原型及问题本身呈现方式对科学问题解决的影响研究

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摘要：本文抽取西南大学编制的《科学发明创造实验问题材料库》中24个科学问题作为实验材料，随机抽取某高校60名大学生为被试，通过操纵学习时原型呈现方式（文本原型或文本原型+图形）和测试时问题呈现方式（文本问题或文本问题+图形），探讨原型及问题本身呈现方式对科学问题解决的影响。结果发现：（1）问题呈现方式在科学问题解决正确率上存在显著性差异，且有图形问题呈现方式高于文本问题呈现方式下问题解决正确率；（2）原型及问题本身呈现方式在原型激活率上存在显著性差异，均表现为有图形呈现方式高于文本呈现方式下原型激活率；（3）原型呈现方式和问题呈现方式的一致性在科学问题解决正确率和原型激活率上均不存在显著性差异，且当原型及问题呈现方式均为文本+图形的呈现方式时原型激活率和问题解决正确率均为最高。

关键词：科学问题；创造性思维；原型启发；呈现方式

一、问题的提出

科学问题是特定时代下，认识主体基于特定的知识背景，通过具体分析和缜密思考，发现和提出的关于科学理论和科学实践中需要解决的矛盾或疑惑[1，2]。科学问题解决是人类最典型且最富有创造力的活动[1]。因此，分析和探索科学问题解决中的认知过程，对于促进个体创造力发展，提高人们问题解决能力具有十分重要的理论和现实意义。

科学问题解决除受问题本身影响外，还受思维方式、知识经验等多种因素的影响，国内不少心理学工作者进行了相关研究[3-5]。我国学者张庆林等以科学问题解决中的顿悟过程为研究对象，提出并验证了创造性思维的“原型启发”理论。原型启发是顿悟产生的基本途径。原型启发效应产生包含两种机制：原型激活和原型中关键启发信息的激活。前者是一种自动加工，后者是一种控制加工[6]。以往关于科学问题解决的研究多半研究结构良好的问题，而实际上科学问题大多是一些结构不良问题，这些研究在实验范式设置上还存在一些问题，需要改进[7]。

近年来，研究者们对科学问题解决中的原型知识进行了系列研究，如朱丹（2011）、崔帅（2011）、田燕等（2011）、朱海雪等（2012），重点探讨了原型中原理突出、标识、插图、原型数量以及原型位置等对科学问题解决的影响。原理是影响问题解决的关键因素。“突出原理”和“指向原理的标识”有助于促进被试将注意力指向标识或对突出所提示的科学原理的归纳，提高问题解决的正确率[8]。“插图”和“指向物体的标识”有助于直观形象的形成，直接作用于非语言的的视空间信息加工网络，导致视觉信息突然重组，促进问题表征方式转换，提高原型激活率。原型激活是创造性问题解决的初级加工过程，是以具体的形象而不是抽象的概念进行的。原理突出和指向原理的标识则促进了原型中语义概念的形成，从而激活原型中关键启发信息。它们分别对应原型的表面特征与深层特征。当问题的深层结构以外显方式呈现时，新手也会根据与问题的抽象原理相关的深层结构来解决问题[9]。认知心理学认为，信息呈现方式影响信息在记忆中的表征。先前知识以较形象的方式呈现易于形成相应的表象储存在大脑中，这种表象表征与相应概念结构对应，长时记忆中信息的先验表象就能够激活概念结构，成为问题解决的关键[10]。而有研究认为高创造性者是因为他们能够在科学问题解决过程中形成对原型知识的“功能-构造”图式表征和对科学问题的“构造？-功能”图式表征，形成“大脑自动响应机制”。那么原型及问题本身呈现方式对科学问题解决是否会有影响？如何影响？与高创造性者“大脑自动响应机制”有关系吗？

基于此，本研究以西南师范大学的《科学发明创造实验问题材料库》为实验材料对某大学学生进行实验研究。实验为2×2的两因素被试内设计，采用20个原型学习-12个科学问题测试的实验范式，主要探讨原型及问题呈现方式对科学问题解决的影响，并进一步探讨原型及问题呈现方式的一致性对科学问题解决的影响。

二、实验

采用《科学发明创造实验问题材料库》中的科学问题为实验材料，探讨原型及问题的呈现方式对科学问题解决的影响。

（一）方法

1.被试

随机抽取在校文理科大学生60名，其中男生38名，女生22名，年龄在20～23岁之间。被试均为右利手，视力或矫正视力正常，且自愿参加实验。

2.实验材料

实验材料摘自崔帅的论文《创造性问题解决中知识表征研究》和代天恩的论文《科学问题发现中的原型启发效应》，总共24道题。为每一道科学问题及原型知识编制相应的图形材料。

3.实验设计

采用2（科学问题呈现方式）×2（原型知识呈现方式）的两因素被试内设计，探讨问题呈现方式与原型呈现方式对科学问题解决的影响。自变量1为原型知识呈现方式，包括文本原型（纯文本原型）呈现方式和有图形原型（文本原型+图形）呈现方式两个水平。自变量2为问题呈现方式，包括文本问题（纯文本问题）呈现方式和有图形问题（文本问题+图形）呈现方式两个水平。总共4种实验处理水平：文本原型-文本问题；文本原型-有图形问题；有图形原型-文本问题；有图形原型-有图形问题。每组包含12个学习材料、8个干扰材料和12个情境问题。实验中被试随机被分成四组，四组被试被随机分配给四种实验处理。

因变量：以科学问题解决正确率，即解决答案正确的科学问题数占科学问题总数的比率作为因变量1；以科学问题解决中想到的原型数占原型总数的比率为原型激活率，并以此作为因变量2。

4.实验程序

采用个别测试，使用E-prime2.0软件编程完成实验材料，随机呈现并自动记录被试反应时。整个流程包含学习和测试两个阶段。

学习阶段：首先在屏幕中央呈现注视点“+”，时间为1s；接着呈现一个学习原型（呈现时限为60s，60s内被试理解原型即按“Q键”进入下一步，60s还未理解自动进入下一步），稍后出现第二个原型，重复之前步骤，直到学完一轮20个原型。

测试阶段：屏幕中央出现测试开始提示（1s），然后呈现一个科学问题，时限为90s。如果被试90s内能想到答案，按下“Q键”，程序自动记录反应时并跳到“开始答案”提示，被试在问卷上填写答案；如果到90s被试未能想出答案，程序自动进入下一阶段。稍后出现第二个科学问题，重复之前步骤，直到测试完该轮的所有12个科学问题。每组题目为一轮（学习20个原型后测试12个科学问题），每个被试共接受一轮测试（分别为4组被试进行测试）。每轮中原型按固定顺序呈现，科学问题由程序随机呈现。要求被试想到答案立即按键，然后对答案进行问卷测试。问卷测试时要求被试填写解决问题的策略、原理以及所参考的知识。每一组流程如图1所示。

（二）结果与分析

依据问卷测试结果进行0，1二级评分（未想到恰当原型或未回答记0分，想到恰当原型记1分；想到原型并能用原型正确解决问题记1分，不能想到恰当原型但能正确解决问题记1分）。每一个被试在原型激活上得1分的次数就是“原型激活”的次数。而原型激活率是指激活恰当原型占原型总数的比率，问题解决正确率仅仅是指成功解决问题占科学问题总数的比率。实验过程中，由于电脑屏保程序设置不当，使得有些被试在E-prime2.0记录反应时的时候有缺失而被剔除，实际收集到48份数据资料，每个被试都完成了13道题。

1.不同实验处理下原型激活率比较

根据实验结果获得各实验处理下原型激活率平均值和标准差，结果如表1所示。

2.原型呈现方式与问题呈现方式对原型激活率的影响

原型呈现方式与问题呈现方式在原型激活率上的方差分析见表2。

由表2可看出，原型知识呈现方式在原型激活率上存在显著性差异（F（1，44）=4.202，p

3.原型及问题本身呈现方式对科学问题解决正确率的作用比较

（1）不同实验处理下科学问题解决正确率比较

根据实验结果获得了不同实验处理下的科学问题解决正确率平均值和标准差，结果见表3。

将4种实验处理水平看作单因素水平的四种处理，继续对不同实验处理下的科学问题解决正确率进行方差分析，结果如表4。

从表4中可以看出不同实验处理下科学问题解决正确率差异显著（F（3，47）=2.978，p

（2）原型呈现方式与问题呈现方式对科学问题解决正确率的影响

根据实验结果，我们分别对原型呈现方式和问题呈现方式在科学问题解决正确率上进行单因素方差分析，结果见表5。

从表5可以看出，原型呈现方式在问题解决正确率上差异不显著（F（1，44）=3.293，p>.05）；问题呈现方式在问题解决正确率上差异显著（F（1，44）=4.481，p.05）。

4.原型-问题呈现方式的一致性程度对科学问题解决的影响

将4种实验处理水平看作单因素水平的2种处理，继续对原型-问题呈现方式一致性程度对科学问题解决的影响进行探讨。从表3和表5可以看出，原型-问题呈现方式一致性程度对科学问题解决的作用比较复杂，随着原型及问题呈现方式不同而发生变化。当原型及问题呈现方式均为文本呈现时，二者呈现方式一致性程度对科学问题解决作用不明显。呈现方式均为有图形呈现时作用较明显，促进了科学问题解决且原型激活率和问题解决正确率均为最高。

综合以上统计结果，在科学问题解决原型激活率上，原型呈现方式与问题呈现方式主效应均显著，二者交互作用不显著，有图形呈现方式下均高于文本呈现方式下原型激活率；在科学问题解决正确率上，原型呈现方式主效应不显著，问题本身呈现方式主效应显著，二者交互作用不显著，且有图形问题呈现方式高于文本问题呈现方式下问题解决正确率；原型-问题呈现方式一致性程度对科学问题解决作用复杂，随具体呈现方式不同而不同，且有图形原型-有图形问题条件下原型激活率和问题解决正确率均为最高。

三、综合讨论

（一）科学问题解决中问题呈现方式的影响

本研究中，问题呈现方式对科学问题解决起了重要作用。在有图形问题呈现方式下，问题解决者很快进入问题空间，有图形问题呈现方式促进了问题的内部表征。只有内部逻辑分析思维和外部表征结合起来才能高效解决问题（Stephen et al.，2009）[11]。有图形问题呈现方式有助于被试形成问题知觉场，从而提高原型激活率。在原型激活上，原型表象作用比原型中原理作用更明显。本研究推测，可能是因为有图形问题呈现方式有助于被试形成问题的表象表征。基于图形产生的表象可能没有基于图像产生的表象形象生动。对于本研究中问题呈现方式产生的原型激活促进作用到底是由于产生了表象还是激活了问题的语义表征，还不能确定，需要进一步论证。

（二）科学问题解决中原型呈现方式的影响

面临科学问题时，个体必须对已有知识经验进行修改、完善和重组，激活恰当的原型知识，并在关键启发信息指导下创造性地解决问题。原型知识是影响科学问题解决的重要因素。本研究结果表明，原型呈现方式在科学问题解决正确率上差异不显著，这与田燕（2011）等的观点不一致。究其原因，本文认为原型呈现方式对科学问题解决影响比较复杂，它与问题呈现方式有关。在原型中关键启发信息激活上，问题呈现方式作用可能较原型呈现方式明显。在原型与问题因素同时作用于问题解决时，问题特点影响掩盖了原型特点。这只是一种假设，需要进一步论证。在原型激活阶段，文本原型+图形的呈现方式可以促使被试在原型学习时加强对原型的图像表征。在此阶段，被试要将眼前问题与头脑中的恰当的原型建立起一种联系，这种联系的形成需要克服问题与原型的表面特征差异，将不同的两件事物联系起来。有图形原型呈现方式有助于被试形成原型的图像表征，进而促进原型激活。

（三）科学问题解决中原型及问题本身呈现方式一致性的影响

原型及问题的呈现方式一致性程度在原型启发率和问题解决正确率上表现出相同的效应。这与以往的研究结果一致。如国内学者师保国和张庆林（2004）在考察不同源问题条件下大学生学科问题类比迁移情况时着重探讨了表面特性对学科问题迁移成绩的影响，结果表明表面策略和结构策略结合起来激活源问题是问题解决的有效策略[5，11，12]。张庆林等认为可能是由于它们能够在科学问题解决过程中存在原型知识的“功能-构造”图式表征和科学问题的“构造？-功能”图式表征。那么是不是有图形的原型及问题呈现方式对科学问题解决中原型的“功能-构造”图式表征的形成以及问题的“构造？-功能”图式表征会有促进作用呢？对这一机制的认识还有待进一步探讨。

四、结论

（1）问题呈现方式在科学问题解决正确率上存在显著性差异，且在有图形问题呈现方式下问题解决正确率高于文本问题呈现方式下问题解决正确率；

（2）原型及问题本身呈现方式在原型激活率上存在显著性差异，均表现为有图形呈现方式高于文本呈现方式下原型激活率；

（3）原型呈现方式和问题呈现方式的一致性在科学问题解决正确率和原型激活率上不存在显著性差异；且当原型及问题呈现方式均为文本+图形的呈现方式时原型激活率和问题解决正确率均为最高。

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