基于贝叶斯网模型的多级计分诊断测验分类及比较研究

贝叶斯网模型提供了一种方便和直观的框架结构来表示变量间的关系,非常适合在诊断测验中对教育评估的内容进行建模。本研究将两种贝叶斯网分类模型与序列多级计分诊断模型S-GDINA进行综合比较。考察两种贝叶斯网分类模型与S-GDINA在Q矩阵正确界定和包含一定比例(25%、 30%)的错误时,两者对被试的分类性能;并将贝叶斯网分类模型应用到实证数据中,展示贝叶斯网分类模型在实证数据中的分类过程和分类性能。研究结果表明：当Q矩阵由专家正确界定时,朴素贝叶斯分类模型的分类效果与S-GDINA模型相差不大,同样可以达到很好的分类效果,树增广的朴素贝叶斯分类模型的分类性能也能达到良好。实证结果进一步表明,将贝叶斯网分类模型应用于教育测量领域中的诊断分类工具是有其优势和可行的,尤其是当测验数据对于所选用诊断模型的拟合较差、测验的Q矩阵中包含错误或测验数据中包含较多的噪音时。     

基于作答数据的模型参数和Q矩阵联合估计

Q矩阵在认知诊断的模型参数估计和诊断分类中起着重要作用。本文通过研究Liu等人的方法, 设计了同时估计项目参数和Q矩阵的联合估计算法。在DINA模型下, 对项目参数未知时开展模拟研究。研究假设项目为20个, 考察的属性个数分别是3、4和5, 初始Q矩阵中分别存在3、4和5个属性界定错误的项目。结果表明, 联合估计算法能在错误的初始Q矩阵基础上以很高的概率得到正确的Q矩阵。另外, 当专家认定测验的属性个数存在错误时, 该方法推导的Q矩阵和模型参数能提供很好的鉴别Q矩阵错误的信息。     

基于可达阵的一种Q矩阵标定方法

Q矩阵标定是实施认知诊断评估的前提,已有Q矩阵修正方法并不太适合测验中已知属性向量的题目数较少的情形。根据拓展Q矩阵理论中可达阵R列与简化Q阵列存在布尔“或”关系,在一定认知假设下,率先提出可达阵R与简化Q阵的潜在反应列存在布尔“与”关系,并由此提出基于可达阵的Q矩阵标定方法。研究显示：在已知一个可达阵下,当可达阵项目的猜测或失误参数在.20以下且待标定项目的项目参数约在.30以下时,新方法所得Q矩阵元素返真率基本在.90以上,并且真实Q矩阵与估计Q矩阵下被试分类准确率差异很小;对于含5个属性的独立结构,新方法要求的随机样本的样本量较小;实证研究也印证了模拟研究的结论。新方法只需专家标定少量题目的Q矩阵,即已经标定的Q矩阵对应属性层级结构的可达阵。     

Tatsuoka Q矩阵理论的修正

K.K.Tatsuoka和她同事开发的规则空间模型(RSM)是一种在国内外有较大影响的认知诊断模型,但是Tatsuoka的RSM中Q矩阵理论存在缺陷和错误,这些失误使得RSM中用布尔描述函数(BDF)计算被试理想项目反应模式(IRP)的方法缺乏理论依据.这里揭示了Tatsuoka的Q矩阵理论的缺陷和错误并引进既不使用BDF又便于应用的计算IRP的方法;接着还介绍一种由可达阵计算简化Q阵的方法,该方法显示了可达阵在构造认知诊断测验的重要性.这些结果对丰富Q矩阵理论及正确使用RSM进行认知诊断有一定的意义.     

基于DINA模型的Q矩阵修正方法

本研究开发了一种基于DINA模型的认知诊断测验Q矩阵修正方法—— g 法, 为侦查并修正Q矩阵中的错误提供方法学支持, 从而为保证Q矩阵的合理性提供基础, 并为进一步提高认知诊断的准确率服务。本文采用Monte Carlo模拟及与国外同类研究相比较的方法进行, 研究发现：(1)不论在何种作答失误概率(5%, 10%, 15%)情况下, 当s,g临界值为0.2, 0.25或0.3时, 本研究提出的g 法均能有效地修正错误Q矩阵; 同时, 当Q矩阵无错误时, g 法对该Q矩阵未做任何修改。表明g 法对Q矩阵是否存在错误具有较强的识别能力及修正能力。(2)与国外同类研究相比, 本研究提出的g 法具有较理想的修正率, 且与de la Torre (2008)提出d法的修正效果相当。但相比较而言, g 法较d 法更为简单。(3) g 法不仅能有效地修正错误的Q矩阵, 而且还可以进一步提高认知诊断的正确率, 尤其是对模式判准率(PMR), 诊断正确率的最高增幅高达40%, 大大改善了认知诊断的准确率。     

一种广义的认知诊断Q矩阵修正新方法

本文提出了一种新的Q矩阵修正方法——两阶段法,该方法不仅适用于简化认知诊断模型,也适合于饱和的认知诊断模型,在实践应用中更具灵活性。模拟研究和实证研究表明：第一,两阶段方法整体上优于国际上知名的 法( de la Torre, et al., 2016);第二,两阶段方法受被试人数和Q矩阵的错误率影响较小,尤其在小样本时仍有相对理想的正确率;第三,实证数据研究表明,两阶段法修正后的Q矩阵与数据拟合更好,并且修正的Q矩阵能明显提高认知诊断测验的信度。     

基于类别水平的多级计分认知诊断Q矩阵修正：相对拟合统计量视角

多级计分认知诊断模型的开发对认知诊断的发展具有重要作用, 但对于多级计分模型下的Q矩阵修正还有待研究。本研究尝试对多级计分认知诊断Q矩阵修正进行研究, 并聚焦更具诊断价值的基于项目类别水平的Q矩阵修正。将相对拟合统计量应用于多级计分认知诊断Q矩阵修正, 并与已有方法Stepwise方法( Ma & de la Torre, 2019)进行比较。研究表明：BIC方法对多级计分认知诊断模型的Q矩阵修正具有较高的模式判准率和属性判准率, 其对Q矩阵的恢复率也高于Stepwise方法, BIC方法修正后的Q矩阵与数据更加拟合; 在复杂模型中, 相对拟合指标BIC比AIC和-2LL表现更好, 在实践中, 使用者可以选择BIC法进行测验Q矩阵修正; Q矩阵修正效果受到被试人数的影响, 增加被试人数可以提高Q矩阵修正的正确率。总之, 本研究为多级计分认知诊断Q矩阵修正提供了重要的方法支持。     

认知诊断模型中项目水平模型比较统计量的健壮性

使用模拟研究方法比较了以往研究中提出的基于观察信息矩阵、三明治矩阵的Wald（分别表示为W_Obs、W_Sw）、似然比（Likelihood Ratio）统计量以及新提出的基于经验交叉相乘信息矩阵的Wald统计量（W_XPD）在模型——数据失拟条件下进行项目水平上模型比较时的表现。结果显示：（1）W_Sw的一类错误控制率有很强的健壮性。（2）W_XPD在Q矩阵错误设定的大多数条件下的表现优于W_Sw。结论：模型—数据拟合良好时可以使用W_Sw进行项目水平上的模型比较,当模型与数据失拟时W_XPD可能是更好的选择。     

认知诊断模型中项目水平模型比较统计量的健壮性

使用模拟研究方法比较了以往研究中提出的基于观察信息矩阵、三明治矩阵的Wald（分别表示为W_Obs、W_Sw）、似然比（Likelihood Ratio）统计量以及新提出的基于经验交叉相乘信息矩阵的Wald统计量（W_XPD）在模型——数据失拟条件下进行项目水平上模型比较时的表现。结果显示：（1）W_Sw的一类错误控制率有很强的健壮性。（2）W_XPD在Q矩阵错误设定的大多数条件下的表现优于W_Sw。结论：模型—数据拟合良好时可以使用W_Sw进行项目水平上的模型比较,当模型与数据失拟时W_XPD可能是更好的选择。     

认知诊断Q矩阵估计(修正)方法

Q矩阵代表着项目考察的属性, 反映了项目的重要特征, 其正确性是影响认知诊断分类准确性的关键因素。研究Q矩阵估计(修正)方法具有重要价值。首先, 研究从是否采用认知诊断模型将Q矩阵估计(修正)分为基于认知诊断模型视角下的参数化方法和基于统计视角下的非参数方法。然后, 分别从最优项目质量、最优模型数据拟合和参数估计视角对它们进行分类介绍, 评析不同方法的特征和表现、区别与联系、优势与不足。最后, 提出几个未来研究问题：在复杂测验条件下系统比较各种方法; 校准知识状态和参数估计误差、结合多种思路和方法等多角度提出Q矩阵估计(修正)方法; 研究多级评分项目、混合测验模型、属性多级、属性个数未知甚至Q矩阵元素为连续变量等条件下的Q矩阵估计(修正)方法。     

非参数认知诊断方法下诊断结果的概率化表征

非参数认知诊断分类方法非常适合课堂评估,其诊断结果采用0-1形式而缺乏概率化表征,不能精细地区分被试属性掌握程度的差异或变化,还缺乏可用于评价真实测验分类结果的信度和效度指标。要刻画被试属性掌握程度的差异,首要的问题是要为非参数认知诊断方法提供一种可以量化属性掌握概率的方法。针对此问题,基于二项分布和玻尔兹曼分布提出非参数认知诊断方法下诊断结果的概率化表征方法,并用于构建分类准确性和分类一致性指标。模拟研究与实测数据分析结果显示：概率化表征方法与非参数认知诊断方法的分类结果高度一致;概率化表征方法与认知诊断模型所得的属性掌握概率十分接近;概率化表征方法所得的属性（模式）掌握概率可用于计算属性（模式）分类准确性和分类一致性指标,在实际测验情景下可作为信度和效度指标,评价诊断结果的重测一致率和判准率。     

题库结构对原始题在线属性标定准确性之影响研究

目前已有研究证明可达阵在认知诊断测验编制中起重要作用,但迄今为止并没有引起普遍注意。本文主要讨论当题库缺少某些可达阵对应的项目类,对原始题的属性向量在线标定的准确性的影响。本文对含6个属性的独立型结构进行了模拟试验,结果显示：如果题库不充要,原始题的属性标定准确性受到影响,题库中非可达阵中项目对标定有一定的弥补作用。间接印证了可达阵在认知诊断题库起到非常重要的作用。     

使用似然比D2统计量的题目属性定义方法

题目属性的定义是实施认知诊断评价的关键步骤, 通过有丰富经验的领域专家对题目的属性进行定义是当前的主要方法, 然而该方法受到许多主观经验因素的影响。寻找客观的题目属性定义或验证方法可以为主观定义过程提供策略支持或对结果进行改进, 因此已经引起研究者们的关注。本研究构建了一种简单高效的题目属性定义方法, 研究使用似然比D2统计量从作答数据中估计题目属性的方法, 实现属性掌握模式、题目参数和题目属性向量的联合估计。模拟研究结果表明, 使用似然比D2统计量可以有效地识别题目的属性向量, 该方法一方面可以实现新编制题目属性向量的在线估计, 另一方面可以验证已经定义的题目属性向量的准确性。     

Bayesian Estimation of the DINA Q matrix

Cognitive diagnosis models are partially ordered latent class models and are used to classify students into skill mastery profiles. The deterministic inputs, noisy “and” gate model (DINA) is a popular psychometric model for cognitive diagnosis. Application of the DINA model requires content expert knowledge of a Q matrix, which maps the attributes or skills needed to master a collection of items. Misspecification of Q has been shown to yield biased diagnostic classifications. We propose a Bayesian framework for estimating the DINA Q matrix. The developed algorithm builds upon prior research (Chen, Liu, Xu, & Ying, in J Am Stat Assoc 110(510):850–866, 2015) and ensures the estimated Q matrix is identified. Monte Carlo evidence is presented to support the accuracy of parameter recovery. The developed methodology is applied to Tatsuoka’s fraction-subtraction dataset.     

认知诊断模型的比较及其应用研究：饱和模型、简化模型还是混合方法？

GDINA是一个饱和认知诊断模型（Cognitive Diagnosis Models, CDM）,Wald检验被用于在题目水平上检验GDINA是否可以被简化模型（如DINA, DINO, ACDM和RRUM）替代,并为测验的每一个题目选择一个最恰当的CDM（简称混合CDM）。选择合适的CDM是进行诊断评估的一个关键步骤,通过Monte Carlo 模拟实验,比较了不同的测验情境下,GDINA、简化CDM和混合CDM在测验整体拟合指标、模式判准率和项目参数估计的返真性等效果,研究发现混合模型的整体表现是最好的,其次是GDINA,最后是简化CDM。     

认知诊断模型Q矩阵修正：完整信息矩阵的作用

Q矩阵是CDM的核心元素之一,反映了测验的内部结构和内容设计,通常由领域专家根据经验进行主观界定,因此需要对可能存在的错误进行修正。本研究提出了一种新的Q矩阵修正方法——基于完整经验交叉相乘信息矩阵的Wald-XPD方法。采用Monte Carlo模拟检验了新方法的表现,并与同类方法进行了比较。研究表明：新开发的Wald-XPD方法在Q矩阵恢复率、保留正确标定属性的比例以及修正错误标定属性的比例这3个主要指标上均有较好的表现,且整体上优于其他方法,尤其是在修正错误标定的属性方面。通过实证数据展示了Wald-XPD方法在Q矩阵修正中的良好表现。总之,本研究为Q矩阵修正提供了有效的方法。     

The DINA model as a constrained general diagnostic model: Two variants of a model equivalency

The ‘deterministic‐input noisy‐AND’ (DINA) model is one of the more frequently applied diagnostic classification models for binary observed responses and binary latent variables. The purpose of this paper is to show that the model is equivalent to a special case of a more general compensatory family of diagnostic models. Two equivalencies are presented. Both project the original DINA skill space and design Q ‐matrix using mappings into a transformed skill space as well as a transformed Q ‐matrix space. Both variants of the equivalency produce a compensatory model that is mathematically equivalent to the (conjunctive) DINA model. This equivalency holds for all DINA models with any type of Q ‐matrix, not only for trivial (simple‐structure) cases. The two versions of the equivalency presented in this paper are not implied by the recently suggested log‐linear cognitive diagnosis model or the generalized DINA approach. The equivalencies presented here exist independent of these recently derived models since they solely require a linear – compensatory – general diagnostic model without any skill interaction terms. Whenever it can be shown that one model can be viewed as a special case of another more general one, conclusions derived from any particular model‐based estimates are drawn into question. It is widely known that multidimensional models can often be specified in multiple ways while the model‐based probabilities of observed variables stay the same. This paper goes beyond this type of equivalency by showing that a conjunctive diagnostic classification model can be expressed as a constrained special case of a general compensatory diagnostic modelling framework.