问题解决中的模式识别探析，本文主要内容关键词为：探析论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
问题解决是认知心理学、教育心理学、计算机领域研究的热点问题。但由于问题解决的复杂性，问题解决的研究相对于知觉、表象记忆等领域的研究来说要贫乏得多。如知识组块（模式）是以何种形式贮存在长时记忆中的，种种不同的贮存方式又是如何在问题解决中发挥作用的；外部课题与内部模式关联、匹配的过程；当内外信息进行比较时，两者编码的匹配是否一致等问题尚缺乏深入的研究与具体的说明，而这些环节正是人解决问题的关键，也正是智能计算机知识库的建立、知识表达的核心所在。由于缺乏对这些环节的深入了解，以致我们对问题解决内部机制的研究尚无突破性的进展，人工智能的高水平模拟也受到阻碍。为此，本文拟对这些问题作一些探讨与分析。
一、问题解决的模式识别与模型
模式识别是认知心理学知觉领域集中研究的重要内容。所谓模式是指若干元素或成份按一定关系形成的某种刺激结构。模式有简有繁，复杂的模式往往是由多个子模式组成。“模式识别过程就是感觉信息与长时记忆中的有关信息进行比较、再决定它与哪个长时记忆中的项目有着最佳匹配的过程”。〔1〕关于这种匹配过程是怎样实现的，现在认知心理学已提出了模板说，原型说和特征说等理论模型。关于这三个模型已为心理学界所熟悉，这儿就不一一赘述了。
在问题解决领域中，有关研究已提出了解决某一问题“脑中一定贮存有解决并组织问题的相应图式”（Briers & Lerkin,1984; Hinsley,Hages & Simon,1977）〔2〕，“学生拥有问题类型的图式，并用哪些图式代表问题”（Swanson,1993）〔3〕。Lewis Mayer（1987）并把图式的差异作为儿童解答数学应用题的重要个体差异。我国的朱新明，施铁如对解几何问题和代数应用题的研究也表明，学生正确解题，总是要认出某种熟悉的东西（即模式）。此外Chaes & Simon（1973）还强调问题的解决很大程度上取决于对指向目标进展评价的启发，同时也强调快速识别外部输入信息及其与长时记忆知识比较匹配的进展。类推思维的理论也提出“识别有关关系是类推迁移的关键”（Holyoak & Spellman,1973）〔4〕。可见图式问题，外部信息与内部课题的匹配问题已越来越成为问题解决的瞩目问题，成为攻克问题解决的关键环节。
我们认为知觉中的模工识别实际上是一种简单的问题解决，而较复杂的问题解决也需识别模式，只是这种识别不是识别单个的概念特征而已，而是识别有关问题的类型，结构及相应的解决思路等“一团知识”。因此知觉的模式识别与问题解决的模式识别在原理上有共同性，或者说，运用知觉模式识别理论模板说，原型说，特征说可建立相应问题解决模式识别的模型。下面将对这些模型及其在问题解决中所发挥的作用一一阐述如下：
1.问题解决的模板说。
即指在长时记忆中贮存有与当前问题完全对应的一对一的知识团，只需提取现存的模式就能解决问题。这种解决问题的方式是专家解决问题的一种常用方法。由于专家在专业领域中，总是经常遇到同样问题，由于同样问题的反复出现，解决该问题所用的知识，方法和手段也反复使用，从而使用解决该问题的知识，方法，手段之间的联结加强成为思路，形成一个知识结构即模式。因此，专家在自己的领域里，常常是通过再认就能迅速解决问题。这种解决问题的方式也是弱手使用的主要方法。但是，弱手常常只能依样画葫芦，问题只要稍有体裁或情节的变化，纵然实质未变，弱手也难于解答，这主要是弱手不仅贮存的模板少，且只贮存了与外部课题完全一对一的模板。因此，长时记忆的模式若只以模板方式贮存，这就出现了两个严峻的问题：一是其适应性差，难以应付问题的变化；二是人的记忆负担很重，若要成为某一领域的专家，将要贮存不计其数的模板。显然只用这种模板说来解释人的问题解决是不完全的。
2.问题解决的原型说。
原型即指贮存在长时记忆中的模式，不是某一个特定模式的内容复本，而是一类客体的内部表征，它反映一类客体具有的基本特征。因此，当人解决问题时，只要从长时记忆中搜寻到与外部课题近似的原型，问题即得到解决，原型说的最大优点是脑中贮存的原型可以与一类客体匹配，而不是与单个客体匹配，能较好地说明变式问题的解决。模式以“原型”方式贮存，大大增强了其灵活性与适应性，极大地减轻了人的记忆负担。原型通常是在模板的基础上发展形成的，模板是原型的雏型。多数人开始贮存的总是模板，而由于同类问题常有不同变式，因此当人大量地遇到不同变式问题时，每解决一次，脑中的模板也随之得到相应的修改或某种程度的改变。随着解决问题的增多，模板逐渐演化成代表一类客体的概括性内部表征——原型。诚然，可能也有一些极优秀的人，一开始形成的模式就是“原型”，而无需是模板。如前苏联克鲁切茨基对数学天才儿童的研究就发现，“能力最强学生，在解答某些问题的时候，能立即（当场）进行最高度的概括”〔5〕，“他们通常把解答第一个新的类型的问题，就当作解答一般的，典型的问题。”〔6〕而平常学生缺乏“立即”概括的能力。“但是通过特别组织起来的练习，在解决非本质特征可能不同的各种例题中，他们也能逐渐地达到这样的概括。”〔7〕因此，人们一开始形成的模式是“模板”还是原型，这也许就是强手和一般人的重要区别之一。“原型”是模式贮存的重要的基本形式，但仅有原型并不能说明人类的所有问题解决。
3.问题解决的特征分布说。
照知觉模式识别的特征说看来，在模式识别过程中，首先要对刺激的特征进行分析，将抽取的有关特征加以合并并与长时记记中的各种刺激进行比较，一旦获得最佳匹配，外部刺激就被识别。我们认为运用特征说原理可建立问题解决的特征说模型，该模型能一定程度解释较难问题或新问题的解决。所不同的是知觉的特征说主要是指对外部刺激进行特征分析，即强调的是自下而上加工，而我们认为问题解决的特征分析不仅有自下而上的加工，也有自上而下的加工，且后者常常是主要的。如当面临一个纷繁复杂的较困难问题时，我们常常需要去粗取精，摒弃无关或次要特征，才能还其庐山真面目，抓住其主要特征（即自下而上加工解决问题）；当面临新问题之所以感到新，“新”就是头脑中无现存的可直接利用的模式，因此感到陌生，生疏。实际上所谓的“新”，并不是完全与已有知识、经验无关，只是有关的知识、经验贮存在不同的模式中，因此只要从有关的不同模式中抽取适当的特征或知识组块组合成一个新模式，就能解决新问题。这个新的综合模式经多次运用，就生成了新的模式而被保存下来。对新问题的解决常常是自上而下和自下而上两种加工综合运用的结果。这种信息贮存在不同模式中的分布贮存方式，较“原型”来说，灵活性更大，适应性更强，特别是能避免“组合爆炸”，是一种更经济的，并能解决新问题的贮存方式。
二、模式的表征及其转换
以上对问题解决模型的探讨，提出了长时记忆中同时并存的三种模式贮存方式：模板型、原型及分布型。不同的贮存方式体现了个体掌握知识的不同概括水平。而在这几种贮存方式中，我们认为“原型”应是最基本的，重要的贮存方式，它既是适应性较强的一种贮存方式，又是特征分布型的原料与基础。因此，在这部分我们将对“原型”模式的表征及其转换作更进一步的深入探讨。
关于原型的表征方式，心理学家有不同的观点。Reed（1972）等在研究知觉模式识别中，将原型视为一类客体的概括表征。而Rosch（1975）在研究概念中，则认为原型是一个最佳实例，即是一个特定的个体。我们认为Reed、Rosch在不同范畴研究中提出两种原型，实际上并不是对立的，这两种原型都是原型的表现形式。据前所述，“模式”是知识积累的结果，“原型”通常是在模板基础上发展起来的。形成后的“原型”也不是一层不变的，而是动态的，随着知识的积累，深化，“原型”逐步完善，其概括性越来越高，适应性也越来越强。因此原型的发展经历了一个从低到高的发展过程。我们认为这个发展过程由三级概括水平不同的原型递进而成，即从最初的“一对一的原型”（模板）演化为“典型”（或最佳）实例原型”，再演化为“概括表征原型”。Reed、Rosch分别提出的两种原型之所以都能得到相应实验的证实，这是因为这两种原型实际上代表原型发展的两种水平，而不是彼此排斥对立的。
“原型”的变化揭示出个体掌握某类客体的不同水平的变化。个体贮存的原型不同，即体现出个体所掌握知识的概括水平不同。本人在对六年级小学生进行的解题思维策略训练中曾尝试教给学生两种记忆方法（即贮存模式的方法）。一种是典型记忆法，即记住某类题中一道典型的具体题及具体的解题思路，以后遇到类似题，就以记住的具体题为例去解决（相当于原型的第二级水平）。另一种是概括记忆法，即摒弃题的具体内容，记住概括化了的某类题的一般特征及解题思路（相当于原型的第三级水平）〔8〕。实验结果表明，小学生普遍运用第一种识记方法效果好。这也从不同侧面证实了原型的贮存方式与个体思维发展水平密切相关。一般来说，小学生的“原型”模式多半处于初级或第二级水平。
由于知识积累的深化，原型的概括水平从低到高发展：而“由于人们接受知识、运用知识的多样化，同一水平的原型表征也是多种多样的”〔9〕，且是可以相互转换的。我们认为转换的方式主要有两种。一种是水平转换，即同级水平原型的表征可相互转化，如形象表征可向命题或产生式等其它表征方式转化，同样，产生式或命题也可转化为形象表征。表征类型是否多样且是否能灵活转化，我们认为也是专家与弱手的重要差别之一。例如，许多差生只能解决与例题同样形式的题目，当形式有所变化则无所适从，而优生则相反。另一种是垂直转换，即低一级的原型可向高一级的原型转换，高一级的原型也可向低一级的原型转换，但后者的转换必须具备一个前提条件，即只有当个体掌握了高一级的原型时，高级与低级原型之间才能进行双向转换。由于“原型”具有相互转换的机制，因此当外部课题以不同形式出现时，内部原型“可转化为与之一致的形式来匹配，使匹配成功。但当不具备上述前提条件时，低一级原型不能自动向高一级的原型转换，因此当外部课题的抽象程度高于该类“原型”所达到的水平时，匹配难以成功，即课题难以得到解决，反之，课题的抽象程度低于原型时，该课题易得到解决。
三、深化问题解决研究的进一步设想
我们以上对问题解决模式识别的探讨在很大程度上还仅是一种理论上的推想，尚需大量的实验加以证实，尚待进一步探讨的问题是：
1.Simon等人的研究认为“一个象棋大师至少贮存有五万个组块”〔10〕。如果这些组块是“模板”，则专家的模式贮存显得呆板，且知识多就可成为专家，这显然与生活事实不符。而若这些组块是“原型”，由于一个原型表示的是一类客体，那么一个专家所贮存的组块是否真能达到如此之多的类型？
2.当外部课题与内部模式进行匹配时，两者的编码方式一致，匹配成功，这是无庸置疑的。但匹配成功是否一定要两者的编码方式一致呢？
3.根据我们上述的理论设想，模式的数量、模式贮存的方式、模式表征转换的灵活性是区别专家与弱手的重要差异，这也需要作进一步的理论探讨与实验研究。
注释：
〔1〕王甦：《认知心理学》，北京大学出版社1992年4月第1版第47页。
〔2〕〔3〕H.L.Swanson et al.The Influence of WorkingMemory and Classification Ability on Children's Word ProblemSolution,Journal of Experimental Child Psychology 55,1993,pp.347—395。
〔4〕K·J·Holyoak and B·A·Spellman (1993),Thinking Annu·Rev,Psychol.44:pp.265—315。
〔5〕[苏]克鲁切茨基著，赵裕春等译，《中小学生数学能力心理学》教育科学出版社1984年3月第1版，第268页。
〔6〕[苏]克鲁切茨基著，赵裕春等译，《中小学生数学能力心理学》教育科学出版社1984年3月第1版，第281页。
〔7〕[苏]克鲁切茨基著，赵裕春等译，《中小学生数学能力心理学》教育科学出版社1984年3月第1版，第269页。
〔8〕刘电芝：《小学数学应用题解题11法》，中国妇女出版社1992年版，第61页。
〔9〕刘电芝、张庆林：《试论直觉的心理机制》，《教育研究》1988年第1期。
〔10〕司马贺（Simon）著，荆其诚、张厚粲译：《人类的认知》，科学出版社1986年版，第106页。