认知心理学问题解决策略
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▪ 逆向搜索（backward search）是从问题的目 标状态开始搜索，直至找到通往初始状态的 通路或方法
▪ 逆向搜索更适合于解决那些从初始状态到目 标状态只有少数通路的问题
2021/8/12
29
简化计划法
▪ 该策略的基本思想是，先抛开某些细节而抓 住问题解决中的主要结构，把问题抽象成较 简单的形式，然后解决这个简单的问题，再 从此解决整个复杂问题。 有这样一个问题：在一张桌前从左到右依 次并排坐着甲、乙、丙、丁四人，根据下述 信息，请指出谁拥有小轿车：
(1+9)92+5=50
2021/8/12
22
策略有效性
▪ 某些策略比其他一些策略更有效，表现在
• 它们要求的短时记忆的负担 • 保持它们的容易程度 • 它们达到问题解决的速度 • 它们所适用的作业范围
2021/8/12
23
通用的解决问题的策略
▪ 算法 ▪ 启发式
➢ 手段目的分析 ➢ 逆向搜索 ➢ 简化计划法
2021/8/12
17
二 问题解决的阶段
▪ 问题表征 ▪ 选择算子 ▪ 应用算子 ▪ 评价当前状态
2021/8/12
18
三 问题表征对问题解决的影响
▪ 认知心理学家将信息在头脑中的呈现方式统称为表征。 ▪ 问题表征直接影响着问题解决者所考虑的一系列合法、适当
的步。
▪ 如果一个问题得到了正确的表征，可以说它已解决了一半 （Simon，1986）。
2021/8/12
4
问题解决定势：水壶问题
▪ 美国心理学家卢钦斯（Luchins,1946）曾曾 做过关于水壶的实验。该实验的设计是： 以设想用桶量水的方式，计算简单的算术 题A，B，C为盛水的工具，而D则代表所求 的水量。
▪ 总共有七题，每题水桶大小不等，但所求 解的目的则一样，都是要受试者自行设法， 如何运用盛水工具，求出D栏各个所需的水 量。
7
对格式塔理论及其影响的评价
▪ 弱点
格式塔问题解决理论是基于他们对知觉理论的类比 而产生的。这个类比使该理论更有吸引力和更容易 理解，但这也恰恰使理论的主要弱点。 “顿悟”及“重构”这样的概念是相当吸引人的， 主要是它们易于理解以及与人类创造力的某些神秘 的东西有关。 然而，他们对理论的建构从根本上是没有进行详细 说明的，对顿悟和重构发生的条件也没有清楚说明， 而且该理论实际上没有定义任何一个概念的本质特 征。
▪ 有时按常规方式表征的问题难以求解，但若换一个角度来表 征同一个问题，问题就迎刃而解了（Simon，1991）。
2021/8/12
19
残缺棋盘问题
▪ 一个棋盘有8×8共64个黑白相间的方格，另 有32个长方块，每个长方块可盖住棋盘上的 两个方格，用这32个长方块正好可以将棋盘 盖满，现从棋盘的对角切掉两个黑方格，剩 下62个方格，问能否用31个长方块恰好盖住 棋盘上剩下的全部62个方格？
• 基本步骤
▪ 比较初始状态和目标状态，提出第一个子目标；
▪ 找出完成第一个子目标的方法或操作；
▪ 实现子目标；
▪ 提出新的子目标。 • 上述步骤循环往复，直至问题的解决。
▪ 手段-目的分析是常用策略，对解决复杂问题 有重要应用价值。
2021/8/12
27
传教士与野人谜题
2021/8/12
28
2）逆向搜索
2021/8/12
25
2、启发法
▪ 启发法（heuristic method）是人根据一定 的经验，在问题空间内进行较少的搜索，以 达到问题解决的一种方法。
▪ 优点：较省时省力。 ▪ 缺点：启发法不能完全保证问题解决的成功。
2021/8/12
26
1）手段-目的分析
▪ 手段-目的分析（mean-end analysis）是将需 要达到的问题的目标状态分成若干子目标，通 过实现一系列的子目标最终达到总目标。
▪ 问题行为图是一种心理空间，而树形图是一 种逻辑空间，逻辑空间可以转化为心理空间
2021/8/12
16
问题空间（problem space）
▪ 问题空间是指问题解决者对所要解决的 问题的一切可能的认识状态，包括对问 题的初始状态和目标状态的认识，如何 由初始状态转化为目标状态以及有关的 算子的认识等。
2021/8/12
30
第四节 问题解决的计算机模拟
计算机模拟的贡献与存在的问题
▪ 问题解决的计算机模拟就是依据一定的心理 学理论编写计算机程序来模拟人类解决问题 的行为和内部认知过程，使计算机类似于人 的方式来解决问题并达到类似的结果
2021/8/12
31
一、《逻辑理论家》和《通用问题解 决者》
2021/8/12
24
1、算法ຫໍສະໝຸດ Baidu
▪ 是解题的一套规则，它精确地指明解题 的步骤。算法总能保证问题一定得到解 决。
• 把解决问题的方法一一进行尝试，最终找到 解决问题的答案。
▪ 优点：它能够保证问题的解决。
▪ 缺点：需要大量的尝试，因此费时费力。 • 当问题复杂、问题空间很大时，人们很难依靠这种 策略来解决问题。 • 有些问题也许没有现成的算法或尚未发现其算法。
2021/8/12
8
3、信息加工说
▪ 认知心理学用信息加工观点来研究人的问题解决 过程。
▪ 代表人物：Newell,Shaw, & Simon ▪ 把人类问题解决的过程和计算机问题解决的过程
进行类比，用计算机模拟人类问题解决行为。 ▪ 问题解决是问题解决者从问题初始状态出发，搜
寻恰当的路径到达目标状态的过程，即在问题空 间进行搜索的过程。
2021/8/12
36
2.虽然专家解决问题的速度比初学者快4倍，但他们 在分析与理解问题上所用去的时间比初学者还要多。 专家往往通过选择能够解题的适当原理来对问题的 表征进行更广泛和更深入的思考。
3.专家和新手在策略的运用上也是存在差异的。专家 倾向于通过正向工作来解决问题，而初学者倾向于 通过逆向工作来解决问题。
的某些基本能力 ▪ 专家之所以成为专家是大量练习的结果
2021/8/12
38
本章复习题
▪ 谈谈问题解决中的启发式策略。 ▪ 试述计算机模拟的贡献与存在的问题。
▪ 解释概念
• 问题空间 • 问题行为图 • 算法和启发法 •
Next time: 推理
2021/8/12
39
▪ 语义丰富的问题（semantic rich problem） ▪ 语义贫乏的问题（semantic impoverished problem）
2021/8/12
11
二 问题解决的特征
▪ 目的指向性:冥想 ▪ 操作序列 ▪ 认知操作：分扑克牌？
2021/8/12
12
第二节 问题解决过程
▪ 一 问题空间与问题解决
2021/8/12
5
问题解决定势——量水实验Luchins（1942）
问题序列
容器的容积
目标
A
B
C
D
1
21
127
3
100
2
14
163
25
99
3
18
43
10
5
4
9
42
6
21
5
20
59
4
31
6
23
49
3
20
7
15
39
3
18
8
28
76
3
25
B-A-2C
A-C A+C A-C
2021/8/12
6
2021/8/12
当专家分析问题的时候，他们能够根据问题中的已知条件 运用他们所选择的那些原理。这些原理又会产生一些对 问题的最终解释有作用的未知数。这个设计好的正向工 作策略是具有较高效率的并且是强有力的。相反，可供 初学者使用的原理就不是很多。
2021/8/12
37
对专家技能研究的评价
▪ 专家记忆得更好 ▪ 专家采用不同的问题解决策略 ▪ 专家拥有更好的和更深入，更广泛得表征 ▪ 专家的优势在于他们的知识，而不在于他们
2021/8/12
20
32个
2021/8/12
21
第三节问题解决策略
▪ 策略是人对信息加以操作的办法、计划、方案，它 使人的认知活动成为有组织的有机的统一体。
▪ 采用什么样的策略解决问题，是影响问题解决效率 的一个很重要的心理因素。
▪ 好的策略，有利于问题的解决。
9+3+2+4+5+6+7+8+1+5=？ (9+1)+(8 +2)+(7+3)+(6+4)+(5+5)=50
2021/8/12
9
问题解决步骤
▪ 问题表征，即识别和理解问题； ▪ 设计或规定解决问题的策略； ▪ 执行策略； ▪ 评价问题解决的进展。
2021/8/12
10
问题的种类
▪ 界定清晰的问题（well-defined problem） ▪ 界定含混的问题（ill-defined problem）
▪ 对抗性问题（adversary problem） ▪ 非对抗性问题（non-adversary problem）
程序不能运行的情况 ▪ 加工方式：串行 ▪ 背景知识 ▪ 情感情绪
2021/8/12
35
专家和新手解决问题的差异
与初学者相比，专家能够依靠图式知识建立更 好的问题表征。就是说，初学者倾向于把具 有相同表面特征的问题聚成一类，但是专家 却是根据问题的深层结构来对问题进行分类， 即使问题的表面特征不一样，只要它们能用 相同的原理来解决，专家们也会把这些问题 归为一类。
《认知心理学》
第九章 问题解决
提纲
▪ 第一节 问题与问题解决 ▪ 第二节 问题解决过程 ▪ 第三节 问题解决策略 ▪ 第四节 问题解决的计算机模拟
2021/8/12
2
本章重点
▪ 问题解决策略 ▪ 问题解决的步骤及相关理论
2021/8/12
3
第一节 问题与问题解决
▪ 心理学对问题解决的研究历程
• 尝试错误说 • 顿悟说 • 信息加工说
2021/8/12
32
二、计算机模拟的贡献与存在的问题
▪ 1.计算机模拟的贡献 ◎计算机模拟不仅对人工智能的发展有着直接的
重要价值，而且证实了一些心理学理论，促进心理 学对人的问题解决的研究，提高了对某些环节的认 识。
◎计算机模拟推动了知识库和策略的研究。 ◎计算机模拟引出了产生式概念，将问题解决中 的一些认知活动加以形式化。
2021/8/12
33
2.计算机模拟存在的问题
➢ 如何评价计算机完成任务的方式与人的方式是 相似的？
➢人与计算机在问题中的思维方式差别 ➢情感等因素对二者在问题解决中的作用如何体现？
2021/8/12
34
如何评价计算机完成任务的方式与人 完成任务的方式？
▪ 不能反映无意识的作用 ▪ 即使根据心理学理论来编写程序，也会出现
• 问题行为图：表明人对某个问题实际形成的问题 空间和实际进行的搜索过程
• 树形图：全部可能的问题空间和搜索路径
2021/8/12
13
问题行为图
2021/8/12
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2 树形图
2021/8/12
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问题行为图和树形图的区别
▪ 问题行为图表明人对某个问题实际形成的问 题空间和实际进行的搜索过程
▪ 树形图则表明全部可能的问题空间和搜索路 径
▪ 1.《逻辑理论家》 1956年由Newell、Shaw和Simon编写的计算机
程序，是人类历史上第一个模拟人类解决问题的计 算机程序。它可以模拟人证明符号逻辑定理的思维 活动。
2.《通用问题解决者》 1958年开始， Newell、Shaw和Simon继续研制 模拟人类解决问题的另一计算机程序,简称GPS。Z 主要依据手段目的分析策略编写。其内部知识是以 产生式来表征的。一个产生式由条件和行动两部分 组成。
▪ 逆向搜索更适合于解决那些从初始状态到目 标状态只有少数通路的问题
2021/8/12
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简化计划法
▪ 该策略的基本思想是，先抛开某些细节而抓 住问题解决中的主要结构，把问题抽象成较 简单的形式，然后解决这个简单的问题，再 从此解决整个复杂问题。 有这样一个问题：在一张桌前从左到右依 次并排坐着甲、乙、丙、丁四人，根据下述 信息，请指出谁拥有小轿车：
(1+9)92+5=50
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策略有效性
▪ 某些策略比其他一些策略更有效，表现在
• 它们要求的短时记忆的负担 • 保持它们的容易程度 • 它们达到问题解决的速度 • 它们所适用的作业范围
2021/8/12
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通用的解决问题的策略
▪ 算法 ▪ 启发式
➢ 手段目的分析 ➢ 逆向搜索 ➢ 简化计划法
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二 问题解决的阶段
▪ 问题表征 ▪ 选择算子 ▪ 应用算子 ▪ 评价当前状态
2021/8/12
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三 问题表征对问题解决的影响
▪ 认知心理学家将信息在头脑中的呈现方式统称为表征。 ▪ 问题表征直接影响着问题解决者所考虑的一系列合法、适当
的步。
▪ 如果一个问题得到了正确的表征，可以说它已解决了一半 （Simon，1986）。
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问题解决定势：水壶问题
▪ 美国心理学家卢钦斯（Luchins,1946）曾曾 做过关于水壶的实验。该实验的设计是： 以设想用桶量水的方式，计算简单的算术 题A，B，C为盛水的工具，而D则代表所求 的水量。
▪ 总共有七题，每题水桶大小不等，但所求 解的目的则一样，都是要受试者自行设法， 如何运用盛水工具，求出D栏各个所需的水 量。
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对格式塔理论及其影响的评价
▪ 弱点
格式塔问题解决理论是基于他们对知觉理论的类比 而产生的。这个类比使该理论更有吸引力和更容易 理解，但这也恰恰使理论的主要弱点。 “顿悟”及“重构”这样的概念是相当吸引人的， 主要是它们易于理解以及与人类创造力的某些神秘 的东西有关。 然而，他们对理论的建构从根本上是没有进行详细 说明的，对顿悟和重构发生的条件也没有清楚说明， 而且该理论实际上没有定义任何一个概念的本质特 征。
▪ 有时按常规方式表征的问题难以求解，但若换一个角度来表 征同一个问题，问题就迎刃而解了（Simon，1991）。
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残缺棋盘问题
▪ 一个棋盘有8×8共64个黑白相间的方格，另 有32个长方块，每个长方块可盖住棋盘上的 两个方格，用这32个长方块正好可以将棋盘 盖满，现从棋盘的对角切掉两个黑方格，剩 下62个方格，问能否用31个长方块恰好盖住 棋盘上剩下的全部62个方格？
• 基本步骤
▪ 比较初始状态和目标状态，提出第一个子目标；
▪ 找出完成第一个子目标的方法或操作；
▪ 实现子目标；
▪ 提出新的子目标。 • 上述步骤循环往复，直至问题的解决。
▪ 手段-目的分析是常用策略，对解决复杂问题 有重要应用价值。
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传教士与野人谜题
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2）逆向搜索
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2、启发法
▪ 启发法（heuristic method）是人根据一定 的经验，在问题空间内进行较少的搜索，以 达到问题解决的一种方法。
▪ 优点：较省时省力。 ▪ 缺点：启发法不能完全保证问题解决的成功。
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1）手段-目的分析
▪ 手段-目的分析（mean-end analysis）是将需 要达到的问题的目标状态分成若干子目标，通 过实现一系列的子目标最终达到总目标。
▪ 问题行为图是一种心理空间，而树形图是一 种逻辑空间，逻辑空间可以转化为心理空间
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问题空间（problem space）
▪ 问题空间是指问题解决者对所要解决的 问题的一切可能的认识状态，包括对问 题的初始状态和目标状态的认识，如何 由初始状态转化为目标状态以及有关的 算子的认识等。
2021/8/12
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第四节 问题解决的计算机模拟
计算机模拟的贡献与存在的问题
▪ 问题解决的计算机模拟就是依据一定的心理 学理论编写计算机程序来模拟人类解决问题 的行为和内部认知过程，使计算机类似于人 的方式来解决问题并达到类似的结果
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一、《逻辑理论家》和《通用问题解 决者》
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1、算法ຫໍສະໝຸດ Baidu
▪ 是解题的一套规则，它精确地指明解题 的步骤。算法总能保证问题一定得到解 决。
• 把解决问题的方法一一进行尝试，最终找到 解决问题的答案。
▪ 优点：它能够保证问题的解决。
▪ 缺点：需要大量的尝试，因此费时费力。 • 当问题复杂、问题空间很大时，人们很难依靠这种 策略来解决问题。 • 有些问题也许没有现成的算法或尚未发现其算法。
2021/8/12
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3、信息加工说
▪ 认知心理学用信息加工观点来研究人的问题解决 过程。
▪ 代表人物：Newell,Shaw, & Simon ▪ 把人类问题解决的过程和计算机问题解决的过程
进行类比，用计算机模拟人类问题解决行为。 ▪ 问题解决是问题解决者从问题初始状态出发，搜
寻恰当的路径到达目标状态的过程，即在问题空 间进行搜索的过程。
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2.虽然专家解决问题的速度比初学者快4倍，但他们 在分析与理解问题上所用去的时间比初学者还要多。 专家往往通过选择能够解题的适当原理来对问题的 表征进行更广泛和更深入的思考。
3.专家和新手在策略的运用上也是存在差异的。专家 倾向于通过正向工作来解决问题，而初学者倾向于 通过逆向工作来解决问题。
的某些基本能力 ▪ 专家之所以成为专家是大量练习的结果
2021/8/12
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本章复习题
▪ 谈谈问题解决中的启发式策略。 ▪ 试述计算机模拟的贡献与存在的问题。
▪ 解释概念
• 问题空间 • 问题行为图 • 算法和启发法 •
Next time: 推理
2021/8/12
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▪ 语义丰富的问题（semantic rich problem） ▪ 语义贫乏的问题（semantic impoverished problem）
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二 问题解决的特征
▪ 目的指向性:冥想 ▪ 操作序列 ▪ 认知操作：分扑克牌？
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第二节 问题解决过程
▪ 一 问题空间与问题解决
2021/8/12
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问题解决定势——量水实验Luchins（1942）
问题序列
容器的容积
目标
A
B
C
D
1
21
127
3
100
2
14
163
25
99
3
18
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10
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6
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5
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B-A-2C
A-C A+C A-C
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当专家分析问题的时候，他们能够根据问题中的已知条件 运用他们所选择的那些原理。这些原理又会产生一些对 问题的最终解释有作用的未知数。这个设计好的正向工 作策略是具有较高效率的并且是强有力的。相反，可供 初学者使用的原理就不是很多。
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对专家技能研究的评价
▪ 专家记忆得更好 ▪ 专家采用不同的问题解决策略 ▪ 专家拥有更好的和更深入，更广泛得表征 ▪ 专家的优势在于他们的知识，而不在于他们
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20
32个
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第三节问题解决策略
▪ 策略是人对信息加以操作的办法、计划、方案，它 使人的认知活动成为有组织的有机的统一体。
▪ 采用什么样的策略解决问题，是影响问题解决效率 的一个很重要的心理因素。
▪ 好的策略，有利于问题的解决。
9+3+2+4+5+6+7+8+1+5=？ (9+1)+(8 +2)+(7+3)+(6+4)+(5+5)=50
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问题解决步骤
▪ 问题表征，即识别和理解问题； ▪ 设计或规定解决问题的策略； ▪ 执行策略； ▪ 评价问题解决的进展。
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问题的种类
▪ 界定清晰的问题（well-defined problem） ▪ 界定含混的问题（ill-defined problem）
▪ 对抗性问题（adversary problem） ▪ 非对抗性问题（non-adversary problem）
程序不能运行的情况 ▪ 加工方式：串行 ▪ 背景知识 ▪ 情感情绪
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专家和新手解决问题的差异
与初学者相比，专家能够依靠图式知识建立更 好的问题表征。就是说，初学者倾向于把具 有相同表面特征的问题聚成一类，但是专家 却是根据问题的深层结构来对问题进行分类， 即使问题的表面特征不一样，只要它们能用 相同的原理来解决，专家们也会把这些问题 归为一类。
《认知心理学》
第九章 问题解决
提纲
▪ 第一节 问题与问题解决 ▪ 第二节 问题解决过程 ▪ 第三节 问题解决策略 ▪ 第四节 问题解决的计算机模拟
2021/8/12
2
本章重点
▪ 问题解决策略 ▪ 问题解决的步骤及相关理论
2021/8/12
3
第一节 问题与问题解决
▪ 心理学对问题解决的研究历程
• 尝试错误说 • 顿悟说 • 信息加工说
2021/8/12
32
二、计算机模拟的贡献与存在的问题
▪ 1.计算机模拟的贡献 ◎计算机模拟不仅对人工智能的发展有着直接的
重要价值，而且证实了一些心理学理论，促进心理 学对人的问题解决的研究，提高了对某些环节的认 识。
◎计算机模拟推动了知识库和策略的研究。 ◎计算机模拟引出了产生式概念，将问题解决中 的一些认知活动加以形式化。
2021/8/12
33
2.计算机模拟存在的问题
➢ 如何评价计算机完成任务的方式与人的方式是 相似的？
➢人与计算机在问题中的思维方式差别 ➢情感等因素对二者在问题解决中的作用如何体现？
2021/8/12
34
如何评价计算机完成任务的方式与人 完成任务的方式？
▪ 不能反映无意识的作用 ▪ 即使根据心理学理论来编写程序，也会出现
• 问题行为图：表明人对某个问题实际形成的问题 空间和实际进行的搜索过程
• 树形图：全部可能的问题空间和搜索路径
2021/8/12
13
问题行为图
2021/8/12
14
2 树形图
2021/8/12
15
问题行为图和树形图的区别
▪ 问题行为图表明人对某个问题实际形成的问 题空间和实际进行的搜索过程
▪ 树形图则表明全部可能的问题空间和搜索路 径
▪ 1.《逻辑理论家》 1956年由Newell、Shaw和Simon编写的计算机
程序，是人类历史上第一个模拟人类解决问题的计 算机程序。它可以模拟人证明符号逻辑定理的思维 活动。
2.《通用问题解决者》 1958年开始， Newell、Shaw和Simon继续研制 模拟人类解决问题的另一计算机程序,简称GPS。Z 主要依据手段目的分析策略编写。其内部知识是以 产生式来表征的。一个产生式由条件和行动两部分 组成。