在探討問題解決（problem solving）之前，必定先有問題的呈現，所以我們必須 先明瞭「問題」的定義與類型。對於問題的定義，不同的學者，就有不同的定義。吳德 邦(1989)認為所謂「問題」是指個人或團體遭遇到的一種需要解決的狀況，對於這種「狀 況」個人或團體沒有明顯的途徑去獲得解決的方法。從問題的本質來看，Hayes(1989) 認為問題的產生來自於個體目前的狀態至個體欲想達到的狀態，這兩者之間橫亙一段鴻 溝，而個體不知如何跨越這段鴻溝。認知心理學家張春興(2011)認為，「問題」係指不 能憑個人既有經驗獲致答案的刺激情境，必須靠個人將經驗重組，思維運作，始能解出 答案。唐偉成、江新合（1998）認為問題就是難題，沒有辦法透過精熟練習或從舊基模 尋找答案，是需要花較長時間思索，透過「同化」、「調適」等手段才能產生解決問題的 新基模。李隆盛(2005)指出問題是「現實」與「理解」的差距，所以解決問題就是進步；
問題解決了，理想常會跟著變動，因而又出現新的問題。Mayer(1991)指出大多數的心 理學家都同意「問題」包含以下三個特色：
1.目前狀態(Givens)：問題開始於某一特定的狀態，包含目的、條件、片段的訊息。
2.目標狀態(Goals)：意指問題想要達到之目標，個體或團體須經由思考將目前狀態移 轉到目標狀態。
3.障礙(Obstacles)：個體或團體思考以其某種方式要改變問題的目前狀態或目標狀 態，但其未確認此種方式是否正確，亦即未能明顯獲得問題解決。
綜合上述學者定義，我們可以歸納問題有以下四種特性：
1.現實狀態與理想狀態存有障礙。
2.個體或團體必須有動機解決此障礙，否則便無「問題」的產生。
3.問題就是難題，依個體或團體目前的條件暫時無法解決，必須精進知識、技能想出解 決問題的策略才有可能克服障礙，達到問題解決的階段。
4.因為理想狀態常會隨著時空變動，所以舊問題被解決，新問題又會產生。
貳、「問題」的類型
在了解問題的定義後，接下來我們必須了解問題的類型，因不同類型的問題其運用 的解決方式、思考方式也會不同。
美國賓州大學教授艾夫卡(Alfke)將自然科常見的問題分為理論型問題
(theoretical questions)和操作型問題(operational questions)。理論型問題通常以
「為什麼(why)」或「什麼(what)」當開頭，例如：「月亮為什麼是圓的?」或「當光穿 越三稜鏡，什麼東西使光變成彩虹?」這一類型的問題通常需要較深的理論或複雜的答 案才能回答，兒童很難從答案中得到任何助益，因為他們的認知結構或經驗背景尚不足 以理解問題的答案。操作型問題是直接或暗示指出：學生怎麼運用科學材料去得到問題 的解答。例如：「鐘擺的擺長如果改變，擺動的次數會有什麼變化?」「紙飛機的重量如 何影響它飛行的距離?」Wolfinger 認為學生應被鼓勵問操作型問題，因為學生在操作過 程中，不僅可以形成科學概念，也能為日後理解複雜理論培養經驗背景（Wolfinger，
1984）。
Gega(1991)根據問題解決的思維方式，將問題分為封閉型問題（closed-ended problem)與開放性問題(opened-ended problem)。封閉型問題可透過收斂性思維解答，
此類問題通常只有單一答案或得到較窄的回應，而開放性問題可透過發散性思維解決，
此類問題沒有固定的答案，允許答題者做出多種回答。而這二種類型問題在問題解決的 練習都扮演重要的角色。
(semi-structured)、低結構化(ill-structured)三種。高結構化問題，牽涉的範圍較 窄，學生得使用收斂性思維來求出一個最佳解答，這類型問題對學生發展問題解決能力 較無幫助。半結構化問題可能有一個以上的答案，需要用啟發式的方法來解決問題，其 步驟如下圖 2-1-1 所示：為先讓學生確認問題，接著針對其促成因素進行分析，再由學 生提出可能的解決方案，從中選出最適當的並評鑑其結果。
圖 2-1-1 半結構化問題解決步驟
（譯自：Hatch，1988）
至於低結構化問題由於具有多種解答，故教師必須鼓勵學生多運用創造力問題解決 技巧才能得出最佳解決方案，其解題過程及各階段可使用的方法，如下表 2-1-1 所示：
表 2-1-1 低結構化問題解決步驟
解決過程 使用方法
重新定義問題(Redefining Problems) 類推、比喻 分析問題(Analyzing Problems) 結構、輸入-輸出
產生想法（Generating ideas） 腦力激盪法、屬 性列 舉 法、檢核表技術
選擇和評估方法
決策平衡單
實現想法(Implementing ideas) 評鑑法、查核表法、圖表
Hayes(1989)
個體找不到一個合適的方法橫跨這段障礙，這過程 包含兩個部份：第一是個體能明白表示出「障礙」， 意即理解問題的本質，第二是找出方法解決它。
Kahey（1993）
問題解決可視為克服解決問題的障礙所做的一切努
Herbert
蓋聶(Gagne)在 1977 年指出「問題解決可以被看作是一個過程，其中學習者發現可 以將以前學過的規則重新組合，並應用解決至新問題。問題解決不單是簡單應用以前學 過的規則解決問題，它同時是可以產生新學習的過程。」（Helgeson，1992）。VabLehn 也指出，學生透過問題解決的歷程，可同時經歷知識的應用、科學方法的練習、證據的 搜尋與評鑑的經驗等，有助於學習經驗的遷移（楊坤原，1999）。國內外學者都曾分別 對問題解決的歷程提出見解，以下文獻是依照年代，列出中外學者對問題解決歷程的詮 譯，以供參考。
數學教育家 Polya(1985)在著作中《如何解題》(How to solve it)歸納出問題解決 的步驟，常用於解決數學問題的思考。
1.了解問題（Understanding the problem）
2.擬定計畫（Devising a plan）
4.回顧解答（Looking back）
楊文金、熊召弟(1996)提出一套實驗式的問題解決法，並指出在日常生活中的問題 解決方法實際上與科學中探討科學問題的方法十分類似，它們都涉及相同的問題解決程 序。一般而言，實驗的問題解決過程，涉及下列幾個階段:
1.確認問題。
2.將問題轉化為可以實驗探究的型式。
3.設計與規畫實驗的方法。
4.實際執行實驗。
5.記錄實驗所得之數據並加以觀察。
6.詮釋數據與訊息，以便下結論。
7.評鑑實驗的結果，決定是否需要進一步的實驗，或重複做實驗。
上述實驗的七個解題階段可以用下圖 2-1-2 來表示：
資料來源：引自楊文金、熊召弟(1996)
李隆盛（1996）提出解決問題的六大步驟，簡述如下：
1.界定問題：清楚地界定有待解決的問題是什麼，和預期的解決結果。
2.蒐集資料:蒐集有助於釐清問題和尋求解決的資料。
3.發展備選方案：即發展出解決問題的構想。
4.選定最佳方案：權衡各項方案的利弊得失，選出最佳解決方案。
5.執行選定方案：將已擇定的最佳解決方案付諸實施。
6.評鑑結果：即比較實際和預期結果並做必要調整。
Isaksen、Dorval和Treffinger(2011)提出三成分、六階段的創造性問題解決模式，
其問題解決模式說明如下:
1.成分一：瞭解挑戰（Understanding the Challenge）:是在明確、建構、聚焦你的問 題，使解決有效果。
階段一：建構機會（Constructing Opportunities）。
階段二：探索資料（Exploring Data）。
階段三：架構問題（Framing Problem）。
2.成分二：產出點子（Generating Ideas）:在產生各種許多不尋常的點子和聚焦點子，
尋找創意的可能。
階段四：產出點子（Generating Ideas）。
3.成分三：準備行動（Preparing for Action）:下決定、發展或加強被允許的另類想 法及計畫成功地實施。
階段五：發展解答（Developing Solutions）。
階段六：建立認同（Building Acceptance）。
美國K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念與核心概念（2012）（A Framework for K-12 Science Education: Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，
以下簡稱《科學教育框架》）提出工程設計問題的解決方法包含三個核心概念：
1.定義和界定工程問題(Defining and Delimiting an Engineering Problem) 2.開發可能的解決方案(Developing Possible Solutions)
3.選擇最優方法(Optimizing the Design Solution)
(Next Gereration Science Standard[NGSS，2013])指出上述三個核心概念並非像 科學探究按照既定程序進行，在任何階段，當解決問題者發現原構想無法解決問題時，
他可以隨時重新定義問題或產生新的解決方案，其三者的關係如下圖2-1-3。
圖 2-1-3 工程問題解決方法
資料來源：http://www.nextgenscience.org/sites/ngss/files/Appendix I -
Engineering Design in NGSS - FINAL_V2.pdf
綜觀上述，雖然各學者對解決問題步驟所劃分的階段及和名稱互有差異，但分析歸
納學者的看法可得出解決問題的普遍性歷程。因此研究者參考上述學者的研究，並依據 研究者實際教學狀況，擬發展一套簡單易懂、具代表性的問題解決程序。
由於本研究的科學玩具製作教學希望以精簡扼要的步驟，方便教師進行教學及增進 學生應用科學過程技能於問題解決學習的歷程為目的，而科學玩具的製作是屬於生活科 技類問題，生活科技的教學有其泛用模式（陳玫良，1995），其教學流程可將其視為下 圖2-1-4。
圖 2-1-4 生活科技教學流程
為配合生活科技教學流程，研究者將問題解決的過程依序為「問題輸入」、「問題解 決」、「成果評鑑」。其問題解決流程內涵詳見下圖2-1-5。
圖 2-1-5 問題解決步驟之應用
1.問題輸入階段
無問題即無問題解決可言，所以第一階段問題輸入，在於學習者能發現問題並能 以明確的語言或文字陳述問題的內容，才對能問題做分析或收集相關資料。例如:「為 什麼投石器無法投擲較遠距離?為什麼橡皮彈力車無法跑得又直又快?」
2.問題解決階段
第二階段問題解決，研究者擬設計創意思考教學活動，藉由師生問答或同儕間的 腦力激盪分析問題發生的可能原因，並逐一擬出相對應的問題解決方案。例如:「吸 管吹箭飛不遠的原因可能跟吹箭材質有關，所以可以嘗試更換不同的吹箭材質。」
3.成果評鑑階段
在教學的過程溶入科學趣味競賽是一種重要的環節，它可以增進學生應用科學方 法解決問題機會(陳惠芬，1999)。游詩蒂(2001)也指出科學創意競賽活動提供兒童運 用科學知識及過程技能、發揮創意解決問題的機會。故研究者在成果評鑑階段，舉辦 科學玩具競賽活動，由競賽成績評比來讓學生評估前一階段所提出的想法及做法是否
在教學的過程溶入科學趣味競賽是一種重要的環節，它可以增進學生應用科學方 法解決問題機會(陳惠芬，1999)。游詩蒂(2001)也指出科學創意競賽活動提供兒童運 用科學知識及過程技能、發揮創意解決問題的機會。故研究者在成果評鑑階段，舉辦 科學玩具競賽活動，由競賽成績評比來讓學生評估前一階段所提出的想法及做法是否