原型及問題本身呈現方式對科學問題解決的影響研究

摘要：本文抽取西南大學編制的《科學發明創造實驗問題材料庫》中24個科學問題作為實驗材料，隨機抽取某高校60名大學生為被試，通過操縱學習時原型呈現方式（文本原型或文本原型+圖形）和測試時問題呈現方式（文本問題或文本問題+圖形），探討原型及問題本身呈現方式對科學問題解決的影響。結果發現：（1）問題呈現方式在科學問題解決正確率上存在顯著性差異，且有圖形問題呈現方式高于文本問題呈現方式下問題解決正確率；（2）原型及問題本身呈現方式在原型激活率上存在顯著性差異，均表現為有圖形呈現方式高于文本呈現方式下原型激活率；（3）原型呈現方式和問題呈現方式的一致性在科學問題解決正確率和原型激活率上均不存在顯著性差異，且當原型及問題呈現方式均為文本+圖形的呈現方式時原型激活率和問題解決正確率均為最高。

關鍵詞：科學問題；創造性思維；原型啟發；呈現方式

一、問題的提出

科學問題是特定時代下，認識主體基于特定的知識背景，通過具體分析和縝密思考，發現和提出的關于科學理論和科學實踐中需要解決的矛盾或疑惑[1，2]。科學問題解決是人類最典型且最富有創造力的活動[1]。因此，分析和探索科學問題解決中的認知過程，對于促進個體創造力發展，提高人們問題解決能力具有十分重要的理論和現實意義。

科學問題解決除受問題本身影響外，還受思維方式、知識經驗等多種因素的影響，國內不少心理學工作者進行了相關研究[3-5]。我國學者張慶林等以科學問題解決中的頓悟過程為研究對象，提出并驗證了創造性思維的“原型啟發”理論。原型啟發是頓悟產生的基本途徑。原型啟發效應產生包含兩種機制：原型激活和原型中關鍵啟發信息的激活。前者是一種自動加工，后者是一種控制加工[6]。以往關于科學問題解決的研究多半研究結構良好的問題，而實際上科學問題大多是一些結構不良問題，這些研究在實驗范式設置上還存在一些問題，需要改進[7]。

近年來，研究者們對科學問題解決中的原型知識進行了系列研究，如朱丹（2011）、崔帥（2011）、田燕等（2011）、朱海雪等（2012），重點探討了原型中原理突出、標識、插圖、原型數量以及原型位置等對科學問題解決的影響。原理是影響問題解決的關鍵因素。“突出原理”和“指向原理的標識”有助于促進被試將注意力指向標識或對突出所提示的科學原理的歸納，提高問題解決的正確率[8]。“插圖”和“指向物體的標識”有助于直觀形象的形成，直接作用于非語言的的視空間信息加工網絡，導致視覺信息突然重組，促進問題表征方式轉換，提高原型激活率。原型激活是創造性問題解決的初級加工過程，是以具體的形象而不是抽象的概念進行的。原理突出和指向原理的標識則促進了原型中語義概念的形成，從而激活原型中關鍵啟發信息。它們分別對應原型的表面特征與深層特征。當問題的深層結構以外顯方式呈現時，新手也會根據與問題的抽象原理相關的深層結構來解決問題[9]。認知心理學認為，信息呈現方式影響信息在記憶中的表征。先前知識以較形象的方式呈現易于形成相應的表象儲存在大腦中，這種表象表征與相應概念結構對應，長時記憶中信息的先驗表象就能夠激活概念結構，成為問題解決的關鍵[10]。而有研究認為高創造性者是因為他們能夠在科學問題解決過程中形成對原型知識的“功能-構造”圖式表征和對科學問題的“構造？-功能”圖式表征，形成“大腦自動響應機制”。那么原型及問題本身呈現方式對科學問題解決是否會有影響？如何影響？與高創造性者“大腦自動響應機制”有關系嗎？

基于此，本研究以西南師范大學的《科學發明創造實驗問題材料庫》為實驗材料對某大學學生進行實驗研究。實驗為2×2的兩因素被試內設計，采用20個原型學習-12個科學問題測試的實驗范式，主要探討原型及問題呈現方式對科學問題解決的影響，并進一步探討原型及問題呈現方式的一致性對科學問題解決的影響。

二、實驗

采用《科學發明創造實驗問題材料庫》中的科學問題為實驗材料，探討原型及問題的呈現方式對科學問題解決的影響。

（一）方法

1.被試

隨機抽取在校文理科大學生60名，其中男生38名，女生22名，年齡在20～23歲之間。被試均為右利手，視力或矯正視力正常，且自愿參加實驗。

2.實驗材料

實驗材料摘自崔帥的論文《創造性問題解決中知識表征研究》和代天恩的論文《科學問題發現中的原型啟發效應》，總共24道題。為每一道科學問題及原型知識編制相應的圖形材料。

3.實驗設計

采用2（科學問題呈現方式）×2（原型知識呈現方式）的兩因素被試內設計，探討問題呈現方式與原型呈現方式對科學問題解決的影響。自變量1為原型知識呈現方式，包括文本原型（純文本原型）呈現方式和有圖形原型（文本原型+圖形）呈現方式兩個水平。自變量2為問題呈現方式，包括文本問題（純文本問題）呈現方式和有圖形問題（文本問題+圖形）呈現方式兩個水平。總共4種實驗處理水平：文本原型-文本問題；文本原型-有圖形問題；有圖形原型-文本問題；有圖形原型-有圖形問題。每組包含12個學習材料、8個干擾材料和12個情境問題。實驗中被試隨機被分成四組，四組被試被隨機分配給四種實驗處理。

因變量：以科學問題解決正確率，即解決答案正確的科學問題數占科學問題總數的比率作為因變量1；以科學問題解決中想到的原型數占原型總數的比率為原型激活率，并以此作為因變量2。

4.實驗程序

采用個別測試，使用E-prime2.0軟件編程完成實驗材料，隨機呈現并自動記錄被試反應時。整個流程包含學習和測試兩個階段。

學習階段：首先在屏幕中央呈現注視點“+”，時間為1s；接著呈現一個學習原型（呈現時限為60s，60s內被試理解原型即按“Q鍵”進入下一步，60s還未理解自動進入下一步），稍后出現第二個原型，重復之前步驟，直到學完一輪20個原型。

測試階段：屏幕中央出現測試開始提示（1s），然后呈現一個科學問題，時限為90s。如果被試90s內能想到答案，按下“Q鍵”，程序自動記錄反應時并跳到“開始答案”提示，被試在問卷上填寫答案；如果到90s被試未能想出答案，程序自動進入下一階段。稍后出現第二個科學問題，重復之前步驟，直到測試完該輪的所有12個科學問題。每組題目為一輪（學習20個原型后測試12個科學問題），每個被試共接受一輪測試（分別為4組被試進行測試）。每輪中原型按固定順序呈現，科學問題由程序隨機呈現。要求被試想到答案立即按鍵，然后對答案進行問卷測試。問卷測試時要求被試填寫解決問題的策略、原理以及所參考的知識。每一組流程如圖1所示。

（二）結果與分析

依據問卷測試結果進行0，1二級評分（未想到恰當原型或未回答記0分，想到恰當原型記1分；想到原型并能用原型正確解決問題記1分，不能想到恰當原型但能正確解決問題記1分）。每一個被試在原型激活上得1分的次數就是“原型激活”的次數。而原型激活率是指激活恰當原型占原型總數的比率，問題解決正確率僅僅是指成功解決問題占科學問題總數的比率。實驗過程中，由于電腦屏保程序設置不當，使得有些被試在E-prime2.0記錄反應時的時候有缺失而被剔除，實際收集到48份數據資料，每個被試都完成了13道題。

1.不同實驗處理下原型激活率比較

根據實驗結果獲得各實驗處理下原型激活率平均值和標準差，結果如表1所示。

2.原型呈現方式與問題呈現方式對原型激活率的影響

原型呈現方式與問題呈現方式在原型激活率上的方差分析見表2。

由表2可看出，原型知識呈現方式在原型激活率上存在顯著性差異（F（1，44）=4.202，p<.05）。科學問題呈現方式在原型激活率上差異顯著（F（1，44）=4.539，p<.05）。二者不存在交互作用（F（1，44）=0.732，p>.05），沒有發生原型呈現方式與問題呈現方式的累加效應。

3.原型及問題本身呈現方式對科學問題解決正確率的作用比較

（1）不同實驗處理下科學問題解決正確率比較

根據實驗結果獲得了不同實驗處理下的科學問題解決正確率平均值和標準差，結果見表3。

將4種實驗處理水平看作單因素水平的四種處理，繼續對不同實驗處理下的科學問題解決正確率進行方差分析，結果如表4。

從表4中可以看出不同實驗處理下科學問題解決正確率差異顯著（F（3，47）=2.978，p<.05）。

（2）原型呈現方式與問題呈現方式對科學問題解決正確率的影響

根據實驗結果，我們分別對原型呈現方式和問題呈現方式在科學問題解決正確率上進行單因素方差分析，結果見表5。

從表5可以看出，原型呈現方式在問題解決正確率上差異不顯著（F（1，44）=3.293，p>.05）；問題呈現方式在問題解決正確率上差異顯著（F（1，44）=4.481，p<.05）。二者在科學問題解決正確率上不存在交互作用（F（1，44）=0.822，p>.05）。

4.原型-問題呈現方式的一致性程度對科學問題解決的影響

將4種實驗處理水平看作單因素水平的2種處理，繼續對原型-問題呈現方式一致性程度對科學問題解決的影響進行探討。從表3和表5可以看出，原型-問題呈現方式一致性程度對科學問題解決的作用比較復雜，隨著原型及問題呈現方式不同而發生變化。當原型及問題呈現方式均為文本呈現時，二者呈現方式一致性程度對科學問題解決作用不明顯。呈現方式均為有圖形呈現時作用較明顯，促進了科學問題解決且原型激活率和問題解決正確率均為最高。

綜合以上統計結果，在科學問題解決原型激活率上，原型呈現方式與問題呈現方式主效應均顯著，二者交互作用不顯著，有圖形呈現方式下均高于文本呈現方式下原型激活率；在科學問題解決正確率上，原型呈現方式主效應不顯著，問題本身呈現方式主效應顯著，二者交互作用不顯著，且有圖形問題呈現方式高于文本問題呈現方式下問題解決正確率；原型-問題呈現方式一致性程度對科學問題解決作用復雜，隨具體呈現方式不同而不同，且有圖形原型-有圖形問題條件下原型激活率和問題解決正確率均為最高。

三、綜合討論

（一）科學問題解決中問題呈現方式的影響

本研究中，問題呈現方式對科學問題解決起了重要作用。在有圖形問題呈現方式下，問題解決者很快進入問題空間，有圖形問題呈現方式促進了問題的內部表征。只有內部邏輯分析思維和外部表征結合起來才能高效解決問題（Stephen et al.，2009）[11]。有圖形問題呈現方式有助于被試形成問題知覺場，從而提高原型激活率。在原型激活上，原型表象作用比原型中原理作用更明顯。本研究推測，可能是因為有圖形問題呈現方式有助于被試形成問題的表象表征。基于圖形產生的表象可能沒有基于圖像產生的表象形象生動。對于本研究中問題呈現方式產生的原型激活促進作用到底是由于產生了表象還是激活了問題的語義表征，還不能確定，需要進一步論證。

（二）科學問題解決中原型呈現方式的影響

面臨科學問題時，個體必須對已有知識經驗進行修改、完善和重組，激活恰當的原型知識，并在關鍵啟發信息指導下創造性地解決問題。原型知識是影響科學問題解決的重要因素。本研究結果表明，原型呈現方式在科學問題解決正確率上差異不顯著，這與田燕（2011）等的觀點不一致。究其原因，本文認為原型呈現方式對科學問題解決影響比較復雜，它與問題呈現方式有關。在原型中關鍵啟發信息激活上，問題呈現方式作用可能較原型呈現方式明顯。在原型與問題因素同時作用于問題解決時，問題特點影響掩蓋了原型特點。這只是一種假設，需要進一步論證。在原型激活階段，文本原型+圖形的呈現方式可以促使被試在原型學習時加強對原型的圖像表征。在此階段，被試要將眼前問題與頭腦中的恰當的原型建立起一種聯系，這種聯系的形成需要克服問題與原型的表面特征差異，將不同的兩件事物聯系起來。有圖形原型呈現方式有助于被試形成原型的圖像表征，進而促進原型激活。

（三）科學問題解決中原型及問題本身呈現方式一致性的影響

原型及問題的呈現方式一致性程度在原型啟發率和問題解決正確率上表現出相同的效應。這與以往的研究結果一致。如國內學者師保國和張慶林（2004）在考察不同源問題條件下大學生學科問題類比遷移情況時著重探討了表面特性對學科問題遷移成績的影響，結果表明表面策略和結構策略結合起來激活源問題是問題解決的有效策略[5，11，12]。張慶林等認為可能是由于它們能夠在科學問題解決過程中存在原型知識的“功能-構造”圖式表征和科學問題的“構造？-功能”圖式表征。那么是不是有圖形的原型及問題呈現方式對科學問題解決中原型的“功能-構造”圖式表征的形成以及問題的“構造？-功能”圖式表征會有促進作用呢？對這一機制的認識還有待進一步探討。

四、結論

（1）問題呈現方式在科學問題解決正確率上存在顯著性差異，且在有圖形問題呈現方式下問題解決正確率高于文本問題呈現方式下問題解決正確率；

（2）原型及問題本身呈現方式在原型激活率上存在顯著性差異，均表現為有圖形呈現方式高于文本呈現方式下原型激活率；

（3）原型呈現方式和問題呈現方式的一致性在科學問題解決正確率和原型激活率上不存在顯著性差異；且當原型及問題呈現方式均為文本+圖形的呈現方式時原型激活率和問題解決正確率均為最高。

[1]錢兆華.簡論科學問題[J].江蘇理工大學學報（社會科學版）， 1999，（2）： 9-12.

[2]夏從亞，劉國紅.論科學問題的發現與提出[J].山東師范大學學報（人文社會科學版）， 2010， 229（2）：116-121.

[3]邱江， 張慶林.創新思維中原型激活促發頓悟的認知神經機制[J].心理科學進展，2011， 19（3）：312-317.

[4]張慶林， 邱江， 曹貴康.頓悟認知機制的研究述評與理論構想[J].心理科學， 2004， 27（6）：1435-1437.

[5]羅俊龍， 覃義貴， 李文福， 等.創造發明中頓悟的原型啟發腦機制[J].心理科學進展，2012， 20（4）：504-513.

[6]李倩， 曹貴康.科學發明創造問題解決中原型啟發的認知機制探究[Z].Conference on Psychology and Social Harmony， 2011.

[7]魯志鯤， 申繼亮.結構不良問題解決及其教學涵義[J].中國教育學刊， 2004， （1）： 44-47.

[8]田燕， 羅俊龍， 李文福， 等.原型表征對創造性問題解決過程中的啟發效應的影響[J].心理學報， 2011， 43（6）： 619-628.

[9]黃希庭.心理學導論[M].北京：人民教育出版社，1990：468.

[10]邢強， 陳軍.元認知監控和歸納意識對頓悟問題解決的影響[J].心理科學， 2009， 32（3）： 706-708.

[11] Stephen，D.G.， Boncoddo，R.A.， Magnuson， J.S.， Dixon，J.A..The dynamics of insight： Mathematical discovery as a phase transition [J].Memory Cognition 2009， 37（8）， 1132-1149.

[12] Pretz，J.E.，Intuition versus analysis： Strategy and experience in complex everyday problem solving [J].Memory Cognition， 2008， 36（3）： 554-566.