问题难度

问题难度

影响问题难度的因素主要有三个:一是解决问题所需的知识量(包括解决问题的策略的知识);二是解决问题的搜索空间(这种空间随问题的复杂化或长度的增加而呈指数性增大);三是问题的表征方式。

关于知识因素的研究

知识是解决问题必需的前提。当代心理学最早涉及知识在问题解决中的作用的研究是关于下棋的研究。当时,测定一个高级棋手必须具备多少有关知识是一个相当有意思的课题。蔡斯和西蒙(Chase&Simon,1973)、德格鲁特(De Groot,1966)、西蒙和吉尔马丁(Simon&Gilmartin,1973)都进行过这方面的研究。例如西蒙等人提出,一个优秀的棋手(专家)头脑中应储存10万个左右的“组块”。可见,下棋要求的知识量还是很高的,是一种比较难的问题。初学者与专家的区别就在于他们的组块积累量大不相同。初学者对问题涉及的知识知之甚少,所以解决问题时必须吃力地进行手段-目的分析,并且常常走弯路而不得不从头开始。而专家则不同,他们往往可以从问题的出发点直接达到问题的目标状态,因为他们有足够的经验对问题进行直接的加工——或称为顺推法加工。随着知识经验(也可以说是组块)的积累,同一个领域的问题对初学者来说也就越来越容易。这正好说明了知识量是影响问题难度的一个重要因素。

在知识比较密集的领域,问题解决更加依赖知识。问题解决者要找到必需的一系列操作,就必须在自己的知识库中搜寻相应的知识。而且,解决问题不仅需要陈述性知识,还需要程序性知识。

尽管知识在很大程度上影响着问题难度,但它不是唯一的因素。

关于搜索空间的研究

另一个影响问题难度的因素是搜索空间的大小。纽威尔和西蒙(Newell&Simon,1972)提出了问题解决过程的两个主要部分:一是内部问题表征的产生;二是在内部问题表征中的搜索。他们认为,由于问题解决的第一步就是将外部的任务环境转化为内部表征,而一个问题又往往可以产生多个内部表征,问题解决者必须挑选其中一个或几个,并在其中进行操作。这样,问题解决者就必须从许多可能的路线中找出一条正确的路线,所以,搜索空间的大小就成为影响问题难度的决定性因素。于是,诸如最简便解法的长度(步骤多少)、(搜索路线的)分支、“陷阱”的多少等都可以看作是影响问题难度的因素。

上述观点在一段时间曾占统治地位。但是,沃森和约翰逊-莱尔德(Wason&Johnson-Laird,1972)关于逻辑问题的研究以及海斯和西蒙(Hayes&Simon,1977)关于河内塔变式问题的研究对上述观点提出了质疑。沃森和约翰逊-莱尔德发现,逻辑推理问题的难度与被试对问题所用材料的熟悉程度有关,如果一个问题涉及的是人们熟悉的日常生活,难度就往往降低,例如:像“猫∶虎=狗∶?”这样的问题就比一些抽象的问题容易一些。海斯和西蒙采用河内塔问题的变式来研究问题。这种变式与河内塔问题在形式上大不相同,但是结构是一致的。经过形式上的变化,难度增加了一倍。既然问题的结构相同,那么它们的搜索空间也应该一样大,难度怎么会变了呢?结果自然就追究到了问题的表征方式。对于这个问题,科多夫斯基、海斯和西蒙(Kotovsky,Hayes&Simon,1985)进行了深入的研究。

关于问题表征与问题难度之间关系的研究

在分析问题表征如何影响问题难度的研究中,科多夫斯基、海斯和西蒙(Kotovsky,Hayes&Simon,1985)揭示了这样一个现象:问题难度与记忆负荷有关。他们在这个研究中还研究了其他几个影响问题难度的因素,即规则学习的难度、规则运用的难度、现实世界知识(实际生活经验)与问题规则的吻合程度。

他们的实验所用的问题是河内塔问题的变式。变式有两种,难易不同。

变式一:3个有5只手的外星人,手持3个钻石球。外星人身材有大有小,手里的球也有大有小。但是有一个不和谐的情况:小外星人手里的球最大,中外星人手里的球最小,大外星人手里则拿着不大不小的一个球(中球)。为了恢复和谐,他们决定调换手中的球。调换时有三条规则:(1)一次只能传递一只球;(2)如果谁手里有两只球,则只能递出较大的球;(3)不能接收比自己手中球小的球。请问如何传递方能达到目标?

变式二:3个有5只手的外星人,手持3个钻石球。外星人身材有大有小,手里的球也有大有小。但是有一个不和谐的情况:小外星人手里拿着不大不小的一个球(中球),中外星人手里的球最大,大外星人手里的球最小。为了恢复和谐,他们决定用魔术变化手中的球的大小。变化时还有三条规则:(1)一次只能变化一只球;(2)如果有两只球大小相同,则只能变化较大外星人手里的球;(3)较小外星人不能将自己手中的球变化得与较大外星人手中的球一样大。请问如何变化方能达到目标?

以上两个问题的结构与河内塔问题完全相同,只是表面特征不同,但是它们的难度比河内塔问题高得多。在他们的实验中,最难的问题变式比最容易的变式难15倍(以解题时间计)。研究者认为,河内塔问题容易物化,短时记忆负担小,故容易;它的变式则反之,犹如笔算易于心算。另外他们还认为,被试解答难题的时间几乎都花在了学习上。而一旦被试掌握了规则,则解难题和解容易的题目所花的时间几乎都一样了。研究者认为,这是因为被试学习之前要记住许多可能的解题路线,而学习之后只需记住一个正确解法就行了。

科多夫斯基等人的实验还证明,问题中规定的规则越是难懂,所需的学习时间越多,则问题也就越难。例如,在一个实验中,被试学习上述变式一的规则的平均时间是119(秒),学习变式二的规则的平均时间是309(秒),后来被试在解决变式一问题的时候所花平均时间为11.92(分),在解决变式二问题时所花的平均时间则是30.85(分)。

关于规则运用的难度,他们发现,规则越难运用,问题难度就越大。西蒙等人以被试阅读规则的时间以及判断某一操作是否合乎规则的时间来确定规则运用的难度。

关于现实世界知识(实际生活经验)与问题规则的吻合程度对问题难度的影响,他们发现,如果规则与日常生活知识经验相反,则问题难度增大。

科多夫斯基和西蒙(Kotovsky&Simon,1990)的另一个研究中的实验材料的原型是中国古代流传下来的益智游戏——九连环。研究者将这个游戏抽象化,形成几个变式。这个研究检验了影响问题难度的两个因素。结果发现,几乎没有一个被试能在2个小时内解决九连环问题,即便在做了演示之后,也只有一半被试能解决问题。他们认为,问题难度的来源之一是对于如何操作的发现过程,而不是问题搜索空间的其他特征。其证据是,解决变式问题的被试大多数能够在10~25分钟完成任务,但这依赖变式的类型:信息提示程度高的变式比较容易解决,信息提示程度低的变式则不太容易解决。该实验说明,研究者所做的抽象化(只是改变了问题的操作方法,而没有改变其结构)导致了问题难度的降低,故问题难度的来源一定在操作部分。而被试一旦发现操作的方法,问题就容易了。(https://www.daowen.com)

但是,抽象化问题的难度仍然是很高的。因为这类问题的搜索空间不大,没有什么分支,所以这样高的难度让人很难理解。于是研究者认为,问题的搜索空间不是问题难度的主要影响因素。

卡普兰和西蒙(Kaplan&Simon,1990)对顿悟的研究也说明,要产生顿悟就必须先获得一个有效的问题表征,而在获得这一问题表征的过程中,将问题解决者引向或推离正确表征的力量决定着问题解决的成绩。在研究中,他们总结出几项影响问题解决者思路的因素:线索显著性、先行知识、暗示和启发式。

关于复杂问题的判定

芬克(Funke,1991)对于复杂问题的判定作了一些研究和总结,提出了判定复杂问题的标准。他把复杂问题与简单问题作了系统的比较,发现下列标准是十分重要的。

(1)能否获得问题的有关信息,即问题情境的透明度。

(2)问题要求达到的目标是否清楚明确地表达出来;目标是单一的还是多重的;有无相互冲突的目标。

(3)问题中变量的数目;变量之间的联系程度;函数关系的类型(是线性的还是非线性的)。

(4)问题的易变性:随着时间的推移,问题会不会发生变化(例如随着季节的变化,穿什么衣服就应该随之变化)。

(5)问题的隐晦性:语义上的多义性会使问题在很大程度上复杂化。

根据上述标准,芬克提出了复杂问题的如下一些重要特征。

(1)不透明性:在复杂的问题情境中,只有少数的变量是可以直接观察到的,问题解决者一开始通常只能获得一些表面的信息,本质的内容必须自己寻找。

(2)多目标性:复杂的问题往往有多个目标,各个目标之间往往还相互矛盾,问题解决者必须权衡利弊才能作出决定。

(3)情境的复杂性:复杂的问题往往有许多变量,变量之间的关系也比较复杂,问题所指对象也不易操纵。

(4)变量间的联系:复杂问题的各个变量往往联系得十分紧密,牵一发而动全身,使问题解决者很难作出准确的预测。

(5)动态性:复杂的问题往往随着时间的推移而变得越来越难以解决。这就好像生病一样,越拖越不好治。

(6)延迟性:在复杂的问题情境中,一个操作有时不能立刻看到效果,这就要求问题解决者有高度的耐心和记忆力。

研究影响问题难度的各种因素在实践中(尤其是在教育工作中)具有十分重要的作用。弄清这个问题,至少会有三点好处:第一,在许多有关问题解决的研究中,我们就可以随心所欲地操纵问题的难度,从而免去用于测定问题难度的相当大的工作量;第二,在智力测验工作中,由于可以随心所欲地操纵问题难度,测验题目可以随编随用,所以可以不再顾虑题目答案泄露,每次更换版本也无须大规模重新制定常模;第三,在教育工作中,教育者可以更科学地安排教学内容和学生练习。