"Естественный" подход к обучению модели Ребенка естественному языку

Э.В. Попов

Аннотация

Показаны недостатки традиционных систем, осуществляющих взаимодействие с пользователями на ограниченном естественном языке. Предложен «естественный» подход к обучению компьютерной модели «Ребенок» естественному языку. Особенностью предложенного подхода является то, что в процессе обучения «Ребенка» не используются знания о лингвистике. Описан состав модели «Ребенок » и определен перечень знаний, которым модель должна уметь обучаться. Рассмотрен процесс, обеспечивающий обучение « Ребенка » естественному языку на начальной фазе.

Введение

Методы и средства искусственного интеллекта (ИИ) совершенствуются в развитых странах мира более 40 лет. Однако за это время так и не удалось решить ряд важнейших задач: обучение естественному языку; приобретение новых знаний; рассуждения по аналогии; умение решать широкий класс разнообразных задач и т.д.

Целью данной статьи является разработка подхода и методов, моделирующих процесс обучения Учителем компьютерной модели Ребенок, находящейся в окружающем мире, естественному языку (ЕЯ) без привлечения знаний о лингвистике. Будем называть такой подход к обучению естественному языку «естественным». Модель Ребенка является системой, взаимодействующей с окружающим Миром и Учителем для обучения ограниченному естественному языку. Эту модель будем называть модель «Ребенок - Мир - Учитель ».

К настоящему времени описано и разработано достаточное количество систем, взаимодействующих с пользователями на ограниченном естественном языке (СЕЯ):

SHRDLU [Виноград, 1976], ПОЭТ [Попов, 1982, 2004], English Query (Microsoft) и др. Все существующие СЕЯ базируются на использовании лингвистических знаний и имеют следующие принципиальные недостатки [Попов, 1981, 2002 ]:

1. При общении с СЕЯ пользователь не может употреблять только правильные входные предложения (т.е. «понятные» системе), так как ограничения системы не известны не только пользователю, но и разработчику.

2. В общем случае пользователь не может выразить свою информационную потребность в виде изолированного входного высказывания. Во многих случаях для уточнения потребности пользователя требуется диалог, отсутствующий в традиционных СЕЯ.

3. В связи с тем, что окружающий мир непрерывно изменяется, в процессе эксплуатации традиционных СЕЯ неизбежно приходиться модифицировать и расширять знания о языке и окружающем мире, заложенные в СЕЯ при ее разработке. Изменения этих знаний являются очень трудоёмкой задачей и не могут быть выполнены пользователями СЕЯ. Действительно пользователи не владеют в необходимой степени лингвистическими знаниями и не знают, как разработчики представили знания о ЕЯ и окружающем мире.

4. СЕЯ не способны объяснить причину, по которой они не могут дать ответ на заданный вопрос. Например, единственное, что может предложить пользователю СЕЯ English Query (Microsoft) это: "перефразируйте вопрос". Заметим, что при большой базе данных пользователь в подобной ситуации оказывается беспомощным, так как он не может догадаться ни о причинах неудачи, ни о том, как следует перефразировать запрос. По этой причине, традиционные СЕЯ оказываются бесполезными.

5. Как следствие сказанного в п.3, традиционные СЕЯ неотторжимы от разработчика, т.е. их массовая продажа невозможна.

Общеизвестно, что все дети без проблем овладевают естественным языком. При этом дети не пользуются знаниями ни о лингвистике, и ни о каких-либо других науках. Дети в процессе обучения естественному языку (например, русскому) ничего не знают о таких лингвистических понятиях как грамматика, морфология, синтаксис и т.п.

С другой стороны, хорошо известен факт, что взрослые люди, используя традиционные методики обучения естественному языку, как правило, не могут обучиться иностранному языку. По - нашему мнению, основной причиной этого факта является то, что обучение естественному языку базируется на лингвистических знаниях. Кроме того, при обучении ЕЯ недостаточно используются знания об окружающем мире.

Задачи, которые необходимо решать Ребенку при обучении естественному языку, чрезвычайно сложны. Науке пока не известно как ребенок, не зная лингвистики, овладевает естественным языком.

ребенок обучение язык компьютерный

1. Модель системы «Ребенок - Мир - Учитель »

В данной статье предпринята попытка (приняв ряд упрощений) прояснить суть «естественного» подхода к обучению ЕЯ.

Модель системы Ребенок - Мир - Учитель состоит из следующих компонент:

* Окружающий внешний Мир, включающий компьютерное описание предметов мира, их свойств, возможностей и взаимоотношений между ними и т.п.

* Модель Ребенок.

* Учитель (реальный человек, осуществляющий взаимодействие с моделями Ребенок и Мир для обучения Ребенка естественному языку, не привлекая знаний о лингвистике).

Моделирование Ребенка и Мира на компьютере позволяет избавиться от необходимости решать проблемы динамики отдельного элементарного действия и сосредоточить усилия на проблеме выбора нужной последовательности действий. По-нашему мнению, для целей данного исследования достаточно выбрать довольно простой вариант моделей Мира (см. п.5.) и Ребенка. Модель Ребенок состоит из следующих блоков:

* Решатель задач.

* Память, включающая:

* Модель окружающего Мира, т.е. знания Ребенка об окружающем Мире. Нам представляется возможным, для упрощения задачи, считать, что Ребенку и Учителю доступно компьютерное описание Мира.

* Модель Учителя, т.е. знания Ребенка о возможностях и знаниях Учителя.

* Знания о ЕЯ.

* Модель Себя.

* Рецепторы, т.е. элементы модели Ребенок, которые непосредственно воспринимают Мир.

* Эффекторы, т.е. элементы модели, с помощью которых Ребенок осуществляет воздействие на Мир.

Под моделью Ребенка будем понимать искусственную систему, реализованную в виде программного комплекса. Существенным для модели Ребенка является то, что она может подвергаться воздействию окружающего Мира и в свою очередь оказывать на него воздействие. Значения показаний рецепторов на некоторый момент времени будем называть первичным описанием ситуации (ПОС). В ПОС входят: внешнее или внутреннее имя рассматриваемого элемента (сущности), его координаты, имена его характеристик и их значения и т.п. Результаты обработки ПОС будем называть обобщенным описанием ситуации (ООС). Обобщенные описания ситуаций обычно соответствуют не одной ситуации, а нескольким. В ООС могут входить не только показания рецепторов, но и утверждения о соотношениях между этими показаниями. Типы возможных утверждений формируются на основе списка базовых семантических отношений (см. п.4). Кроме того утверждения могут быть заданы набором элементарных предикатов и функций от показаний рецепторов.

2. Потребности и мотивации

Психологи считают, что живые существа имеют врожденные или приобретенные в течение жизни потребности. Стремление удовлетворить потребности приводит к возникновению мотиваций (целей), формирующих поведение, состоящее из действий. При возникновении цели (целевой ситуации) живой организм (в нашем случае - ребенок) ставит задачу. Процесс решения задачи - это планирование и выполнение действий, предположительно пригодных для того, чтобы была достигнута целевая ситуация рассматриваемой задачи.

Наибольшую популярность в исследовании потребностей и мотиваций получили работы Маслова [Maslow, 1954]. A. Маслов выходец из России (Одесса). Маслов предложил иерархию потребностей (называемую треугольником/пирамидой/диаграммой Маслова), которую он разбил на две группы: базовые потребности (потребности дефицита) и мета потребности (потребности развития). Потребности самого нижнего уровня удовлетворяются в первую очередь. По мере их удовлетворения осуществляется переход к удовлетворению потребностей более высокого уровня.

К базовым потребностям относятся:

1. Физиологические (Physiological): пища, вода, воздух, секс и т. д.

2. Безопасность (Safety): чувство свободы от непосредственной опасности.

3. Принадлежность (отсутствие одиночества) и любовь/привязанность (Belongingness and Love): принадлежность к какой-либо группе, быть принятым и т.п.

4. Уважение/почтение (Esteem): достигать, быть компетентным, получать одобрение/признание и т.п.

К мета потребностям относятся:

5. Познание (Cognitive): знать, понимать, изучать и т.п.

6. Эстетика (Aesthetic): любознательность, порядок, красота и т.п.

7. Самореализация (Self-actualization): реализация своего потенциала, знать: кто Я есть, что Я хочу, куда Я стремлюсь и т.п.

8. Превышение себя (Self-transcendence): установить связь с чем-то за пределами своего Я или помочь другим реализовать их потенциал.

В статье [Daniels, 2001] высказано предположение, что введенные в статье [Maslow, 1954] высшие уровни (самореализация и превышение себя) являются наиболее значимым вкладом в изучение поведения и мотиваций человека.

В [Бонгард и др., 1975] предложено рассматривать потребности как внутренний, постоянно действующий механизм, генерирующий задачи, которые необходимо решать (в нашем случае Ребенку).

3. Модель Ребенка

Модель Ребенка состоит из нескольких блоков, рассматриваемых как агенты [Тарасов, 2002]. Каждый блок предназначен для решения задач определенного типа. В соответствии с типом задач блок снабжается подходящим наборов рецепторов, эффекторов, процедур и возможностями взаимодействия с другими блоками. В памяти блока хранятся факты, относящиеся к его действиям и аспектам ситуации, воспринимаемым рецепторами данного блока.

Работа блока заключается в том, он на основе решаемой задачи, текущей ситуации и знаний из памяти находит и исполняет некоторое действие. Действие блока - это либо команда исполнительной программе, выполняемая «без размышлений», либо постановка задачи другому блоку. Так, например, блок «рука» может дать команду «передвинуть руку влево» или поставить задачу перед блоками «ноги» - «переместить модель Ребенка в указанные координаты». Многие действия блока не сопровождаются внешними изменениями, а приводят лишь к переформулировке задачи.

Каждый блок, кроме основной памяти, обладает рабочим полем, называемым вниманием. [Бонгард и др., 1975] Внимание играет важную роль при организации деятельности блока. Перед использованием факта, находящегося в памяти, его переносят в зону «внимание», что свидетельствует об активации внимания на решении определенной задачи. Эта информация состоит из двух частей: описание постановки задачи и сведения о текущих значениях показаний рецепторов. В процессе решения задачи в зону внимания может переноситься и другая нужная информация: факты из прошлого опыта, факты-гипотезы и т.п. Если для решения основной задачи блоку требуется решить некоторую вспомогательную задачу, то решение основной задачи прерывается (при этом запоминается содержимое зоны внимания) и в зону внимания вносится информация, необходимая для решения вспомогательной задачи и т.д. После решения вспомогательной задачи, блок возвращается к решению основной задачи.

Выбор действия блоком содержит три этапа: 1) предварительный поиск подходящих действий; 2) прогноз результатов каждого из них; 3) окончательный выбор. На первом этапе по текущей ситуации и текущей задаче блок ищет в памяти факты, применимые к текущей ситуации и содержащие описания таких действий, в результате которых ранее была решена текущая задача или ее часть. Каждому такому факту, действию, потребности приписывается число - его ценность по отношению к данной задаче в данной ситуации. Ценность определяется в зависимости от применимости факта/действия к данной ситуации, прошлого опыта их применения и от степени близости текущей ситуации к тем, в которых эти факты/действия ранее использовались.

На втором этапе идет поиск фактов, применимых к текущей ситуации и содержащих описания результатов выполнения действий, близких к выбранному действию. После завершения поиска в зоне внимания оказываются дополнительные факты (со своими ценностями), содержащие прогнозы результатов выполнения действия. Далее ценности действий, построенных на первом этапе, перевычисляются с учетом этой новой информации.

Если пересчет не снизил существенно ценность действия, то оно выбирается. Когда действие выбрано, оно «мысленно» выполняется и текущая ситуация переходит в некоторую новую ситуацию. Для этой новой ситуации снова ищется действие, приближающее Ребенка к новой ситуации. Такой процесс многошагового планирования повторяется до тех пор, пока задача не будет решена или модель Ребенка откажется от ее решения.

Ход решения любой задачи может быть прерван из-за того, что блок анализа потребностей выдал сигнал о возникновении новой потребности, ценность которой выше чем у текущей потребности.

4. Знания и способности, приобретаемые моделью «Ребенок»

Модель Ребенка должна обладать, как минимум, следующими способностями:

4.1 «Ребенок» должен обучаться словам и словосочетаниям русского языка

Не используя термины лингвистики, модель Ребенок должна обучаться словам и словосочетаниям, выражающим следующие функциональные группы русского языка [Поспелов, 1986]: Понятия, Имена, Отношения, Действия и т.д.

Понятия. Сюда входят лексические единицы языка, используемые для обозначения однородных групп фактов, событий, явлений и других элементов моделируемого Мира. Примерами понятий могут служить: стол, учитель, газовое облако и т.п. Важно то, что, например, слово «стол» обозначает не конкретный предмет моделируемого Мира, а любой предмет, который носители языка называют «столом». Понятиям соответствует некоторая структура, некий набор свойств, с помощью которых одни понятия отделяются от других.

Имена. Практически любые слова и словосочетания могут играть роль имен. Имена служат для конкретизации элементов Мира, входящих в понятие-класс (см. п. 4.1.3).

Отношения. Изучая мир, осуществляя свою деятельность в нем, человек (в том числе и ребенок) должен моделировать и описывать окружающий мир. О том, как человек это делает науке известно немного. Однако в теории познания, лингвистике и психологии получено достаточно фактов, на основании которых можно сформулировать следующую гипотезу [Поспелов, 1986, п.2.2]:

При отображении внешнего мира, при описании его человек вычленяет в нем конечный набор отношений. Эти отношения связывают между собой отдельные элементы внешнего мира. Сами элементы, связанные отношениями, выступают в них как определенные роли, семантика которых определяется видом отношений.

Предполагается, что число базовых семантических отношений, описывающих любые связи в окружающем Мире не только конечно, но и не слишком велико (порядка 200 отношений).

Все семантические отношения подразделяют на парадигматические и синтагматические [Энциклопедия кибернетики, 1974].

Отношение парадигматическое - семантическое отношение, существующее между словами естественного или информационного языка независимо от контекста.

Отношение синтагматическое - семантическое отношение, возникающее между словами естественного или информационного языка в определенном контексте. Кроме того

Д. Поспелов [Поспелов, 1986, п.2.2] выделяет следующие группы семантических отношений:

1. Отношения классификации позволяют выделить классы элементов окружающего Мира и установить как отношения между классами, так и между классами и их элементами. К этой группе принадлежат отношения класс - подкласс, класс - элемент. Близкими по духу к этим отношениям являются отношения типа: род - вид, часть - целое и т.п.

2. Признаковые отношения приписывают понятиям различные, качественные признаки. Эти отношения можно представить в виде последовательной композиции двух отношений: иметь признаком и иметь значение признака.

3. Количественные отношения можно свести к композиции двух отношений: иметь меру и иметь значение меры.

4. Отношения сравнения сопоставляют какому-то признаковому или количественному отношению две характеристики некоторого понятия или группы понятий.

5. Отношение принадлежности близки к отношениям классификации, но отличаются от них тем, что связывают два элемента внешнего Мира лишь ситуативно.

6. К временным отношениям принадлежат отношения типа быть одновременно, быть раньше, пересекаться во времени и т.п.

7. Пространственные отношения фиксируют место нахождения некоторого элемента или взаимоотношение элементов между собой в пространстве (находиться в, быть между, быть слева, касаться и т.п.).

8. Каузальные отношения отражают причинно-следственные связи, а также связи, отражающие цель, мотивацию, предпочтение при принятии решений и действиях.

9. Инструментальные отношения отражают прагматический аспект деятельности (служить для, быть средством для, способствовать и т.п.).

10. Информационные отношения описывают различные стороны передачи и получения информации (приказы, просьбы и т. п.).

11. Порядковые отношения описывают соотнесенность элементов окружающего Мира между собой ( следующий, ближайший, очередной и т. п.).

Действия. Динамика внешнего Мира выражается словами и словосочетаниями, описывающими действия, подразделяемыми на следующие типы:

1. Императивы, т.е. приказы и указания на выполнение некоторых действий: включить, выполнить, привезти и т.п.

2. Процессы, протекающие в окружающем Мире, например, доставка, разработка, окраска и т. п.

3. Состояния. В эту группу входят слова и словосочетания, фиксирующие определенные действия-состояния: лежать, стоять, быть неисправным и т.п.

4.2 « Ребенок » должен обучаться общим и индивидуальным знаниям о ЕЯ

ЕЯ невозможно определить только в терминах общего, необходимо привлечение, и весьма значительное, индивидуальных свойств конкретных лексем и способов их сочетания. В лингвистике общие свойства языка выражают в виде правил грамматики языка, а индивидуальные--в виде информации, соотносимой в словаре каждой конкретной лексеме.

4.3 «Ребенок» должен обучаться сигнификатам и денотатам знаков (слов и словосочетаний ЕЯ)

Знаку (слову) по Ч. Моррису [Моррис, 1983] соответствует сигнификат и денотат [Попов, 2002].

Сигнификатом знака (слова) называется совокупность существенных признаков сущности, обозначаемой этим словом. Сигнификат слова - ядро его лексического значения. Толкование значений слов в толковых словарях описывают, прежде всего сигнификативный слой значения слова, репрезентируя совокупность существенных признаков сущностей, обозначаемых словом.

Термин « денотат» допускает две трактовки.

1. Денотат знака (слова) определяет множество сущностей, удовлетворяющих тем свойствам, которые составляют сигнификат этого знака.

2. Денотат знака (слова) определяется как связанный с данным словом в сознании носителя языка целостный образ типичного, эталонного представителя класса сущностей, соответствующих этому слову.

Нас будет интересовать первая трактовка.

4.4 «Ребенок» должен быть способен расширять знания о языке

В данной работе это требование к модели « Ребенок » выполняется просто, так как ответственность за наполнение и расширение модели « Мира» лежит на Учителе. Ребенок должен только уметь обучаться словам (словосочетаниям) русского языка, описывающим изменения Мира.

5. Начальная фаза обучения «Ребенка» естественному языку