Reasoning Inductive & Deductive Paper

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Text of Reasoning Inductive & Deductive Paper

  • 8/22/2019 Reasoning Inductive & Deductive Paper

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    Technical Papers

    D e d u c t i v e a n d I n d u c t i v e W a y s o f I n v e s -

    t i g a t i o n o n H u m a n P r o b l e m S o l v i n g

    K a z u h i s a M i w a

    3

    3 G r a d u a t e S c h o o l o f H u m a n I n f o r m a t i c s , N a g o y a U n i v e r s i t y , N a g o y a 4 6 4 - 8 6 0 1 , J a p a n .

    R e c e i v e d M M D D , 1 9 Y Y .

    K e y w o r d s : p r o b l e m s o l v i n g , p r o d u c t i o n s y s t e m , c o g n i t i v e s c i e n c e , c o m p u t e r s i m u l a t i o n , p r o t o c o l a n a l y s i s

    S u m m a r y

    I n t h i s p a p e r , w e d i s c u s s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h a n d t h e p s y -

    c h o l o g i c a l a p p r o a c h f o r i n v e s t i g a t i n g h u m a n p r o b l e m s o l v i n g . W e c a l l t h e f o r m e r a p p r o a c h M o d e l

    O r i e n t e d A p p r o a c h ( M O A ) , a n d t h e l a t t e r B e h a v i o r O r i e n t e d A p p r o a c h ( B O A ) . W e c o m p a r e b o t h

    a p p r o a c h e s b a s e d o n t h e f r a m e w o r k o f p r o d u c t i o n s y s t e m m o d e l s .

    F i r s t , w e d e m o n s t r a t e M O A t h r o u g h c o n s t r u c t i o n s o f s i m p l e m o d e l s , w h e r e w e t r y t o m a t c h

    t h e r u l e m o d i c a t i o n s a n d a d d i t i o n s w i t h c e r t a i n r e p r e s e n t a t i v e a s p e c t s o f t h e i n d i v i d u a l d i e r e n c e s

    o f e a c h s u b j e c t . B a s e d o n t h i s c o r r e s p o n d e n c e , w e c a n p r o d u c e s o m e s i m u l a t i o n s o f t y p i c a l b e h a v -

    i o r s . S e c o n d , w e a l s o d e m o n s t r a t e B O A t h r o u g h c o n s t r u c t i o n s o f w e l l t t i n g m o d e l s , w h e r e i n i t i a l l y

    w e h a v e t o f o c u s o n t h e t b e t w e e n t h e m o d e l ' s b e h a v i o r a n d t h e h u m a n b e h a v i o r . A f t e r o b t a i n i n g

    s a t i s f a c t o r y c o r r e s p o n d e n c e t h e n w e m o v e o n t o a n a l y s i s o f r u l e m o d i c a t i o n s a n d a d d i t i o n s n e e d e d

    f o r t h e t . L a s t , w e d e n e M O A a s a d e d u c t i v e w a y o f i n v e s t i g a t i o n , a n d B O A a s a n i n d u c t i v e w a y o f

    i n v e s t i g a t i o n , b o t h o f w h i c h p r o v i d e u s w i t h s t r o n g m e t h o d o l o g i e s f o r e x p l o r i n g h u m a n m i n d s .

    1 . I n t r o d u c t i o n

    I n t h e p a s t t h r e e d e c a d e s t h e m e t h o d o l o g y f o r

    s t u d y i n g c o g n i t i v e s c i e n c e h a s b e e n w e l l d e v e l o p e d

    a n d e s t a b l i s h e d . I n t h i n k i n g a n d r e a s o n i n g s t u d i e s ,

    m a n y r e s e a r c h e r s h a v e f o c u s e d o n c o n s t r u c t i n g p r o -

    c e s s m o d e l s t h a t e x p l a i n h u m a n p r o b l e m s o l v i n g .

    E v e r y s t u d y h a s i t s o w n s p e c i c m e t h o d f o r c o n -

    s t r u c t i n g s u c h m o d e l s . W e c a n c l a s s i f y t h e m e t h o d s

    i n t o t h e f o l l o w i n g t w o b a s i c c a t e g o r i e s : t h e p s y c h o -

    l o g i c a l a p p r o a c h a n d t h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h .

    I n t h e p s y c h o l o g i c a l a p p r o a c h , o n e o f t h e b e s t

    k n o w n m e t h o d s f o r s t u d y i n g t h i n k i n g a n d r e a s o n -

    i n g i s t h e t h i n k a l o u d m e t h o d [ E r i c s s o n 8 0 ] , i n

    w h i c h r e s e a r c h e r s u s e a c o d i n g s c h e m a a s a m o d e l

    o f h u m a n t h i n k i n g p r o c e s s e s . A s s u b j e c t s s o l v e a

    p r o b l e m , t h e y a r e a s k e d t o v e r b a l i z e t h e i r t h o u g h t s .

    T h e r e s e a r c h e r s t h e n l a b e l e a c h s e g m e n t o f t h e s u b -

    j e c t s ' p r o b l e m s o l v i n g p r o c e s s b a s e d o n t h e s c h e m a

    W e h a v e l e a r n e d m u c h a b o u t h u m a n t h i n k i n g p r o -

    c e s s e s t h r o u g h , f o r e x a m p l e , a n a l y z i n g t h e o c c u r -

    r e n c e o f e a c h s e g m e n t a n d f o c u s i n g o n i n t e r e s t i n g

    p a t t e r n s o f a s e r i e s o f s e g m e n t s .

    T h e o t h e r a p p r o a c h i s t h e c o m p u t a t i o n a l a p -

    p r o a c h . I n t h i s a p p r o a c h , a m o d e l o f h u m a n p r o b -

    l e m s o l v i n g i s r e p r e s e n t e d a s a c o m p u t e r p r o g r a m .

    F o r p r o c e s s m o d e l s , o n e o f t h e m o s t p o p u l a r a n d

    s u c c e s s f u l f r a m e w o r k s i s t h e p r o d u c t i o n s y s t e m a r -

    c h i t e c t u r e [ A n d e r s o n 9 3 , N e w e l l 9 1 , N e c h e s 8 7 ] .

    T h e s e t o f p r o d u c t i o n r u l e s c o n s t i t u t i n g a c o m p u t e r

    p r o g r a m i s c o n s i d e r e d s u c c e s s f u l i f i t p r o d u c e s |

    t h r o u g h c o m p u t e r s i m u l a t i o n s | t h e s a m e b e h a v i o r

    a s h u m a n s . O n e p r o g r a m c a n o n l y r e p r e s e n t a p r o -

    t o t y p e m o d e l o f m a n y h u m a n s u b j e c t s . I n d i v i d -

    u a l d i e r e n c e s c a n b e a c c o u n t e d f o r b y m o d i f y i n g

    t h e m o d e l s , f o r e x a m p l e , b y r e m o v i n g s o m e r u l e s o r

    a d d i n g n e w o n e s [ S i m o n 7 5 , S i m o n 7 8 , Y o u n g 8 1 ] .

    Nov. 1999 D e d u c t i v e a n d I n d u c t i v e W a y s o f I n v e s t i g a t i o n o n H u m a n P r o b l e m S o l v i n g 1

  • 8/22/2019 Reasoning Inductive & Deductive Paper

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    B o t h t h e p s y c h o l o g i c a l a n d t h e c o m p u t a t i o n a l

    a p p r o a c h h a v e t h e i r o w n a d v a n t a g e s i n i n v e s t i g a t -

    i n g t h e h u m a n m i n d . H o w e v e r , s i n c e t h e t w o a p -

    p r o a c h e s a r e s t r o n g l y r e l a t e d ; o n e c o m p e n s a t e s f o r

    t h e o t h e r , a w e l l - d e s i g n e d c o m b i n a t i o n o f t h e t w o

    a p p r o a c h e s e n a b l e s u s t o u n d e r s t a n d t h e h u m a n

    m i n d b e t t e r t h a n e i t h e r a p p r o a c h a l o n e . A c t u a l l y

    p r o c e s s e s o f s o l v i n g a s i n g l e t a s k t h a t p r o v i d e d a

    c o m m o n o p p o r t u n i t y f o r d i s c u s s i n g a c e r t a i n r e -

    s e a r c h t o p i c w a s o f t e n a n a l y z e d b a s e d o n b o t h t w o

    a p p r o a c h e s : f o r e x a m p l e , T o w e r o f H a n o i p r o b -

    l e m [ S i m o n 7 5 , A n z a i 7 9 ] , t h e 2 - 4 - 6 t a s k [ K l a y m a n

    8 9 , M i w a 9 6 ] , n d i n g t h e K e p l e r ' s t h i r d l a w [ Q i n

    9 0 , L a n g l e y 8 7 ] .

    I n t h i s p a p e r , w e w o u l d l i k e t o c o n s i d e r t h e r e -

    l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s e t w o b a s i c a l l y d i e r e n t ,

    b u t m u t u a l l y c o m p e n s a t i n g , a p p r o a c h e s t o s t u d y -

    i n g c o g n i t i v e s c i e n c e .

    B r i e y w e w i l l s u m m a r i z e t h e c o n t e n t s o f t h i s p a -

    p e r .

    I n t h i s p a p e r , w e u s e a m o d e l r e p r e s e n t a t i o n

    b a s e d o n p r o d u c t i o n s y s t e m s f o r t h e c o m p a r i s o n

    o f t h e t w o a p p r o a c h e s ; t h e r e p r e s e n t a t i o n w i l l b e

    i n t r o d u c e d i n 2 . F o r d e m o n s t r a t i n g a n d v e r i f y i n g

    o u r d i s c u s s i o n s , w e u s e t h e c r y p t a r i t h m e t i c t a s k

    a n d c o n s t r u c t c o m p u t a t i o n a l m o d e l s t o s o l v e i t .

    W e c h o s e t h i s t a s k b e c a u s e i t h a s a l r e a d y b e e n

    a n a l y z e d i n d e t a i l | a n d w e c a n u s e t h a t a n a l y s i s

    f o r c o m p a r i s o n | a n d b e c a u s e i t s c o m p l e t e p r o t o -

    c o l d a t a a r e r e a d i l y a v a i l a b l e [ N e w e l l 7 2 , W a t e r -

    m a n 7 1 ] . T h e c o m p u t a t i o n a l a p p r o a c h i s c a l l e d

    M o d e l O r i e n t e d A p p r o a c h , o n t h e o t h e r h a n d , t h e

    p s y c h o l o g i c a l a p p r o a c h i s c a l l e d B e h a v i o r O r i e n t e d

    A p p r o a c h . I n s e c t i o n s 3 a n d 4 , w e d e m o n s t r a t e

    a n a n a l y s i s o f t h e M o d e l a n d B e h a v i o r O r i e n t e d

    A p p r o a c h b a s e d o n t h e p r o d u c t i o n s y s t e m m o d e l

    r e p r e s e n t a t i o n i n t r o d u c e d i n s e c t i o n 2 . F i n a l l y i n

    s e c t i o n 5 , w e c o m p a r e t h e t w o t y p e s o f a n a l y s i s ,

    a n d d i s c u s s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e t w o a p -

    p r o a c h e s a s m e t h o d o l o g i e s f o r e x p l o r i n g t h e t h i n k -

    i n g a n d r e a s o n i n g p r o c e s s e s o f h u m a n s .

    2 . M o d e l R e p r e s e n t a t i o n

    21 Basic Model Representation

    F i r s t , w e w i l l i n t r o d u c e o u r m o d e l r e p r e s e n t a t i o n

    Production systemfor Subject 1

    Primaryrules

    Parametersfor Subject 1

    Additional rulesfor Subject 1=

    +

    Primaryrules

    Parametersfor Subject 2

    Additional rulesfor Subject 2=

    +

    Primaryrules

    Parametersfor Subject n

    Additional rulesfor Subject n=

    +

    ... ... ...

    Production systemfor Subject 2

    Production systemfor Subject n