*從問題解決的過程培養學生的科學創造力
洪文東
屏東師範學院自然科學教育學系教授兼科學教育中心主任
壹、前言
一般人談到科學創造力，總以為那是少數科學家所擁有的能力，其實它就像每個人的智力一樣，為大家所共有。站在科學教育的立場，正因為創造力為人人所共有，因此，如何透過教育的過程，開發每個人內心潛藏的科學創造力，實乃科學教育工作者，亟應重視的課題。最近教育部（1999）公佈九年一貫課程大綱有關「自然與科技」課程目標亦強調「培養獨立思考與解決問題」之基本能力。
從認知心理學的觀點而言，創造力是「解決問題」的關鍵，創造的過程也是一種解決問題的過程。再從科學的邏輯觀點而言，科學的創造力之不同於一般創造力主要在其科學探究過程中強調的邏輯一致性，透過科學探究問題的過程才能突顯科學創造力之獨特性。
曾志朗(1999)在「不同凡想」一書(Sternberg & Cubart著，洪蘭譯，1999)中指出：「改變歷史以及替人類帶來精神文化遺產的，多半是創造，而不是發現與發明」。可見科學創造力是二十一世紀最重要的人力資源，值得加以培養。
貳、科學創造力之意涵
科學在人類求知活動中可由其思考方式加以表徵，尤其是科學家之心智活動說明了人類對自然現象之好奇心與求知慾。由於其好奇心、信念、及價值觀之驅使，促使他們經由想像、推理、去「思考問題」與「解決問題」。此種工作，由哲學與認知心理學觀點觀之，即是一種創造性活動。(Collette & Chiappetta 1994；洪文東，1999)。
科學的創造者，憑藉其個人的科學素養，運用適切的思考方法，經由歸納、演繹、假設之邏輯推理歷程，理性而客觀地進行實驗探究與驗證，然後發現新事實、發明新理論、或形成概括性結論，從中表現出獨特的科學創造力。
當然，從創造的心理活動觀之，創造力之核心在於人的心智運作，因此，一般正常的人，只要能夠以正常的心智運思，便能發揮其創造力，並且在層次上有不同程度的發展與表現(Sternberg & Lubart，1995；Torrance，1972; Wiles，1985；陳英豪等，1980；洪文東，1997；1999)。
科學的創造力必須植基於既有的科學專門領域知識之上，進一步加以創新，想出別人所想不出的科學觀念，產生別人所製造不出的新奇事物的能力，如此，才是適切的、有意義的、有價值的創造力。Yager(1996)推展其STS科學教育理念時，進一步指出科學的核心在科學概念與科學過程，必須透過科學探究過程理解科學概念，才能發揮科學創造力，進而能應用於日常生活問題之解決。足見科學創造力與科學探究過程與問題解決能力之關係至為密切。
參、問題的意義與類別
問題一詞，對大多數人而言，並不陌生。然而，對於問題的定義，不同的學者，就有不同的觀點。認知心理學上，所謂「問題」（problem），是指個人在有待追求而尚未找到適當手段時所感到的心理困境（張春興，1997）。哲學上認為並非每一個疑問（question）均可稱為問題，而只有那些因其內在困難而不易立刻解決的疑問才可稱之為問題（項退結，1992）。牛津現代大辭點則將問題解釋成一切難以理解之事物（黃文義，1990）。若純從問題本質來看，問題的存在是由於個體目前所處狀態與想要達到的目標狀態之間存在差距（Treffinger & Isaksen，1992）。
雖然對「問題」的看法見仁見智，但大多數的心理學家皆同意一個問題有其一定的特性（Mayer，1992）：
一、指定（Givens）：問題開始於一定條件之一種狀態。
二、目標（Goals）：問題想要達到之目標，須由思考將問題由現況轉化到目標狀態。
三、障礙（Obstacles）：思考者以其某種方式改變問題的目前狀態或目標狀態但其未知正確答案，亦即未能明顯獲得問題解決。
換言之，問題事實上包括三個觀念：(1)問題以某種狀態呈現(2)它期望成為另一種狀態(3)沒有直接明顯的方式來完成此種改變。
問題就個人而言有其主觀性，但仍可依問題的特性予以客觀的分類。一般心理學家慣於將問題分為：（1）有結構問題（well-structured problem）（2）無結構問題（ill-structured problem）（3）爭論問題（issue）；有結構的問題可依一定程序思考求得解答，無結構的問題則因情境不明或因素不足不易找到答案，而爭論問題乃是一些既缺乏固定結構，又易於陷入情緒性立場（張春興，1997）。Wolfinger(1984)指出自然科學常見的問題主要有操作性問題（operational questions）與理論性問題(theorectical questions)兩類，前者重在如何(how)運用材料得到解答，後者通常以為什麼(why)開頭。Gega(1991)則將問題分成開放性（open）與閉鎖性(closed)來看，閉鎖性問題之解答空間有限制，答案明確可以預測，而開放性問題較適合探索，操作，較不易於預測和評量。為引導兒童學習，在科學教學中兩種問題應相互配合運用才能發揮效果。
對多數的老師而言，疑問（question）、問題(problem)在教學上常被混合使用，其實二者在語意上就有不同層次的問題。疑問等待的是回答（Answer），性質較為簡單，學生只是單純的從舊有基模(schema)中尋找答案即可，像一般教室中師生之間一問一答的對答便是。而問題則需要的是解決（solution），性質較為複雜，學生需要較長時間的思考歷程，舊有基模需重新同化（assimilation）或調適(accomodation)以產生解題所需的新基模(Piaget, & Inhelder,1969；許育彰，1998；吳美芬，熊召弟，1995；唐偉成，江新合；1998)。對於問題內容之探討，目前的研究主要以Bloom(1956)之認知性教育目標分類及Guilford(1997)的智力結構分類為依據，構成問題分類的兩大系統；國內學者張玉成（1993）曾綜合各家之說，將問題歸納成：認知記憶性、推理性、創造性、批判性、常規管理性五類問題。尤其其中的創造性問題，學生在回答問題時，需將觀念重新組合，或探取新奇獨特的觀點做出異於平常之反應，尋求無單一標準的答案。因此，此類型問題將更適合本研究試圖由問題解決培養學生科學創造力。
肆、問題的表徵與問題解決的步驟
問題的呈現(presentation)有多種方式，而表徵(representation)的方式往往會影響問題的難易，鄭麗玉(1993)綜合心理學家看法，認為一個好的問題表徵應具備：初始狀態、目標、物件、操作規則和限制五條件。若五條件具備即為良好的問題（well-defined problems）否則為不良的問題(ill-defined problems)，前者由於定義良好，比較容易求得一個正確答案；後者，則往往定義不清楚，較不容易有圓滿的解答。
Dillon(1982)曾依據問題事件(events)之存在狀態，將問題情境(situation)分為明顯的(evident)、隱含的(implicit)、潛在的(potential)三種情況。邏輯學家一般將問題從問題變項(variable)、問題基體(reality)及問題解答(result)三個成分來分析處理問題(Belnep & Steel，1975；張華夏，1989)。
再從認知心理學觀點來看，問題解決本質上是很重要的高層次的認知活動，一個問題的存在，乃由於我們目前狀態與所想達成的狀態存有差異，而問題解決就是設法將此差異去除(Anderson，1990；鄭麗玉，1993)。Dewey(1910；1933)在「我們如何思考」(How we think)一書中邏輯分析了思考的心理活動歷程，引出如下五個步驟：1.遭遇困難2.界定困難所在3.建議問題的解答—提出假設4.演繹推理出解答之結論5.驗證假設。解決問題既是思考的心理活動歷程，顯然的Dewey之五步驟觀點，是最有系統的解決問題方法，Wallas(1926)分析解決問題時個人思考的步驟有四：準備(preparation)→蘊釀(Incubaton)→豁朗(Illumination)→驗證(Verification)，可說是最早由內省法(Introspection)分析解決問題的步驟（Mayer，1992）。後來的學者研究創造力時，常常引用Walas(1926)的看法，將此四步驟看成為一種”創造”的歷程（Wiles & Bodi，1981；Gallagher，1975；陳龍安，1995；張玉成，1993）。
此種創造力的歷程，乃著重在”思考”的作用，自「問題的發現」至「問題的解決」為止，Parnes(1967)及強調「創造」的觀點，針對問題解決之歷程提出創造性問題解決（Creative Problem Solving，簡稱CPS）模式，包括五個階段：1.發現事實2.發現問題3.發現構想4.發現解決方案5.接受所發現的解決方案。Davis(1986)認為CPS模式是最佳的問題解決方案，此模式不只是創造的過程，也可靈活運用解決實際遭遇到的問題。Treffinger 和Issaksen(1992)之CPS流程，主要有六個階段：1.發現困難2.發現資料3.發現問題4.發現構想5.發現解決方案6.接受所發現的解決方案。值得一提的是，這些CPS模式中，階段步驟或有多少的不同，但基本上每種模式之各種階段中皆表示個體主要的思考方式取向為「發散式」思考與「收斂式」思考，能把握此二種思考方式取向原則，就可抓到CPS的精神。
伍、由問題解決中培養科學創造力
晚近一些問題解決之研究者，反對傳統的解題研究只注重分析和量化，強調”創造力”也是問題解決的關鍵(Higgins，1994)。在思考方式特性上，傳統的解題研究較注重”推理性”思考，而較不注重”創造性”思考，並將其與”批判性”思考視為對立的思考方式；而CPS研究者，則認為問題解決不只是推理思考，也必須並用創造性思考與批判性思考(Treffinger & Isaksen，1992)。研究者據此嘗試提出「問題解決能力」所需必備之三種思考能力：創造思考力、批判思考力與推理思考力，本研究試圖由學童問題解決歷程培養科學的創造力，在評測工具設計上，應可由學童對問題思考所表現之創造性、批判性與推理性三種方式之思考來評估學童之問題解決能力及其中之科學創造力。換言之，創造思考只是解決問題中必備之一種思考方式；因此，創造力是解決問題能力之關鍵因素，創造的過程可看成一種解決問題之過程，但解決問題的歷程卻不全然只是一種創造的歷程，兩者有若干重疊，但不完全等同。研究者試圖將其中之關聯性，圖示如下圖1：
圖1 問題解決力與創造力之關係
自Parnes(1967)以至Treffinger & Issaksen(1992)有關CPS模式，皆認為創造性活動自發現問題開始至解決問題結束，皆強調其中之問題發現與問題解決成份，而且是一種目標導向的”循環”歷程。Torrance(1984)分析1972年的142篇研究及1983年的166篇研究有關創造思考策略，發現上述”Parnes”的”創造性問題解決”策略之成功率在1972年有90%以上，而1983年亦有88%成功率。
因此，本研究擬參考Parnes(1967)的CPS模式及Treffinger & Issaken(1992)修正的CPS模式，設計不同題型問題，依圖2所示之步驟進行，期能由問題解決中培養學童科學創造力。
圖2顯示創造性問題解決共有六個步驟，左邊(D1~D6)箭頭指向中間菱形(16)的上方表示進行發散式思考，右邊(C1~C6)箭頭指向中間菱形(16)的下方表示進行收斂式思考。例如第四步驟中,學生列出了許多不同的想法(發散式思考)，然後再從中選出幾個標準用來評判各種想法或意見(收斂式想考)。最後是尋求接納，學生考慮所有可能的因素或條件(發散式思考)之後，從中找出可能被接受的解答(收斂式想考)，若有一個能被接受，學生所問題便獲得解決，此時即可採取行動或面對新挑戰。
每個人在學習的過程中幾乎皆會碰上許多問題，Wheatley(1991)從建構主義的觀點強調問題中心的學習，主張在問題解決的教學過程中，教師為協助者之角色，應鼓勵學生用自己的方式去思考以解決問題，尤其是在學習工作(task)中，經由同學之間的協同合作尋求問題解決之道，並將解決問題之過程與結果，與大家做經驗上之分享(Sharing)，亦即在學習活動結束後，經由全班討論各組同學之不同意見或解答，由師生互動與探討過程當中，學生能夠主動的建構出有意義的知識。
六、結語
美國教育學家杜威（J.Dewey，1933）於所著「思維術」（How we think）中即指出思考是解決問題的心理活動歷程，思考必須有問題，沒有問題就不會產生思考，沒有思考也就不可能型成知識。換言之，知識之形成與發展，有賴問題作前導。我國學者胡適（1935）曾說過：「問題是知識學問的老祖宗」，意指問題是一切知識成長的源頭活水。Bransford(1984)曾提出解決問題的一種理想模式，其主要步驟是：確認→界定與呈現→探索。當學生遭遇問題時，必先確認問題之存在，然後再予以界定與呈現問題的意義與內容，最後在近一步探索各種可能的解題方式，以便找出解決的答案。
Jungck認為科學的研究歷經三大階段：提出問題→解決問題→說服。(Watkins，1992)。亦即科學研究源於問題之發現，再經過解決問題的過程，然後至提出解答說服大眾相信才暫告一段落。由科學發展之歷史觀之，科學研究之歷程，其實涉及了很多科學家創意在其中，如果沒有這些科學家表現出來的創造力，科學上一些研究的問題，將無法有突破，無法得到解決，也就不能說服其他的人去接受研究之結果，人類科技文明也就進展至今日之境界。可見科學上解決問題能與創造力之關係至為密切，職是之故，我們應可從解決問題歷程中去培養學生的科學創造力。
圖2 創造性問題解決的步驟（改自Treffinger & Issaksen，1992）
柒、參考文獻
中文部份
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*本文轉載自「屏師科學教育」第十一期，P52-62，已獲允許。