基于線索的頓悟問題解決:圖式和表征操作的影響的教育理論論文
1 問題提出
問題解決的關鍵在于形成正確的表征，正如simon所說，正確表征問題就等于完成了問題解決的一半[1]。前人研究證實，問題解決者的圖式運用水平和表征操作能力是影響問題解決的兩個重要方面[2～7]。圖式運用水平的概念基于“每一次理解都需要一個人已有知識參與”的理念[8]，指問題表征的建立依賴知覺系統對有關問題信息的覺察和過去知識經驗對知覺信息的解釋的程度，特別是已有的問題樣例和理論范疇與當前問題自動化聯結的強度。從建構論和系統論的角度看，隨著兒童年齡的增長、經驗和知識的不斷積累，內部認知圖式的數量和運用的自動化水平不斷提高；但有時一些表面特征相似性也會導致錯誤的類比和范疇化，這時已有的知識經驗就成為問題解決的障礙。
另外，表征操作能力也與問題的成功解決有關[9]。表征操作能力可狹義理解為問題解決者可同時協調操作的表征個數。case認為，發展的一個主要變化就是兒童解決問題時執行控制結構(executive control structure)操縱范圍的變化，尤其反映在兒童能夠思慮和協調的選擇的數量上[10]。在表征技能發展規律上fischer與case有著類似的觀點。fischer認為，技能的發展有一個等級森嚴的發展順序，包括10個水平3個層次，每一層次反映的是兒童對信息進行控制的一般情況[11]。例如，在表征層次水平，兒童能控制一個單獨的表征，即獨立他們行為之外的物體、人物、事件等某種單一屬性的表征，但他們不能將這些表征中的兩個或多個協調起來。在水平2，兩個表征能夠協調起來(fischer稱為為對應)；在水平3，兩個(或多個)對應結合起來就構成了所謂“系統”。因此，表征操作能力的發展對于問題解決，特別是復雜問題的解決有著重要的意義。
表征操作能力的發展有利于多個表征的協調操作，能夠促進問題的解決；而圖式運用對問題解決的影響是雙向的。因此，這兩種能力的同時發展對頓悟問題解決的影響方式和結果可能會有異于常規問題。眾所周知，頓悟問題正是通過自身多種多樣的“表征陷阱”引發解決者的定勢思維，使得問題無法得到正確表征。我們利用辛自強提出的關系-表征復雜性模型[12]將頓悟問題界定為關系復雜性較低而表征復雜性較高的一類問題。低關系復雜性表現在問題中所需操作的單位數量少，可能存在的關系組合有限，使得解決者不自覺地運用已有經驗圖式去錯誤地表征問題，一方面，圖式本身可以構成定勢，另一方面，圖式運用水平越高，基于自動化聯結的提取速度越快，解決者越容易更快更持久地陷入錯誤表征；高表征復雜性表現在解決者需要克服多重的知覺定勢，因而涉及多個表征的協調操作。從發展的角度看，圖式運用水平和表征操作能力是同步增長的，其各自的促進和制約作用會使得不同年齡兒童頓悟問題解決的表現存在一定的年齡差異。
基于對這一問題的關注，我們試圖在頓悟問題任務中控制線索的類型和數量以構建與圖式運用水平和表征操作能力相對應的考察系統，以被試在不同線索下的表現來反映其兩種能力發展的程度。因此，可以借助這一框架從兩個方面對圖式的發展水平進行考察：第一，當線索數量較為單一時，不同年齡被試解決頓悟問題成績的差異可以反映圖式運用的程度。我們的假設是，面對單一線索時，高年級兒童會比低年級兒童將更多的經驗圖式與線索整合起來形成問題表征。第二，線索的類型存在差異，與經驗圖式相聯系的線索并不能顯著提高被試的解決成績，甚至會起到阻礙作用。表征操作能力則通過線索的數量來考察，我們的假設是，多重線索只有在表征操作能力得到一定發展的情況下才會有利于頓悟問題解決，因此，多重線索對于高年級兒童的易化作用應該顯著高于低年級兒童。
本研究選取11-17歲這一包含表征發展的幾個重要時期的年齡段，通過實驗設計來考察不同年齡被試在不同線索下解決t puzzle問題的成績的變化。我們預期：(1)由于圖式運用水平的發展，在單一線索下，高年級被試的頓悟問題解決會受到更多經驗圖式的阻礙。(2)由于表征操作能力發展水平的限制，增大需操作表征數目的線索不利于低年級被試的問題解決；較高的表征操作能力發展水平使得高年級被試在多重線索下有更好的解決成績(3)與圖式相關的線索并不能有效提高兒童解決頓悟問題的效率。
2研究方法
2.1被試
來自某省高校附屬小學、初中、高中學生共270人，其中小學五年級學生90人(平均年齡11.4歲)，初二學生90人(平均年齡14.5歲)，高二學生90人(平均年齡17.2歲)，視力良好，均未接觸過t puzzle問題。將被試隨機分為6組，分別接受6種不同的線索。
2.2實驗材料
2.2.1 t puzzle任務簡介
實驗任務采用t puzzle(四巧板拼t任務)的變形材料作為實驗任務。原任務為用圖1所示的四巧板拼出一個“t”來。
t puzzle任務材料本身只有4塊板，符合關系復雜性低的要求，但任務本身又包含“抑制解除理論(constrains-relaxing)”中界定的三種阻礙頓悟問題解決的定勢：對象定勢(objective constrains)、關系定勢(relation constrains)和目標定勢(goal constrains)[13,14]。對象定勢是有關材料操作單元本身的性質、用途和表征方式的定勢，比如在t puzzle任務中，對象定勢表現為人們通常將五邊形的板水平或垂直擺放；關系定勢是指材料操作單元之間相互結合的關系的定勢，在t puzzle任務中，表現為人們為了形成完型而總是試圖去填補五邊形的凹槽。目標定勢是對問題答案的知覺，在此任務中表現為對于所給予的t形邊框的反饋，這一定勢在元認知層面與認知圖式相聯系。多種定勢的存在使得這一問題的解決需要多個表征的協調操作。這個任務有以下優點：
圖1 t puzzle任務
(1)這個任務符合對頓悟問題的各種類型的界定，同時具有一定的難度，通常沒有提示的情況下，被試自發解決需要20分鐘甚至1小時以上。這一特點使對其進行時間過程性的考察成為可能；
(2)操作簡單，方便觀察記錄；
(3)同時，這個任務具有一定的趣味性，被試參與的積極性高，能夠主動配合；
(4)這個任務在頓悟研究中很少被采用，被試的熟悉性低；
(5)屬于圖形任務，受背景知識和文化差異的影響小，適合不同年齡階段、不同種族的被試使用。
2.2.2 t puzzle任務的變形，按線索類型分為以下6種，如圖2所示：
(1)對象(o型)線索：每一塊板上都寫有一個“正”字，五邊形板上的“正”字與該板橫向或豎直擺放方向呈45度角，也就是說，只有將五邊形板斜45度擺放時，該板上的“正”字才能與其他板上的“正”字方向相一致。這一線索克服了習慣上將五邊形板橫向或豎直擺放的對象定勢。
(2)對象+目標反饋(o+f型)線索：在對象線索的基礎上，給被試一張畫有與實際可擺出t形大小相同的輪廓，要求被試在此輪廓內t puzzle。這一類型線索在克服了對象定勢的基礎上又給予了被試目標反饋。
(3)關系(r型)線索：此任務的錯誤定勢之一存在于操作單元之間關系上，被試為構建完型而總是試圖用其他板來填充五邊形板的凹槽。針對此類定勢，關系型線索就是幫助被試構建新的完型，具體方式就是在正確銜接的兩塊板上用醒目的顏色勾勒出兩個三角形，而這兩個三角形很容易構成一個新的完型(矩形)，因而實現主要構架的正確關系聯結。
圖2 t puzzle任務的6種不同的線索類型
(4)關系+反饋(r+f型)線索：在關系線索的基礎上，給被試一張畫有與實際可擺出t形大小相同的輪廓，要求被試在此輪廓內t puzzle。這一類型線索在克服了關系定勢的基礎上又給予了被試目標反饋。
(5)對象+關系(o+r)線索：同時具備對象線索和關系線索，即克服了對象定勢又克服了關系定勢，但需要對兩個表征進行操作。
(6)對象+關系+反饋(o+r+f)線索：同時具備對象線索和關系線索，且給予目標反饋。
這些線索在兩個維度上有所區別：第一，與認知圖式相聯系的線索(帶有t形邊框的線索)和有助于打破知覺定勢的線索(如o或r線索)；第二，線索的數量(單一線索和多重線索)。首先，被試在單一線索下(如o或r線索)問題解決成績的年齡差異與圖式運用水平相關，高年級被試的表現可能會受到高圖式運用水平的制約；其次，與認知圖式相聯系的線索(反饋線索)并不能有效提高被試解決問題的效率；最后，線索的數量有助于考察表征操作能力，多重線索(如o+r型和o+r+f型)的利用需要具備對多個表征進行協調操作的能力，如果被試這一能力尚未發展到一定水平，這種線索只能起到阻礙作用。
2.2.3操作引導程序
一套互動呈現軟件，采用visual basic6.0編寫。主要用于記錄被試基本信息、在不同線索下解決問題的時間。
2.3研究設計
采用兩因素3×6被試間設計，第一個因素為年齡，分為五年級、初二、高二3個水平；第二個因素為線索類型，分為對象(o型)線索、對象+目標反饋(o+f型)線索、關系(r型)線索、關系+反饋(r+f型)線索、對象+關系(o+r型)線索和對象+關系+反饋(o+r+f)線索6個水平。不同年級內按照線索類型隨機分配被試，分別在6種不同的線索下完成t puzzle的任務。記錄的結果指標為被試解決t puzzle問題所用的時間，精確至毫秒(ms)。
2.4研究程序
2.4.1進行一對一測試 被試和主試坐在計算機顯示屏兩側，均與屏幕呈45度角，被試面前是空白桌面，上面放有四巧板實物，被試可以進行實際操作。主試負責用鼠標控制操作引導程序。
2.4.2顯示初始界面，主試在程序上記錄被試基本信息，并做紙筆版備份，以便核對。完畢，主試點擊鼠標，進入正式程序，頁面顯示指導語介紹任務。
指導語1：你玩過四巧板的游戲嗎？四巧板游戲就是用四塊不同形狀的板拼出各種圖案來。請你用四巧板拼出一個“t”來。
2.4.3被試表示明白任務要求后，主試向被試呈現不同線索的四巧板材料。在被試進行操作之前，提示被試板上具有有利于解決問題的線索。除此以外，不給予任何提示。如果被試沒有疑問，點擊“next”進入測試。
2.4.4開始測試。被試利用不同線索的材料完成任務，從被試開始操作的那一刻，主試點擊開始，程序顯示時間進程，直至被試完成，主試點擊完成。程序自動記錄解決問題的起止時間。
2.5數據收集與處理
程序自動生成result.txt文件保存結果，采用excel2003進行數據的合并將數據導入spss10.0進行分析。
3結果與分析
實驗過程中，所有被試均在規定時間(10分鐘=600000 ms)內完成任務。對不同年齡被試在不同線索下的解決時間進行方差分析，結果如下表：
表3-1不同年齡被試在不同線索下解決t puzzle任務時間的平均數和標準差 人數 小學五年級 初中二年級 高中二年級 線索類型 n m(ms) sd m(ms) sd m(ms) sd 對象線索(o) 15 233248 129881.20 270965.9 167750.70 492441.90 157198 對象+反饋線索(o+f) 15 143144.20 82241.96 330849.2 163139.10 370660.30 204423.50 關系線索(r) 15 226819.70 165884.60 201642.2 138362.30 331509.30 210750.80 關系+反饋線索(r+f) 15 316734.90 175520.10 182049.4 146556.30 326233.90 167635.60 對象+關系線索(o+r) 15 162596 33673.36 192816.8 81361.75 80176.27 90811.97 對象+關系+反饋線索(o+r+f) 15 204642.50 128624.90 167941.8 83097.47 146316.50 152051.40
方差分析結果顯示，被試年齡的主效應達到了顯著水平(f[，(2.252)]=7.44，p=0.001＜0.05)，同時，線索類型的主效應也達到了顯著(f[，(5,252)]=10.71，p=0.00＜0.001)。被試年齡和線索類型存在顯著的交互作用(f[，(10,252)]=5.62，p=0.000＜0.001)。說明被試在此類頓悟問題上的解決時間存在一定的年齡特征，同時年齡和線索類型都對問題解決時間存在顯著影響(圖3)。
圖3不同年級兒童在不同線索下的解決時間
3.1被試在不同線索下t puzzle問題解決速度的年齡差異
多重比較表明，高二學生的問題解決所需的時間同其他兩個年級之間存在顯著差異，表現為，高二學生的解決時間顯著高于小學五年級(p=0.000＜0.001)和初中二年級(p=0.002＜0.05)，說明17歲被試相比11歲和14歲被試，在解決t puzzle任務時需要花費更多的時間。
簡單效應檢驗表明，在對象線索(p=0.000＜0.001)、對象+反饋線索(p=0.000＜0.001)和關系+反饋線索(p=0.021＜0.05)下，不同年齡被試的解決時間存在顯著差異。進一步的one-way anova結果表明，在對象線索下，高三年級學生的解決時間顯著高于其他兩個年級(p=0.000＜0.001，p=0.00＜0.001)，在對象+反饋線索下，小學五年級學生的解決時間顯著低于高二和初二兩個年級的學生(p=0.002＜0.005，p=0.000＜0.001)，在關系+反饋線索下，初二學生的解決時間顯著低于高二和小學五年級學生(p=0.030＜0.05，p=0.020＜0.05)。
由結果可以看出，不同年齡被試在不同表征線索下解決頓悟問題速率變化規律是不同的。首先，在頓悟問題解決速度上，小學五年級和初中二年級的被試表現總體要好于高中二年級。其次，被試在對象線索下和對象+反饋線索下的解決問題速度呈現相同的模式，即隨年齡的升高，解決問題的速度反而逐漸減慢；關系+反饋線索下，從五年級到初二，被試的解決速度顯著提高，到高二速度又有所下降，成績表現上與五年級時基本一致。再次，相對于單一目標線索，關系線索更有利于頓悟問題的解決；線索的聯合作用并不一定對頓悟問題解決速度有促進作用，被試在有目標反饋的線索下的成績均未顯著超過與之相對應的不包含目標反饋的線索。最后，高二被試在有效線索(o+r)下的解決速度明顯優于其他年齡的被試。
3.2圖式運用水平和表征操作能力發展對不同年齡兒童頓悟問題解決的影響
對五年級兒童來說，o+r和o+r+f線索并沒有比任何一種單一線索有助于被試問題解決效率的提高。r+f線索甚至比單一的r線索降低了被試的解決效率(p=0.00＜0.05)。這一結果印證了我們的假設，五年級兒童表征操作能力處于相對較低的水平。增大表征操作負荷的線索并不利于其問題的解決。
高二年級兒童則表現則正好相反。被試在單一線索下問題解決的效率較低。o+r和o+r+f線索和單一線索相比有效地提高了他們解決問題的效率，目標反饋線索f(和圖式有關)僅在o+f的組合上比單一的o線索有顯著的易化作用(p=0.011＜0.05)，但r+f線索和r線索相比以及o+r+f和o+r相比均沒有顯著促進被試解決的效率。說明高二兒童的表征操作能力和圖式運用水平都達到了較高的水平，被試能夠同時操作兩個或兩個以上的表征來解決問題，但圖式線索和知覺經驗相聯系，較高的圖式運用水平在單一線索下不會提高頓悟問題解決的成績。
初二兒童的表現介于兩者之間，被試除在r線索上解決問題的時間顯著高于其他線索外，在其他各線索下的解決時間不存在顯著差異。說明初二是圖式運用水平和表征操作能力發展的一個相對平衡的時期，多重線索的易化作用體現在關系線索上，而在對象線索上則不顯著，說明這個階段兒童的表征操作能力還處在由低向高的發展階段。同時圖式運用水平也得到了發展，但還存在矛盾性，一方面表現單一線索下對問題的解決效率高于五年級兒童，另一方面表現在與圖式相關的f線索與r線索的聯合存在一定的易化作用(p=0.003＜0.05)。
4 討論
實驗結果中不同線索類型易化作用的差異所反映的是兒童圖式運用水平和表征操作能力的同步發展對于問題解決過程的影響。隨著年齡的增長，兒童在單一線索下解決問題的速度有所下降，而在多重線索下解決問題的速度有所上升。隨年級的升高，兒童在關系+反饋線索上的成績呈現v形的起伏，五年級的兒童的成績低于初二年級，到了高二，成績又發生回落，回到了與五年級相同的水平。五年級即11歲兒童的解決問題成績低于初二學生，即14歲兒童，原因是11歲兒童尚不能洞悉兩種表征之間的相互關系，不能夠熟練對多個表征進行操作，但是圖式作用的弱化使其能更有可能形成正確的表征，而到了初二階段，在14歲這個水平上，這兩種能力都有所提高，但發展的速率并不一致，表現為表征操作能力發展的速度快而圖式發展的速度和數量水平相對較低，因此解決問題的成績相對有所提高；到了高二，17歲這個階段上，圖式的數量和水平快速增長，而表征操作的水平已經基本定型，因此形成定勢的可能性大大增加，導致了頓悟問題解決成績的下滑。但從結果可以看出，高二被試對于非沖突信息的線索的敏感性是最高的，這類良好線索一旦出現，這一年齡被試解決問題的速度會迅速提高，在這一點上，我們的結果從另一個側面支持了enns、brodeur和boden等人有關“學齡兒童和成人都自動地產生易化效應來自高有效性線索條件下，但成人的易化效應遠大于兒童”的結論[15]。由此引出的結論是，五年級和高二學生雖然表現為一致，但實際上導致相同成績的原因是不同的，高中生解決問題成績的下降并不代表流體智力的下降，其問題表征能力仍然獲得了發展。
隨著年齡的增長，兒童對表征操作的熟練性增強，能同時操控的表征數目增加，與此同時，知識經驗的增長使問題解決圖式的數目也在增長。表征的熟練性和同時操控的表征數量的增多都是有利于問題解決的，在這一點上頓悟與常規問題是相同的，但是，對于常規問題來說，問題解決圖式的增長是有利于解決方案的形成的因素，而對于頓悟問題來說，已有圖式是導致定勢產生的重要原因。年齡較小的兒童表征操作的熟練性較低，能同時操控的表征數量有限，使其面對頓悟問題的表征層次復雜性時會遇到困難，比如，很多兒童即使能夠打破對象定勢，亦不能在短時間內在此基礎上打破關系定勢。但是，由于先前圖式較少，或圖式與心理表征的聯結強度并不大，使得年齡較小的兒童容易將組塊分解重新組合形成新的產物，從而達到問題解決。與之相反，年齡較大的兒童雖然在表征的映射和表征的同時操作上具有優勢，然而先前圖式往往在問題解決的元認知水平上先于解決的步驟出現，影響表征的選擇，而選擇的結果往往是落入了題目的“表征陷阱”。
本研究的結果也支持了fischer有關兒童認知技能發展的觀點。小學五年級兒童處在表征技能階段向抽象技能過渡的轉折時期，已經能夠熟練地進行單個單位的抽象表征，但是對多重抽象表征的控制協調能力還不強，因此，即使一個以上的線索出現，此時的兒童尚不能熟練同時運用多個線索解除多個定勢以獲得正確的表征，因此多重線索和單一線索對于五年級兒童解決問題的速度的影響差別不大。同時，在面對單一表征的線索時，也不易受知識經驗或其他可能出現的表征的影響，因此相對于易造成干擾的線索聯合作用(如r+f)，五年級兒童在單一表征線索下有較好的問題解決的成績。初中二年級的兒童處在fischer所說的抽象技能第2個階段，在這個階段，兒童能夠實現兩個抽象表征的對應和協調，因此，這個年齡階段的被試的成績較為平穩，在面對單一或兩重表征線索時起伏不大。高二的被試處在抽象技能中由第2個階段向第三個階段轉化的過程中，對表征諸單位有了系統化的認識和加工，因此，面對單一線索時，傾向于將線索與經驗圖式進行整合，在此過程中容易受到與經驗圖式相沖突的信息的干擾，使問題解決的速度受到影響。
5 結論
(1)由于圖式運用水平的發展，知覺定勢在單一線索下對高二被試的限制作用更為明顯，導致小學五年級和初中二年級被試的問題解決時間短于高中二年級。
(2)由于表征操作能力發展水平的限制，增大需操作表征數目的線索不利于五年級被試的問題解決；較高的表征操作能力發展水平使得高二被試在多重線索下有更好的解決成績。
(3)與圖式相關的線索并不能有效提高兒童解決頓悟問題的效率。
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