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Jessmer,1996)。
由于教学设计文献当中没有清楚论述和阐明问题求解的方法,因此对于如何设计问题求解的教学也就没有可供参考的建议。
人们一般运用案例教学、模拟教学、苏格拉底法、启发式教学以及算启教学方式来支持问题求解的教学,但是这些教学设计模式都没有详述教学要素的设计。
加涅、布里格斯(Briggs)、布卢姆和瓦杰(Wager)(1992)认为问题求解的学习很复杂,而且只为教学事件的运用提出了一种简单的模板。
但这种模板与规则学习和概念学习并没有什么区别。
史密斯和雷根(Smith&
Ragan,1993)也提出了一种步骤不同的教学事件应用模式。
其他教学设计的著述都未提及问题求解,更不用说教学方法了。
但是教学设计理论研究普遍认为,学习结果不同,教学方法就不同。
因此,问题求解教学必定有其相应的教学方法,它与规则学习或概念学习是不一样的。
如果说,问题求解并不只是其部分技能的综合,那么,我们就需要探寻(提出/验证)特定的问题求解教学模式。
本文分别提出了良构问题和劣构问题的教学设计模式,以支持学习者有效地学习一系列不同的问题求解能力。
良构问题的教学模式是以信息加工理论为依据的,而劣构问题的教学模式则以建构主义和情境认知理论为基础。
信息加工理论就是指运用适用于任何内容领域的一般性技巧的学习方法。
但是,建构主义和情境认知理论认为问题求解具有特定的情境(Bransford,1994),因而受情境的限制。
因此,不同情境和领域内的问题求解所需要的技能也是不同的。
二、问题的特性
一般说来,问题通常是未知事物,它来源于人们为满足某种需求或完成某个目标所处的任何情境。
但是,只有当存在某种“需求”,能够激发人们为消除歧义而求解时,问题才真正称得上问题。
传统意义上说,问题是由问题领域、问题类型、问题求解过程和解决方法来界定的。
问题领域是由确定问题各成分的内容(概念、规则和原理)组成的。
问题类型表现了概念、规则和操作程序的综合,并错此来解决问题。
例如,化学中的氧化反应是一种能够运用相同方法来解决的问题类型。
问题求解过程有赖于问题求解者对问题类型的理解和表征,包括对问题初始状态和目标状态的理解。
这种从初始状态到目标状态的发展过程被称为问题空间或问题图式(problemspaceorproblemschema)。
问题空间是“所有人类目标导向活动的基本组织单元”。
经过一段时间的实践,问题求解者就能构建丰富的问题表征和图式,并可按照程序化和自动化的方法加以运用。
因此,专家与初学者的区别就在于专家所具有的问题图式能帮助他们根据问题的条件准确识别出其所属类型,而初学者的问题图式不够完善,因此他们不能够准确识别问题的状态,因此他们不得不依赖于问题求解策略。
问题的求解方法体现了问题求解者的目标。
求解方法可能是一元性的(惟一已知的答案)或多样化的(多种方法中的一种)。
问题求解的关键问题就是问题的解决方法还不明确或者在问题陈述中不具体,因此,为了解决问题,学习者不仅要明确问题的性质,而且还必须确定合适的解决方法以及如何达到的过程。
三、问题的类型
人类所求解的问题类型千差万别,林林总总,问题的条件、解决的方法和过程也是如此。
问题的领域、目标和过程可能是良构的(如求解二次方程、摩尔与分子数的对等值、舞台平衡光设计等)或者劣构的(如要不要添置家什、该不该卖掉用了十年的旧车、减肥、在某种给定的条件下制定相应的教学方案等)。
问题可以是呈现的或发现的、良构的或劣构的、简单的或复杂的、长期的或短期的、熟悉的或陌生的。
总的来说,各种各样的问题又可以分成三类:
谜问题(puzzleproblem)、良构问题和劣构问题。
这三类问题并不具有明确的分类界限,它们是一个从非情境化的问题、解决方法同一的问题到情境化的具有多种解决方法的问题连续统。
大量问题求解的相关研究表明,非情境化问题的解法设计能够体现推理和思维过程。
这包括内容中立的谜问题(content-neutralpuzzles),如把字母顺序颠倒构成一个新字、河内塔问题、九点问题、传教士与食人者问题——该问题叙述的故事是围绕五个传教士和五个食人者以及一艘仅能承载三人的小木船开始的。
目标是用船把所有人载过河,每次不超过三人,要求无论如何食人者的数目不能超过传教士的数目。
最佳的解法只需十一步,但是多数人通常至少需要二十步。
谜问题是良构问题,具有惟一正确的答案,解法所需的各要素是已知的,而且求解需要运用逻辑运算过程。
如手段—目的分析法,运用这种方法,问题求解者必须始终不断地比较问题的现有状态与目标状态。
求解谜问题的教学设计研究应用较有限。
谜问题曾经受到广泛的研究,因为其背景知识不难掌握,而且在求解过程中揭示了人们使用的策略。
由于它们孤立于特定的领域,与学校实践和社会实践关联不大,因此谜问题的研究结果和问题本身,对于指导问题求解教学设计帮助不大。
谜问题求解所需的各元素和各步骤是可知的或已知的。
这类问题只有惟一正确的答案,而且只有通过运用具体的程序才能求得正确的解决方法。
谜问题的这些特性与现实世界中大多数情境问题的求解特性不同。
虽然谜问题是有趣的研究试验温床,但它们与学校教育和日常实践都不太相关,因此本文暂不对此作进一步论述。
1.良构问题
良构问题是最常见的问题,尤其是在中学和大学。
在教科书每一章最后通常所列举的问题就是良构问题。
解决这类问题需要根据限定的问题条件,运用所学的概念、规则和原理。
这些问题也叫变式问题(transformationproblem)。
它是由明确的初始状态、已知的目标状态和受限制的一些逻辑因素组成的。
这类问题的特点是:
(1)呈现问题的所有组成部分;
(2)对学习者呈现的是良构的、有求解方法的问题(在问题的陈述中规定了问题的条件);
(3)以一种预测性的和描述性的方式明确地界定限制条件,其中包含着解决问题时所需要运用的若干规则和原理;
(4)涉及某一知识领域中某些常规的、良构的概念和规则;
(5)有正确的、统一的答案,即标准答案;
(6)有可知的、可理解的解决方法,决策的选择与所有问题状态之间的关系是已知的或概然性的;
(7)有一个最佳的、特定的求解过程。
这些问题比谜问题更依赖于特定的领域和内容。
但是,它们所需要的迁移技能仅在于相似的问题类型。
它们的解决方法通常依赖于教科书中已经讲述的知识基础。
我们之所以要区别良构问题和劣构问题,其间的一个主要原因是因为现在流行一种假设:
以为在课堂里解决良构问题所学到的技能可以有效地迁移到解决现实世界的、情境化的和劣构的问题中。
这种假设是相当错误的。
我们认为,二者之间有很大的不同,认识到这点相当重要。
学校情境中的良构问题求解与日常环境中的问题求解是两回事,其间的关联性和迁移性相当有限。
2.劣构问题
一般来说,劣构问题存在或产生于特定的情境之中。
这类问题情境的某一方面或数方面没有特别的界定,问题的描述含混不清/模棱两可,或者问题的陈述中缺少解决问题的关键性信息。
由于劣构问题是日常实践中的常见问题,因而常令我们陷入两难境地。
又由于这类问题不受课堂学习内容领域的限制,因而对其解决方法难以预料,很难有同一的答案。
通常说来,解决这类问题可能需要整合不同内容领域的知识,比如解决污染问题可能需要涉及数学、化学、物理和心理学等多学科的知识,而且有多种解决方法。
但是,这类问题因为与我们的日常生活实践密切相关,因而趣味性强,对学习者很有意义。
在解决这类问题的过程中,学习者则需要界定问题,选择有益于形成解决方案的信息和技能。
于此,学习者具有很大的主体能动空间。
劣构问题的主要特点是:
(1)界定不明确,问题的构成存在未知或某种程度的不可知部分;
(2)目标界定含糊不清,缺少限定;
(3)具有多种解决方法、途径或根本不存在解决方法,亦即,没有公认的解决方法;
(4)具有多种评价解决方法的标准;
(5)可操控的参数/变量很少;
(6)没有原型的案例可供参考,因为案例中各重要因素在不同的情境具有显著差异,又因为这些因素是相互影响的;
(7)不能确定哪些概念、规则和原理对形成解决方案来说是必须的,又如何将它们组织起来;
(8)概念、规则和原理三者之间的关系在案例间的应用不一致;
(9)对描述或预知大多数案例没有一般性的规则或原理;
(10)在确定恰当的行动方面,没有明确的方法;
(11)需要学习者表达个人对问题的观点或信念,因而解决问题的过程是一种独特的人际互动过程;
(12)需要学习者对问题作出判断,并说明理由。
教学设计问题是劣构问题的一个典型例子。
在大多数情况下,尽管多数设计性问题存在多种解决方法,而且同样奏效,但是设计者却要受环境的制约。
在缺乏经验的前提下,设计者要依据环境因素来对问题的情境和解决方法作出判断和规定。
政治学和社会学中也存在大量的劣构问题,因为人们不可能对任何问题都会持相同的政治观点。
然而,早期的信息加工理论认为,一般来说,劣构问题的求解过程与良构问题的求解过程相类似。
而近来大量关于情境和日常问题求解的研究表明,收敛性问题(即有同一答案的问题)的求解思维和日常问题求解思维之间存在明显的差异。
而初步的一些研究结果表明,良构问题求解的操作与劣构问题的操作之间是没有关联的,解决劣构问题需要涉及系列不同的认识论信念。
当然,这个研究结果尚待进一步的研究验证,但是,良构问题与劣构问题的求解所需要的技能是不同的,却是毫无疑问的。
四、良构问题的教学设计模式
(一)良构问题的求解过程
信息加工理论是认知心理学的主要理论,它对问题求解提供了许多理论支持。
问题求解的信息加工模式,如典型的一般问题求解模式(GPS)普遍分为两种问题求解的思维过程:
理解过程和搜寻过程。
早期比较流行的IDEAL模式(Identifying——识别、Define——界定、Exploring——探索、Acting——行动、Lookingback——回顾)就是源于这种理论。
运用IDEAL模式进行问题求解的过程包括识别潜在的问题、定义和表征问题、探索可行的策略、实施这些策略和回顾评价活动的效果。
吉克(Gick,1986)把这种模式与其他问题求解模式综合而成一种简化的良构问题求解过程图式,如图1所示。
该过程首先是学习者提出问题的表征。
问题是什么?
问题产生的情境是什么?
该问题属于哪种类型?
这个过程包括问题的解构和对问题进行归类。
然后,根据吉克的模式,问题求解者寻求或提出可行的解决方法,然后通过实施、验证直到发现最佳解决方法,然后表征问题或提出可供选择的解决方法假设,之后对其进行验证。
吉克并不强调追求可行解决方法的数量,因此当验证到一种方法可行时,问题求解过程就结束了。
良构问题求解的自动化观点是根据效率和准确度来确认解决方法之正确性的。
然而,即使是良构问题的求解过程,也并不像信息加工理论所论述的那样简单。
例如,问题的表征过程可以更确切地考虑为问题空间的构建过程。
这个过程是把问题的陈述映射到已有的知识上,并且建构出对问题的个人化理解(亦即问题空间)过程。
在问题空间中,问题求解者确定适当解决方法的过程就是试图解构问题的过程。
这些过程是动态关联的,运用手段—目的分析法不断地使问题与每种可行的解决方法实现互动,最终形成解决方法。
在问题表征过程中,可以通过向学习者呈现一个概念模型来完成。
概念模型表明了问题各构成部分之间的结构化关系,如图2所示。
该图对问题求解的过程提供了一个概念模型。
下面我们来详细探讨问题求解的每个步骤。
第一步:
问题表征
良构问题求解的第一步是理解任务,也就是说从问题的陈述当中提炼出目标,即“我需要做什么,可行的解决方法将是什么样子?
”同时,问题求解者分解出问题的特征。
问题求解者首先试图通过解构问题和把问题映射到先前的知识,在头脑中表征问题(如图2所示)。
该过程产生了学习者的问题表征(问题空间),它要求问题求解者“理解已知条件、目标、可能的解决方法的潜在结构亦即任何可用来完成任务的问题求解策略”。
任何一个问题的解决方法都来源于问题求解者头脑中的问题空间。
问题空间能够关联先前具有的领域知识、假设生成和发现问题解决方法的过程,这些都是解决问题所必须做的。
应当注意的是,问题表征是由个人根据问题求解的任务来构建的,而不是从情境中自行生成的。
有目的地表征问题是要把问题与现存的知识联系起来。
该过程可以称作图式的激活,学习者就是要寻求解决特定问题的图式。
如果学习者掌握了某类问题的完整图式,那么他将轻易地将问题的陈述映射到已有的问题图式上。
已有的问题图式是先前求解某类问题的经验,它使学习者直接进入问题求解的实施阶段(Gick,1986),并且试验激活的解决方法。
专家是良好的问题求解者,因为他们能够识别不同的问题类型,调用相应的解决方法。
如果能识别问题的类型,那么就可以少用问题空间来做搜寻工作。
由于初学者不具备问题图式,不能分辨问题的类型,因而他们必须依赖于一般问题求解策略,如手段—目的分析法,这就将把他们带入问题求解的第二个阶段——寻求问题解决方法。
第二步:
寻求解决方法
问题求解的关键在于是否拥有适当的问题表征。
缺乏经验和能力偏低的学习者在寻求解决方法的过程中往往缺乏针对性和连贯性。
到目前为止,研究者提出了多种有关寻求解决方法的策略。
大多数策略是启发式的,需要问题求解者具备多种技能。
对于初学者来说,由于他们缺乏寻求的策略和问题图式,因而他们并不清楚需要什么技能。
为了实施促进问题求解的教学设计,我们介绍以下几种策略,在教学设计中至少需要运用一种或多种策略。
1.回忆类似问题
首先回忆先前已经求解的问题,然后运用曾使用的解决方法求解所面对的问题,这是问题求解过程中很自然的一步。
波利亚(Polya,1975)认为这通常也是人们的首选方法。
在面对一个问题时,我们很自然地要问自己:
我们是否面对过类似的问题?
运用类推方法需要学习者分辨先前问题与现在所面对的问题的共同点,并且回忆在求解先前问题时所使用的解决方法。
吉克和霍利奥克(Holyoak,1980)曾经研究过学习者是否能够把频散解决方法类推到医学中的辐射问题解决中去。
学习者需要把军事问题的解决方法映射到医学问题的解决方法上去。
当受到鼓励思考先前所遇到的问题时,大多数学习者能够成功地把解决方法策略运用到医学问题中去。
然而,当思考先前问题的鼓励停止时,先前问题求解的经验映射也就终止了。
学习者受到鼓励就能够运用类推法,不受到鼓励就不会运用。
回忆类似问题或许是学习者应该尝试的最佳策略,也是教学提供支持的首选策略。
如果学习者不能回忆类似问题或不会运用类推法,那么他们可能运用其他的寻求解决方法的策略。
2.手段/目的分析法
手段/目的分析法是指运用问题求解的方法,消除问题的现有状态与目标状态之间的差距(Gick,1986)。
手段/目的分析法最早出现在一般问题求解模式中。
该模式指出,问题求解者首先必须对所要实现的目标进行分解,然后对所要实现的每一个目标选择相应的方法(手段)。
在分解目标之后,问题求解者必须首先选择最重要的差距,然后选择能够减小这种差距的方法,接着选择方法以减小下一个最重要的差距直到问题完全求解为止。
例如,如果目标是制造一辆手推车,那么制造者将要运用许多算子(operator)(如到建筑材料店购买车轮、支架、木头及其他所需材料)。
手段/目的分析法是一个反思性的过程,该过程必须确定差距(如需要的材料有哪些),反之,还需要计划减少这些差距。
手段/目的分析法的不足之处就是它容易阻碍图式的习得,即关注问题的属性,从而更好地识别问题的类型。
为了有效地使用手段/目的分析法,问题求解者需要选择注意问题的各个方面,反思先前问题的求解方法,即把问题的状态与问题解决方法的类别相联系起来,需要处理认知负荷干扰的能力,这种干扰产生于目标导向的策略如手段/目的分析法中。
3.分解和简化:
搜索子目标
将一个问题分解成若干子问题是常用的一般性策略。
该策略认为,学习者首先将问题分解成若干子问题,然后对子问题分解,应用此过程直到子问题不能再细分,并且能就每个问题提出一种显而易见的解决方法为止。
如果学习者认为,达到子目标状态只需少量步骤,那么求解途径的数量可能就会减少,从而使问题较易求解。
然而,对于这种方法能否启发和求解实际问题却几乎没有中肯的建议可供参考。
分解,像大多数一般性策略一样,需要学习者具备完整的技能和问题求解领域的知识。
鉴于这种局限性,本文后面所论述的教学设计模式部分将详述初学者问题求解的方法。
4.生成/检验解决方法
生成—检验方法是最没有结构、最弱的寻求问题解决方法的方式。
从中,问题求解者通过头脑风暴提出可能的解决方法,然后评价其解决问题的可行性。
这或许是那些未经训练的问题求解者最常用的方法,它依赖的是个体生成解决方法的一般性的智力。
因此,这种方法作为一种教学设计策略来说是不可取的。
第三步:
实施解决方法
在良构问题求解过程中,最后一步是检验学习者提出的解决方法。
通常这是一个反复验证问题图式中所包含的程序的过程。
如果解决方法被证明有效,那么问题也就解决了。
反之,则学习者应当提出一种新的假设或调整过程以寻求另一种解决方法。
但是,从失败的尝试中识别出相关线索,并运用这些线索提出新的解决方法,往往是很困难的,对那些不能接受失败的学习者来说尤其如此。
在解决方法的实施过程中,学习者需要大量的训练/指导,如动机激励训练/指导,能使学习者从失败的尝试中得到激励,坚持不懈,直至提出新的解决方法。
通常,学习者所试验的公式/规则,是他们能够回忆并与特定的问题条件相关联起来的部分。
学习者也有可能试验/验证那些基于适当的问题空间和问题构成部分而产生的假设。
(二)设计与开发良构问题求解的教学
在图1和图2所描述的良构问题求解过程及模式的基础上,可以进一步探讨支持良构问题求解过程的教学设计蓝图。
该过程基本上包括了大多数教学设计模式所蕴涵的教学要素。
回顾先决性的构成概念、规则和原理
良构问题的求解需要学习者识别、选择和运用相关知识领域的信息。
在开始问题求解教学之前,教师应当回顾求解问题(构建问题图式的必要技能)所需要的概念、原理和程序,或以概念、规则课教学的形式呈现给学习者。
此外,学习者对问题构成部分的理解,还可以通过前测,或通过教师的帮助把相关的帮助镶嵌到问题求解的教学过程中,这些帮助包括工作援助、有利于学习者获得的绩效支持等等。
提出问题领域的概念模型或因果模型
帮助学习者构建适当的问题表征(如开发适当的问题图式),一种有效方式就是提供一种关于问题领域的“图解先行组织者”(graphicorganizer)。
这些图表可以以不同形式呈现出来。
概念组织者的最佳研究形式是概念模型。
良好的概念模型能以一种视觉化的表征方式表示问题的所有重要部分、状态和行动,并以学习者熟悉的方式,详细说明它们之间的关系。
梅耶(Mayer,1989)提出了一些问题求解课程教学的概念模型,如BASIC语言、摄像机、数据库系统、物理等,他认为,向学习者提供具体的概念模型能够提高概念的保持力,减少死记硬背,并提高问题求解的迁移性。
正如图2阐明了问题求解过程的概念模型一样,图3阐明了帮助理解氮循环的概念模型。
如图3所示:
但是,应当注意的是,概念模型必须与其所描述的事件和对象相符合。
良好的概念模型能给学习者一种直观的感觉,一目了然,所用词汇和概念恰当贴切。
之所以要阐明问题空间的概念组成要素,目的是为了促进学习者对所学内容的心智模式的发展。
在教学前或教学过程中呈现概念模型最为有效。
之所以要给学习者提供所学问题领域的概念模型,另一大原因是因为概念模型能明确表示问题求解所需求的结构性知识。
罗伯特逊(Robertson,1990)发现,学习者的认知结构(包括相关的结构知识)状态是影响学习者能否求解物理中的迁移问题的强有力的先导因素。
事实上,与能力倾向(如标准化考试的分数所测量的)或一组类似问题求解的成绩(蕴涵类似问题求解策略)相比,结构性知识是一种更强的先导因素。
学习者与专家认知结构的潜在共性就是问题求解能力的高度先导性。
因此,能将知识库中重要的概念关联起来的认知结构,对于理解问题领域是非常重要的,同时对于构建有意义的问题表征也是至关重要的。
这些概念地图表现了重要的结构性知识,有助于学习者构建准确的、领域特定的问题表征。
结构性知识可以用多种图解的方式来表征,它也可用来支持问题表征过程。
另一种可能支持(虽然还没有经过验证)良构问题求解的概念模型表征方式是因果互动地图。
因果互动地图表明了可观察与不可观察的变量之间的相互关系(如图4所示)。
通过因果互动地图的作用,变量之间的互动关系及其可能产生的结果便准确清晰地以图示的形式表现出来。
理解某个问题属性之间的因果链,有助于寻求问题的解决方法。
用于表现领域知识的因果互动地图比较贴切地表现了概念模型中寻求解决方法的过程。
模拟成功案例中的问题求解方式
模拟成功的问题解决案例,是要模仿问题解决的方式,包括有经验的问题求解者(尽管不是专家)对问题求解的描述和求解过程中的体验与思维过程。
成功的问题解决案例有助于学习者构建有用的问题图式,帮助学习者对类似解决方法的问题进行归类,并通过从成功案例中类推的方式,对新问题构建解决方法。
事实上,大量的研究表明,通过研究学习至少两个成功的问题解决案例,有益于提高问题求解的绩效。
一个成功的问
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