Удивительные приключения устойчивых ошибок в процессе научения

Repetitio est mater studiorum.

Введение

В процессе научения наблюдается явное противоречие между сознательной и неосознаваемой переработкой информации человеком. Перед испытуемым ставится задача, которую, казалось бы, нетрудно выполнить. Но сразу почему-то выполнить её не получается. И лишь постепенно человек научается выполнять её всё лучше и лучше. Иногда тем не менее по ответам испытуемых заметно, что на неосознаваемом уровне задача может решаться сразу более успешно, чем это происходит на сознательном уровне. Тогда возникает вопрос: если может, почему этого не происходит? Видимо, в процессе научения мы наблюдаем столкновение двух разных систем, работающих по разным принципам. В литературе к научению относят чаще всего сенсомоторное научение, когда задача испытуемого – реагировать на многократно предъявляемые однотипные стимулы. Наше экспериментальное исследование также принадлежит к этой категории. Иногда к научению относят и процесс заучивания: хотя на эмпирическом уровне эти процессы легко различаются, но теоретически они трудноотличимы.

Обзоры литературы, посвященной проблеме научения, представляют собой сводку данных многочисленных лабораторных исследований научения в широком смысле этого термина – результаты экспериментального изучения мнемических процессов, которые протекают на совершенно разных уровнях: на уровне физиологических механизмов, на уровне внешних поведенческих актов, на уровне внутренних мыслительных процессов. Само понятие научения, описанное в литературе, является предельно широким, охватывающим разные явления, начиная с простейших форм адаптивного изменения поведения животных и заканчивая обучением у человека. При этом они классифицируются не по этим уровням, а, прежде всего, по тому, какие системы органов затрагиваются научением – сенсорные, сенсомоторные, моторные или речевые (Монпеллье, 1973; Глейтман, Фридлунд, Райсберг, 2001; Хьел и Зиглер, 1997; Хегенхан и Олсон, 2004, и др.). Все это не проясняет принципиальных моментов – не формулируются общие законы для этого процесса, остается неясной его природа и механизмы. В лучшем случае, формулируются лишь общие закономерности формирования условного рефлекса. Но формирование условного рефлекса отнюдь не охватывает весь процесс научения.

Бихевиористы, вслед за И.П. Павловым, создавали теории научения, где акцент делался на подкреплении, которое приводит к образованию связей. Но подкрепление является лишь информирующим и мотивирующим фактором, оно не является ни причиной, ни способом научения. Оно является обратной связью – информацией о результатах деятельности. Оно служит основанием для совершения уже выученных действий. Но как оно само по себе может чему-то научить? Гештальтисты полагали, что научение связано с переструктурированием ситуации. Однако и их объяснение не описывает известных данных. Кривые научения показывают, что оно, как правило, происходит плавно, а не скачком, хотя лишь последнее было бы более похоже на смену гештальта. Подход гештальтистов не объясняет и тот факт, что на кривой научения всегда заметны периоды не только улучшения, но и ухудшения деятельности.

Н.А. Бернштейн изучал строение движений в процессе формирования навыка у человека. Он обнаружил, что при тренировке моторных действий движения, из которых складывается действие в целом, всегда разные. Нет никакого конкретного движения, которое закрепляется. Отсюда знаменитая формула Н.А. Бернштейна «упражнение есть повторение без повторения». Повторяются не движения, а процесс поиска решения двигательной задачи, а это, заметим, сложный когнитивный процесс. Н.А. Бернштейн это понимает. Не случайно он говорит, что научение возможно, когда «пробы» и «ошибки» – это проверка и корректировка созданных гипотез (Бернштейн, 1966). Его попытка решить проблему научения представляется одной из наиболее удачных, но и в его исследованиях вопрос о роли сознания в этом процессе так и остался без ответа.

В многочисленных исследованиях по имплицитному научению было показано, что человек способен, не осознавая этого, усваивать сложные взаимосвязи между предъявляемыми стимулами, адекватно на них реагировать, хотя при этом испытуемые не в состоянии объяснить (т.е. осознанно проконтролировать), как они это делают. А. Ребер в ряде своих экспериментальных работ продемонстрировал, что неосознаваемая когнитивная деятельность достаточно сложна, поскольку зависит от знаний, полученных ранее (Reber, 1989).

П. Левицки, Т. Хилл и И. Сазаки (Lewicki, Hill & Sasaki, 1989) разработали ряд задач на перцептивное научение. В своих экспериментах они просили испытуемых обнаруживать несуществующую мишень, давать «интуитивную интерпретацию» способностей человека по изображениям мозга, а также исследовали «интуитивное понимание» полинезийского языка. И изображения мозга, и «полинезийские» слова случайно генерировались компьютером. При предъявлении исследователи манипулировали стимулами, по-разному размещая их в пространстве относительно других. Это смещение не фиксировалось испытуемыми, но влияло на результат опыта.

Вот, например, что они делали с полинезийскими словами. На первом этапе на экране монитора последовательно предъявлялись сгенерированные компьютером бессмысленные слова-стимулы, якобы относящиеся к полинезийскому языку, и категория, к которой они относились. Использовалось четыре категории: эмоции, еда, инструменты или человек (например: «дехуфси» – эмоция). Существовала неявно выраженная ковариация между местом на экране монитора, где предъявлялось слово, и значением слова (например, слова, обозначающие эмоции, предъявлялись немного выше, чем остальные слова). Различия в местоположении слов были едва различимы и, по мнению авторов, не могли быть определены на сознательно контролируемом уровне. На втором этапе эксперимента испытуемым предъявлялись новые слова-стимулы, которые уже не сопровождались названием категорий. Испытуемых просили угадать (основываясь на их «интуиции») значение каждого слова и дать ответ путем нажатия одной из четырех клавиш на клавиатуре компьютера (и таким образом, обозначить слово либо как эмоцию, либо как еду, инструмент или человека). Авторы обнаружили, что на втором этапе ответы испытуемых становятся все более соответствующими смещению, инициированному на первом этапе эксперимента. Люди склонны были сохранять свои гипотезы, основываясь именно на пространственном положении стимулов, даже когда им предъявлялись совсем другие слова. То есть они относили слово к какой-либо из категорий, ориентируясь на его не уловимое сознанием смещение в пространстве. Таким образом, испытуемые, не осознавая, формировали правило отнесения к категории, и каждое последующее столкновение с неоднозначными данными воспринимали как пример, лишь подтверждающий сформированное правило. Кроме того, было установлено, что перцептивные систематические ошибки, проявлявшиеся уже в начальных реакциях на неопределенные стимульные паттерны, зачастую оказываются не только устойчивыми, но и усиливаются (по терминологии авторов – «самоукрепляются», или «самосохраняются») со временем в последующих пробах.

Точные повторяющиеся ошибки уже наблюдались в ряде экспериментальных исследований в русле нашей школы (Аллахвердов, 1993; Зайцев, 2002, и др.). Например, в моем исследовании (Иванова, 2000) люди, не обладавшие абсолютным слухом, должны были «на слух» соотносить высоту звука с его нотным обозначением. Таким образом, перед ними ставилась задача, которую, как традиционно считается, могут выполнять только люди с абсолютным слухом. Естественно, мои испытуемые делали много ошибок, в том числе систематических. Но сами эти систематические ошибки были таковы, что их можно было сделать только при наличии абсолютного слуха. Так, если при предъявлении ноты «фа» человек отвечал, допустим, «ми бемоль», то потом при предъявлении «ми бемоль» он чаще случайного отвечал «фа». Чтобы совершить такую «зеркальную» (инвертированную) ошибку, необходимо различать абсолютные высоты звуков. Факт наличия неслучайных инвертированных ошибок говорит о том, что способность к различению высоты тона (что, по сути, и есть абсолютный слух) есть и у тех людей, у кого, по традиционным определениям, этой способности якобы нет. И не так уж удивительно то, что все люди обладают подобной способностью. Н.А. Бернштейн (1966, с. 76), ссылаясь на физиологические исследования, отмечал, что определение абсолютной высоты звука – более простая операция, чем определение соотношения высот. А. Изуми (Izumi, 2000, p. 3077) предъявлял звуки различной высоты взрослым и младенцам и показал, что младенцы, в отличие от взрослых, ориентируются на абсолютную высоту звуков, а не на соотношение между ними. В экспериментах Д. Сарджент и С. Рош (Sergeant, Roche, 1973) трехлетние дети воспроизводили абсолютную высоту гораздо точнее, чем шестилетние. Исследователи утверждают, что каждый человек может определять абсолютные высоты, если начнет этим заниматься в раннем детстве.

Исходя из всего сказанного, были сформулированы следующие предположения:

1. В процессе научения выполнению простой задачи человеку свойственно повторять свои ответы (отклонения) с точностью, превосходящей как возможности сознательного различения, так и точность решения задачи в конце процесса научения.

2. В процессе научения человек вырабатывает общие стратегии решения задачи и демонстрирует тенденцию их сохранять. Проявлением этих стратегий являются устойчивые ошибки. По мере стабилизации стратегии возрастает количество устойчивых ошибок, но одновременно наблюдается и повышение эффективности деятельности.

Процедура

Для исследования динамики научения и повторяющихся ошибок как индикаторов деятельности сознания применялась специально созданная компьютерная программа, позволяющая предъявлять испытуемым стимулы и регистрировать их реакции. Программа написана на языке Flash MX. Испытуемым предлагается простая сенсомоторная задача – они должны нажатием клавиши пробела выпускать снаряд, целясь при этом в движущуюся по экрану мишень. Их цель – попасть в центр мишени. Мишень представляет собой красный кружок диаметром 40 пикселей. Если испытуемый попадает снарядом в эту мишень (т.е. отклонение от центра не превышает 20 пикселей в ту или другую сторону), то она «взрывается». Согласно отчетам испытуемых, невзирая на поставленную задачу – стараться попадать точно в центр, – они испытывали радость уже от того, что попадали в мишень (даже не в центр) и видели взрыв, и испытывали разочарование, когда отклонение было больше, чем на 20 пикселей, и мишень улетала «неподбитой». Эксперимент проводился сериями, в каждой серии 200 выстрелов, всего 15 серий – итого 3000 выстрелов. Мишень через одинаковые интервалы времени появляется с левой стороны экрана и движется вправо, пока не исчезнет за правым краем экрана, после этого (через 1 секунду) слева появляется следующая мишень. За одно прохождение мишенью экрана можно сделать один выстрел снарядом. Снаряд расположен внизу экрана. Рассматривалась возможность того, что испытуемые могут привыкнуть к определенному расположению снаряда на экране, связав его с какими-нибудь частями монитора, краями окна. Чтобы у испытуемых не вырабатывалось таких визуальных привязок, снаряд появлялся каждый раз на новой позиции. Восемь позиций, на которых появлялся снаряд, чередовались в случайном порядке. После каждого выстрела испытуемый мог наблюдать, попадал ли его снаряд в мишень, и сразу на экране появлялась обратная связь: количество произведенных выстрелов, количество попаданий в мишень и величина отклонения снаряда от центра мишени в пикселях. Эта информация давала испытуемому возможность корректировать свои действия в зависимости от точности своих ответов. Каждый испытуемый получал дискету с программой и выполнял задачу на своем компьютере примерно в течение двух недель.

Испытуемые

Испытуемыми были взрослые люди в возрасте от 18 до 48 лет. Всего в эксперименте приняли участие 15 человек, было сделано по 3000 замеров для каждого.

Инструкция

С помощью клавиши «пробел» стреляйте снарядом, который расположен внизу экрана, по красному движущемуся объекту (мишени), стараясь попадать точно в центр. В окне имеется обратная связь: количество произведенных выстрелов, количество попаданий в мишень, и то, на сколько точек снаряд отклонился от центра мишени: если это число положительное, – значит, Вы выстрелили раньше, если отрицательное – Вы выстрелили позже, чем нужно. Всего необходимо выстрелить 3000 раз. За один раз (одну серию) нужно стрелять 200 раз. Перерыв между сериями – не менее 2 часов и не более 2 суток (это условие вводилось для того, чтобы соблюдалась регулярность, важная для научения).

Результаты

Обработка результатов производилась с помощью программSPSS и Excel. В ходе эксперимента, как и следовало ожидать, происходит научение – постепенное уменьшение среднего отклонения ответов от центра мишени. Вместе с тем обнаружилось, что испытуемые имеют тенденцию повторять свои ответы в двух подряд идущих пробах с точностью до пикселя (т.е. их ответы отклоняются от центра мишени два раза подряд на одно и то же количество точек). На графике 1 можно видеть сравнение теоретически возможной частоты возникновения повторяющихся ошибок и фактической частоты их появления в ответах испытуемых.

Теоретически возможная частота в нашем случае была получена применением метода Монте-Карло – случайной перестановкой всех отклонений в ответах в каждой серии. Для каждой серии вычислялось среднее из 1000 таких комбинаций. Так было определено число повторяющихся ошибок, которые можно было бы теоретически случайно совершить при данном наборе ответов. И сравнивалось это число с фактическим количеством совершенных повторяющихся ошибок.

По ходу научения точность решения задачи возрастает, но одновременно увеличивается количество повторяющихся ошибок. Во второй половине опыта (т. е. последние 8 проб из 15) их становится больше, и вероятность их возникновения достоверно отличается от случайной (Т-критерий Вилкоксона, p<0,01). Следовательно, при решении простой задачи на научение тактика сохранения гипотез, в конечном счёте, приводит к улучшению деятельности.

На графике 2 можно видеть снижение средней величины ошибки у наших испытуемых в ходе научения, а на графике 3 – сопровождающий научение рост количества устойчивых ошибок. По результатам дисперсионного анализа, обе эти тенденции статистически достоверны (p<0,01).

Был проведен корреляционный анализ данных для проверки предположения о наличии связи между динамикой научения и динамикой роста повторяющихся ошибок. Получена значимая отрицательная корреляция между этими кривыми – эти динамики взаимосвязаны на высоком уровне значимости (коэффициент Пирсона r_xy = -0,55, p < 0,01; коэффициент Кендалла τ = -0,4, p < 0,01). При анализе взаимосвязи снижения средней ошибки по сериям и роста количества повторяющихся ошибок для каждого испытуемого отдельно отрицательная корреляция между этими динамиками была обнаружена у 14 из 15 испытуемых, у шести из них – высоко значимая. Это позволяет не считать артефактом результаты корреляционного анализа по всем испытуемым в целом.

Точка – пиксель – довольно малая единица разрешения экрана, которая испытуемым не видна. Но устойчивые ошибки повторяются с точностью до пикселя, что, конечно, происходит без всякого сознательного желания испытуемых. Во-первых, они вообще не хотят ошибаться, а во-вторых, не могут контролируемо попадать всё время в одну и ту же точку, иначе они бы с первого точного попадания продолжали и дальше попадать в центр. Обнаруживаемая точность в повторении ошибки находится за пределами возможностей сознательного различения.

Для доказательства последнего утверждения было организовано небольшое дополнительное исследование, в котором измерялась способность испытуемых различать изменение положения мишени в пикселях. Снаряд появлялся на экране в разных положениях по отношению к центру мишени. Задание, которое давалось испытуемым: «Смотрите на экран, и как только мишень остановится над снарядом, Вы должны решить, если бы Вы выстрелили сейчас, куда бы Вы попали – точно в центр, левее (“недолёт”) или правее (“перелёт”). Решив, нажмите соответствующую клавишу на клавиатуре». В результате выяснилось: отклонение от центра мишени на 2–3 пикселя для испытуемых субъективно незаметно – в ответ на предъявляемые отклонения в этом диапазоне испытуемые чаще всего говорили, что снаряд расположен точно по центру мишени. В пользу предположения о существовании некой «зоны сознательного неразличения» свидетельствует и то, что количество точных попаданий и ответов, лежащих рядом с точным попаданием, приблизительно равно. По ходу эксперимента у испытуемых средняя величина отклонения ответа от точного попадания изменяется от 13,8 до 7,5 пикселей от первой к последней серии. Средняя точность решения задачи в конце эксперимента равна 7,5. При этом уже в первых сериях повторения одного и того же отклонения с точностью до 1 пикселя появляются чаще, чем случайно. Тот факт, что ошибки повторяются с такой высокой точностью, свидетельствует о том, что все-таки человек способен различать столь малые величины, хотя это различие он может и не осознавать.

Для примера рассмотрим вероятность появления нулевого отклонения (точного попадания в центр мишени).

Таблица 1. Вероятность точного попадания (нулевого отклонения) после такого же и после других ответов.

Вероятность повторения точного попадания	Вероятность точного попадания после ошибочного
0,056	0,028

При сравнении вероятностей выяснилось, что вероятность появления точного попадания после предшествующего точного попадания в 2 раза больше, чем вероятность его появления после ошибочного ответа (Т-критерий Вилкоксона, p<0,01). Этот результат является еще одним свидетельством способности человека решать поставленную задачу с очень высокой точностью.

Обсуждение и выводы

Полученные результаты подтверждают предположения о том, что динамика научения и динамика устойчивых ошибок взаимосвязаны и что устойчивые ошибки встречаются чаще, чем случайно. Как оценка вероятности возникновения повторяющихся (устойчивых) ошибок в общем, так и оценка вероятности появления конкретных повторяющихся отклонений (в частности, нулевого) показывают, что эти ошибки сопровождают процесс научения. Это на первый взгляд странно – тенденция к сохранению ошибки в целом приводит к повышению эффективности. Возможно, это вызвано тем, что помимо конкретных гипотез, строящихся перед каждым выстрелом, существует еще одна общая гипотеза (по сути, стратегия действий) относительно всего процесса сразу – предположение, как делать это «вообще». Когда такая стратегия появляется, она вначале сопровождается большим количеством случайных хаотических ошибок, причем разброс ответов довольно велик. Эти ошибки побуждают корректировать выбранную стратегию, что постепенно приводит к улучшению деятельности. В то же время сохранение однажды выбранной стратегии действий проявляется в повторении одного и того же ответа и, в частности, к повторению ошибок. Почему же потом происходит ухудшение? Наверное, потому, что выполнение задачи все же не доведено до совершенства, в какой-то момент сознание это понимает, и происходит смена глобальной гипотезы, а вследствие этого разрушаются и маленькие гипотезы относительно каждого отдельного шага. Из-за этого, возможно, и количество устойчивых ошибок меньше на фоне общего снижения эффективности. Затем опять начинается корректировка стратегии.

Сходные результаты были получены в дипломном исследовании А.С. Зайцева под руководством В.М. Аллахвердова (Зайцев, 2002). Он изучал родственный научению процесс заучивания и сделал вывод: устойчивые ошибки – это ошибки другой природы, чем спонтанные (неповторяющиеся) ошибки. Такой вывод он строит на оценке времени реакции воспроизведения: правильное воспроизведение обычно быстрее ошибочного, а устойчивые ошибки, согласно его результатам, совершаются быстрее, чем спонтанные (т. е. время реакции повторяющихся ошибок меньше времени реакции неповторяющихся). В исследовании А.С. Зайцева устойчивые ошибки также связываются с эффективностью заучивания. Кривая заучивания имеет различные фазы – есть точки спада, точки подъема и фаза «плато», т. е. стабилизации эффективности решения задачи. А.С. Зайцев обнаружил тенденцию испытуемых исправлять устойчивые ошибки в точках спада кривой заучивания и сохранять их в точках подъема. Зато в точках подъема резко уменьшается число спонтанных ошибок. Причем время реакции для устойчивой ошибки в точке подъема даже меньше, чем время правильного ответа! Это перекликается с моими данными о том, что на фоне повышения эффективности решения задачи увеличивается количество таких ошибок.

Полученные в моем исследовании данные, похоже, противоречат всем известным теориям научения, но хорошо согласуются с позицией, развиваемой В.М. Аллахвердовым. Классическая теория научения в последние годы утрачивает свою популярность и все чаще подвергается сомнению. Судя по тому, что после некоторого спада и в России, и за рубежом появляется все больше работ, посвященных этой проблеме, интерес к ней возрастает.