Reasoning and the cognitive processes behind problem solving
Have you ever found yourself with a clear goal but no idea how to reach it? You know exactly what you want to achieve, yet one attempt after another fails to produce results. Solving a problem does not always require greater concentration or a longer search for an answer. Sometimes the difficulty lies in the way we understand the situation itself.
Cognitive psychology shows that problem solving involves several interacting mental processes. The way we understand a problem plays an important role because it influences which solutions we consider in the first place. Sometimes we do not need to analyze a situation more intensively. We simply need to look at it from a different perspective.
How We Represent Problems
When faced with a problem, we create a mental representation of it. We identify the starting point and the goal, and consider possible ways of reaching it. Newell and Simon described this structure using the concept of a problem space. From this perspective, problem solving involves searching for a path that leads to the goal.1
Our representation does not always account for all the relevant features of a situation. Sometimes we rely on incorrect assumptions. As a result, we limit the range of possible solutions.
Imagine that your computer suddenly stops working. A week earlier, its graphics card failed. You therefore suspect that the graphics card is responsible again. You focus on checking it, overlooking the fact that the actual cause is a loose power cable. Your previous experience has guided your search, but at the same time, it has made it harder to notice other possible causes.
Reasoning can be helpful in situations like this. Deductive reasoning allows us to draw conclusions from established premises. Inductive reasoning, in turn, helps us formulate generalizations and hypotheses based on observations. Both forms of reasoning help us analyze a situation and evaluate possible explanations.2
If a computer failure has occurred several times after a software update, we might suspect that the two events are related. This does not mean, however, that the update actually caused the failure. That assumption still needs to be tested.
Working Memory and Cognitive Control
Analyzing a problem often requires us to consider several pieces of information at once. We also need to compare possible solutions and anticipate the consequences of different actions. Working memory plays an important role here. It allows us to temporarily store and process information needed to carry out the task at hand.3
Research on mathematical problem solving supports its importance. A meta-analysis by Ji and Guo (2023) included 130 studies and more than 43,000 participants. It found a moderate association between working memory capacity and performance on such tasks. This does not mean, however, that working memory alone determines how effectively we solve problems. The type of task and prior knowledge also play important roles.3
Cognitive control, which is associated with executive functions, is equally important. It helps us direct attention, inhibit dominant responses, and adjust our behavior to changing conditions. This allows us to resist choosing the first available option and consider other possibilities.4
Heuristics and the Pitfalls of Thinking
We do not always analyze every available possibility. We often rely on heuristics, or simplified thinking strategies. They allow us to find potential solutions more quickly. They also help us draw on previous experience without having to start the analysis from scratch.
Problems arise when a familiar strategy does not fit a new task. One example is mental set, the tendency to keep using a method that has worked in the past, even when a simpler alternative is available. Abraham Luchins (1942) studied this phenomenon and showed that previous experience can make it harder to recognize other ways of solving a problem.5
A related phenomenon is functional fixedness. It refers to the difficulty of seeing objects as having uses beyond those for which we normally use them.6
A classic example comes from Karl Duncker's experiment. Participants were given a candle, a box of thumbtacks, and matches. Their task was to attach the candle to a wall so that wax would not drip onto the floor. The solution was to empty the box and attach it to the wall using the thumbtacks. The box could then serve as a candle holder.6
The way the objects were presented mattered. Participants who received the thumbtacks inside the box had greater difficulty recognizing its alternative use than those who were shown the empty box and the other objects separately.6
Previous experience can therefore both help us solve problems and limit our ability to see other possibilities. Familiar patterns are useful as long as they fit the structure of the task.
Insight and a Change in Perspective
Sometimes a solution only becomes apparent when we look at a problem from a different perspective. This phenomenon is known as insight and is often associated with the sudden experience of an Aha!
One process associated with insight is the restructuring of a problem representation. This involves changing the way information is organized and the available possibilities are perceived. It can occur after a period of impasse, when the strategy used so far stops producing results.
Insight, however, is neither a magical solution nor a process entirely separate from analytical thinking. Earlier analysis can prepare the ground for a change in perspective. Yet the feeling of sudden realization does not guarantee that the solution is correct. Wiley and Danek (2024) point out that problem restructuring and the subjective experience of Aha! are related, but do not always occur together.7
Conclusion
Problem solving requires several cognitive processes to work together. Reasoning helps us evaluate possible solutions, working memory allows us to manipulate information, and cognitive control helps us change ineffective strategies. Heuristics simplify the search for solutions, but can sometimes make it harder to recognize other possibilities.
The way we represent the problem itself is particularly important. We do not always lack the necessary knowledge or analytical abilities. Sometimes it is our understanding of the situation that limits us. Finding a solution may therefore require not more intensive thinking, but questioning assumptions that previously seemed obvious.
Znasz sytuację, kiedy masz cel, ale nie wiesz, jak tam dotrzeć? Dokładnie wiesz, co chcesz osiągnąć, jednak kolejne próby nie przynoszą rezultatu. Rozwiązanie problemu nie zawsze wymaga większego skupienia ani dłuższego poszukiwania odpowiedzi. Czasami trudność leży w samym sposobie, w jaki rozumiemy sytuację.
Psychologia poznawcza pokazuje, że rozwiązywanie problemów angażuje kilka współpracujących procesów umysłowych. Duże znaczenie ma sposób, w jaki rozumiemy problem. To on wpływa na to, jakie rozwiązania w ogóle bierzemy pod uwagę. Czasami nie potrzebujemy intensywniej analizować sytuacji. Wystarczy spojrzeć na nią z innej perspektywy.
Sposób reprezentowania problemu
Kiedy mierzymy się z problemem, tworzymy jego mentalną reprezentację. Ustalamy punkt wyjścia i cel. Rozważamy też możliwe sposoby jego osiągnięcia. Newell i Simon opisali tę strukturę za pomocą pojęcia przestrzeni problemowej (problem space). W tym ujęciu rozwiązywanie problemu polega na szukaniu drogi, która prowadzi do celu.1
Nasza reprezentacja nie zawsze uwzględnia wszystkie istotne cechy sytuacji. Czasami opieramy się na błędnych założeniach. W efekcie ograniczamy zakres możliwych rozwiązań.
Wyobraź sobie, że komputer nagle przestaje działać. Tydzień wcześniej doszło do awarii karty graficznej. Dlatego ponownie podejrzewasz ją o spowodowanie problemu. Skupiasz się na jej sprawdzaniu. Nie zauważasz, że przyczyną jest poluzowany przewód zasilający. Wcześniejsze doświadczenie ukierunkowało twoje poszukiwania, ale jednocześnie utrudniło dostrzeżenie innych możliwych przyczyn.
W takich sytuacjach pomocne jest rozumowanie (reasoning). Dedukcja pozwala wyciągać wnioski z przyjętych przesłanek. Indukcja z kolei umożliwia formułowanie uogólnień i hipotez na podstawie obserwacji. Oba rodzaje rozumowania pomagają nam analizować sytuację i oceniać możliwe wyjaśnienia.2
Jeśli awaria kilkakrotnie wystąpiła po aktualizacji oprogramowania, możemy podejrzewać, że oba zdarzenia są ze sobą powiązane. Nie oznacza to jednak, że aktualizacja rzeczywiście spowodowała awarię. To przypuszczenie wymaga jeszcze sprawdzenia.
Pamięć robocza i kontrola poznawcza
Analizowanie problemu często wymaga uwzględnienia kilku informacji naraz. Musimy też porównywać możliwe rozwiązania i przewidywać skutki kolejnych działań. Ważną rolę odgrywa tu pamięć robocza (working memory). Pozwala ona tymczasowo przechowywać i przetwarzać informacje potrzebne do wykonania bieżącego zadania.3
Jej znaczenie potwierdzają badania nad rozwiązywaniem problemów matematycznych. Metaanaliza Ji i Guo (2023) objęła 130 badań i ponad 43 tysiące uczestników. Wykazała umiarkowany związek między pojemnością pamięci roboczej a wynikami w takich zadaniach. Nie oznacza to jednak, że sama pamięć robocza decyduje o skuteczności rozwiązywania problemów. Ważną rolę odgrywają również rodzaj zadania i wcześniejsza wiedza.3
Równie istotna jest kontrola poznawcza związana z funkcjami wykonawczymi. Pomaga kierować uwagą, hamować dominujące reakcje i dostosowywać sposób działania do zmieniających się warunków. Dzięki niej możemy powstrzymać się od wyboru pierwszej dostępnej opcji i rozważyć inne możliwości.4
Heurystyki i pułapki myślenia
Nie zawsze analizujemy wszystkie dostępne możliwości. Często korzystamy z heurystyk, czyli uproszczonych strategii myślenia. Pozwalają nam one szybciej znaleźć potencjalne rozwiązanie. Dzięki nim możemy wykorzystywać wcześniejsze doświadczenia bez konieczności rozpoczynania analizy od początku.
Problem pojawia się wtedy, gdy znana nam strategia nie pasuje do nowego zadania. Jednym z przykładów jest mental set, czyli tendencja do stosowania wcześniej skutecznej metody nawet wtedy, gdy istnieje prostsza alternatywa. Abraham Luchins (1942) badał to zjawisko. Pokazał, że wcześniejsze doświadczenia mogą utrudniać dostrzeżenie innych sposobów poradzenia sobie z zadaniem.5
Podobnym zjawiskiem jest sztywność funkcjonalna (functional fixedness). Polega ona na trudności w dostrzeganiu innych zastosowań przedmiotów niż te, do których zwykle ich używamy.6
Klasycznym przykładem jest eksperyment Karla Dunckera. Uczestnicy otrzymywali świecę, pudełko z pinezkami i zapałki. Ich zadaniem było przymocowanie świecy do ściany tak, aby wosk nie kapał na podłogę. Rozwiązanie polegało na opróżnieniu pudełka i przymocowaniu go do ściany za pomocą pinezek. Pudełko służyło następnie jako podstawka pod świecę.6
Sposób prezentacji przedmiotów miał znaczenie. Uczestnicy, którzy otrzymywali pinezki w pudełku, mieli większą trudność z dostrzeżeniem jego innego zastosowania niż osoby, którym pokazano puste pudełko i pozostałe przedmioty osobno.6
Wcześniejsze doświadczenia mogą więc zarówno pomagać w rozwiązywaniu problemów, jak i ograniczać dostrzeganie innych możliwości. Znane schematy są przydatne, dopóki pasują do struktury zadania.
Wgląd i zmiana perspektywy
Czasami rozwiązanie pojawia się dopiero wtedy, gdy spojrzymy na problem z innej perspektywy. Zjawisko to określa się jako wgląd poznawczy (insight) i często wiąże się z nagłym doświadczeniem Aha!
Jednym z procesów związanych z wglądem jest restrukturyzacja reprezentacji problemu. Polega ona na zmianie sposobu organizowania informacji i dostrzegania dostępnych możliwości. Może do niej dojść po okresie impasu (impasse), kiedy dotychczasowa strategia przestaje przynosić rezultaty.
Wgląd nie jest jednak magicznym rozwiązaniem ani procesem całkowicie niezależnym od analitycznego myślenia. Wcześniejsza analiza może przygotować grunt pod zmianę perspektywy. Samo poczucie olśnienia nie gwarantuje jednak, że znalezione rozwiązanie jest poprawne. Wiley i Danek (2024) wskazują, że restrukturyzacja problemu i subiektywne doświadczenie Aha! są ze sobą powiązane, ale nie zawsze występują jednocześnie.7
Podsumowanie
Rozwiązywanie problemów wymaga współdziałania różnych procesów poznawczych. Rozumowanie pomaga oceniać możliwe rozwiązania, pamięć robocza pozwala operować informacjami, a kontrola poznawcza pomaga zmieniać nieskuteczne strategie. Heurystyki upraszczają poszukiwanie rozwiązań, ale czasami utrudniają dostrzeżenie innych możliwości.
Szczególne znaczenie ma jednak sposób, w jaki reprezentujemy sam problem. Nie zawsze brakuje nam wiedzy lub zdolności analitycznych. Czasami ogranicza nas sposób rozumienia sytuacji. Znalezienie rozwiązania może więc wymagać nie intensywniejszego myślenia, lecz zakwestionowania założeń, które wcześniej wydawały się oczywiste.
References
- Newell, A., & Simon, H. A. (1972). Human Problem Solving. Prentice-Hall.
- Markman, A. B., & Gentner, D. (2001). Thinking. Annual Review of Psychology, 52, 223–247. DOI: 10.1146/annurev.psych.52.1.223
- Ji, Z., & Guo, K. (2023). The association between working memory and mathematical problem solving: A three-level meta-analysis. Frontiers in Psychology, 14, Article 1091126. DOI: 10.3389/fpsyg.2023.1091126
- Diamond, A. (2013). Executive Functions. Annual Review of Psychology, 64, 135–168. DOI: 10.1146/annurev-psych-113011-143750
- Luchins, A. S. (1942). Mechanization in problem solving: The effect of Einstellung. Psychological Monographs: General and Applied, 54(6), i–95. DOI: 10.1037/h0093502
- Duncker, K. (1945). On Problem-Solving (L. S. Lees, Trans.). Psychological Monographs: General and Applied, 58(5), i–113. DOI: 10.1037/h0093599
- Wiley, J., & Danek, A. H. (2024). Restructuring processes and Aha! experiences in insight problem solving. Nature Reviews Psychology, 3, 42–55. DOI: 10.1038/s44159-023-00257-x