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。     

基于分部评分模型思路的多级评分认知诊断模型开发

基于分部评分模型的思路, 本文提出了一般化的分部评分认知诊断模型(General Partial Credit Diagnostic Model, GPCDM), 与国际上已有的基于分部评分模型思路的多级评分模型GDM (von Davier, 2008)和PC-DINA (de la Torre, 2012)相比, GPCDM的Q矩阵定义更加灵活, 项目参数的约束条件更少。Monte Carlo实验研究表明, GPCDM模型的参数估计精度指标RMSE介于[0.015, 0.043], 表明估计精度尚可; TIMSS (2007)实证数据应用研究表明, 与GDM和PC-DINA模型相比, GPCDM与该数据的拟合度更好, 并且使用GPCDM分析该数据的诊断效果也更优。总之, 本研究提供了一种约束条件更少、功能更为强大的多级评分认知诊断模型。     

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。     

基于假设检验的项目相合性指标研究

在认知诊断评估中,评价认知模型与作答数据的拟合非常重要。已有的层级相合性指标(HCI)仅能用于评价连接规则下模型与数据的拟合情况,有必要研究分离规则下相合性指标。HCI假设某项目上正确作答,便推断其子项目上的错误作答为失拟。由于作答反应的随机性,提出基于假设检验的项目相合性指标。该指标可用于区分连接规则和分离规则的作答数据、评价Q矩阵质量和衡量作答数据中的噪音、还可为评价认知模型和选择认知诊断模型提供参考。     

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。     

测验相对拟合检验方法CVLL法在认知诊断中的拓展及应用

本文将IRT中表现较好的CVLL法引入到认知诊断领域,同时比较并分析CVLL及认知诊断领域已有的测验相对拟合检验统计量的表现,为实际工作者在认知诊断模型选用上提供方法学支持和借鉴。结果表明:CVLL的表现比其它传统测验相对拟合统计量要好;且当对Q矩阵进行误设时,该统计量也能选择较优的Q矩阵,说明CVLL在Q矩阵侦查上有较好的应用前景。     

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。     

Learning Large Q-Matrix by Restricted Boltzmann Machines

Psychometrika - Estimation of the large Q-matrix in cognitive diagnosis models (CDMs) with many items and latent attributes from observational data has been a huge challenge due to its high...     

重参数化多分属性DINA模型的多级评分拓广——基于等级反应模型

多分属性认知诊断模型（CDMs）比传统的二分属性CDMs提供更详细的诊断反馈信息,但现有大部分多分属性CDMs并不具备直接分析多级（或混合）评分数据的功能。本文基于等级反应模型对重参数化多分属性DINA模型进行多级评分拓广,开发一个可处理多级评分数据的等级反应多分属性DINA模型。首先通过实证数据分析呈现新模型的现实可应用性;然后通过模拟研究探究新模型的参数估计返真性。结果表明,新模型满足同时处理多分属性和多级评分数据的现实需求;且具备良好的心理计量学性能,但对测验质量有一定要求（e.g., 题目质量较高且测验Qp矩阵具有完备性等）。     

不同链接函数下多级评分认知诊断模型的比较及应用研究

认知诊断测验因具有传统测验所不具备的诊断功能而日益受到重视。当前多级评分认知诊断模型开发中,研究者采用不同的链接函数（Link Function）开发出不同的多级评分认知诊断模型。本研究基于局部或相邻类别链接函数(Local or Adjacent Categories Link Function)的思想,开发出多级评分认知诊断模型LC-DINA研究采用Monte Carlo模拟研究与实证应用研究相结合的方法,将新开发模型与已有模型进行比较并应用于国际数学与科学评估（TIMMS）中,为实际应用者提供了借鉴。     

一种简单有效的Q矩阵修正新方法

Q矩阵的正确性是影响题目参数估计和被试分类准确性的重要因素。针对Q矩阵修正问题, 首先提出了一种简单有效的新方法(ORDP)。然后, 模拟研究通过改变被试知识状态的分布、样本容量(N)、测验长度(L)、Q矩阵错误率(M)、项目质量(Iq)和属性层级结构, 比较了ORDP与已有方法(R、RMSEA和HD)的表现。研究表明：(1) 当知识状态服从均匀分布时, ORDP方法在所有层级结构下最优; 当知识状态服从多元正态分布时, RMSEA和ORDP表现没有明显差异, 除独立结构外, RMSEA方法均稍优于ORDP方法; (2) 各方法在多元正态分布下的修正效果不及均匀分布时的修正结果; (3) N、L、M、Iq和属性层级结构对4种方法的表现均有明显影响; (4) 基于Tatsuoka (1984)分数减法数据的修正结果表明, 采用ORDP方法修正的Q矩阵与数据拟合最优。     

Evaluation of Model Fit in Cognitive Diagnosis Models

Cognitive diagnosis models (CDMs) estimate student ability profiles using latent attributes. Model fit to the data needs to be ascertained in order to determine whether inferences from CDMs are valid. This study investigated the usefulness of some popular model fit statistics to detect CDM fit including relative fit indices (AIC, BIC, and CAIC), and absolute fit indices (RMSEA2, ABS(fcor) and MAX(χ²_jj′)). These fit indices were assessed under different CDM settings with respect to Q-matrix misspecification and CDM misspecification. Results showed that relative fit indices selected the correct DINA model most of the times and selected the correct G-DINA model well across most conditions. Absolute fit indices rejected the true DINA model if the Q-matrix was misspecified in any way. Absolute fit indices rejected the true G-DINA model whenever the Q-matrix was under-specified. RMSEA2 could be artificially low when the Q-matrix was over-specified.     

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。     

Balancing fit and parsimony to improve Q-matrix validation

The Q-matrix identifies the subset of attributes measured by each item in the cognitive diagnosis modelling framework. Usually constructed by domain experts, the Q-matrix might contain some misspecifications, disrupting classification accuracy. Empirical Q-matrix validation methods such as the general discrimination index (GDI) and Wald have shown promising results in addressing this problem. However, a cut-off point is used in both methods, which might be suboptimal. To address this limitation, the Hull method is proposed and evaluated in the present study. This method aims to find the optimal balance between fit and parsimony, and it is flexible enough to be used either with a measure of item discrimination (the proportion of variance accounted for, PVAF) or a coefficient of determination (pseudo-R²). Results from a simulation study showed that the Hull method consistently showed the best performance and shortest computation time, especially when used with the PVAF. The Wald method also performed very well overall, while the GDI method obtained poor results when the number of attributes was high. The absence of a cut-off point provides greater flexibility to the Hull method, and it places it as a comprehensive solution to the Q-matrix specification problem in applied settings. This proposal is illustrated using real data.     

An empirical Q-matrix validation method for the sequential generalized DINA model

As a core component of most cognitive diagnosis models, the Q-matrix, or item and attribute association matrix, is typically developed by domain experts, and tends to be subjective. It is critical to validate the Q-matrix empirically because a misspecified Q-matrix could result in erroneous attribute estimation. Most existing Q-matrix validation procedures are developed for dichotomous responses. However, in this paper, we propose a method to empirically detect and correct the misspecifications in the Q-matrix for graded response data based on the sequential generalized deterministic inputs, noisy ‘and’ gate (G-DINA) model. The proposed Q-matrix validation procedure is implemented in a stepwise manner based on the Wald test and an effect size measure. The feasibility of the proposed method is examined using simulation studies. Also, a set of data from the Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS) 2011 mathematics assessment is analysed for illustration.     

分类视角下认知诊断测验项目区分度指标及应用

在认知诊断中还没有指标能在无作答数据情况下直接评价项目的属性分类准确率或属性判准率。项目水平上的属性分类准确率,与项目属性向量、项目参数、先验分布和作答反应等有关。综合各个影响因素定义了项目水平上的属性期望分类准确率指标,并将其用于组卷。模拟研究显示：新指标可十分准确地评价项目的属性判准率,新指标对于项目筛选十分重要;以模式分类准确率为评价指标,基于新指标的组卷方法与经典的组卷方法表现相当。     

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。     

基于混合模型（Mixed-CDMs）视角的CD-CAT及其应用研究

传统CD-CAT通常选择一个认知诊断模型（cognitive diagnosis model, CDM）标定题库参数,但在实际应用中一个CDM很难完全拟合题库中所有的题目。G-DINA模型是一般化的饱和模型,可以通过Wald统计量检验在题目水平上,比较简约模型（DINA、DINO、ACDM、LLM和RRUM）是否能够代替饱和模型（G-DINA）,并为每个题目选择一个相对最优的CDM,从而充分发挥各个CDM的优势,从而在一个题库中有的题目采用简约CDM,而有的题目采用饱和CDM,本文把这种思路称为混合模型（Mixed-CDMs）思路。基于此,本文探讨了基于混合模型的CD-CAT,并通过两个模拟研究及其应用研究验证了该方法的效果。研究结果表明基于混合模型建立的CD-CAT具有理想的效果,从而为CD-CAT在实际使用中提供了新思路和新方法。     

一种简单有效的Q矩阵估计方法开发：基于非参数化方法视角

摘要：Q矩阵是认知诊断的基础,错误的Q矩阵会影响参数估计和被试诊断正确率,开发一种简单而有效的Q矩阵估计方法有助于Q矩阵的正确界定。相对于参数化的Q矩阵估计方法,本研究将海明距离（Hamming Distance,HD）用于Q矩阵估计,开发出一种简单有效的非参数化的Q矩阵估计方法。采用Monte Carlo模拟方法与实证研究相结合的研究范式,对该方法的科学性与合理性及其效果进行研究,研究结果发现（1）基于海明距离的Q矩阵估计法具有较高的估计正确率,并且该方法不受被试样本容量影响。（2）该方法简单易懂,运算时间短,是一种简单而有效的Q矩阵估计方法。（3）新方法对于Tatsuka（1990）分数减法测验的Q矩阵的估计准确率尚可,说明新方法在实践中具有较好的潜在应用前景与应用价值。