background image

 

14

   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

M O D U L E   

 

 
 
 

 

Critical Thinking and Problem Solving

   

background image

 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

Summary Key Concepts Case Studies: Re

flect and Evaluate 

 

 

 

Critical Thinking   

What Is Critical Thinking? 

Application: Fostering Critical Thinking

 

 
Thinking Skills and Dispositions 

What Are Higher-order Thinking Skills? 

What Are Thinking Dispositions? 

 

 

Outline Learning Goals

   

 
 
 
 
 

 
 

 

  1. 

Explain the difference between a higher-order thinking skill and a thinking disposition, and discuss why both skills 

and dispositions are important.

 

 

 

  2. 

Explain what critical thinking means. 

  3. 

Identify 

five instructional strategies that can be used to foster critical thinking.

 

 

Problem Solving   

What Is Problem Solving? 

Obstacles to Successful Problem Solving 

Application: Teaching Problem-solving Strategies

 

 

4. 

De

fine problem solving and explain the difference between a well-defined problem and an ill-defined problem. 

  5. 

Discuss the role of algorithms, heuristics, the IDEAL approach, and problem-based learning in teaching problem 

solving.   

 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      242 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    242 

10/9/08      8:50:01 AM

 

10/9/08    8:50:01 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

243

   

 

background image

 
 
 

 
 
 

 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 

THINKING SKILLS AND DISPOSITIONS

 

Socrates challenged the loose thinking of the youth of his day by 
asking questions such as “What is the evidence?” and “If this is true, 
does it not follow that other things must also be true?” 
He promoted an approach that disciplined his students’ thinking and 
guarded against the human tendency to accept fallacious arguments 
and draw unwarranted conclusions (Resnick, 1987). Today, teachers 
in every grade level and every discipline often ask themselves the 
same question: “How can I get my students to think?” Educational 
and professional success requires the development of thinking skills 
and a consistent internal motivation to use those skills in appropriate 
situations (Facione, Facione, & Giancarlo, 2000).

 

 

What Are Higher-order Thinking Skills?

 

Higher-order thinking involves complex cognitive processes that 
transform and apply our knowledge, skills, and ideas. Norman R. F. 
Maier (1933, 1937) used the term reasoning or productive behavior 
to describe higher-order thinking and described lower-order thinking 
as learned behavior or reproductive thinking. He demonstrated 
experimentally that the two are qualitatively different types of 
behavior patterns. Learning the multiplication tables through repeated 
practice is an example of lower-order thinking—reproducing a 
behavior previously observed or practiced. 
Higher-order thinking moves beyond reproducing previous learning 
and draws on analysis, synthesis, and evaluation skills (Lewis & 
Smith, 1993). For example, a student may know how to compute the 
area of a rectangle but may be faced instead with a problem that asks 
for the area of a parallelogram. If the student is able to see how to 
convert the parallelogram to a rectangle of the same size and 
proportion, he has produced new knowledge from the integration of 
previous learning experiences. Simple repetition of a previous 
behavior is insufficient. The student has to transform and apply 
previous learning in a new way. 

The idea that thinking can be divided into higher and lower levels 

was elaborated on by Benjamin Bloom and colleagues in their 
Taxonomy of Educational Objectives, usually called Bloom’s 
taxonomy (Anderson & Krathwohl, 2001; Bloom, Englehart, Frost, 
Hill, & Krathwohl, 1956). Table 14.1 provides additional distinctions 
between lower-order and higher-order thinking. Higher-order 
thinking skills frequently are interwoven with basic skills during the 
teaching and learning process (Resnick, 1987; Shaw, 1983). For 

background image

example, in order for children to understand what they read, they 
have to be able to make inferences and to use knowledge or 
information that goes beyond the written text; thus, teaching reading 
involves interweaving both basic reading skills and higher-order 
thinking processes. 

Many have argued that in order to compete in the twenty-first 

century, American students need to be taught a curriculum that 
balances core knowledge—such as math, science, and reading—with 
instruction in how to think—such as critical thinking, problem 
solving, and making connections between ideas (Wallis & Steptoe, 
2006). Enhancing the quality of thinking of all children is important, 
but it may have particular significance for those minority students 
who historically have not performed as well as their more 
economically advantaged peers (Armour-Thomas, Bruno, & Allen, 
2006). A curriculum that emphasizes higher-order thinking skills has 
been found to substantially increase the math and reading 
comprehension scores of economically disadvantaged students 
(Pogrow, 2005).     

 

 

 

Thinking Skills. Effective teachers encourage their students to be critical 
thinkers and problem solvers. 

 

 

 

>

>

<

<

 

Bloom

’s taxonomy:

 

See page 360.

 

 
 

 

,

   

 

 

TA B L E    1 4 .1 

A Comparison of Lower-order 

and Higher-order Thinking 

Lower-order Thinking 

Higher-order Thinking 

 

 
 
 
 

Reproductive behavior Productive behavior Repeating past 

experiences Integrating past experiences Routine or mechanical 

application of previously acquired information   

Interpreting, analyzing, or 

otherwise manipulating information

 

Recalling information Manipulating information Knowledge, 

comprehension, and application Analysis, synthesis, and 

evaluation 

 

 

Sources: Bartlett, 1958; Bloom et al., 1956; Maier, 1933; Marzano, 1993; Newman, 1990.   

 

background image

 
 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      243 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    243 

10/9/08      8:50:08 AM

 

10/9/08    8:50:08 AM 

244

 

cluster four

 

cognitive processes

 

 

Although learning theorists see the development of higher-order 
thinking as an important goal for all students, teachers often believe 
that stimulating higher-order thinking is appropriate only for 
high-achieving students (Torff, 2005). According to this view, 
low-achieving students are, by and large, unable to deal with tasks 
that require higher-order thinking skills and thus should be spared the 
frustration generated by engaging in such tasks. This rationale for 
reserving higher-level thinking for high achievers is not supported in 
the research literature, however. Rather, research strongly suggests 
that teachers should encourage students of all academic levels to 
engage in tasks that involve higher-order thinking skills (Miri, David, 
& Uri, 2007; Zohar & Dori, 2003).

 

 

What Are Thinking Dispositions?

 

What sets good thinkers apart is not simply superior cognitive ability 
or particular skills; rather, it is their “tendencies to explore, to inquire, 
to seek clarity, to take intellectual risks, to think critically and 
imaginatively” (Tishman, Jay, & Perkins, 1992, p. 2). These 
tendencies can be called thinking dispositions. Teaching for thinking 
involves nurturing dispositions such as (Facione et al., 2000; 
Tishman, Jay, & Perkins, 1992): 

 

 

n

 truth-seeking, a desire to understand clearly, to seek connections and 

explanations; 

n

 open-mindedness, the tendency to explore alternative views, to generate 

multiple options; 

n

 analytical thinking, the urge for precision, organization, thoroughness, and 

accuracy; 

n

 systematic planning, the drive to set goals, to make and execute plans, and to 

envision outcomes; 

n

 intellectual curiosity, the tendency to wonder, probe, and find problems; a zest 

for inquiry; 

n

 confi dence in the use of reasons and evidence, or the tendency to 

question the given, to demand justification, and to weigh and assess 
reasons and; 

metacognition, the tendency to be aware of and monitor the flow 

of one’s own thinking and the ability to exercise mature judgment. 

Empirical    research    has    shown    that thinking    skills    and   

thinking    dispositions are two distinct entities (Ennis, 1996; Perkins, 
Jay, & Tishman, 1993;

 

Taube, 1997). A thinking skill is a cognitive strategy, whereas a 
thinking disposition is a personal attribute (Dewey, 1933).    There   

background image

is    a    difference    between teaching a thinking skill and motivating 
students to cultivate a curious, inquisitive nature in which thinking 
skills are used consistently (Fisher & Scriven, 1997). Skills and 
dispositions are mutually reinforcing and thus should be explicitly 
taught and modeled together (King    &    Kitchener,    1995).   
Teachers have a responsibility not only to promote thinking skills, 
but also to motivate    students    to    make    higher-order thinking a 
habit. 

What intellectual dispositions have become consistent features 
of the way you think? In what areas do you have thinking skills 
but lack the motivation to use them?

 

 

CRITICAL THINKING

 

The ideal critical thinker is habitually inquisitive,    well-informed,   
trustful    of 

 

 

,

 

 
 

 

>

>

<

<

 

Metacognition: See page 214.

   

 
 
 

 

Signi

ficance of Thinking Skills. The development 

of higher-order thinking skills is associated with 
substantial increases in the math and reading 
comprehension scores of minority students who are 
economically disadvantaged. 

 

 

>

>

<

<

 

Motivation:

 

See page 256.

 

 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      244 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    244 

10/9/08      8:50:30 AM

 

10/9/08    8:50:30 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

245

   

 
 
 

 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 

rea son, open-minded, flexible, fair-minded in evaluation, honest 
in facing personal biases, prudent in making judgments, willing 
to reconsider, clear about issues, orderly in complex matters, 
diligent in seeking relevant information, reasonable in the 
selection of criteria, focused in inquiry, and persistent in seeking 
results which are as precise as the subject and circumstances of 

background image

inquiry permit. (APA, 1990, p. 3)

 

 

What Is Critical Thinking?

 

Critical thinking is the process of evaluating the accuracy and worth 
of information and lines of reasoning. A disposition toward critical 
thinking could be characterized as the consistent internal motivation 
to use critical thinking skills to decide what to believe and do 
(Facione et al., 2000). A critical thinker not only is capable of 
reflecting, exploring, and analyzing, but chooses to think in advanced, 
sophisticated ways (Esterlee & Clurman, 1993). We use aspects of 
critical thinking all the time in tasks such as comparing food labels to 
see which foods are most nutritious, deciding which candidate to vote 
for in an election, and evaluating advertising claims. In any instance 
of critical thinking or reasoning, at least one question is at issue. For 
example, in an elementary classroom, students might be given a set of 
objects and asked to form and test a hypothesis about whether each 
object will sink or float. During the critical thinking process, students 
deconstruct a problem, issue, or argument using guidelines such as 
those listed here (Marzano et al., 1988; Paul & Elder, 2006).

 

 

Frame of reference or points of view involved: Clearly identify 

the point of view from which a problem is expressed.

 

 

Assumptions made: Identify what is assumed or taken for granted in thinking about the issue. 

Central concepts and ideas involved: Identify the most important ideas that are relevant to the issue. 

Principles or theories used: Identify the principles or theories 

used to support an argument. Clarify them, question them, 
consider alternatives, and apply theories precisely and 
appropriately.

 

 

Evidence, data, or reasons given: Identify lines of reasoning 

and the evidence on which the reasoning is based. Use logic in 
trying to determine whether a statement or an argument has a solid 
basis in fact. Identify contradictions.

 

 

Interpretations or claims made: Examine whether the 

interpretations or claims made are valid and grounded in evidence.

 

 

Inferences made: Rationally argue in favor of the inferences 

being made. Formulate and consider possible objections to 
inferences.

 

 

Potential implications and consequences: Figure out the 

implications and consequences of a line of reasoning or course of 
action. 

Let’s think about these skills within the context of reading a piece of 
literature. As a critical thinker, the reader might consider the points of 
view of different characters, identify central themes in the book, look 
for evidence to support assertions being made, and consider 
alternative endings, noting the possible implications these would have 
for the various characters. 

Critical thinking abilities emerge gradually (King & Kitchener, 

2002; Pillow, 2002). The development of critical thinking proceeds in 

background image

stages that reflect an increasing ability to analyze one’s own thinking 
with a view toward improving it (Paul & Elder, 2006). In the initial 
stage, individuals may be completely unaware of any significant 
problems in their thinking. Once they are faced with problems in their 
thinking (through self-discovery or through direct challenge of their 
ideas and beliefs by someone else), they may try to improve. At the 
next stage, they recognize the need for regular practice and take 
advantage of ways to practice good thinking habits. In the final stage, 
critical thinking habits become second nature (automatic) as the 
individual becomes a “master thinker” (Paul & Elder, 2006). 
Qualitative dimensions that reflect an individual’s skill in critical 
thinking include clarity, accuracy, precision, relevance, depth, 
breadth, and use of logical reasoning (Paul, 1990; Paul & Elder, 
2006), as shown in Table 14.2.

 

 

Application: Fostering Critical Thinking

 

The first step in fostering critical thinking in the classroom is to make 
students aware of what it means to think critically. Teachers can have 
students examine the lives and works of individuals who were critical 
thinkers or have them examine and discuss their own thinking 
processes. After students have 

 

 

>

>

<

<

 

 
 

 

Automaticity: See page 230.

 

 

Cognitive thinking is similar to Piaget

’s concept of cognitive 

equilibrium: See page 120.

 

 

 

>

>

<

<

 

 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      245 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    245 

10/9/08      8:50:33 AM

 

10/9/08    8:50:33 AM 

246

 

cluster four

 

cognitive processes

   

 

 

TA B L E    1 4 . 2 

Qualitative 

Dimensions of Critical Thought 

Dimension Description 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

Clarity If a student

’s statement is unclear, we cannot really tell 

much else about the level of thinking re

flected because we don’t 

know what the student is trying to say. 
Accuracy A statement can be clear but not accurate, as in 

“ Most dogs weigh 

more than   
300 pounds.

” 

Precision A statement can be clear and accurate but not precise. 
For example, 

“Jack is overweight.” We don’t know if Jack is 2 

pounds overweight or 200 pounds overweight. 
Relevance A statement can be clear, accurate, and precise but 
irrelevant to the issue at hand. 
Depth A statement can be clear, precise, accurate, and relevant but still be 
super

ficial.   

For example, the statement 

“Just say no,” often used to 

discourage kids from using drugs, lacks depth in response to the 
very complex issues of drug use and peer pressure. 
Breadth A line of reasoning can display all the dimensions already listed but lack 
breadth.   
For example, a political argument may look at a question only 
from the liberal standpoint and ignore the conservative view. 
Logic Students may pull together a combination of thoughts that 
are contradictory or do not make any sense. Their thinking in this 
case is illogical.

 

 

Source: Paul & Elder, 2006.   

 

 
 
 

 

been given the opportunity to identify the characteristics of critical 
thinking, they can be encouraged to monitor their own thinking for 
evidence of these characteristics. When a basic foundation for critical 
thinking has been established, teachers can use specific instructional 
strategies to help students think critically. These include questioning 
during class discussion, writing techniques, hypothesis testing, 
inductive and deductive reasoning, and argument analysis. Let’s 
examine each of these.

 

 

QUESTIONING IN CLASS DISCUSSION

 

Questioning is one of the most frequently used methods for sparking 
critical thinking and analysis (Marzano, 1993). Class discussion, 
which provides a logical venue for introducing different types of 
questioning, can take three main forms (Paul, Binker, Martin, & 
Adamson, 1989): 

 

 

Spontaneous discussion can provide a model of listening critically and 

exploring personal beliefs.   

It is especially useful when students become interested in a topic, 
when they raise an important issue during class, or when they are 
just on the brink of grasping an idea. 

In an exploratory discussion, the teacher raises questions in order 

to assess students’ prior knowledge and values and to uncover their 
beliefs or biases. Exploratory discussion also can be used to figure 
out where students’ thinking is fuzzy or unclear. 

background image

Issue-specific discussion is used to “explore an issue or concept 

in depth, evaluate thoughts and perspectives, distinguish the known 
from the unknown, and synthesize relevant factors and knowledge” 
(Paul et al., 1989, p. 28). 

Table 14.3 provides general questions that can be used effectively in 
any of these discussion formats. In order to maximize critical thinking 
during class discussion, teachers need to provide sufficient wait time 
by pausing for several seconds after posing a question to give students 
time to think before they are called on to respond (Tobin, 1987). 
When teachers wait an average of at least 3 seconds after 

 

 

 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      246 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    246 

10/9/08      8:50:34 AM

 

10/9/08    8:50:34 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

247

   

 

 

TA B L E    1 4 . 3 

Question Sets That Can Be 

Used Effectively in Class Discussions 

Question type 

Questions 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 
 
 

 

 

Clari

fication What do you mean by

___________ 

How does 

___________

 relate to 

___________

?

 

Could you give me an example? 
Why do you say that? 

Assumptions All of your reasoning seems to be based on the idea that 

___________

.   

Why have you based your reasoning on 

___________

 rather than 

__________

?

 

Is that always the case? Why do you think 
that assumption holds here? What could we 
assume instead? How would that change our 

background image

conclusions? 

Reasons and evidence 

What is your reason for saying that? 
What other information do we need to know? 
Is there reason to doubt the evidence or the 
sources of our information? What led you to 
that conclusion? 
What would convince you otherwise? 

Viewpoints or perspectives 

You seem to be approaching the issue from 

_____________

 perspective. Why

 

have you chosen this rather than that 
perspective? 
How might other groups/people respond to this issue? 
What would someone who disagrees say? 
How are Ken

’s and Roxanne’s ideas alike? How are they different? 

Implications and consequences 

What are you implying by your statement? 
But if that happened, what else would 
happen as a result? What effect would that 
have? 

Adapted from Paul, Binker, Martin, & Adamson, 1989.   

 

 
 
 

 

posing a question, the result is greater student-to-student interaction 
during learning and increased student participation in class 
discussions (Honea, 1982; Swift & Gooding, 1983). 

In recent years, researchers have explored the use of online 

discussion formats as a vehicle for higher-order thinking (Dutton, 
Dutton, & Perry, 2002; Garrison, Anderson, & Archer, 2001). 
Content analyses of online discussions have shown that students’ 
messages are lengthy and cognitively deep, incorporating critical 
thinking skills such as inference and judgment as well as 
metacognitive strategies related to reflecting on experience and 
self-awareness (Hara, Bonk, & Angeli, 2000). While there are 
advantages to holding discussions in either setting (face-to-face or 
online), well-structured online discussions can expand the time spent 
focusing on course objectives and allow more time for reflection 
(Meyer, 2003). In order to extend the uses of discussion, teachers can 
(Pierce, Lemke, & Smith, 1988): 

 

 

break down an initial exploratory discussion about a complex 

issue into simpler parts and have students choose aspects they 
want to research or explore, or

 

 

have students write summaries immediately after a discussion, 

allowing them to work together to fill in gaps, provide 
clarification, or add new thoughts or questions.

 

 

WRITING TECHNIQUES

 

Although the importance of writing as a basic skill has always been 
recognized, it was Raymond Nickerson (1984) who first noted the 
value of writing as a tool for enhancing higher-order thinking. 
Composing a piece of writing is a complex task that involves 

background image

planning, reviewing, weighing alternatives, and making critical 
decisions (Marzano, 1995; Scardamalia & Bereiter, 1986). A great 
advantage of writing is its versatility—teachers can utilize writing in 
virtually every content area (Martin, 1987). Journal writing is a 
format commonly used in classrooms to enhance students’ 
understanding 

 

 

>

>

<

<

 

 
 

 

Writing skills: See page 222.

 

 

Metacognition: See page 214.

 

 
 

 

>

>

<

<

 

 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      247 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    247 

10/9/08      8:50:34 AM

 

10/9/08    8:50:34 AM 

248

 

cluster four

 

cognitive processes

   

 

 
 
 

 

Deductive Reasoning. Detective Sherlock Holmes said, 

“If you eliminate the 

impossible, whatever remains

—however improbable—must be the truth.” Like 

Holmes, students reason deductively, narrowing the possibilities and drawing 
conclusions based on the available evidence.

 

 

 

 
Argument Analysis.   
In debate, students use critical thinking to present well-supported arguments 
and to evaluate points made by their opponents.

 

 

of content, elucidate students’ thinking processes in a way that 
teachers can react to, and provide opportunities for self-reflection 
(Marzano, 1993).

 

 

HYPOTHESIS TESTING

 

Hypothesis testing involves examining research data and results to 
determine what conclusions reasonably can be drawn to support or 
refute a stated hypothesis. In an elementary classroom, a teacher 
might organize students into groups and present each group with a 
tray of materials to use in making a small light bulb work. The 
students would begin by forming hypotheses about how the 
materials could be used in combination to make their light bulb turn 
on and would follow up by actually testing their hypotheses. 
Hypothesis testing is not only germane to science activities. For 
example, students in a literature class might be asked to form 
hypotheses about how they think a story will end based on what they 
have read so far and then be asked to compare their hypotheses with 
the actual ending.

 

 

INDUCTIVE REASONING AND DEDUCTIVE REASONING

 

background image

Teachers can provide opportunities for students to practice inductive 
reasoning,
 logical thinking that moves from specific examples to 
formulation of a general principle. For example, a teacher might 
present a set of souvenirs from different countries and have students 
work together to discover a general principle that describes what all 
the items have in common. Students also can benefit from activities 
that require them to use deductive reasoning, a form of logical 
thinking that moves from the general to the specific. For example, if 
a student is presented with several characteristics of Native 
Americans and asked to identify which tribe the characteristics best 
describe, the student must use deductive reasoning. When Sherlock 
Holmes takes a general set of clues and pieces them together to find 
the solution to a crime, he is using deductive reasoning—moving 
from the general to the specific.

 

 

ARGUMENT ANALYSIS

 

Argument analysis involves challenging students to evaluate reasons 
critically in order to discriminate between those that support a 
particular conclusion and those that do not. For example, a teacher 
might organize a class debate on the merits of wearing school 
uniforms, with one side presenting arguments for the wearing of 
uniforms and the other side presenting arguments against. Each side 
not only would present its own arguments, but also would analyze the 
arguments presented by its opponents in order to decide which were 
valid in support of the conclusion being drawn. 

While specific teaching strategies are useful, the intellectual 

climate of the classroom is equally important in fostering critical 
thinking. Students need an open, stimulating, supportive climate in 
which they are encouraged to explore and express opinions, examine 
alternative positions on controversial topics, and justify their beliefs 
(Gough, 1991). See Box 14.1 for a summary of tips for creating a 
classroom environment conducive to critical thinking. 

Think about the classrooms you have spent time in over the 
years, and identify speci

fic classroom events or assignments 

that fostered critical thinking. How does the promotion of critical 
thinking vary by grade level or by discipline?  
 

PROBLEM SOLVING

 

Critical thinking is an important part of defining and solving 
problems. In everyday situations, we are called on to solve problems 
of various levels of complexity. Let’s consider what the 
problem-solving process involves.

 

 

What Is Problem Solving?

 

problem, quite simply, is any situation in which you are trying to 
reach some goal and you need to     

 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      248 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    248 

10/9/08      8:50:35 AM

 

10/9/08    8:50:35 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

249

 

 

BOX 14.1

 

background image

 

Tips for Creating a Classroom Environment Conducive to Critical 
Thinking
   

 
 
 

 

Reward good critical thinking.

 

 

Model critical thinking skills and dispositions. 

 

 
 
 
 
 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 

Explain different thinking strategies and focus students

’ attention 

on important aspects of critical thought (e.g., examining 
evidence).

 

 

Challenge poor critical thinking.

 

 

Actively engage students in critical thinking by providing diverse contexts for practicing 

reasoning skills.

 

 

Create a climate of reasoned inquiry through assignments, class 

discussions, and collaborative learning activities.

 

 

Encourage metacognition by teaching students how to examine their own thinking 

processes.

 

 

Sources: Facione, Facione, & Giancarlo, 2000; Tishman, Perkins, & Jay, 1995.

 

 

 

find a means to do so. It has a starting point, a goal (desired outcome), 
and one or more paths for achieving that goal. Problem solving is the 
means we use to reach a goal in spite of an obstacle or obstacles. 
Some problems have clear goals and solutions; others don’t. 
Problems can range from well defined to ill defined, depending on a 
variety of problem characteristics (Hamilton & Ghatala, 1994). In 
well-defined problems, a goal is clearly stated, all the information 
needed to solve the problem is available, and only one correct 
solution exists. For example, a kindergartener who needs to match the 
word two to its numeral faces a well-defined problem with a clear 
goal and a single answer. An illdefined problem is one in which the 
desired goal may be unclear, information needed to solve the problem 
is missing, and/or several possible solutions exist. High school juniors 
who are participating in a discussion of First Amendment rights in a 

background image

U.S. history course face an ill-defined problem because the specific 
goals are unclear, many important facts may not be in evidence, and 
there probably is more than one “right” answer. 

Problem solving requires a complex range of skills that develop at 

different rates. Children are naturally curious and often will try to 
figure out solutions to problems on their own; however, their 
strategies may not be the most effective or efficient ways to approach 
the problem. Preschoolers are able to use available information 
appropriately in problem solving, but they often fail to identify or 
retrieve useful information from memory. Upper elementary students 
not only can use current information effectively but also can draw on 
prior knowledge to aid in understanding and solving a problem 
(Kemler, 1978). Older children remember what did or did not work 
on previous occasions and permanently reject hypotheses that failed, 
whereas young children are less likely to reflect on how well their 
previous strategies worked and may continue to use an ineffective 
strategy (Carr & Biddlecomb, 1998; Davidson & Sternberg, 1998). 

Research on novice and expert problem solvers provides further 

information about how students’ approaches to problem solving may 
differ based on their level of experience. Novice or inexperienced 
problem solvers tend to apply problem-solving strategies mindlessly, 
without any real understanding of what they are doing or why they 
are doing it (Carr & Biddlecomb, 1998; Davidson & Sternberg, 
1998). Expert problem solvers are more likely to (Bruning, Schraw, 
Norby, & Ronning, 2004; Chi, Glaser, & Farr, 1988): 

 

 

recognize potential problems,   

perceive meaningful patterns in the information they are given, 

perform tasks quickly and with few errors, 

hold a larger quantity of information in working and long-term memory, 

take time to carefully analyze a problem before implementing a solution, and   

monitor their own performance and make adjustments.

 

 

Obstacles to Successful Problem Solving

 

Problem solving may break down due to the inexperience of the 
problem-solver or as a result of several cognitive obstacles. Let’s 
examine each of these in turn.

 

 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      249 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    249 

10/9/08      8:50:37 AM

 

10/9/08    8:50:37 AM 

250

 

cluster four

 

cognitive processes

 

 

n

   

Functional fixedness is the inability to use objects or tools in a new way 

(Dunker,   
1945). For example, you need to draw a straight line and have a ruler 
nearby; however, you are thinking of the ruler only as an instrument 
for measuring length, so you don’t use it as a straightedge.

 

 

n

      Response set is our tendency to respond to events or situations 

in the way that is most familiar to us. Consider this problem: You 
are presented with Figure 14.1 and are asked to connect all the dots 
with four lines or fewer without lifting your pen. The solution to this 
problem (found in Figure 14.2) requires breaking your response set 

background image

and drawing lines that extend beyond the mental border you 
instinctively visualize around these dots.

 

 

n

      Belief perseverance is the tendency to hold onto our beliefs 

even in the face of contradictory evidence. For example, students 
tend to be overconfident about how quickly they can complete a 
writing assignment. Even when the writing process takes twice as 
long as they expect, students tend to remain overly confident and fail 
to adjust their estimates for future writing assignments (Buehler, 
Griffith, & Ross, 1994). 

The common theme in all these obstacles is lack of flexibility. A rigid 
mind-set narrows possibilities, while an open mind increases the 
chance that you will be able to reframe a problem in a way that 
suggests a workable solution.

 

 

Application: Teaching Problem-solving Strategies

 

Teachers can enhance students’ problem-solving skills by teaching 
and modeling specific strategies that students will use frequently 
within a particular area, by providing students with general rules of 
thumb that may work in a variety of contexts, and by presenting 
varied contexts and opportunities for students to practice their 
problem-solving skills.

 

 

ALGORITHMS AND HEURISTICS

 

Solutions to some problems can be found by using an algorithm, a 
prescribed sequence of steps for achieving a goal. For example, if you 
want to calculate the area of a cylinder and know its dimensions, you 
can apply a specific formula that will give you the correct answer. 
The problem-solving process may take a little time, but the solution is 
clearly achievable if the appropriate algorithm is chosen and its steps 
are followed accurately. 

Not all problems come with directions to follow. In the absence of 

specific directions, you might need to use a heuristic to solve the 
problem at hand. A heuristic is a general problem-solving strategy 
that might lead to a right answer or to a solution that usually is 
reasonably close to the best possible answer. It’s a rule of thumb, an 
educated guess, or common sense. The difference between algorithms 
and heuristics basically comes down to formal steps versus an 
informal rule of thumb, or accuracy versus approximation. Students 
are using heuristics when they guess a close answer to a 
multiplication problem, rounding to the nearest large unit (e.g., 19 
times 18 is about 400); shoppers are using heuristics when they 
examine the price tag as an indicator of which electronic device 
probably has the most features. Heuristics help us narrow down 
possible solutions to find one that works (Stanovich & West, 2000). 

    Let’s consider three common heuristics:   
1.      Means-end analysis is a heuristic in which the main 
problem-solving goal is divided into subgoals. For example, the 
main goal of developing a classroom management    plan    for    your   
first    year    of    teaching could be broken down into subgoals of 
defining your rules, outlining your classroom procedures, arranging 
your classroom in an orderly way, and developing a schedule to help 
your students understand the classroom routine.

 

background image

2.    The working-backward strategy is a systematic approach in 
which you start with the final goal and think    backward    to   
identify    the    steps    necessary    to reach that goal. For instance, 
students who have a major term paper due in three weeks can work 
back-

 

 

Figure 14.1. Mental Set 
Problem. Assume that you are given a sheet of paper showing these nine 
dots. Connect the nine dots with four straight lines. You must draw all four lines 
without lifting your pencil from the paper. You may not fold, cut, or tear the 
paper in any way.

 

 

 

 
Lack of Flexibility. A rigid, in

flexible mind-set is an obstacle to effective 

problem solving.   

 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      250 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    250 

10/9/08      8:50:38 AM

 

10/9/08    8:50:38 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

251

 

 

TA B L E    1 4 . 4

 

 

Guidelines for Instruction in the Use of Algorithms and Heuristics   

 

Use of algorithms 

Describe and demonstrate speci

fic algorithms. 

 

 
 

 

 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 

Work on a particular problem together, and talk students through each step of the algorithm.   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

 

 

Help students learn to check their work and to catch errors in their applications of an algorithm.

 

 

Ask students to explain what they are doing as they work through a problem, or ask them to show their 

written work. This makes it easier for the teacher to pinpoint speci

fic misunderstandings or errors and 

provide students with corrective feedback.

 

 

De

fine the situations in which the algorithms should be used. This step is 

essential. In math, for example, students may memorize formulas for calculating 
the area of different shapes; however, if they do not understand when to apply a 
particular formula, they will not be able to solve math problems correctly. 

Use of heuristics 

Teach students how to better de

fine ill-defined problems. This may involve 

taking a large, vague problem and breaking it down into several smaller 
problems or steps to be tackled. 

Teach students how to distinguish essential 

from nonessential information as they gather data to solve a problem. 

Show 

students where and how to 

find any missing information they need to solve a 

problem. 

Give students the opportunity to solve problems in groups. Group 

work can be fertile ground for problem solving if students have the opportunity to 
share ideas, model different approaches for one another, and discuss the merits 
of different approaches to solving a problem.

 

 

 

 

Sources: Atkinson, Derry, Renkle, & Wortham, 2000; Renkle & Atkinson, 2003; Rogoff, 2003.

 

 
 

 

ward to figure out how much time they will need to allow for each step in the research and writing process and set 
intermediate deadlines for themselves. 

  3. Analogical thinking limits the search for solutions to situations that are most similar to the one at hand. A class 

that is analyzing sources of pollution in a local river might consider the sources of pollution in other waterways in 
the region for comparison. 
Explicit instruction in the use of algorithms and heuristics is very useful in helping students become better 

problem solvers (Dominowski, 1998; Kramarski & Mevarech, 2003). Table 14.4 provides guidelines for instruction 
in the use of each of these problem-solving methods. In the real world, students are faced with many problems that 
are ill-defined and are not solvable by a clear algorithm. Teachers therefore need to pay particular attention to 
providing students with authentic learning experiences that give practice in solving complex problems (Resnick, 
1988; Sternberg et al., 2000). 

You may not have heard the terms algorithm and heuristic prior to reading this module, but you undoubtedly 
have used these problem-solving strategies many times. In what situations have you used an algorithm to 
solve a problem? When have you used a heuristic?

 

 

GENERAL AND SPECIFIC STRATEGIES

 

Problem-solving strategies often are specific to a particular content area (e.g., formulas for calculating area or 
perimeter; strategies for identifying common grammar or punctuation errors when editing a paper). Although 
content area often is very important, certain problem-solving strategies tend to be helpful across a variety of contexts 
(Davidson & Sternberg, 1998; Dominowski, 1998). John Bransford and Barry Stein (1993) use the acronym IDEAL 
to identify five important steps found in many different problem-solving approaches: (1) identify the problem, (2) 
define goals, (3) explore 

 

 

 

 

background image

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      251 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    251 

10/9/08      8:50:41 AM

 

10/9/08    8:50:41 AM 

252

 

cluster four

 

cognitive processes

 

 

TA B L E    1 4 .5 

IDEAL Problem-solving Steps 

Step Description   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Identify problems and opportunities. Identifying that a problem exists is a critical 

first step in the 

problem-solving process. D De

fine goals and represent the problem. Success in 

problem solving often depends on how we represent the problem. This step 
involves focusing on relevant information, understanding what the problem is 
asking, and activating prior knowledge schemas that might relate to the problem.

 

 

Explore possible strategies. Look at possible options and strategies that might be used to solve 

the problem. 

Anticipate outcomes and act. Consider possible consequences of different strategies proposed in 

the previous step, and implement the chosen strategy. 

Look back and learn. After implementing a strategy, evaluate whether the problem is solved 

effectively.

 

 

Source: Bransford & Stein, 1993.

 

 
 

 

possible strategies, (4) anticipate outcomes, and (5) look back and learn. Table 14.5 describes each of these steps. 
People seem to move back and forth    from    general    strategies,    such    as    those    described    in    the    IDEAL 
method, to content-specific approaches, depending on the needs of the situation and people’s level of expertise. In an 
area in which we have little experience, we are more likely to rely on general knowledge and problem-solving 
strategies; however, as we develop expertise within a content area, we are more likely to apply specific strategies 
that we know are effective (Alexander, 1996).

 

 

PROBLEM-BASED LEARNING 

Problem-based learning (PBL) is experiential, hands-on learning organized 

around the investigation and resolution of messy, real-world problems (Torp & Sage, 2002). In this approach, 
students are engaged problem   

Start

 

 
Figure 14.2: Solution to Mental Set Problem. If you had never seen this problem before, you probably approached it with a 
speci

fic set of expectations— you assumed the four lines had to remain within the perimeter of the nine dots. To solve the problem, 

you must go beyond the perimeter of the dots.     

 

 
 
 

 

background image

Problem-based Learning. Experiential, hands-on learning is centered around real-world problems.

 

 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      252 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    252 

10/9/08      8:50:42 AM

 

10/9/08    8:50:42 AM 

module fourteen

 

critical thinking and problem solving 

253

 

 

solvers who identify the root problem and the conditions needed for a 
good solution, pursue meaning and understanding, and become 
active, self-directed learners (Hmelo-Silver, 2004). Imagine that you 
want to teach your students how to identify minerals. A traditional 
lesson might involve providing students with several tools (e.g., 
mineral key, pictures of crystal shapes, streak plate, glass plate, nail, 
penny, weak acid, hand lens), a step-by-step demonstration of how to 
use the tools, and an activity in which students are to identify the 
minerals based on the demonstrated procedure. In a PBL unit 
designed to cover the same curriculum, you might tell your students 
that they are playing the roles of geologists. Their task is to identify 
the minerals at a couple of local sites in order to facilitate the 
modification of local zoning ordinances. Tools and various minerals 
are made available, and the students work in small groups to identify 
the minerals. The lesson content in each case is similar; however, the 
PBL lesson is designed to engage students’ curiosity and tie their 
learning to a real-life context. 

What elements of problem-based learning can you identify in this textbook?   

 

 

Module 14 :

 

 

    Critical 

 

Thinking and Problem Solving

 

 

 

 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      253 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    253 

10/9/08      8:50:44 AM

 

10/9/08    8:50:44 AM 

254

 

key concepts

   

 
 
 
 
 

 
 

 

Summary

 

Explain the difference between a higher-order thinking skill and a thinking disposition, and 
discuss why both skills and dispositions are important. 
Empirical research has shown that thinking 
skills and thinking dispositions    are    two    distinct    entities.    Higher-order thinking skills re

flect an 

individual

’s ability to manipulate and transform information in order to solve problems or make decisions. 

Thinking dispositions re

flect an individual’s consistent internal motivation to use thinking skills. Having the 

ability to engage in higher-order thinking does not guarantee the disposition to do so; therefore, teachers 
must understand how to build intellectual skills in students as well as how to foster the dispositions to use 
those skills on a regular basis. 

background image

Explain what critical thinking means. Critical thinking is the process of evaluating the accuracy and 
worth of information and lines of reasoning. During the critical thinking process, students deconstruct a 
problem or an issue to identify and carefully consider characteristics such as the frames of reference or 
points of view involved, the assumptions being made, the evidence or reasons being advanced, the 
validity of the interpretations and claims being made, and the implications and consequences that follow 
from a particular decision. 
Identify 

five instructional strategies that can be used to foster critical thinking. Teachers can use 

one of 

five popular and effective strategies for promoting critical thinking. (1) Questioning techniques help 

identify students

’ prior knowledge, clarify values, and uncover students’ beliefs or biases. (2) Writing 

techniques can be used in virtually every content area and can challenge students to plan, review, weigh 
alternatives, and make critical decisions. (3) Hypothesis testing involves examination of research data 
and results to determine what conclusions reasonably can be drawn to support or refute a stated 
hypothesis. (4) Inductive and deductive reasoning are forms of logical thinking that ask   
students to move from speci

fic examples to formulating a general principle (inductive) or from a general 

set of clues to a speci

fic solution (deductive). (5) Argument analysis challenges students to evaluate 

reasons critically in order to discriminate between those that support a particular conclusion and those 
that do not. 
De

fine problem solving and explain the difference between a well-defined problem and an 

ill-de

fined problem. A problem is any situation in which you are trying to reach some goal and need to 

find a means to do so. Problem solving has a starting point, a goal (desired outcome), and one or more 
paths for achieving that goal. A well-de

fined problem is one in which a goal is clearly stated, all the 

information needed to solve the problem is available, and only one correct solution exists. An ill-de

fined 

problem is one in which the desired goal is unclear, information needed to solve the problem is missing, 
and/or several possible solutions to the problem exist. 
Discuss the role of algorithms, heuristics, the IDEAL approach, and problem-based learning in 
teaching problem    solving. 
An    algorithm    is    a    prescribed    sequence of steps for achieving a goal. 
A heuristic is a general problem-solving strategy that might lead to a right answer or to a solution that 
usually is reasonably close to the best possible answer. The difference between algorithms and heuristics 
basically comes down to formal steps versus an informal rule of thumb, or accuracy versus 
approximation. The acronym IDEAL identi

fies five important    steps    found    in    many    different   

problem-solving approaches: (1) identify the problem, (2) de

fine the goals, (3) explore possible strategies, 

(4) anticipate outcomes, and (5) look back and learn. Problem-based learning (PBL) is experiential, 
hands-on learning organized around the investigation and resolution of messy, real-world problems.   

 

 
 

 

Key Concepts

 

algorithm analogical thinking argument analysis belief perseverance critical thinking deductive reasoning exploratory 

discussion functional 

fixedness

 

 

heuristic higher-order thinking hypothesis testing ill-de

fined problem inductive reasoning issue-specific discussion 

means-ends analysis problem

 

 

problem-based learning (PBL) problem solving response set spontaneous discussion thinking dispositions wait time 

well-de

fined problems working-backward strategy   

 
 
 
 
 

background image

 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      254 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    254 

10/9/08      8:50:44 AM

 

10/9/08    8:50:44 AM 

case studies: re

flect and evaluate

 

255

   

 
 
 
 
 

 
 

 

Case Studies: 

Refl ect and Evaluate 

Early Childhood: 

“Air” 

These questions refer to the case study on page 206. 

  1. What thinking dispositions did Barb foster in her classroom? 
How would you describe the motivation and engagement level of 
her students? 
  2. Describe how Barb used questioning techniques to promote 
critical thinking during the experiment with the cork and the cup. 

  3. How did Barb challenge her students to think critically during the discussion of kite aerodynamics? 
  4. Was the kite project an example of a well-de

fined or an ill-defined problem? Explain. 

  5. Which steps of the IDEAL problem-solving sequence did you notice during the kite project?

 

 

Elementary School: 

“Reading About Pirates” 

These questions refer to the case study on page 208. 
  1. How would you describe Kiana

’s thinking dispositions during the reading rotations? 

  2. Which features of higher-order thinking, if any, did you see 
represented in the learning events that transpired in Ian

’s 

classroom? 
  3. Was Ian

’s assignment for the students completing the short 

story booklets at their seats bene

ficial, or could he have given them 

a more thought-provoking assignment? Explain. 

  4. How could Ian incorporate aspects of critical thinking into his reading-group activities? 
  5. What steps of the IDEAL problem-solving model did you see used in this case?

 

 

Middle School: 

“King Washington” 

These questions refer to the case study on page 210. 
  1. Which thinking dispositions did you see represented in the learning events that transpired in   

Tom

’s classroom? 

  2. How could Tom

’s discussion of George Washington promote 

students

’ critical thinking about the concept of leadership? 

  3. What dimensions of critical thought should Tom consider when 
evaluating his students

’ thinking during the Continental Congress 

activity? 
  4. Does the Continental Congress activity present students with a 
well-de

fined or an ill-defined problem to solve? Explain. 

  5. Is the Continental Congress activity an example of 
problem-based learning as de

fined in your reading? Explain.

 

 

High School: 

“I Don’t Understand” 

These questions refer to the case study on page 212. 

  1. What thinking dispositions could So Yoon have tried to enhance 
in order to facilitate students

’ learning of the new math concept?

 

background image

2. How might belief perseverance have interfered with students

’ 

decision making about how to approach the math problems? 

  3. Did the type of problems So Yoon assigned require the use of algorithms or the use of heuristics?   

Explain. 

  4. What steps from the IDEAL model could have been utilized by So Yoon

’s students?   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd      255 

boh7850x_CL4Mod14.p242-255.indd    255 

10/9/08      8:50:47 AM

 

10/9/08    8:50:47 AM