2.2.1.1 联结主义的问题解决理论
较早有关问题解决的研究主要是以动物为研究对象的。联结主义心理学家桑代克（E.L.Thorndike）通过迷笼来研究动物（主要是猫和小鸡）的学习能力。桑代克设计的迷笼有一个特殊的机关（如一个金属环），正确触动机关（如拉动金属环）笼门就会打开。在实验时，饥饿的猫被放进笼子里，外面放置食物，猫为了得到食物就在笼子里到处抓碰，试图钻出笼子。当然，猫的大多数尝试都以失败告终。饥饿的猫在偶然间碰到了机关，笼门打开，它得以从笼中钻出并吃到食物。之后再把猫关进笼子，猫仍然会在笼子中到处抓碰并最终通过碰触机关打开笼门。然而，经过多次的重复，猫似乎“学会”了开门的方法，乱抓乱碰的动作越来越少。在大量类似实验的基础上，桑代克对动物的学习进行了系统分析，认为学习或问题解决就是不断“试误”的过程，因此他的学习理论也被称为“试误说”。动物的试误行为如果得到奖赏，这种行为就会保持和增加；如果受到惩罚，这种行为就会减少甚至消失。
桑代克的试误说解释了动物或人在完全陌生且无任何经验的条件下解决问题的过程。猫起初试图打开笼子的方法几乎是本能的反应，而通过试误的方法成功打开笼子几次之后，试误次数就大量减少。这表明，动物和人的问题解决过程很大程度上就是学习的过程，通过学习积累的经验，使得动物和人在面临同样或相似问题时能够更加高效地解决。
2.2.1.2 行为主义的学习和问题解决理论
桑代克之后，美国行为主义心理学又将人类问题解决和学习的研究向前推进了一大步。早期行为主义者对问题解决的研究大多应用巴普洛夫的条件作用原理。以华生（John Watson）为代表的经典行为主义者认为，人的学习是就是在条件刺激与条件反应之间建立联系，即“刺激—反应连接”。以斯金纳（B.F.Skinner）为代表的操作行为主义者则认为，一个伴随着强化物的反应将会被增强，进而更有可能再次出现。[11]斯金纳也主要用动物来进行研究，他发明了著名的“斯金纳箱”。当动物在箱中做出某种期望的行为，如按压杠杆或啄一个发光点，就会得到一粒食丸作为奖励。与经典条件作用不同，操作条件作用认为有机体（动物和人）的大部分行为有意识做出的，有机体通过行为来控制反应的发生。
在斯金纳看来，要想让个体解决一个复杂的问题（或称为习得一个复杂的行为），可以通过连续地对逐步接近目标的行为进行强化或强化一个不断加长的反应序列来实现。斯金纳曾指出：“解决一个问题并不只限于做出对的反应，它还包括采取各种步骤以使那个反应更可能出现，而那些步骤往往通过改变环境而使（对的）反应更容易出现。”[12]可见，行为主义的心理学家问题解决过程就是逐步改变问题情境（包括自身和周围环境及两者之间的关系）最终导致正确的反应，从而完成对环境的改变（即解决问题）。在这一过程中，强化对于保持反应模式非常重要，而不同的强化程序也会带来不同的反应模式。斯金纳还将自己的理论运用在教学领域，认为应该在对学习任务进行细致分析后通过“程序教学”（Programed Instruction）进行。
行为主义后期的一些研究者如托尔曼[13]尽管仍然坚持采用客观的行为观察来研究动物和人的行为，但他认为心理学研究的对象应该是整体行为（Action），而不是单个的动作行为（Movement），这是因为整体行为具有目的性和认知特征。因此，托尔曼也被视为认知心理学的先驱。
2.2.1.3 格式塔流派对问题解决理论
与美国同期的行为主义的研究不同，欧洲心理学家们关注的是人们问题解决的内在机制。与行为主义只关注刺激与行为之间的关系、多采用小动物进行学习研究的方式不同，诞生于欧洲的格式塔（Gestalt）流派的心理学家更为关注高等动物和人的学习和问题解决过程。德语“Gestalt”一词的含义是“具有结构的整体”，与其相对的是整体的各个部分。格式塔的代表人物维特海默（Wertheimer）和科勒（W.Kohler）认为，要完全理解人类的行为，行为主义那种将行为切割为小的构成部分进行研究的方式是不可取的，相反，应该作为整体来进行研究。[14]该学派强调知觉的整体性和个体对经验的组织，认为对问题的知觉和组织方式是问题解决的关键。格式塔心理学流派对问题解决研究影响力最大的是科勒有关黑猩猩的研究。科勒长期对黑猩猩的行为进行观察，并进行了大量有关黑猩猩问题解决的实验，比较著名的如：
Sultan（黑猩猩）试图用短棍取水果。失败后它开始撕扯编制笼子的铁丝，但这也是徒劳的。然后，它环顾了一下自己周围（在这些测试中总会出现长时间的停顿，在这些停顿期间，动物会仔细研究整个空间）。它突然拾起短棍，再次站到门闩上，恰好在长棍对面。用短棍把长棍拉过来，抓住，拿着爬到水果对面，然后成功得到了水果。从它的眼睛落在长棍上的那一刻起，它的动作就是一个连贯的过程，没有停顿。[15]
科勒的观察表明，黑猩猩在拿到水果的情境中并没有像迷笼中的猫那样乱撞乱碰，经过很多次的试误才解决问题。黑猩猩的问题解决是通过思考，对问题要素进行重新建构，最终得到问题解决方法并付诸实施的。科勒将这种通过思考和重构，最终获得问题解决方法的过程称为“顿悟”（Insight）。实际上，很多人在问题解决中都有过顿悟的经验。这类问题的线索或要素往往并不够清晰和完善，需要改变通常的知觉方式和要素组织方式，形成对问题情境新的认识，从而获得问题的解决方法。那么怎样才能促进顿悟学习的发生呢？格式塔心理学家认为关键在于必需将问题的所有部分呈献给问题解决者。[16]
格式塔流派的另一分支符兹堡学派关注思维，尤其是问题解决的研究。该学派的主要观点是问题解决过程是由决定倾向（Determining Tendency）所引导的。也就是说思维过程是目标导向且由任务控制的。塞尔茨（Otto Selz）认为在问题解决过程中，当前情境（设置的问题）和问题的方法之间有一间隙（Gap），即认知，他将称为图式预期（Schematic Anticipation）。[17]他认为，问题呈现的初始阶段，人们对问题情境和问题的解决方法就有目标意识。
相比行为主义关注具体刺激和行为之间的关系，格式塔流派更关注更为复杂的认知活动，其研究的问题解决也更接近人类通常学习和生活面对的情境。
2.2.1.4 信息加工认知心理学的问题解决理论
20世纪五六十年代，伴随着计算机技术的发展，一些心理学家受到启发，将人脑的认知过程与计算机信息处理过程相类比，研究人的内部认知加工过程这一原本被行为主义视为“黑箱”而排除在心理学研究领域外的内容。因此，这一心理学流派也被称为“信息加工的认知心理学”。
纽厄尔（Newell）和西蒙（H.A.Simon）提出了“问题空间”的概念，并把“问题空间”分为初始状态、目标状态和达标通路。[18]初始状态时只有个体的经验和问题的条件，目标状态是期待获得的结果或答案，而达标通路是从初始状态到目标状态的所有经历的过程。问题解决就是通过达标通路缩小并最终消除初始和目标状态之间距离的过程。
纽厄尔和西蒙认为人们可以利用两种基本的方法来解决问题。[19]第一种是可遵循一套清楚且固定的步骤，并且能够确保问题获得解决，这种方法被称为算法式。当问题结构良好并且可以采用一系列特定的操作来解决的时候，人们倾向于运用算法来一步步解决问题。学校的大量数学习题都是类似的结构良好的问题，用来训练学生掌握算法。(www.xing528.com)
第二种方法是启发式，与算法式不同，启发式的解决方法没有固定的步骤，也不确保最终能解决问题，它是一种带有冒险和尝试性的策略，然而，在实际的问题解决中，往往存在不存在明显的算法，或者算法太浪费时间不实用。这时候，人们就会倾向于选择启发式的策略。
纽厄尔和西蒙使用的问题主要是定义良好的且知识贫乏型的问题，例如“河内塔”问题，这些问题的解决几乎不需要用到专门知识，并且他们的研究目的是在于确定一般的问题策略，因此被称为通用问题解决者（General Problem Solver）。根据大量的研究，他们确定了问题解决的三个步骤：第一步是对问题、已知条件和算子进行表征；第二步是确定目标和子目标，并未到达子目标开始解决问题；第三步是运用手段—目的分析来评估解题进度，有必要的话，重新定义目标。[20]其中，算子是指能够将问题的一种状态转换成另一种状态的行动。上述的问题解决过程被称为“手段—目标分析”，是一种最常见的启发式问题解决策略。采用“手段—目标分析”，人们通过估计当前状态和目标状态之间的差距、为减少差距搜索合适的算子并对解题结果进行评价。
然而，人们面临的更多问题大多不会有非常清晰的界定和明确的目标及解决策略，并且人们解决问题时并不会严格按照算法一步一步进行，他们会借助自己已有的知识或以往解决问题的经验，寻求更简洁的方法，并且会不断省略和跳跃。而这些都不是“通用问题解决”策略所能够解决的。
信息加工论将人脑的工作机制类比为计算机的信息加工模式，采用计算机程序运算的方式来分析人脑的问题解决过程。反过来，计算机软件的开发也借助对人脑问题解决过程的模拟，目前，人工智能技术已经取得了很多伟大的成就，尤其是在那些具有确定规则或算法的领域，计算机在很大程度上已经可以替代人们进行问题解决。尽管在规则简单明确的问题解决中具有很高的借鉴意义，但计算机严格的算法很难解释人们真正的问题解决方式。此外，由于程序必需遵循既定的规则，计算机在进行大量重复性认知工作中具有优势，然而，人在问题解决中的创造性则是计算机很难替代的。
2.2.1.5 建构主义对问题解决的研究
随着对人类学习和问题解决研究的不断深入，人们逐渐明确人类并非被动地接受所获得的信息。相反，他们会基于自己已有的知识和经验，以个人特有的方式主动的组织和加工信息。这种理论倾向被称为“建构主义”（Constructivism）。梅耶（Mayer）指出，人的知识获取隐喻必需被知识建构隐喻所取代。[21]
由于建构主义主要关注人类知识的获得过程，并强调知识建构的主动特征，因此对教育领域具有巨大的影响作用，发展出了如“支架式教学”“情境教学”“随机通达教学”“基于问题的学习”等常见的教学方法。[22][23][24]以皮亚杰认识发生论为代表的个人建构主义主要关注个人的知识建构过程。皮亚杰认为，儿童通过与物理及社会环境的相互作用并对其进行思考，随着年龄增长和神经系统的成熟，会逐步自主建构起对环境的发展理解和推理能力。在皮亚杰看来，儿童的问题解决很大程度上依赖于其认知所处的阶段，超出认知发展阶段的问题，儿童是难以正确解决的。儿童的学习正是在处理主客体之间的矛盾中逐步发生的，同化和顺应的过程反映了处理主客体之间矛盾的基本方式。
以维果茨基为代表的社会建构理论则强调社会文化对认知发展的重要作用，认为社会文化对高级心理技能的发展具有决定性的意义。[25]维果茨基认为可以采用当前发展区和最近发展区来描述儿童的发展水平。最近发展区可以看成儿童解决问题的潜在能力与实际能力之间的差距，前者是当有成人指导或与他人合作时表现出来的，后者是独立解决问题时表现出来的。根据维果茨基的观点，对于儿童学习而言，最有意义的是那些处于最近发展期内的问题，并且对这些问题的解决需要儿童积极参与、教师或成人的有效引导以及学习者与他人之间的有效互动。[26][27]
建构主义强调学习情境的真实、复杂和相关性，学习者自身的主动、参与和适切性。例如，布朗等人认为，学生掌握的知识应该是能够有效支配的，要掌握这种知识就必需在有意义的情境中学习。[28]这意味着，学生的问题解决应当是有意义的、真实的，虚假、抽象和无意义的问题解决无法起到提高问题解决能力的作用。
2.2.1.6 专家—新手问题解决研究
20世纪70年代末到80年代末，越来越多的研究者开始将注意转向人的专长学习，着重考查特定学科或技术领域内需经历成千上万个学习时数才能表现出一定特长或专长的任务。[29]这类研究通常采用比较领域专家与新手之间在作业效果上的差异来证明其假设，因此也被可以称为“专家—新手”比较研究范式。大量此类研究结果表明，在某一领域具有专长的人比起新手具备以下四大特征。
首先是知识的程序化，即具有专长的人将更多陈述性知识转化为了程序性知识，解决问题时更多依赖程序性知识。其次是学会使用知识，即由战术学习向策略学习的转变。其中，战术学习是指新手习得的解决某个局部问题的方法，而策略学习是指需要对自己已有的个别解答方法做出调配和组织的学习。也就是说，某一领域的专家更善于组织更具综合性的问题解决步骤。再次是专家对问题的表征属于深层和抽象表征，相对而言，新手对问题的表征主要依据其表面的具体特征，专家则往往通过抽象的内在原理来考虑问题。最后是对问题的记忆，专家对于自己擅长领域的问题信息，在记忆方面有巨大的优势。很多研究表明，专家之所以能记住更多，是因为他们记忆的单位是经过编码的结构化信息，而新手则不具备这方面的能力。[30]除上述特征外，还有研究者指出专家其他方面的特征，包括专家主要在其所从事的领域内表现出色，专家花更多的时间用于分析问题质的方面，专家具有高度的自控力。[31]
现实生活中，人们所面临的大多数问题都是定义不良的问题，解决这些问题非常依赖已有的相关知识经验。如果一个人对某个领域的知识掌握得越多，他就越能够掌握这一领域的复杂问题，处理的方式也就越接近于专家。然而，众多研究表明，在特定领域的专长并不一定与其一般智力因素相关。斯滕伯格等人发现，尽管智力与学业成绩存在高相关，但它与诸如职业、社会地位、所获得的金钱等因素之间似乎无显著相关。[32]总体来说，专家仅仅是他们自己领域的专家，当解决他们领域之外的问题时，其表现就和其他人一样了。[33]此外，专家尽管在特定领域的问题解决方面具有优势，但同样也存在着劣势。这是因为，当对一个领域建立的事实和理论有很深入的理解后，会使其极少运用新的方式来看待问题。并且当问题解决的方案需要采取不同寻常的方法时，专家可能就处于劣势。
2.2.1.7 认知神经科学对问题解决的研究
已有证据表明，人类的问题解决能力主要依赖于大脑前额叶皮层功能的发挥。额叶位于人脑前段，主管规划和思考，处理诸如监测高级思维、设法解决问题、调节过激情绪等。[34]同时，前额叶也与人们在语言、表象和记忆等一系列高级认知功能相联系[35]。戈尔和格拉夫曼通过对前额叶皮层受损病人的研究表明，尽管病人看起来正常，并且智力测验成绩优秀，却无法完成需要高级智能的活动。例如在河内塔任务中，前额叶损伤的病人感到非常困难，主要的困难在于将圆盘反向移动的过程。还有研究者用脑成像考查了大脑进行类比推理的激活情况，结果发现右侧前额叶皮层前部被激活，而且只有在进行类别推理情况下才会发生。[36]
与其他哺乳动物相比，人类大脑前额叶皮层占大脑皮层的比例更大，接近三分之一，与人类最近接的黑猩猩前额叶皮层占比近五分之一。可见，高等认知能力，尤其对根据目标的组织和协调能力对人类的重要意义。
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