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Kognitive Modellierung mentaler Rotation

Masterarbeit von Fabian Joeres

In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die kognitiven Prozesse dreidimensionaler mentaler Rotation durch kognitive Modellierung abgebildet werden können. Hierfür wurde die kognitive Architektur ACT-R verwendet. Auf Grundlage historischer und aktueller Erkenntnisse über mentale Rotation wurde zunächst ein konzeptionelles Prozessmodell mentaler Rotation entwickelt. Die aktuelle Version der Architektur ACT-R (ACT-R 6.0) ermöglicht keine Modellierung visuell-räumlicher kognitiver Prozesse. Aus diesem Grund wurde eine entsprechende Architekturerweiterung entwickelt und umgesetzt. Das in dieser Erweiterung integrierte Spatial Module stellt die Strukturen zur Verfügung, die zur Modellierung und Simulation mentaler Rotation benötigt werden. Das zuvor entwickelte konzeptionelle Modell wurde mit der so erweiterten Architektur implementiert. ACT-R stellt dem Modellierer eine Reihe subsymbolischer Parameter zur Modellanpassung zur Verfügung. Mit der der Umsetzung des Spatial Module wurden hier zwei neue Parameter eingeführt. Um für diese Parameter geeignete Standardwerte zu finden, wurden mit dem kognitiven Modell die Experimente von R. Shepard und J. Metzler (1971), sowie von Yuille und Steiger (1982) repliziert. Anhand der Ergebnisse konnten die Parameter definiert werden. Zur Evaluierung des kognitiven Modells wurde eine experimentelle Studie mit 27 Probanden durchgeführt. Das entsprechende Experiment bestand in einer Aufgabe zu mentaler Rotation von dreidimensionalen Shepard Metzler Objekten bei gleichzeitiger Darbietung beider Stimuli. Aus einer Vielzahl von Studien ist bekannt, dass die Reaktionszeit in mentalen Rotationsaufgaben linear vom Rotationswinkel abhängig ist. In dieser Studie wurden im Within-Subjects-Design die Einflüsse von Trainingseffekten und Objektbekanntheit auf die Steigung dieser linearen Abhängigkeit untersucht. Diese Steigung wird als Rotationsrate bezeichnet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Rotation insgesamt signifikant schneller erfolgte, je weiter der Versuch fortgeschritten war, d.h. je mehr Training die Teilnehmer durchliefen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Rotation für bekanntere Objekte signifikant schneller erfolgte als für unbekanntere. Diese Ergebnisse konnten gut mit dem kognitiven Modell vorhergesagt werden. Somit können das kognitive Modell und die zugehörige Erweiterung der Architektur ACT-R als vielversprechender erster Ansatz für die Modellierung und Simulation raumkognitiver Prozesse betrachtet werden.

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