden  den
Schwerpunkt des Berichts.
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