问题解决中对问题的外部表征和内部表征

1、问题解决中对问题的外部表征和内部表征         邓铸/余嘉元南京师范大学心理学系（南京 210097）摘 要 传统观点认为，问题表征是问题解决者构建问题的心理结构，是内在的知识、结构和神经网络，是问题解决的根本机制。但近来研究发现，问题的呈现方式、问题情景的成分和结构也对问题解决行为具有独立的指导、约束或决定作用，因此可以把问题表征划分为外部表征和内部表征。这两种表征具有不同的特征，对问题解决具有不同的作用机制。就学科问题解决来说，当前研究主要集中在表征的结构及影响因素方面，未来一个时期，此方面的研究迫切需要

2、探明外部表征的结构、形式、内容及其与内部表征之间相互作用的机制，并建构适宜的研究方法体系。×关键词 问题解决，外部表征，内部表征，学科问题解决分类号 B842.5表征（representation）是认知心理学的基本概念，一般是指信息的内部表达，所以问题表征一般也是指问题解决者对问题的内部表征。但近来发现1，一些具有相同内部表征但外部表达方式不同的问题会引起作业操作者完全不同的问题解决行为，就是说问题的外部表达方式对问题解决也有根本影响，而这种影响未必都是通过内部表征机制实现的，于是有研究者提出外部表征（external representation）的概念2。这一概念的提出具有重要

3、的建设性意义，它开辟了一条问题解决研究的新思路。在以往问题解决研究中，研究者总期望寻求适合于所有类型问题的一般内部表征机制，忽视了知觉系统直接觉察问题情景某些结构的价值。本文重新分析问题解决中的问题表征，形成对问题内部表征、外部表征及其二者之间关系的清晰认识，并进而总结已有的研究成果，突出两种表征对问题解决行为的不同影响。1 问题表征与两种表征的区分认知心理学研究者通常认为问题表征就是理解问题，是问题解决者构建的关于问题的认知结构，是对觉察到的问题的初始条件、约束条件的解释。长期以来，这一概念被普遍认同，原因是这里隐含着一个普遍被接受的假设前提，即：不管问题的呈现或输入方式如何，问题

4、解决行为都是由对问题理解决定的，即对问题的内部表征决定的，问题的外部结构对问题解决的影响只能是通过影响问题的内部表征而间接地起作用。有了这一假设前提，问题解决机制研究也就把问题表征过程只看成是内部的心理过程。Zhang2对此提出了质疑，他使用Tic-Tac-Toe式同型游戏问题3作为实验材料，发现问题的外部结构与情景不只是对内部意识的输入和刺激，它具有独立于内部表征的作用，于是提出了问题的外部表征的概念。Zhang所指的外部表征被定义为问题情景的成分和结构，包括物理符号、物体、维度，以及外部规则、约束条件或边界条件等，这些信息只能被知觉系统觉察、分析和加工。在许多认知任务中都需要外部表征，但与

5、内部表征相比，对其特性的直接研究还很少，人们可能认为对外部表征进行研究无益于增加有关内部意识的知识。实际上，对问题外部表征的系统研究可以帮助我们了解许多有关内部意识的知识，因为内部意识的结构是对外部环境结构的反映，外部表征不只是对内部意识的刺激和输入，它对许多认知任务具有指导、约束，甚至决定认知行为的作用2。那么，问题的外部表征与内部表征有什么关系呢？在传统认知科学中，大部分研究要么是绝对地集中在内部表征方面，要么是在考虑到外部表征时也不能把它从内部表征中区分开来，因此这些研究通常不能把外部表征与内部表征同等地看待或区分地加以研究。一些学者4-6指出这种混淆常常使得研究者要假定一个复杂的内部机

6、制以解释所谓的内部表征的复杂结构，其实这些内部复杂结构中的大部分只是外部表征结构的反映。当前，人们对内部表征与外部表征的关系有不同的看法。比较经典的观点是：外部表征只是对内部意识的输入和刺激。按照这种观点，即使许多认知任务需要在与环境间的交互作用中来完成，但所有的认知加工活动都只能发生在外部表征的内部模型中，因此当一个人面临一个需要与环境发生相互作用的任务时，他就需要通过一些编码过程建立一个关于问题呈现及其环境的内部模型，然后在这种结构化的心理模型中完成对具体内容（符号、亚符号或其它形式）的心理运算，最后再通过一些加工过程把内部加工的产品外化到环境中。这是一个在传统的人工智能（AI）和其它的认

7、知科学领域中普遍被接受的观点7。认知生态学研究的开创者Gibson8，9则认为环境是高度结构化的-在广大的时空范围内存在不变的视觉排列模式，这些不变的信息即使在没有记忆、推理、思考或其它需要内部表征的心理过程时也可被直接觉察到，并保证认知任务的完成。在Gibson看来，环境的信息足以确定环境中的物体和事件，因此对于知觉和行为来说，这些信息也是足够的，那么知觉的最终产品不是环境的一种内部表征，而是直接从环境中觉察的那些不变的信息。最近一些研究强调环境的结构及人与环境结构间的交互作用，同时又不否认内部表征的作用。比如生态现实研究趋向指出人在具体情景中的活动受到该活动发生的物理和社会背景的指导、约束

8、10，11，没有必要建立关于环境的内部模型，人们可以直接获得环境信息并以适应的方式依靠它来采取行动。与此有关但又有所不同的另一研究趋向是分布式认知趋向（the distributed cognitive approach），这一趋向探索认知活动如何在内部意识、外部认知性产品、人群以及跨时空中分布式进行的12-16。按照这种观点，一个人的许多智力行为是他与外部事物及其他人交互作用的结果。如Hutchins的研究显示由一群人及与之交互作用的认知产品构成的分布式认知系统的认知特性与个人的认知特性完全不同，而且这些特性不能从单个人的认知特性来推断。Zhang和Norman16研究了一些需要内部表征和外

9、部表征交互作用的分布式认知任务的操作，发现分布式认知任务的表征既不只是内部的，也不只是外部的，而是由内部和外部表征构成的分布式表征，这内外两种表征是其中不可缺少的组成部分。看来，关于问题表征的观点有三类：第一类是把外部表征看成是刺激和输入，它只能通过知觉系统激活有关记忆系统而建立起一个心理模型，再依靠这个心理模型完成认知任务；第二类认为外部表征本身就是高度结构化的，它可以被知觉系统所觉察而直接作用于认知任务，不需建立中介的关于环境的心理模型；第三类观点认为一些认知任务是由内部表征与外部表征交互作用的分布式认知任务，其表征系统也是由外部表征与内部表征构成的分布式表征。其实，对有关问题表征的研究文

10、献进行分析会发现，问题的外部表征也有许多研究成果，只不过是没有与内部表征相区分，要么被忽视，要么被当成是内部表征来研究，有时内部表征与外部表征也难以区分。现在，整个认知心理学研究中的生态学趋向越来越明显，而研究现实的问题情景对问题解决行为的影响也具有生态学意义，它在揭示现实中人解决实际问题的机制和影响因素方面可能会更有成效。总的来看，问题的外部表征与内部表征是不同但有密切联系的两个概念，它们对问题解决的影响方式依赖于具体的问题解决结构。内部表征则是记忆系统中的诸如命题、图式、神经网络及其它类型的知识和结构。内部表征的信息必须依靠认知操作从记忆系统中提取，尽管外部表征有时可以激活这种提取过程。外

11、部表征也可以通过记忆转化为内部表征，但是当外部表征容易得到而且内部表征非常复杂时，这种转换就不必要了。内部表征也可以通过外化过程而转化为外部表征。2 问题内部表征的机制及影响因素问题的内部表征，"是人们在解决问题时所使用的一种认知结构，是通过一系列算子，对信息进行记录、储存和描述以致改进信息的结构方式"17，更简单的说就是问题解决者从问题刺激情景中提取信息、从记忆系统中回收信息、在工作记忆中编码信息以形成对问题结构的心理图式。正确的内部表征是解决问题的关键，近年来，当心理学家意识到问题表征的重要性以后开始关注这一课题的研究，对此，我们讨论两点：内部表征的形成机制与

12、影响因素、学科问题内部表征的结构和影响因素。2.1 内部表征的形成机制与影响因素有研究者提出问题解决环（problem-solving cycle）概念18，把问题解决过程划分为7个阶段：问题确认、问题界定、建构问题解决策略、组织关于该问题信息、资源分配、监测问题解决和评估问题解决。从这个问题解决环来看，问题表征并不是问题解决过程中一个完全独立的问题解决阶段，而是一个对有关信息进行不断地提取、编码、转换和修改的过程，它渗透于问题的界定、策略构建、信息组织等问题解决阶段。现在看来，问题表征与问题结构及呈现方式（即外部表征）、与个体已有的知识经验有密切关系，但从其形成机制来说，似乎没有形成明确的观

13、点。我对有关研究进行分析后认为：问题内部表征的形成机制主要有这样的几种不同形式：样例类比、问题空间表象化、问题范畴化等。样例（example）类比。有经验的问题解决者都有许多成功解决的问题样例，这些样例被储存在长时记忆系统中，具有完整的结构。当问题解决任务出现时，问题情景的线索会被知觉系统觉察和加工，并激活相应的样例，按照这一样例的表征模式快速形成对新问题的表征。这一表征是否有效，看其是否成功地表征了问题的成分及其结构。由于问题呈现时表面内容的影响，错误的类比也是经常发生的，即以某些表面特征为线索，把与之具有相同表面特征但本质结构不同的样例激活，于是会形成错误的问题表征。问题空间(proble

14、m-space)表象化。当一问题的表述比较复杂或抽象时，问题解决者常常借助于表象化的表征形式来理解问题成分和成分间的关系。比较复杂的问题表述，会涉及较多的问题成分及关系，超出短时记忆的容量，这时问题解决者就需对问题进行简化，使其形成较清晰的问题结构表象，突出问题结构的主要方面；当问题表述较抽象时，问题解决者则需要把抽象的表述转换成具体化的表象，使问题成分及关系直观地表现出来。问题空间表象化的直接证据就是很多问题解决者常常利用纸笔来帮助解决问题。问题范畴化。问题解决的经验积累和科学理论的学习，为问题表征提供了一定的范畴，在此范畴内的问题表征和解决方法都具有一定的抽象性、概括性，它可以作为问题解决

15、的有效先导知识保证问题的成功解决。当一个人面临需要解决的问题时，他可以根据问题的初始条件和约束条件，激活记忆系统中的某一理论框架和抽象表征模式，把问题归为某一个范畴，它也就因此获得了表征。被表征为一定范畴的个别样例的问题可以按照某种确定的表达式来表征和求解。从上述三种内部表征形成机制看，问题内部表征的建立依赖于知觉系统对有关问题信息的觉察和过去知识经验对知觉信息的解释，特别是已有的问题样例和理论范畴，可以使问题得到快速表征。当然有时一些表面特征相似性也会导致错误的类比和范畴化，这时已有的知识经验就成为问题解决的障碍。有关研究表明，问题内部表征建立的影响因素主要有以下几方面：第一，是问题情景，即

16、问题呈现的方式、环境及其结构等，它决定了问题解决者所能感知到的信息和这些信息的时空结构，是表征的基本信息条件。傅小兰等19的研究表明，信息遗漏是导致对问题错误或不完整表征的主要原因之一。第二，是问题解决者的知识经验，特别是与要解决的问题相关的专门知识经验和解决同类问题的成功经验等，这些经验直接影响知觉系统对问题情景中信息的选择和对觉察到的信息的解释，也可以成为问题表征的类比样例。第三，问题解决者的思维品质和其它个性品质，特别是思维的变通性对问题表征有重要意义。当一个问题不能得到正确解决时，就要看能否改变对问题的知觉，突破某些范畴或样例的约束，建立新的问题的内部表征。此外，问题解决者的情绪品质、

17、意志品质也对问题表征有一定影响。概括来说，问题表征的影响因素主要来自三个方面：问题情景、问题解决者的知识经验和问题解决者的个性品质，它是个体对有关刺激信息的知觉、解释、组织、建构的内部过程。2.2 学科问题表征的结构近来研究者对人工问题解决的兴趣明显下降，其中的原因主要有两点，一是问题解决研究日益发现专门知识的影响突出；二是心理学的应用价值成为大部分心理学家的追求和社会要求心理学能研究现实中存在的问题。关于实际问题解决的研究涉及到社会各个方面，如学生的学科问题、工业问题、交通问题、社会就业问题、救灾问题等等20-24，这些问题均是处在复杂的社会背景或学科背景中，与大量的专门知识有关，它的解决过

18、程也与人工问题解决有所不同，所以成为认知心理学家研究的新热点。这里只对有关学生的学科问题解决研究做一些介绍。所谓学科问题是学生在具体课程学习中遇到的各种练习性或实验性问题，包括人文学科（如语文、历史、艺术等）和自然学科（如数理化生等）两大类。在相当长的时期内，只有从事学科教学的教师在关注这些问题的解决，而且主要是在解决方法上进行探索，目的是让学生有一些模仿的样例。当然这其中也有不少教师注意到对问题整体理解的重要性，有的教师自觉或不自觉地训练着学生按照一定的理论范畴表征学科问题（笔者的中学物理老师就很善于引导学生整体的理解问题、正向地思维、按照理论框架"表征"问题、把复杂的物

19、理问题转换成数学方程式，教学非常成功）。20世纪90年代后，国内有多篇论文专门研究学科问题的表征，这几篇研究报告主要是属于自然学科范围，研究取得的成果主要涉及的方面有：第一，样例对学科问题表征的影响。朱新明等22把学生表征为一个产生式系统，他不仅要掌握问题解决的算子，而且还要识别应用某一算子的条件，所以学生在学科问题解决中表现为先认知问题情景中的各种线索，再应用适当的定律或定理，解释有关线索的涵义和关系，即表征问题；假定学生所必须掌握的领域知识也可以表征为一个产生式系统，掌握了这一产生式系统就掌握了该领域的知识。研究者设计一系列物理样例问题对学生进行训练，让他们在解决这些样例问题中掌握问题规则

20、和条件，强化对条件的认知能力，提高对问题的表征能力，这样当他们面临新的问题要解决时就可以按照样例学习中建立的产生式对问题线索和规则进行认知和表征。这一研究虽然强调了认知作用，但还是显示出明显地行为强化训练性，这是该研究定位在物理符号操作范型中所必然带有的局限。莫雷和刘丽虹20研究了样例表面内容对问题表征乃至问题解决的影响。样例所包含的信息可分为内在原理信息与表面内容信息两方面，内在原理信息所包含的结构或关系是解决问题的关键；表面内容则是指问题所涉及的事物、形式、情节等具体内容，样例的表面内容对问题解决的影响也许主要表现在表征阶段，即问题表征是否按照某一样例来类比，主要是根据表面内容，当要解决的

21、问题与激活的样例在表面的和内在的内容方面都是相同或同属于一个范畴时，问题将会以类比的方式得到正确表征；如果二者表面内容相似或相近，但内部结构和关系不同，则样例会对问题解决产生消极影响，阻碍问题的正确表征或导致问题的错误表征。所以在教学中要提示学生解决问题时注意问题的内在内容和结构，这样才能激活恰当的样例，保证问题的快速、正确的表征。第二，学科问题表征的结构。黄巍25将有机合成问题表征分为符号表征、方法表征和机理表征，符号表征是关于问题的陈述性知识的提取与理解、方法表征是关于问题的程序性知识的提取与理解、机理性表征则是关于问题的原理和范畴的知识与结构的激活。按照这一研究，学生对有机化学合成问题的

22、表征就是一个统一、多层次系统，符号表征作为最低层次是解决和理解问题的基本条件、机理表征则是表征的最高系统，是理解问题的关键，方法表征则为问题索解奠定了基础。这一研究还具有重要的操作意义，他把机理表征作为最高层次和关键环节，指出在教学中要引导学生对问题的表征达到机理表征层次，这样才是达到对问题的完整表征，才能保证问题的快速解决。廖伯琴和黄希庭17则研究了大学生解决物理问题的表征层次。这一研究是在Larkin等26的研究基础上进行的，Larkin等认为物理问题的表征建构层次和过程是：字面表征；初始表征，或"真实世界"表征，主要由问题的表面特征决定；科学理论表征，即"物

23、理"表征，主要由问题的深层次特征决定的；数学表征。进一步研究发现，大学物理学习的优生侧重于科学理论表征，而差生则受初始表征的影响，对问题的理解停留于问题的表面特征。其他还有一些关于小学生的数学问题表征的研究，总的看小学生对学科问题的表征还处于低水平、以直观的表面特征的表征为主。从不同学科问题表征结构的研究看，问题表征可以分为低层次的和高层次的两大类，低层次的表征是以字面理解、表面特征的提取与加工为主，高层次的表征则是以内部结构特征和范畴理论为主。一般来说低层次表征容易受表面的误导信息的影响，使问题解决发生错误。第三，影响学科问题表征的因素。根据傅小兰等19的研究，问题表征过程经历三个

24、阶段：问题信息的搜索和提取、理解和内化、隐喻约束条件发现。信息的搜索和提取是一知觉过程，这种知觉过程需要有关言语知识及言语理解能力、专门知识及问题解决经验的支持；理解和内化是对觉察到信息的深加工，它需要知识基础、思维能力和问题解决技能；隐喻约束条件发现与意识化更需要丰富的知识基础、联想能力和创造能力。毫无疑问，个体的知识经验（特别是专业知识）、思维能力（特别是创造性的思维能力）、问题解决的成功经验等都是影响学科问题表征的重要的主体因素。在具体的问题表征中，个体难免会出现信息遗漏、信息误解和隐喻干扰19等现象，因此会导致对问题的表征不完整和不正确。黄巍25关于化学问题解决的研究也发现，学生在专业

25、知识总量、知识结构方面与其问题表征能力存在明显的关联性，他结合国外的有关研究指出个体仅有一大堆知识是不够的，这些知识还必须不断精制化、结构化，形成互相关联的组块，才能在形成问题表征时提取这些组块，产生有利的问题表征。3 问题的外部表征机制及与内部表征的关系在讨论问题内部表征的过程中，我们不只一次地涉及到问题呈现方式及情景的影响，这就说明在问题解决研究中不可把问题的外部表征撇在一边不管，在某些情况下它可能对问题解决具有实质的影响。这里，我们主要讨论问题外部表征的一般机制以及它对问题内部表征乃至整个问题解决过程的影响等。3.1 外部表征的形式对于许多问题来说，外部表征是其必不可少的构成要素，没有它

26、问题就无法成立或问题的性质就会发生根本的变化。那么外部表征究竟有那些基本的形式呢？图表、曲线图和照片是外部表征的典型形式，它们经常被用于象问题解决、推理和决策等认知任务中。在关于表象与外部图片之间关系的研究中，Chambers和Reisberg27，28的结果显示外部图片能给予人们从内部表征中无法获得的知识和技能。在就图表式的问题解决研究中，Stenning等29指出图表表征能够支持操作者直接识别问题特征和进行推断，也因此使问题信息更具体和更具有可解释性、可加工性。曲线图的表征、知觉和理解也得到许多研究，较一致的结论是：不同形式的曲线对不同的认知任务具有不同的表征绩效并引起不同的认知行为，比如

27、Kleinmuntz和Schkade30发现同样信息的不同表征形式（曲线图、表格、表列）可以根本地改变决策行为。书写文字。关于书写的经典观点认为它只是对话语的转录或重述，只是把听觉性的外部表征转换为视觉性的外部表征。然而对有些人来说，这种文字书写过程支持内部的沉思活动，没有这些外部活动，那些逻辑的、分析的、推理的和科学的思想模式也就成为不可能的了15。书写系统不只是意识的产品，而且也是意识的具有决定性意义的特征的组成部分。如果不进行书写，人的意识空间就会被不断进行的话语所占用，也就无法连续地以线性顺序的方式对信息进行组织和精细逻辑加工，即使这种线性加工过程不被中断，也还是远远不够的。书写系统不

28、仅是一种外部的辅助手段，它也是一种认知的内部转换，它可以重建认知，可以把话语的结构化特征带进意识空间31，因此也是对话语结构进行再发现的过程。Donald(1991)认为外部表征在现代思想意识出现过程中具有重要作用，以外部表征改变为中介导致的认知结构的改变并不比以大脑内部生物性变化为中介引起认知结构的改变少，象外部的符号系统、特别是书写符号系统是有助于意识加工能力的重要的表征系统。在对分布式认知作业的可表征特征的研究中，Zhang和Norman16也查明了一些特性：它们能提供一些未经解释或形式转换就可被觉察与使用的信息；它们能够锚定认知行为，即外部表征的物理结构可以约束认知活动的范围；它们能够

29、改变问题的性质。3.2 外部表征的作用机制外部表征是问题情景的成分和结构，它能以图表、照片或书写文字等多种形式来表现，主要依靠对这些外部表征信息的觉察来完成的问题解决被称为是基于外部表征的问题解决（ER-based problem-solving），那么外部表征如何参与问题解决过程和如何起作用呢？为了说明这个问题，Zhang2提出一个理论框架（The theoretical framework of ER-based problem solving）并用实验进行验证。该理论框架认为具有某种抽象结构的问题以不同的外部表征来呈现，一般的问题解决者不会去留意问题的抽象结构，而是觉察其各种刺激信息的时

30、空分布，分布式地出现外部表征和内部表征。外部表征是由知觉系统直接觉察到的情景信息，它激活知觉操作，觉察问题结构所从属的结构类型，形成对问题前景的预见和出现认知偏好；内部表征则激活深层认知操作，激活记忆中某种认知机制，经过想象、推理等操作过程形成对问题的内部表征，进而形成对问题解决前景的预见和认知偏好，预见和偏好影响问题行为的选择。在此过程中，外部表征激活知觉操作是在工作记忆系统中完成的，正因为如此，它受认知资源的限制。当知觉系统不能从外部表征中直接觉察到问题解决的前景时，内部表征就是少不了的了，因为工作记忆系统已无法胜任更复杂的认知操作了，于是从记忆系统中提取某些认知结构。4 结 论综合国内外

31、有关研究文献，我们可以得到这样几点认识：第一，问题解决中"表征"概念的涵义已经超出表征概念的传统意义，不只是指有关信息的内部表达，而且也包括对内部认知活动有直接影响、甚至是有决定性影响的信息的外部表达和环境的结构，也就是说，问题表征的概念包括了问题的外部表征和内部表征的两个方面；第二，一般来说，问题的内部表征是问题解决的关键，错误的或不完整的内部表征会成为问题解决的最大内部障碍；第三，问题的外部表征对问题解决的影响有两种机制，一种机制是激活内部复杂认知过程，建立内部心理模型而形成问题空间；一种机制是通过知觉系统直接觉察外部表征中那些不变的结构，在不需要内部记忆系统某些复杂心

32、理模型的激活和推理等过程参与的情况下完成问题解决；第四，关于学科问题解决中问题表征的研究不多，而且几乎都是集中在内部表征的结构层次和影响因素方面，表明整个问题解决方面的研究还缺乏生态性；第五，关于问题表征研究比较迫切需要解决的是关于外部表征的结构、形式、内容及其与内部表征之间相互作用的机制，此方面的研究会越来越多地在具有生态学意义的现实中进行，特别是学生学科问题解决和经济建设中的问题解决的研究。最后要指出的是，关于问题表征的研究还需要进行方法学的建构。参考文献1Anderson J R. Rules of the mind. Hillsdale.NJ: Erlbaum, 19932Zhang

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