思考的要素和問題解決能力探討

黃根哲，劉博林，趙海霞

(1.長春理工大學，吉林 長春130022；2.青島科技大學，山東 青島 266061)

一、思考的三個特征

人的大腦功能包括運動功能、感覺、語言、情緒、思考(認知功能)[1-2]。其中運動功能的運行方式是信息從大腦發出，通過神經網絡傳遞到身體的運動單元以達到控制肌肉的目的。感覺是通過人體感受器把接受到的外部信息傳輸到效應器并產生知覺的過程，這些外部信息通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺感受器官被接受后傳遞至大腦的效應器，并經過編碼處理后把信息傳輸到中樞神經系統產生感覺經驗。另外，大腦的一部分功能還負責語言的表征、情緒的調節等[3]，說明大腦真正用于思考(認知功能)的部分是不多的。因此，大腦進行的思考具有三個特征[4]，首先，與視覺系統能夠即時捕捉復雜的畫面相比，思考是緩慢的。當人一睜開眼睛，瞬間就能獲得面前的景象、顏色、位置等信息，但是人的思考系統不能立刻找到問題的答案；其次，與視覺系統不需費力就能獲得信息不同，思考是費力的。人可以邊看邊做其他事，但人不能在解題時思考其他的事情；最后，與視覺系統很少出錯相比，思考是不可靠的。人的視覺系統很少出錯，而且即使視覺系統出錯了，看到的東西與真實實物也是非常接近的。但是，人的思考系統往往無法得出一個接近正解的答案或答案很有可能是錯誤的。事實上，人的思考系統很有可能連正確答案都得不出來。

二、成功思考的三要素

既然人們不擅長思考，為什么還要思考呢？這是因為人生來就有好奇心，好奇心促使人不斷思考。人的思考過程正如圖1所示，就象計算機的計算過程，如果要使計算機運算速度快，需要有大容量的外存儲器向運算器輸入數據，同時要用鼠標、鍵盤、掃描儀、光筆、手寫板、攝像頭、游戲桿等輸入設備向運算器輸入數據，運算器的運算過程性數據要實時保存到內存儲器里或重新調入到運算器進行計算。其最終的運算結果以影像系統、繪圖儀、顯示器、磁記錄器、打印機、語音等形式輸出。

人的長期記憶如同計算機的外存儲器，其中不僅包含事實性知識(factual knowledge)，也包括程序性知識(procedural knowledge)。事實性知識是關于事物是什么的知識，程序性知識是執行任務時所必需的先后次序性知識[5]。長期記憶是一個存儲事實性知識和程序性知識的巨大倉庫，如瓢蟲身上斑點的顏色、個人喜歡的食物、兒時好朋友的姓名等。長期記憶中的所有信息通常儲存在意識之外(潛意識)，在調用之前人是意識不到它的存在的，而只有在大腦思考區的生物信號觸發下它才從潛意識中突現到意識區中。例如，如果人被問及：“企鵝生活在哪里？”人們幾乎會脫口而出“南極”。這個信息在30秒前還“睡在”人的長期記憶中，但是當人被問及這個問題后，人才意識到這個信息的存在，這時它才進入到思考區。

環境條件如同計算機的輸入設備，它往往是解決問題所需的先前所掌握的知識、得到的經驗、獲得的能力等外部條件。這些先前的外部條件對于解決問題而言是必要的條件，但實際情況下往往不夠充分。如果外部條件是充分的，它屬于良構問題(well-structured problems)，如果外部條件不是充分的，則它屬于劣構問題(ill-structured problems)。學生所接觸的學校問題往往是良構問題，即給定的外部條件足夠用于對問題的求解，但在工程或社會上遇到的真實問題往往是劣構問題,即現有的條件不足以解決面臨的問題。

工作記憶如同計算機的內存儲器。如果計算機的內存儲器容量小，當進行比較復雜的運算時，就常常會出現計算速度慢或“死機”現象。人的工作記憶也一樣，當大腦面對復雜的問題時，人的思考就會出現遲鈍或思維“僵硬”現象。因為計算機沒有意識，人只要輸入計算命令，無論其計算過程難易，其最終結果只能是一直計算到輸出結果或卡死為止，但人不同于計算機，人如果面對過于復雜問題時，人的意識往往就會傳遞出放棄思考的信號。

因此，人的成功思考取決于3個因素：環境的充分必要條件，長期記憶的數量和質量以及工作記憶的空間大小。如果環境條件不充分，或長期記憶的數量和質量不夠，或工作記憶的空間不足，都可能導致思考的失敗。

圖1 計算機CPU與人大腦的作用機制比較

三、關于“問題”溯源

問題屬于認識論和方法論的范疇，它刻畫的是認知主體、環境、認知客體三者之間的一種關系[6]。不同的學者對什么是問題有不同的見解。美國著名人工智能學者紐厄爾和西蒙[7]對問題的理解是：當人們面臨一項任務而又沒有直接手段去完成時，就產生了問題。人一旦找到了完成任務的手段或方法，問題就可以得到解決[8]。波普爾指出，問題是已知和未知之間的張力[9]。一種綜合的觀點認為，問題是在認知主體對矛盾進行反映加工之后形成的。如果實質矛盾沒有反映到認知主體的頭腦中，那么它就不構成問題[6]。

四、問題的來源

生活中包含著極其豐富的材料和多種多樣的關系，它是一切認知活動的基礎和前提，它是前理論的、前科學的、前給予的，是我們不得不加以接受的東西。生活作為一個復雜多樣、異質雜合、協調的統一體，其中各種事物、思維、動機、需要、愿望之間存在著各種各樣的差異和矛盾，這是問題產生的最重要的不竭之源[6]。生活不斷向每個人提出具體的、日常的生活問題，也不斷向科學家、哲學家和其他思考者提出普遍的、抽象的、理論的問題[6]。在現實世界中，每天都有新事物、新現象、新問題涌現出來[6]，它們給人類提出了挑戰，迫使人類思考它們，從前人們提出同性戀、變性人、艾滋病人是否可以結婚的問題，如今在亞洲又提出了因兒子的精子導致不育，是否可用公公的精子為兒媳人工授精的問題[10]。另外，科技工作者都是從科學發現、技術發明、改革創新等活動中提出問題。例如，地球北半球的臺風為何逆時針旋轉？ 冬天為何不產生臺風？如何確認地球在自轉？為何位于北緯14°線至35°線的撒哈拉地區形成沙漠地帶，而不是最熱的赤道附近？

五、問題的適切性

問題有真假之分，真正的問題是未被前人解決過、未上升到理論層面的問題。這樣的真實問題像火石，它能點燃智慧之燈，照亮人前進之征程。真實問題是智慧的迷宮，它對人們的思考能力提出挑戰，并引導人們去提高和發展他們的思考能力。真實問題之所以有激發功能，是因為它有挑戰性、刺激性。問題，尤其是困難的、新奇的真實問題，是對人的能力、精神、意志、知識水平和方法的挑戰和考驗。問題使人從“學習狀態”躍遷到“研究狀態”，不能解決問題往往會給人一種壓力，一種痛苦感、失敗感。而一旦問題得到解決則使人產生一種征服感、控制感、喜悅感和成就感[8]。因此，“以問題為導向”的研究像一塊磁石，會引導人們思考、分析、探索問題背后真正的根源。

未知問題的提出和解決會讓人著迷，但不是所有問題都能激發人的探求精神，能使人產生非解決不可的問題一定是適切的問題。如果一個問題對解決者因環境條件不充分，或長期記憶的數量和質量不夠，或工作記憶的空間不足，導致解決問題毫無進展時，問題會讓人產生沮喪、氣餒等負面情感體驗，最后的結果有可能就會放棄解決問題；同樣，如果問題過于簡單或一眼就能洞悉答案，問題解決者就會感到無聊，也不會產生愉悅感。適切的問題解決過程中的思考能給人帶來滿足感、成就感。這為以問題為導向的教學提供了佐證，即教師首先要通過學情分析，了解學生的學科素養情況，分析學生的學習特點，然后向學生提出不是過難或過易的問題。當學生動用自己所學到的前期知識，經過認真思考后，問題得到了解決，其內心就會產生愉悅感、成就感，甚至是自信心。

六、長期記憶和問題解決能力的關系

20世紀50年代，受前蘇聯分科系統教學的影響，傳統的學校教育以分類知識教育尤其是以“知識的長期記憶”為主，造成學生記憶了很多知識，但不知如何學以致用、不能用于解決實際問題，導致學校教育培養了大量的只會讀書不會解決問題的“書呆子”。但自從國家提出“大眾創業、萬眾創新”這“雙創”舉國體制后，學校教育教學從“知識教育中心”向“能力教育中心”潛移默化的過程中，一定程度上出現了“重能力培養、輕知識傳授”的另一個極端現象，似乎人的能力培養可以拋開人的長期記憶知識的儲備。而且，長期以來偉大的思想家往往存在一種悖論，即盡管他們擁有大量的長期記憶知識，卻往往表現出對長期記憶的不屑一顧，例如，心理學家B·F·斯金納曾說：“教育是所有學習的知識被遺忘后唯一留下的東西。”作家馬克·吐溫說：“我從來不讓上學干擾我受的教育。”作家亨利·布魯克斯·亞當斯曾說：“說到教育，沒有什么比干巴巴的事實積累的無知更讓人驚訝的了。”哲學家阿爾弗雷斯·諾斯·懷特海德曾說：“學習對你沒有用，除非你丟掉教材，燒毀筆記，忘記應付考試要背的瑣碎細節。”詩人拉爾夫.瓦爾多.艾默生曾說：“我們在中學、大學沉悶地學了10年或者15年，最后只有一肚子的單詞，什么都不懂”。愛因斯坦更有一句人人都耳熟能詳的名言：“想象力比知識重要。”[11]事實果真如此嗎？答案是否定的。現舉一例為證，法國數學家和物理學家科里奧利[12]小時候很喜歡郊游，經常到郊外嬉戲。他經過長期觀察發現：向南流向的大河在兩岸地質條件相同的情況下，河水前進方向的右岸總是比左岸被沖刷得嚴重，這種奇特的自然現象在他幼小的心靈里留下了難以忘卻的長期記憶。他長大以后，經過深入研究發現：這是由于地球的自轉，在地表會產生一種能使運動流體的方向發生偏斜的力，這種力叫地球自轉偏向力。此項發現為后來人類的交通運輸、堤壩建筑、氣象預報等與地球自轉有關的工程實際問題的解決提供了理論依據。

因此，可以說長期記憶的數量和質量是問題解決能力發展的基礎，人對自然現象、社會情形和思維特征等事物發展的脈絡了解得越多，常識越豐富，知識掌握得越牢固，相應的技能越熟練，越有利于問題解決能力的提高。如果離開掌握知識的活動去談發展解決問題的能力，其能力就成為無源之水、無本之木[13]。因此，學校教育不應該提倡從“知識中心”轉移到“能力中心”，不能把“學會”與“會學”對立起來，更不能因知識更新太快，就不重視學生基礎知識的學習和掌握。相反，越是知識更新的快，越要有廣博的知識視野、合理的知識結構和良好的知識素養。

七、工作記憶空間和問題解決能力的關系

圖2所示為搬運圓盤的游戲。在位置1有3個從下往上依次減小的圓環。任務是將3個圓環都移動到位置3的柱子上。移動圓環有兩個規則：一次只能移動一個圓環，移動過程中不能將大圓環放置在小圓環上。通常情況下，一般人只要花一點時間就能解答出這個問題，但是出這道題的真正目的是體會大腦中的工作記憶被充斥的困難局面。首先你要從環境中獲取游戲界面的狀態和游戲規則，然后想象著移動圓環，你必須在大腦的工作記憶空間保存解題的中間步驟，即3個圓環的位置，然后思考并分析可能的結果，同時你需要記住移動過程中的規則要求。例如，你想象把圓環C放到位置2，再把圓環B放到位置3，這時你就發現無法把圓盤A放到位置3，因為這已經違反了“大圓環不能放置在小圓環上”的規則。于是，你又在大腦的工作記憶空間重新設計，想象把圓環C放到位置3，把圓環B放到位置2，之后，再把圓盤C從位置3放到位置2，這時候是符合游戲規則的，再后，把圓盤A從位置1移動到空出來的位置3，把位置2的圓盤C從位置2移到位置1，把位置2中的圓盤B移到位置3，最后，把位置1中的圓盤C移到位置3。這樣，如果你能夠用大腦記住以上所有中間過程和規則，你就能完成整個想象游戲。但是，如果你同時在工作記憶空間放入太多的事物或中間步驟時，就如計算機計算過于復雜的問題時出現的“死機”一樣，你很有可能失去正在思考的中間線索，問題就無法得到解決。

圖2 搬運圓盤的想象游戲

因此，工作記憶的一個顯著特點是其空間有限，而且，研究發現，工作記憶空間不能通過知識的掌握和大腦訓練得到提高，即一個人的工作記憶空間基本上是不變的。那么，解決工作記憶有限的有效方法是什么呢？那就是通過“聯想合并”原則，把雜亂、獨立的信息看作一個單元，并以單元的形式存入工作記憶，從而減少工作記憶的負荷。例如，用英語按順序記住太陽系八大行星的名字是有一定難度的，但是用“聯想合并”原則把雜亂的英文單詞首字母以熟悉的英文語句形式寫出來就方便多了，即 My Very Educated Mother Just Served Us Noodle (受過良好教育的媽媽剛剛給我們提供了面條)，這句話中的每個單詞首字母與太陽系八大行星的首字母相同，即 Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune。人們只要記住每個單詞并想起那句簡單的英語語句，通過休謨的聯想三原則[10]：相似律(resemblance)、時空接近律(contiguity)和因果律(cause effect)，就能聯想到太陽系八大行星的英文名順序。因此，擺脫工作記憶空間有限的首要條件是要有一定的事實性知識，例如，要記住八大行星的英文名和My Very Educated Mother Just Satisfied Us Noodle這一邏輯語句。由此也可以看出，長期記憶的數量和質量直接影響工作記憶的效率[14]。美國著名心理學家丹尼爾.T.威林厄姆[4]指出，專家之所以能成為專家，那是因為專家具備“10年規則”效應，即一個人只有在某個領域花上10年以上的時間進行長期記憶知識的積累，他才有可能成為這個領域的專家。因此，可以說，專家和新手擁有的長期記憶知識的數量和質量是根本不同的，專家的大腦里擁有的是大量的經過分類、整合、歸納后的長期記憶知識體系，因此，當他遇到新的問題時，就能迅速把問題分解、歸類成最簡單的單元，從而能夠快速地找到解決問題的方法。另外，反復練習會使工作記憶中操縱信息的過程更加有效。例如，兒時學習系鞋帶的過程，孩子必須要全神貫注，即這一過程占用了孩子工作記憶的所有空間，但隨著練習越來越熟練，孩子就可以不假思索地系鞋帶了。