自我損耗對科學發明問題解決中原型啟發效應的影響 *

李文福 翟吉存 李青青 陳井婷

(1 濟寧醫學院精神衛生學院，濟寧 272067) (2 濟寧醫學院工會，濟寧 272067)

1 引言

頓悟是創造性研究的主要途徑之一（Dietrich &Kanso, 2010），但由于其過程的復雜性，研究者對其認知機制尚未達成一致結論（貢喆 等, 2016）。原型啟發理論認為在頓悟問題解決中，如果能在頭腦中激活“原型”及其包含的“關鍵啟發信息”，就能促使頓悟發生（張慶林 等, 2012）。比如“魯班受齒狀茅草葉的啟發發明鋸子”的故事中，“茅草葉”就是“原型”（即可以啟發頓悟問題解決的認知事件），“邊緣齒狀”就是原型中包含的“關鍵啟發信息”（即對頓悟問題解決具有決定性和指導性意義的信息）。要達成頓悟問題解決，需要先“激活”一個與當前問題有關的“原型”，隨后將其包含的“關鍵啟發信息”應用到問題解決上。由此，原型啟發過程可以分為“原型激活”和“關鍵啟發信息激活”兩個階段（張慶林 等, 2012）。

研究者使用字謎材料對原型啟發效應進行了探索。比如吳真真等（2009）要求被試一次學習3 個、6 個或9 個原型字謎后解決3 個、6 個或9 個靶字謎，發現原型學習個數不影響原型激活率，可能反映了原型激活是自動加工過程，不需要過多消耗認知資源。另一項研究（吳真真 等, 2008）采用相同范式，也發現原型激活率不受字謎個數影響，而字謎材料“啟發量”（有、無原型條件下字謎解決正確率的差異）高低不影響原型激活率，但影響問題解決正確率，可能反映了“關鍵啟發信息”的應用是控制加工過程，需要消耗認知資源。

以上研究使用的字謎材料生態學效度較低，不能反映實際發生的頓悟過程。歷史上存在大量創造發明實例（如科學家在V 形褶皺鯊魚皮的啟發下發明了鯊魚皮泳衣），其共同點是在原型（V 形褶皺鯊魚皮）的啟發下解決現實問題（減小水流摩擦力），對類似實例的研究有助于揭示真實發生的科學發明問題解決的頓悟機制。研究指出，科學發明問題解決的原型啟發過程也包括“原型激活”和“關鍵啟發信息激活”兩個階段（張慶林 等, 2012）。研究發現，科學發明問題解決過程受原型材料的表征方式以及學習原型-解決問題的順序等的影響（朱丹 等, 2011; 朱海雪 等,2012）。“先問題-后原型”范式是研究科學發明問題解決中原型啟發效應的常用范式（朱海雪 等,2020）。該范式模仿現實問題解決過程，先給被試呈現問題情境（如何降低泳衣在水中的阻力），再提供匹配的原型（鯊魚皮表面的V 形褶皺有助于減小水流摩擦力），要求被試根據原型解決遇到的問題。以往研究采用該范式對原型啟發效應進行了探究，發現問題激活（即想到先前遇到的問題）是科學發明問題解決的關鍵過程（楊文靜等, 2018; 朱海雪 等, 2020）。

自我控制是個體克制沖動行為、抑制習慣反應的能力（于斌 等, 2016）。自我控制資源是有限的，執行需要自我控制的任務會消耗自我控制資源，降低自我控制能力，影響其他需要自我控制資源的任務表現，該現象稱為自我損耗效應（Baumeister et al., 2007）。研究發現原型激活具有自動加工性質，關鍵啟發信息激活具有控制加工性質（吳真真 等, 2008, 2009; 楊文靜 等, 2018; 朱海雪 等, 2020），但該結論尚缺乏直接證據的支持。要證明原型啟發過程的自動和控制加工，需要直接操縱自我控制水平，以觀察其對原型激活和關鍵啟發信息激活的影響。鑒于創造性是一種自我控制的資源依賴行為（Benedek et al., 2014），自我損耗可能對原型啟發產生消極影響。

綜上所述，本研究擬選取高生態學效度的科學發明問題材料，采用“先問題-后原型”的“一對一”（一個問題對應一個原型）和“十對十”（十個問題對應十個原型）兩種問題解決范式（楊文靜 等, 2018; 朱海雪 等, 2020），通過比較不同自我損耗狀態和問題解決范式條件下的問題解決差異，揭示自我損耗和問題解決范式對原型啟發效應的影響。

2 研究方法

2.1 被試

招募80 名在校大學生，男女各半，平均年齡20.91±1.27 歲。隨機分為自我損耗組和控制組，各40 人。由于控制組1 名被試中途退出，最終有效被試為79 名。所有被試的視力或矯正視力正常，沒有參加過類似實驗，實驗結束后獲得實驗報酬。

2.2 實驗任務及工具

2.2.1 自我損耗任務

采用中文版E-crossing 任務進行自我控制操縱，該任務已廣泛用于自我損耗研究（Vohs et al.,2012）。該任務通過要求被試抄寫文字過程中省去某個筆畫，達到消耗自我控制資源的目的。抄寫文字選自馬炳堅編著的《北京四合院建筑》，所選文字共4 個自然段，包括234 個漢字和20 個標點符號（湯文君, 2019）。損耗組被試在前2 段抄寫時省去“丿”畫，第3 段省去“一”畫，第4 段正常抄寫。控制組被試正常抄寫。

隨后回答4 道損耗效果檢測問題（7 點計分）：（1）“任務完成的難度有多大？”1 代表“非常容易”，7 代表“非常困難”。（2）“完成任務需要付出多大努力？”1 代表“不需努力”，7 代表“非常努力”。（3）“完成任務后你感到有多疲憊？”1 代表“一點也不疲勞”，7 代表“非常疲勞”。（4）“完成任務后，你感覺自身能量受到多少損耗？”1 代表“一點也沒有”，7 代表“損耗非常大”。

2.2.2 科學發明問題解決任務

從科學發明創造問題材料庫（朱丹 等, 2011）中選取20 道問題材料，每個材料包括有、無原型時的正確率和啟發量（有、無原型時的正確率差值）參數。為了更好地觀察原型啟發效應，所選題目在無原型條件下較難（正確率小于0.30），在有原型條件下較易（正確率大于0.75，平均提高比率為0.74±0.08）。20 個材料隨機分為2 組，分別用于“一對一”和“十對十”范式，兩組材料在無原型條件正確率[t(18)=1.45,p=0.164]、有原型條件正確率[t(18)=1.13,p=0.273] 和啟發量[t(18)=-0.30,p=0.764]上均沒有顯著差異。

采用“先問題-后原型”的兩階段實驗范式，根據一次解決的問題個數，分成“一對一”和“十對十”范式，并在被試間平衡。“一對一”范式中（見圖1），預先告知被試實驗中將呈現1 個問題，然后呈現1 個與該問題有關的原型，要求被試根據當前原型信息思考問題解決方法。流程如下：首先屏幕中心呈現注視點1 秒，接著呈現1 個科學發明問題，要求被試在60 秒內理解并嘗試解決，被試理解后按空格鍵，隨后詢問被試是否見過并知道該問題的答案，見過并知道答案按“F”鍵，不知道答案按“J”鍵，以排除已有經驗對實驗的影響。然后呈現與該問題對應的原型材料，要求被試在60 秒內根據原型信息嘗試解決前面的問題，若想到答案就按空格鍵，隨后進入下一個問題的學習。直到解決完10 個問題。“十對十”范式分為學習階段和測試階段（見圖2），預先告知被試實驗中將依次呈現10 個問題，然后隨機呈現10 個與該問題有關的原型，要求被試根據原型信息思考當前原型可以解決哪個問題，并提出問題解決方法。學習階段流程：首先呈現注視點1 秒，接著呈現1 個科學發明問題，要求被試在60 秒內理解并嘗試解決，理解后按空格鍵，隨后詢問被試是否見過并知道該問題的答案，見過并知道答案按“F”鍵，不知道按“J”鍵。直到學習完10 個問題。測試階段流程：首先呈現注視點1 秒，隨后隨機呈現1 個原型材料，要求被試看到原型后在60 秒內思考該原型是否能解決前面的某個問題，如果能想到解決某個問題并知道答案就按空格鍵，隨后進入下一個原型。直到呈現完10 個原型。實驗結束后，要求被試根據呈現的問題在答題紙上寫下問題答案。

圖1 “一對一”范式實驗流程圖

圖2 “十對十”范式實驗流程圖

“一對一”范式中，被試嘗試解決1 個問題后立即呈現與之對應的原型，不需要從頭腦中檢索問題，僅需將當前原型包含的關鍵啟發信息應用到問題解決上。而“十對十”范式中，被試嘗試解決10 個問題后隨機呈現與某個問題對應的原型，需從頭腦中檢索當前原型可以解決的問題，然后才能將原型包含的關鍵啟發信息應用到問題解決上。通過兩種范式的比較，可以探討自我損耗對原型啟發過程的影響。

2.2.3 自我控制量表

為避免被試自我控制差異對結果的可能影響，采用譚樹華和郭永玉（2008）修訂的自我控制量表測量自我控制能力。該量表共19 個題目，其中15 個反向計分題目，均采用從“完全不符合”到“非常符合”的5 級計分。對反向計分題目反向處理后，計算所有項目得分總和，總分越高自我控制越強。本研究中該量表的Cronbach’s α 系數為0.87。

2.2.4 威廉姆斯創造性傾向量表

由于創造性傾向與科學發明問題解決正相關（朱海雪 等, 2012），為避免創造性傾向差異對結果的影響，采用林幸臺和王木榮（1997）修訂的威廉姆斯創造性傾向量表測量創造性傾向。該量表共50 個題目，其中8 個反向計分題目，均采用從“完全不符合”到“完全符合”的3 級計分。對反向計分題目反向處理后，將所有項目得分相加得到總分，總分越高創造性傾向越強。本研究中該量表的Cronbach’s α 系數為0.82。

2.3 實驗設計

采用兩因素混合實驗設計，自變量1 為自我損耗狀態，分為損耗組和控制組，為被試間變量；自變量2 為問題解決范式，分為“一對一”和“十對十”范式，為被試內變量。因變量為原型激活率、關鍵啟發信息激活率和科學發明問題解決正確率。

2.4 實驗程序

實驗在安靜的實驗室進行。被試來到實驗室后，由主試講解實驗任務，被試明白后簽訂知情同意書。被試首先填寫自我控制量表和威廉姆斯創造性傾向量表，然后完成自我損耗任務和損耗效果檢測問題。隨后完成科學發明問題解決任務，并在印有科學發明問題材料的答題紙上寫出實驗程序中想到的答案，程序中沒想到（呈現原型材料時沒有想到對應問題和答案）但實驗后又想到的答案無需填寫。實驗大約持續40 分鐘。

2.5 數據分析

采用SPSS22.0 整理、分析數據。采用獨立樣本t檢驗考察自我損耗的有效性以及不同損耗狀態被試的特質自我控制和創造性傾向的差異，采用方差分析檢驗損耗狀態和問題解決范式在原型激活率、關鍵啟發信息激活率和科學發明問題解決正確率上的效應。

對被試答案進行0、1、2、3 計分，如果沒有寫出答案計0 分；如果提到與該問題有關的原型計1 分，表示原型得到激活，得分為1 的題目比率作為原型激活率；如果不僅提到原型還寫出原型的關鍵啟發信息計2 分，表示原型和關鍵啟發信息得到激活，得分為2 的題目比率作為關鍵啟發信息激活率；如果不僅提到原型和關鍵啟發信息，還將原型和關鍵啟發信息應用到當前問題的解決上計3 分，表示被試利用原型成功解決了問題，得分為3 的題目比率作為問題解決正確率。計分時，將被試在看到問題材料時按鍵表明知道問題和答案的題目，以及看到原型時沒有按鍵表明想到相應問題和答案的題目排除，以避免被試在書寫答案過程中重新思考對結果的影響，降低因自我損耗恢復對結果的影響。

3 結果

3.1 預分析

3.1.1 特質自我控制水平檢驗

對損耗組和控制組被試在自我控制量表上的得分進行獨立樣本t檢驗，結果顯示，損耗組的得分（59.48±11.30）與控制組（57.10±10.53）差異不顯著[t(77)=0.97,p=0.337]，表明兩組被試在科學發明問題解決上的差異不是由特質自我控制水平差異導致。

3.1.2 創造性傾向檢驗

結果顯示，損耗組的創造性傾向得分（110.28±11.59）與控制組（107.90±11.56）差異不顯著[t(77)=0.91,p=0.364]，表明兩組被試在科學發明問題解決上的差異不是由創造性傾向差異導致。

3.1.3 自我損耗效應檢驗

結果發現（見圖3），損耗組比控制組在完成抄寫任務后感到任務更困難[t(77)=9.98,p＜0.001,Cohen’sd=2.25]、付出更多努力[t(77)=8.30,p＜0.001,Cohen’sd=1.87]、感到更疲憊[t(77)=3.16,p＜0.01,Cohen’sd=0.71]、感到更消耗自身能量[t(77)=4.69,p＜0.001, Cohen’sd=1.05]。結果表明自我損耗操作有效，自我損耗任務顯著降低了損耗組被試的自我控制。

圖3 自我損耗效應檢驗

3.2 正確率

3.2.1 自我損耗和問題解決范式對原型激活率的影響

以原型激活率為因變量的方差分析發現，自我損耗狀態主效應顯著[F(1, 77)=7.91,p=0.006,=0.093]，損耗組的原型激活率（0.68±0.19）顯著小于控制組（0.79±0.16）；問題解決范式的主效應顯著[F(1, 77)=10.86,p=0.001,=0.124]，“一對一”范式的原型激活率（0.77±0.20）顯著高于“十對十”范式（0.70±0.22）。變量的交互作用不顯著[F(1, 77)=0.04,p=0.835]。各條件下的原型激活率見表1。

3.2.2 自我損耗和問題解決范式對關鍵啟發信息激活率的影響

以關鍵啟發信息激活率為因變量的方差分析發現，自我損耗狀態主效應顯著[F(1, 77)=4.43,p=0.039,=0.054]，損耗組的關鍵啟發信息激活率（0.58±0.21）顯著小于控制組（0.68±0.23）；問題解決范式的主效應顯著[F(1, 77)=16.30,p＜0.001,=0.175]，“一對一”范式的關鍵啟發信息激活率（0.68±0.24）顯著高于“十對十”范式（0.58±0.26）。變量的交互作用不顯著[F(1,77)=0.04,p=0.843]。各條件下的關鍵啟發信息激活率見表1。

3.2.3 自我損耗和問題解決范式對問題解決正確率的影響

以問題解決正確率為因變量的方差分析發現，自我損耗狀態主效應顯著[F(1, 77)=7.68,p=0.007,=0.091]，損耗組的問題解決正確率（0.49±0.23）顯著小于控制組（0.64±0.23）；問題解決范式的主效應顯著[F(1, 77)=12.31,p=0.001,=0.138]，“一對一”范式的問題解決率（0.60±0.25）顯著高于“十對十”范式（0.52±0.27）。變量的交互作用不顯著[F(1, 77)=0.004,p=0.948]。各條件下的問題解決正確率見表1。

表1 各條件下的原型激活率、關鍵啟發信息激活率和問題解決正確率

3.3 反應時

3.3.1 自我損耗和問題解決范式對問題材料學習時間的影響

以問題材料學習時間為因變量的方差分析發現，自我損耗狀態主效應不顯著[F(1, 77)=2.71,p=0.104]，問題解決范式的主效應不顯著[F(1,77)=2.03,p=0.158]，損耗狀態與問題解決范式的交互作用不顯著[F(1, 77)=0.18,p=0.672]。各條件下的問題材料學習時間見表2。

3.3.2 自我損耗和問題解決范式對原型材料學習時間的影響

以原型材料學習時間為因變量的方差分析發現，自我損耗狀態主效應不顯著[F(1, 77)=0.94,p=0.336]；問題解決范式的主效應顯著[F(1,77)=13.00,p=0.001,=0.144]，“一對一”范式的原型材料學習時間（15.81±7.82）顯著短于“十對十”范式（18.11±8.50）。變量的交互作用不顯著[F(1, 77)=0.72,p=0.400]。各條件下的原型材料學習時間見表2。

表2 各條件下的問題材料學習時間和原型材料學習時間（秒）

4 討論

4.1 自我損耗對原型啟發效應的影響

結果發現，自我損耗狀態在原型激活率、關鍵啟發信息激活率和問題解決正確率上的主效應均顯著，說明自我損耗影響科學發明問題解決中的原型啟發效應。同時，自我損耗狀態在問題學習時間和原型學習時間上的主效應不顯著，進一步說明該差異不是因為學習時間的長短造成，而是由于自我損耗造成的資源損耗影響了原型啟發過程。自我控制資源理論（Baumeister et al., 2007）指出自我損耗消耗自我控制資源，影響其他任務表現。以往研究發現，自我損耗影響抵制誘惑和抑制優勢反應的能力（Baumeister & Vohs, 2007），而創造性思維需要抑制優勢反應以新穎獨特地解決問題（Fink et al., 2018）。Baumeister 等人（2008）發現自我損耗被試在發散思維流暢性和獨創性得分上低于控制組。Taylor（2021）的研究也表明當要求被試盡可能想出有創造性的答案時，自我損耗降低了創造性表現。本研究進一步表明自我損耗同樣也抑制聚合思維過程。

但也有研究發現自我損耗提高了頓悟問題解決能力。比如，DeCaro 和van Stockum （2018）使用火柴算術問題研究自我損耗對頓悟的影響，結果發現損耗組的正確率顯著高于控制組。頓悟問題解決四階段模型（Lv, 2015）認為，問題解決者在最初形成的錯誤問題空間進行搜索，容易形成思維僵局，而僵局的打破需要表征重組和問題空間重構（Jung-Beeman et al., 2004）。但控制性加工往往將問題解決者的思維限定于已有解決策略，不利于重組問題表征和重構問題空間（Jarosz et al.,2012）。本研究中，被試若要解決科學發明問題，不僅需要在看到原型時激活對應的問題，還需將原型包含的關鍵啟發信息應用到問題解決上，該過程需要控制性加工的參與（朱海雪 等, 2020）。因此，本研究結果與以往部分結果的不一致，可能反映了不同頓悟任務背后的心理機制差異。

4.2 問題解決范式對原型啟發效應的影響

結果發現，問題解決范式（“一對一”和“十對十”）在原型激活率、關鍵啟發信息激活率和問題解決正確率上的主效應均顯著。“一對一”范式中，被試嘗試解決1 個問題后立即呈現對應的原型，被試僅需將原型包含的關鍵啟發信息用于剛學習的問題，因此只包含關鍵啟發信息應用的過程。而“十對十”范式中，被試嘗試解決10 個問題后才隨機呈現1 個原型，被試需要從10 個問題中想到與之相關的問題，然后才能將其包含的關鍵啟發信息應用到問題上。問題解決范式在問題學習時間上的主效應不顯著，而在原型學習時間上的主效應顯著，被試在“十對十”范式中的原型學習階段使用了更長的時間，可能進一步印證了該結果。“一對一”范式雖然不需激活原型，但并不能成功解決所有問題，表明成功想到問題并不代表成功解決問題，關鍵啟發信息的應用也是科學發明問題解決的關鍵過程。以往研究發現，問題激活是原型啟發效應促進頓悟的關鍵過程，被試在看到原型后若能成功想到先前問題，才能將關鍵啟發信息應用到問題解決中（楊文靜 等, 2018）。本研究結果進一步表明，被試想到與當前原型有關的問題，并不意味著問題的成功解決，還需將關鍵啟發信息應用到想到的問題上，才能成功解決問題。

以往研究表明，問題包含的需求性功能（如魯班需要高效率的伐木工具）與原型包含的特征性功能（如鋸齒狀的茅草邊緣更鋒利）的相似性是原型啟發效應的關鍵，只有二者產生“自動響應”（張慶林 等, 2012; 朱海雪 等, 2020），被試才能將關鍵啟發信息應用到問題解決上（楊文靜 等,2018）。本研究中，兩類范式使用相同啟發量的材料，但“一對一”范式的問題解決正確率高于“十對十”范式，可能表明需求性功能與特征性功能之間的“自動響應”并不是完全“自動”的，可能受相似性功能信息提取難易度的影響。“十對十”范式中，被試嘗試解決10 個問題后才學習原型材料，該過程需要排除無關信息干擾（楊文靜 等, 2018）。被試需要解決的問題和學習的原型越多，需要注意的重要信息越多，影響了注意在創造性問題解決過程中的作用（Yeh et al.,2014），降低了重要信息的發現和無關信息的排除，影響了科學發明問題解決。

本研究結果豐富了原型啟發理論，表明科學發明問題解決中的原型啟發過程依賴自我控制資源，進一步反映了關鍵啟發信息的應用是控制加工過程。但研究也有一些局限。首先，為避免自我損耗效應消失，讓被試最后書寫答案，結果可能受重新思考或組織答案的影響，未來可以采取多次損耗的分段實驗，讓被試即時報告。其次，以往研究表明語義相似性是問題的需求性功能和原型的特征性功能建立聯結的心理機制（楊文靜等, 2018），未來研究可以進一步探討自我損耗對不同語義相似性問題解決過程的影響。最后，研究中兩組被試未進行記憶能力測試，可能存在記憶能力的組間差異對結果造成的影響，未來研究可以測量被試的記憶能力以提高研究的實驗效度。

5 結論

（1）自我損耗影響原型啟發效應，損耗組的原型激活率、關鍵啟發信息激活率和問題解決正確率均低于控制組；（2）問題解決范式影響原型啟發效應，“一對一”范式下的原型激活率、關鍵啟發信息激活率和問題解決正確率均高于“十對十”范式。