心理科学进展 ›› 2022, Vol. 30 ›› Issue (6): 1393-1409.doi: 10.3724/SP.J.1042.2022.01393
收稿日期:
2021-08-04
出版日期:
2022-06-15
发布日期:
2022-04-26
通讯作者:
刘红云
E-mail:hyliu@bnu.edu.cn
基金资助:
HAN Yuting1, XIAO Yue2,3, LIU Hongyun2,3()
Received:
2021-08-04
Online:
2022-06-15
Published:
2022-04-26
Contact:
LIU Hongyun
E-mail:hyliu@bnu.edu.cn
摘要:
基于计算机的问题解决测验可以实时记录被试探索环境和解决问题时的详细行动痕迹, 并保存为过程数据。首先介绍了过程数据的分析流程, 然后从问题解决测验入手, 分别对过程数据的特征抽取和能力估计建模两方面的研究进行了梳理和评价。未来研究应注意:提高分析结果的可解释性; 特征提取时纳入更多信息; 实现更复杂问题情景下的能力评估; 注重方法的实用性; 以及融合与借鉴不同领域的分析方法。
中图分类号:
韩雨婷, 肖悦, 刘红云. (2022). 问题解决测验中过程数据的特征抽取与能力评估. 心理科学进展 , 30(6), 1393-1409.
HAN Yuting, XIAO Yue, LIU Hongyun. (2022). Feature extraction and ability estimation of process data in the problem-solving test. Advances in Psychological Science, 30(6), 1393-1409.
类型 | 算法 | 适用情景 | 分析目的 | 后续分析 | 优势 | 不足 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
自上 而下 | 专家制定评分或指标构建规则 | 所有类型的任务 | 构建指标提取和计分规则 | 用于能力估计 | 具有理论依据, 强解释性, 适用于传统测量模型分析 | 成本高; 信息遗漏 | |
自下 而上 | 基于 NLP | N-Gram | 可执行操作较少的任务 | 构建行为指标, 获得反应序列特征向量 | 识别关键操作序列; 用于能力估计 | 指标简单, 易于理解 | 指标笼统; 遗漏顺序信息; 信息损失大 |
编辑距离 | 存在最佳解决路径的任务 | 构建一个反映表现水平的指标 | 完善评分规则 | ||||
基于LCS的指标 | 存在最佳解决路径的任务 | 以跨任务概括的方式表征解决问题的策略特点 | 比较不同群体问题解决策略的特点 | ||||
降维 算法 | 自编码 | 所有类型的任务 | 将反应序列用数字特征向量表征, 以提取反应序列中的全部信息 | 预测考生的最终反应, 以及在其他项目和各种认知特征上的表现; 用来提高能力估计精度 | 信息抽取全面 | 缺乏可解释性 | |
MDS | |||||||
网络 分析 | 社会网络分析 | 所有类型的任务 | 可视化反应过程, 提取反应过程网络图的特征 | 预测表现; 分析高低组反应模式差异 | 可视化 | 预处理程序复杂; 难以捕获网络节点内涵; 无法直接应用于能力估计 |
表1 基于计算机的问题解决测验过程数据的特征抽取方法总结
类型 | 算法 | 适用情景 | 分析目的 | 后续分析 | 优势 | 不足 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
自上 而下 | 专家制定评分或指标构建规则 | 所有类型的任务 | 构建指标提取和计分规则 | 用于能力估计 | 具有理论依据, 强解释性, 适用于传统测量模型分析 | 成本高; 信息遗漏 | |
自下 而上 | 基于 NLP | N-Gram | 可执行操作较少的任务 | 构建行为指标, 获得反应序列特征向量 | 识别关键操作序列; 用于能力估计 | 指标简单, 易于理解 | 指标笼统; 遗漏顺序信息; 信息损失大 |
编辑距离 | 存在最佳解决路径的任务 | 构建一个反映表现水平的指标 | 完善评分规则 | ||||
基于LCS的指标 | 存在最佳解决路径的任务 | 以跨任务概括的方式表征解决问题的策略特点 | 比较不同群体问题解决策略的特点 | ||||
降维 算法 | 自编码 | 所有类型的任务 | 将反应序列用数字特征向量表征, 以提取反应序列中的全部信息 | 预测考生的最终反应, 以及在其他项目和各种认知特征上的表现; 用来提高能力估计精度 | 信息抽取全面 | 缺乏可解释性 | |
MDS | |||||||
网络 分析 | 社会网络分析 | 所有类型的任务 | 可视化反应过程, 提取反应过程网络图的特征 | 预测表现; 分析高低组反应模式差异 | 可视化 | 预处理程序复杂; 难以捕获网络节点内涵; 无法直接应用于能力估计 |
类型 | 模型 | 适用情景 | 过程指标要求 | 优势 | 不足 | 实证数据集 | 模型分析软件 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
心理测量模型 主要关注潜在能力的估计 | 多维IRT模型(Hesse et al., | 测验结构多维 | 需提前定义好指标与各个维度间的关系 | 具有理论依据, 估计得到的潜在能力值有明确的心理学含义 | 受限于指标定义方式, 可能造成信息的遗漏, 无法对行为顺序进行分析 | ATC21S合作问题解决测验 | ConQuest 2.0软件 (Wu et al. |
多水平IRT模型(Wilson et al., | 小组合作测验 | 需提前定义指标与测量构念的关系 | ATC21S-ICT测验 | Mplus软件(Muthén & Muthén, | |||
诊断分类模型(Zhan & Qiao, | 操作集有限的简单任务 | 标定过Q矩阵的指标 | 在评估被试连续的潜在问题解决能力的同时, 为被试的问题解决策略提供更详细的诊断信息 | 所用指标无法反应序列的整体顺序及操作频率; Q矩阵标定成本高 | PISA 2012问题解决测验“车票”单元CP038Q01题目 | R程序包GDINA (Ma & de la Torre, R程序包TAM (Robitzsch et al., | |
改进的多水平混合IRT模型(Liu et al., | 路径清晰且可穷举的任务 | 提前判定每种可选操作的正误, 并采取累积编码计分 | 利用信息全面; 可以同时估计出过程水平和个体水平上估计能力值, 并且对过程水平策略进行分类 | 具有任务特异性的独特编码形式; 学生水平能力估计值仅利用最后一步的作答信息 | PISA 2012问题解决测验“交通”单元CP007Q02题目 | Mplus软件(Muthén and Muthén, | |
两步条件期望方法(Zhang et al., | 无特殊要求 | 包含过程信息的特征向量 | 在对潜在特质进行估计时纳入了过程信息 | 利用的过程信息具有解释性问题 | PIAAC 2012的PSTRE测验 | R程序包glmnet (Friedman et al., | |
随机过程模型 主要关注对随机过程建模 | 隐马尔可夫模型(Bergner et al., | 潜在状态随进程发生变化的任务 | 指标在时间上连续 | 保持反应序列的序列结构; 使用潜在状态对不同的潜在特质和技能建模, 从而实现认知诊断 | 无法如心理测量模型那样获得与被试潜在能力相符合的连续且稳定的估计值 | 自适应同伴辅导系统(Walker et al., | Matlab Bayes Net工具箱(Murphy, |
动态贝叶斯网络(Levy, | 指标在时间上连续, 指标与潜在特质之间有明确的对应关系 | 教育游戏Save Patch (Chung et al., | OpenBUGS软件(Lunn et al., | ||||
类型 | 模型 | 适用情景 | 过程指标要求 | 优势 | 不足 | 实证数据集 | 模型分析软件 |
结合随机过程思想的测量模型 在对随机过程建模基础上进行能力估计 | 马尔可夫IRT模型(Shu et al., | 操作集有限的简单任务, 且操作转移在整个反应过程中的正误不变 | 过程指标即操作转移, 需提前判定各个操作转移的正误并计分 | 同时考虑了正确与错误的操作及其频率, 利用信息较为全面 | 将反应序列分割为离散的操作转移指标, 丢失了顺序信息; 所利用的操作序列在实际应用具有局限性 | NAEP-TEL的泵修理任务 | MIRT软件(Haberman, |
连续时间动态选择模型(Chen, | 事件有限的简单任务 | 提前判定任务中每种事件的有效性, 获取每个事件对应的时间戳 | 可以基于一个或多个任务上的过程数据估计出每个学生的问题解决能力和操作速度 | 每个任务仅有一个难度参数, 无法区分反应过程中每种事件的独特属性 | PISA 2012问题解决测验中“车票”单元题目CP038Q01和题目CP038Q02 | 自编最大边际似然估计程序 | |
马尔可夫决策过程测量模型(Lamar, | 状态集和操作集都明确的结构良好的任务 | 提前为各种操作和/或结果定义合理的奖励参数 | 利用强化学习原理考虑多步骤信息对能力进行估计 | 模型需要设定参数较多, 释放参数自由估计可能导致估计值不合理 | 公开教育游戏Microbes (Red Hill Studios, n.d.) | C++程序语言自编参数估计程序 | |
序列反应模型(Han et al., | 有最佳解决策略的结构良好任务 | 提前区分每种状态转移的正误 | 可以利用完整的反应序列, 获得被试能力参数和每个状态转移的倾向性参数 | 结构不良问题情景中的数据预处理方式仍需进一步探讨 | PISA 2012问题解决测验“车票”单元CP038Q02题目 | R语言自编贝叶斯估计程序 |
表2 基于计算机的问题解决测验过程数据的能力评估模型总结
类型 | 模型 | 适用情景 | 过程指标要求 | 优势 | 不足 | 实证数据集 | 模型分析软件 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
心理测量模型 主要关注潜在能力的估计 | 多维IRT模型(Hesse et al., | 测验结构多维 | 需提前定义好指标与各个维度间的关系 | 具有理论依据, 估计得到的潜在能力值有明确的心理学含义 | 受限于指标定义方式, 可能造成信息的遗漏, 无法对行为顺序进行分析 | ATC21S合作问题解决测验 | ConQuest 2.0软件 (Wu et al. |
多水平IRT模型(Wilson et al., | 小组合作测验 | 需提前定义指标与测量构念的关系 | ATC21S-ICT测验 | Mplus软件(Muthén & Muthén, | |||
诊断分类模型(Zhan & Qiao, | 操作集有限的简单任务 | 标定过Q矩阵的指标 | 在评估被试连续的潜在问题解决能力的同时, 为被试的问题解决策略提供更详细的诊断信息 | 所用指标无法反应序列的整体顺序及操作频率; Q矩阵标定成本高 | PISA 2012问题解决测验“车票”单元CP038Q01题目 | R程序包GDINA (Ma & de la Torre, R程序包TAM (Robitzsch et al., | |
改进的多水平混合IRT模型(Liu et al., | 路径清晰且可穷举的任务 | 提前判定每种可选操作的正误, 并采取累积编码计分 | 利用信息全面; 可以同时估计出过程水平和个体水平上估计能力值, 并且对过程水平策略进行分类 | 具有任务特异性的独特编码形式; 学生水平能力估计值仅利用最后一步的作答信息 | PISA 2012问题解决测验“交通”单元CP007Q02题目 | Mplus软件(Muthén and Muthén, | |
两步条件期望方法(Zhang et al., | 无特殊要求 | 包含过程信息的特征向量 | 在对潜在特质进行估计时纳入了过程信息 | 利用的过程信息具有解释性问题 | PIAAC 2012的PSTRE测验 | R程序包glmnet (Friedman et al., | |
随机过程模型 主要关注对随机过程建模 | 隐马尔可夫模型(Bergner et al., | 潜在状态随进程发生变化的任务 | 指标在时间上连续 | 保持反应序列的序列结构; 使用潜在状态对不同的潜在特质和技能建模, 从而实现认知诊断 | 无法如心理测量模型那样获得与被试潜在能力相符合的连续且稳定的估计值 | 自适应同伴辅导系统(Walker et al., | Matlab Bayes Net工具箱(Murphy, |
动态贝叶斯网络(Levy, | 指标在时间上连续, 指标与潜在特质之间有明确的对应关系 | 教育游戏Save Patch (Chung et al., | OpenBUGS软件(Lunn et al., | ||||
类型 | 模型 | 适用情景 | 过程指标要求 | 优势 | 不足 | 实证数据集 | 模型分析软件 |
结合随机过程思想的测量模型 在对随机过程建模基础上进行能力估计 | 马尔可夫IRT模型(Shu et al., | 操作集有限的简单任务, 且操作转移在整个反应过程中的正误不变 | 过程指标即操作转移, 需提前判定各个操作转移的正误并计分 | 同时考虑了正确与错误的操作及其频率, 利用信息较为全面 | 将反应序列分割为离散的操作转移指标, 丢失了顺序信息; 所利用的操作序列在实际应用具有局限性 | NAEP-TEL的泵修理任务 | MIRT软件(Haberman, |
连续时间动态选择模型(Chen, | 事件有限的简单任务 | 提前判定任务中每种事件的有效性, 获取每个事件对应的时间戳 | 可以基于一个或多个任务上的过程数据估计出每个学生的问题解决能力和操作速度 | 每个任务仅有一个难度参数, 无法区分反应过程中每种事件的独特属性 | PISA 2012问题解决测验中“车票”单元题目CP038Q01和题目CP038Q02 | 自编最大边际似然估计程序 | |
马尔可夫决策过程测量模型(Lamar, | 状态集和操作集都明确的结构良好的任务 | 提前为各种操作和/或结果定义合理的奖励参数 | 利用强化学习原理考虑多步骤信息对能力进行估计 | 模型需要设定参数较多, 释放参数自由估计可能导致估计值不合理 | 公开教育游戏Microbes (Red Hill Studios, n.d.) | C++程序语言自编参数估计程序 | |
序列反应模型(Han et al., | 有最佳解决策略的结构良好任务 | 提前区分每种状态转移的正误 | 可以利用完整的反应序列, 获得被试能力参数和每个状态转移的倾向性参数 | 结构不良问题情景中的数据预处理方式仍需进一步探讨 | PISA 2012问题解决测验“车票”单元CP038Q02题目 | R语言自编贝叶斯估计程序 |
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