問題解決

問題解決是人類生活中的重要歷程，許多學者認為人類在面對問題及解決問題是屬 於一連串複雜的心智過程，許多的專家及學者都嘗試將問題解決的過程具體化。

在認知心理學中，心理學家對「問題」的定義是，它本身具有某些困難，有解決的 方式卻是不明確的。如Lovett (2002)提出，問題會發生在某個狀態與目標狀態之間出現 障礙時，達成目標狀態的方法不是顯而易見的，而Bransford & Stein (1984)認為問題會 出現在任何與目標狀態不同狀態的情況。完形心理學家認為，問題解決就是（1）問題 是如何存在人們的心智?（2）如何解決問題？包括如何重組(restructuring)他們的陳述

（Goldstein, 2005, p.388）。Deway(1910)在「How we think」一書中就已經仔細的分析過 我們在處理問題時的心智活動。他認為當人們在感受到一個目標或遇到一個阻礙時，問 題就「產生」了。問題的存在與否，是主觀的認知與感受；對知識經驗差的人是問題，

對知識經驗豐富的人未必是問題；對有所追求者是問題，對無所求者就未必是問題。（洪 文東，2000；洪文東和李震甌，2001；張春興，1996）。

根據Jonassen (1997)的描述，一個問題由問題的領域、類型、解決的過程及解答來 定義。問題的領域包含定義問題的條件、概念、規則及定理；問題的類型描述概念和規 則以解決問題，例如：化學的氧化反應是能以相似方法解決的一種問題型式；問題解決 的過程就視解決者對問題的理解力及觀點，包括對問題及目標答案的定義；而解答為解 決者對目標答案的表現，答案可能是收歛的，是唯一的答案或大家熟悉的解法，也可能 是發散的，只是可能的解決方式之一。

問題有三個普遍特徵：（1）初始狀態（initial state）：即問題條件的描述。（2）目標 狀態（goal state）：問題要求的答案。（3）障礙：從初始狀態轉換到目標狀態的步驟不 明顯。（王甦和汪安圣，2001；Sternberg, 2003）。問題產生後，接下來便是如何解決的 過 程 。 從 認 知 心 理 學 的 角 度 來 說 ， 人 們 的 問 題 解 決 可 被 看 成 是 應 用 心 理 運 作 器

（operators）所產生的知識狀態，從初始知識狀態（initial state）移到目標狀態（goal state）。對任何問題來說，從初始狀態到目標狀態，都有許多替代的路徑存在；這些狀 態的總集由合法的運作器（operators）所產生，可以用來解決問題的所有可能行動的組 合被稱為基本的問題空間（problem-space）。（李素卿譯，2003；Sternberg, 2003; Newell, 1990; Newell & Simon, 1972; Simon, 1978; Anderson, 2000）。如圖 2-2-1 所示：

圖2-2-1：問題解決的認知心理學定義 問題空間

目標狀態 初始狀態

Kahney (1986)則除了以認知的心理活動過程來界定「問題解決」之外，特別提出 情境的限制條件。他認為問題解決是個體在某些情境的需求下，利用已學過的知識、

技能，以獲得答案的過程。（Gagne′, 1985)也提出問題解決是個體將已學過的概念與當 下的規劃加以組合，用來做為解決某一問題的過程。所以在問題空間（problem-space）

裡，個體須對原有的知識架構做搜索，找出已知的部份，提出未知部份，這些步驟會 有同化及調適的歷程產生。（游文颯與佘曉清，2006）。

人們到底如何在問題空間中找出路徑，從初始狀態移至目標狀態呢？Newell 和 Simon（1972）提出人類是使用心理捷徑來解決問題。這些心理捷徑稱捷思法（heuristics）。 使用自己的知識和各式各樣的捷思法來搜尋整個問題空間，並且找出從初始狀態通往目 標狀態的路徑，就是問題解決。如果人們的長期記憶能儲存幾個可以用來解決各種問題 的簡單捷思法，就可以減少工作記憶區的容量負擔。（李素卿譯，2003；Sternberg, 2003）。

捷思法有那些呢？以下說明四種方法：

1. 手段-目標分析（means-ends analysis），注意目前狀態與目標狀態的差異，創造一個次 要目標，以減少這種差異，選擇一個可以解決這個次要目標的運作器。

2. 前向運作（working forward）：以從初始狀態朝向目標狀態的解決方式。

3. 反向運作（working backward）：從目標狀態開始，反向初始狀態方向運作。

4. 產出和測試（generate & testing）：想出不同的方法，一個一個方法嘗試，那一個方法 可以有效解決問題（圖2-2-2）。（李素卿譯，2003；Sternberg, 2003; Solso, 2005）。

禦

圖2-2-2：問題空間之捷思法（Sternberg, 2003）

由上述的定義，科學問題可分為兩類：結構式問題及非結構式問題。結構式問題在 四個步驟（Bransford, 1984; Bransford & Stein, 1983; Newell & Simon, 1972）：1.描述問 題，2.搜尋解決方式，3.執行解決方式(引自 Shin, Jonassen, & McGee, 2003)。

相較結構式問題，非結構式問題的條件如下（Shin, Jonassen, & McGee, 2003）：未 呈現問題所需設立的條件；題目中未具有明確的約束條件或是特定目標要達成；題目的

解答方式不只一個，甚至是沒有一定的標準答案，並且要從多個面向評估學生的答案；

題目中並沒有特定要依循的原理及原則用來解題；沒有特定規則或前例可循，問題通常 需要學生做判斷，或是依照個人經驗及信念對題目進行闡述。

Jonassen (1997)提出非結構性的問題解決步驟：1.陳述問題情境，2.區分各種立場，

3.形成可能的解決方法，4.藉討論及陳述個人信念，評量解決方法的可行性，5.監控問 題情境和解決方法，執行並監控解決方法，6.使解決方法更完善。而吳清山（2001）提 出教師在過程中，應扮演激勵者和觀察者的角色：1.教師確認或設計一個缺乏結構性的 問題，2.呈現問題給學生，3.學生分組討論，4.教師觀察學生討論，5.小組提出建議解決 方案。

在PISA 測驗中採用的是屬於非結構性問題，問題分為三種型態：做決定型問題、

分析和設計型問題、解決麻煩型（trouble shooting）問題。做決定型問題：學生需要了 解整個問題的情境，包括數種可能的途徑，及可能的限制，然後做決定並達到要求的限 制；分析和設計型問題：學生需要分析整個複雜的情境以了解整個系統的邏輯性，才能 設計出達到目標的方法，或從問題的背景關係中得到更多資訊；解決麻煩型問題：學生 需要理解系統的主要特徵，然後診斷其不完美處。解決麻煩型任務跟做決定型和分析設 計型問題很不一樣，它不需要選擇最好的方法，或設計一個系統以滿足需要，它需要了 解整個系統要如何運作或如何進行。

在本研究中，因為想探究學生在問題解決的歷程中，表徵使用的情形，以及想了解 經由表徵連接的教學，學生是否能提昇科學概念表徵的層次，所以採用有標準答案的結 構式問題，分析學生在問題空間（由初使狀態到目標狀態）的歷程。

（2）化學問題解決

科學問題解決中，在不同學科下的解決歷程可能不同，本研究採用的是化學學科。

在化學問題中可分為兩種：算數的（algorithmic）和概念的（conceptual），在化學教學 上，應要讓學生能理解及解決兩種類型的題目能力（Mason, Shell, & Crawley, 1997）。

Reif (1987)指出新手在問題解決時通常依賴不正規的方式，他們自動提取長期記憶 區的概念（引自Ardac, 2002），大部份學生在解難以理解的問題時，會用直覺的和片斷 的知識（Noh & Scharmann, 1997）。許多研究證據顯示，正確答對化學題目時，可能並 沒有真正了解化學(Nakhleh,1993; Nakhleh & Mitchell, 1993)，而且，解決數值的化學問 題不代表已經理解至分子層次（Niaz & Robinson, 1992; Ardac, 2002）。Ardac (2002)的研 究發現，學生在問題解決過程中，使用題目中的表面特點做為解題方向，顯示出新手的 行為，他們依靠指定情況的一些特點，與可利用的知識片斷連結。在簡單的問題

（low-demand problem）中，他們能與數學連結，而有好成績；當他們必須連結題目的 情況與可用的知識架構片斷時，成績略差；而當他們必須使用現有知識架構中的新解題 策略時，就會顯現出錯的答案，因為他們使用自我推出的規則。

學生在學校常受到許多解題策略的教學，以有效率的解決難度深淺的（high and low Metal-demand）化學問題。這些策略可以應付需要操作方程式及公式而不需理解概念的 題目，但當他們遇到新奇的題目，需要廣泛的概念知識時，他們的策略就不管用了 BouJaoude (2004)。Chiu (2001)的研究結果指出，學生在解算數型問題的表現優於在概 念理解上的表現，這點於其他類似研究的結果有一致性，但她發現具高解題成就而低概 念理解者並不多，大部份的學生不僅能解算數型的問題，同時他們也擁有正確的化學概 念，這和BouJaoude (2004)的研究結果不一致。

本研究之多重表徵之問題解決以學生熟悉的化學課程為背景，在解決化學問題時，

學生必須能靈活運用所學過的化學概念或運算技巧，也就是要能連接巨觀、微觀及符號 表徵的能力。我們不分析學生問題解決的步驟，我們關心的是學生採用表達的表徵、使 用表徵的能力，以及最終是否能完成研究者設定的目標狀態。