思考的要素和问题解决能力探讨

黄根哲，刘博林，赵海霞

(1.长春理工大学，吉林 长春130022；2.青岛科技大学，山东 青岛 266061)

一、思考的三个特征

人的大脑功能包括运动功能、感觉、语言、情绪、思考(认知功能)[1-2]。其中运动功能的运行方式是信息从大脑发出，通过神经网络传递到身体的运动单元以达到控制肌肉的目的。感觉是通过人体感受器把接受到的外部信息传输到效应器并产生知觉的过程，这些外部信息通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉感受器官被接受后传递至大脑的效应器，并经过编码处理后把信息传输到中枢神经系统产生感觉经验。另外，大脑的一部分功能还负责语言的表征、情绪的调节等[3]，说明大脑真正用于思考(认知功能)的部分是不多的。因此，大脑进行的思考具有三个特征[4]，首先，与视觉系统能够即时捕捉复杂的画面相比，思考是缓慢的。当人一睁开眼睛，瞬间就能获得面前的景象、颜色、位置等信息，但是人的思考系统不能立刻找到问题的答案；其次，与视觉系统不需费力就能获得信息不同，思考是费力的。人可以边看边做其他事，但人不能在解题时思考其他的事情；最后，与视觉系统很少出错相比，思考是不可靠的。人的视觉系统很少出错，而且即使视觉系统出错了，看到的东西与真实实物也是非常接近的。但是，人的思考系统往往无法得出一个接近正解的答案或答案很有可能是错误的。事实上，人的思考系统很有可能连正确答案都得不出来。

二、成功思考的三要素

既然人们不擅长思考，为什么还要思考呢？这是因为人生来就有好奇心，好奇心促使人不断思考。人的思考过程正如图1所示，就象计算机的计算过程，如果要使计算机运算速度快，需要有大容量的外存储器向运算器输入数据，同时要用鼠标、键盘、扫描仪、光笔、手写板、摄像头、游戏杆等输入设备向运算器输入数据，运算器的运算过程性数据要实时保存到内存储器里或重新调入到运算器进行计算。其最终的运算结果以影像系统、绘图仪、显示器、磁记录器、打印机、语音等形式输出。

人的长期记忆如同计算机的外存储器，其中不仅包含事实性知识(factual knowledge)，也包括程序性知识(procedural knowledge)。事实性知识是关于事物是什么的知识，程序性知识是执行任务时所必需的先后次序性知识[5]。长期记忆是一个存储事实性知识和程序性知识的巨大仓库，如瓢虫身上斑点的颜色、个人喜欢的食物、儿时好朋友的姓名等。长期记忆中的所有信息通常储存在意识之外(潜意识)，在调用之前人是意识不到它的存在的，而只有在大脑思考区的生物信号触发下它才从潜意识中突现到意识区中。例如，如果人被问及：“企鹅生活在哪里？”人们几乎会脱口而出“南极”。这个信息在30秒前还“睡在”人的长期记忆中，但是当人被问及这个问题后，人才意识到这个信息的存在，这时它才进入到思考区。

环境条件如同计算机的输入设备，它往往是解决问题所需的先前所掌握的知识、得到的经验、获得的能力等外部条件。这些先前的外部条件对于解决问题而言是必要的条件，但实际情况下往往不够充分。如果外部条件是充分的，它属于良构问题(well-structured problems)，如果外部条件不是充分的，则它属于劣构问题(ill-structured problems)。学生所接触的学校问题往往是良构问题，即给定的外部条件足够用于对问题的求解，但在工程或社会上遇到的真实问题往往是劣构问题,即现有的条件不足以解决面临的问题。

工作记忆如同计算机的内存储器。如果计算机的内存储器容量小，当进行比较复杂的运算时，就常常会出现计算速度慢或“死机”现象。人的工作记忆也一样，当大脑面对复杂的问题时，人的思考就会出现迟钝或思维“僵硬”现象。因为计算机没有意识，人只要输入计算命令，无论其计算过程难易，其最终结果只能是一直计算到输出结果或卡死为止，但人不同于计算机，人如果面对过于复杂问题时，人的意识往往就会传递出放弃思考的信号。

因此，人的成功思考取决于3个因素：环境的充分必要条件，长期记忆的数量和质量以及工作记忆的空间大小。如果环境条件不充分，或长期记忆的数量和质量不够，或工作记忆的空间不足，都可能导致思考的失败。

图1 计算机CPU与人大脑的作用机制比较

三、关于“问题”溯源

问题属于认识论和方法论的范畴，它刻画的是认知主体、环境、认知客体三者之间的一种关系[6]。不同的学者对什么是问题有不同的见解。美国著名人工智能学者纽厄尔和西蒙[7]对问题的理解是：当人们面临一项任务而又没有直接手段去完成时，就产生了问题。人一旦找到了完成任务的手段或方法，问题就可以得到解决[8]。波普尔指出，问题是已知和未知之间的张力[9]。一种综合的观点认为，问题是在认知主体对矛盾进行反映加工之后形成的。如果实质矛盾没有反映到认知主体的头脑中，那么它就不构成问题[6]。

四、问题的来源

生活中包含着极其丰富的材料和多种多样的关系，它是一切认知活动的基础和前提，它是前理论的、前科学的、前给予的，是我们不得不加以接受的东西。生活作为一个复杂多样、异质杂合、协调的统一体，其中各种事物、思维、动机、需要、愿望之间存在着各种各样的差异和矛盾，这是问题产生的最重要的不竭之源[6]。生活不断向每个人提出具体的、日常的生活问题，也不断向科学家、哲学家和其他思考者提出普遍的、抽象的、理论的问题[6]。在现实世界中，每天都有新事物、新现象、新问题涌现出来[6]，它们给人类提出了挑战，迫使人类思考它们，从前人们提出同性恋、变性人、艾滋病人是否可以结婚的问题，如今在亚洲又提出了因儿子的精子导致不育，是否可用公公的精子为儿媳人工授精的问题[10]。另外，科技工作者都是从科学发现、技术发明、改革创新等活动中提出问题。例如，地球北半球的台风为何逆时针旋转？ 冬天为何不产生台风？如何确认地球在自转？为何位于北纬14°线至35°线的撒哈拉地区形成沙漠地带，而不是最热的赤道附近？

五、问题的适切性

问题有真假之分，真正的问题是未被前人解决过、未上升到理论层面的问题。这样的真实问题像火石，它能点燃智慧之灯，照亮人前进之征程。真实问题是智慧的迷宫，它对人们的思考能力提出挑战，并引导人们去提高和发展他们的思考能力。真实问题之所以有激发功能，是因为它有挑战性、刺激性。问题，尤其是困难的、新奇的真实问题，是对人的能力、精神、意志、知识水平和方法的挑战和考验。问题使人从“学习状态”跃迁到“研究状态”，不能解决问题往往会给人一种压力，一种痛苦感、失败感。而一旦问题得到解决则使人产生一种征服感、控制感、喜悦感和成就感[8]。因此，“以问题为导向”的研究像一块磁石，会引导人们思考、分析、探索问题背后真正的根源。

未知问题的提出和解决会让人着迷，但不是所有问题都能激发人的探求精神，能使人产生非解决不可的问题一定是适切的问题。如果一个问题对解决者因环境条件不充分，或长期记忆的数量和质量不够，或工作记忆的空间不足，导致解决问题毫无进展时，问题会让人产生沮丧、气馁等负面情感体验，最后的结果有可能就会放弃解决问题；同样，如果问题过于简单或一眼就能洞悉答案，问题解决者就会感到无聊，也不会产生愉悦感。适切的问题解决过程中的思考能给人带来满足感、成就感。这为以问题为导向的教学提供了佐证，即教师首先要通过学情分析，了解学生的学科素养情况，分析学生的学习特点，然后向学生提出不是过难或过易的问题。当学生动用自己所学到的前期知识，经过认真思考后，问题得到了解决，其内心就会产生愉悦感、成就感，甚至是自信心。

六、长期记忆和问题解决能力的关系

20世纪50年代，受前苏联分科系统教学的影响，传统的学校教育以分类知识教育尤其是以“知识的长期记忆”为主，造成学生记忆了很多知识，但不知如何学以致用、不能用于解决实际问题，导致学校教育培养了大量的只会读书不会解决问题的“书呆子”。但自从国家提出“大众创业、万众创新”这“双创”举国体制后，学校教育教学从“知识教育中心”向“能力教育中心”潜移默化的过程中，一定程度上出现了“重能力培养、轻知识传授”的另一个极端现象，似乎人的能力培养可以抛开人的长期记忆知识的储备。而且，长期以来伟大的思想家往往存在一种悖论，即尽管他们拥有大量的长期记忆知识，却往往表现出对长期记忆的不屑一顾，例如，心理学家B·F·斯金纳曾说：“教育是所有学习的知识被遗忘后唯一留下的东西。”作家马克·吐温说：“我从来不让上学干扰我受的教育。”作家亨利·布鲁克斯·亚当斯曾说：“说到教育，没有什么比干巴巴的事实积累的无知更让人惊讶的了。”哲学家阿尔弗雷斯·诺斯·怀特海德曾说：“学习对你没有用，除非你丢掉教材，烧毁笔记，忘记应付考试要背的琐碎细节。”诗人拉尔夫.瓦尔多.艾默生曾说：“我们在中学、大学沉闷地学了10年或者15年，最后只有一肚子的单词，什么都不懂”。爱因斯坦更有一句人人都耳熟能详的名言：“想象力比知识重要。”[11]事实果真如此吗？答案是否定的。现举一例为证，法国数学家和物理学家科里奥利[12]小时候很喜欢郊游，经常到郊外嬉戏。他经过长期观察发现：向南流向的大河在两岸地质条件相同的情况下，河水前进方向的右岸总是比左岸被冲刷得严重，这种奇特的自然现象在他幼小的心灵里留下了难以忘却的长期记忆。他长大以后，经过深入研究发现：这是由于地球的自转，在地表会产生一种能使运动流体的方向发生偏斜的力，这种力叫地球自转偏向力。此项发现为后来人类的交通运输、堤坝建筑、气象预报等与地球自转有关的工程实际问题的解决提供了理论依据。

因此，可以说长期记忆的数量和质量是问题解决能力发展的基础，人对自然现象、社会情形和思维特征等事物发展的脉络了解得越多，常识越丰富，知识掌握得越牢固，相应的技能越熟练，越有利于问题解决能力的提高。如果离开掌握知识的活动去谈发展解决问题的能力，其能力就成为无源之水、无本之木[13]。因此，学校教育不应该提倡从“知识中心”转移到“能力中心”，不能把“学会”与“会学”对立起来，更不能因知识更新太快，就不重视学生基础知识的学习和掌握。相反，越是知识更新的快，越要有广博的知识视野、合理的知识结构和良好的知识素养。

七、工作记忆空间和问题解决能力的关系

图2所示为搬运圆盘的游戏。在位置1有3个从下往上依次减小的圆环。任务是将3个圆环都移动到位置3的柱子上。移动圆环有两个规则：一次只能移动一个圆环，移动过程中不能将大圆环放置在小圆环上。通常情况下，一般人只要花一点时间就能解答出这个问题，但是出这道题的真正目的是体会大脑中的工作记忆被充斥的困难局面。首先你要从环境中获取游戏界面的状态和游戏规则，然后想象着移动圆环，你必须在大脑的工作记忆空间保存解题的中间步骤，即3个圆环的位置，然后思考并分析可能的结果，同时你需要记住移动过程中的规则要求。例如，你想象把圆环C放到位置2，再把圆环B放到位置3，这时你就发现无法把圆盘A放到位置3，因为这已经违反了“大圆环不能放置在小圆环上”的规则。于是，你又在大脑的工作记忆空间重新设计，想象把圆环C放到位置3，把圆环B放到位置2，之后，再把圆盘C从位置3放到位置2，这时候是符合游戏规则的，再后，把圆盘A从位置1移动到空出来的位置3，把位置2的圆盘C从位置2移到位置1，把位置2中的圆盘B移到位置3，最后，把位置1中的圆盘C移到位置3。这样，如果你能够用大脑记住以上所有中间过程和规则，你就能完成整个想象游戏。但是，如果你同时在工作记忆空间放入太多的事物或中间步骤时，就如计算机计算过于复杂的问题时出现的“死机”一样，你很有可能失去正在思考的中间线索，问题就无法得到解决。

图2 搬运圆盘的想象游戏

因此，工作记忆的一个显著特点是其空间有限，而且，研究发现，工作记忆空间不能通过知识的掌握和大脑训练得到提高，即一个人的工作记忆空间基本上是不变的。那么，解决工作记忆有限的有效方法是什么呢？那就是通过“联想合并”原则，把杂乱、独立的信息看作一个单元，并以单元的形式存入工作记忆，从而减少工作记忆的负荷。例如，用英语按顺序记住太阳系八大行星的名字是有一定难度的，但是用“联想合并”原则把杂乱的英文单词首字母以熟悉的英文语句形式写出来就方便多了，即 My Very Educated Mother Just Served Us Noodle (受过良好教育的妈妈刚刚给我们提供了面条)，这句话中的每个单词首字母与太阳系八大行星的首字母相同，即 Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune。人们只要记住每个单词并想起那句简单的英语语句，通过休谟的联想三原则[10]：相似律(resemblance)、时空接近律(contiguity)和因果律(cause effect)，就能联想到太阳系八大行星的英文名顺序。因此，摆脱工作记忆空间有限的首要条件是要有一定的事实性知识，例如，要记住八大行星的英文名和My Very Educated Mother Just Satisfied Us Noodle这一逻辑语句。由此也可以看出，长期记忆的数量和质量直接影响工作记忆的效率[14]。美国著名心理学家丹尼尔.T.威林厄姆[4]指出，专家之所以能成为专家，那是因为专家具备“10年规则”效应，即一个人只有在某个领域花上10年以上的时间进行长期记忆知识的积累，他才有可能成为这个领域的专家。因此，可以说，专家和新手拥有的长期记忆知识的数量和质量是根本不同的，专家的大脑里拥有的是大量的经过分类、整合、归纳后的长期记忆知识体系，因此，当他遇到新的问题时，就能迅速把问题分解、归类成最简单的单元，从而能够快速地找到解决问题的方法。另外，反复练习会使工作记忆中操纵信息的过程更加有效。例如，儿时学习系鞋带的过程，孩子必须要全神贯注，即这一过程占用了孩子工作记忆的所有空间，但随着练习越来越熟练，孩子就可以不假思索地系鞋带了。