线性结构方程与微动态系统：深入研究及应用

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：由于问题解决能力存在很大个体差异，试题要考虑从低到高不同的能力水平，Greiff等从“最低限度的复杂性”出发，提出了用线性结构方程模型的形式框架作为建构试题的系统方法，并且用多个独立任务来提高可靠性，他将这种建构试题的系统方法称之为微动态系统。

为了解决微世界这类动态问题测试中存在的费时、信效度低的问题，Funke在2025年首次引入线性结构方程（Linear Structural Equations，LSE）系统作为问题解决研究的工具，他将该工具称为DYNAMIS（这是这种类型的模拟的第一个软件外壳的名称）。在该系统中，实验者要求被试必须处理由一些外生变量（自变量）和一些内生变量（因变量）组成的系统，外生变量可以由对象直接操纵，并且因此可以影响不能直接操纵的内生变量。一般任务是了解外生和内生变量如何相互关联，以及控制系统中的变量，使其达到某些目标值。这两个任务分别称为系统识别和系统控制^[64]。后来的文献中也将这两个任务称为知识获取和知识应用。具有4个变量的简单线性DYNAMIS系统的基本结构如图4-7所示：A和B是被试可以直接控制的外生变量（自变量），Y和Z是被试不能直接控制的内生变量（因变量），被试只有通过控制外生变量才能影响内生变量。

图4-7　线性结构方程示例^[65]

变量A实际上有对Y和Z两个作用，称为多重效应，A变化1个单位，Y变化2个单位，Z变化3个单位。因变量Z同时受到变量A、B的影响，称为多重依赖或多自变量作用。另外因变量自己也可能发生变化，例如图中的变量Z，这代表了“本征动态”，即一个变量可以在没有其他变量作用下自己恒定地增长或减少。有些系统还有副作用或称为间接作用，允许因变量之间相互影响，例如图4-7中Y对Z的作用，但是这种作用只能通过操作自变量A来实现。上述变化关系可以用线性结构方程表示如下：

在许多科学研究中，具有变量的系统可以通过一般线性方程模型来表示，在日常生活中，这种线性方程也有许多应用，许多活动（例如驾驶汽车）需要对变量的过程进行调节和控制，我们首先要理解系统背后作用的原理，然后才能通过控制系统来实现行动目标。因此，线性结构方程与现实生活背景或科学研究背景相结合，就能命制出很多试题来。

由于问题解决能力存在很大个体差异，试题要考虑从低到高不同的能力水平，Greiff等从“最低限度的复杂性”出发，提出了用线性结构方程模型的形式框架作为建构试题的系统方法，并且用多个独立任务来提高可靠性，他将这种建构试题的系统方法称之为微动态系统。微动态系统可以弥补前面提到的一些不足：①微动态系统提供了理论基础，有高度形式化的理论框架；②微动态系统容易构建，可以自由地调节难度（可测性）；③可以命制无数的独立的试题（生成试题数无限制）；④许多日常活动都可以用多维动态系统描述（有生态效度）。因为这些特点，以及它有优越的心理测量属性，微动态系统成为PISA 2012专业协作组织在全球范围测评问题解决能力时的首选。它能测量在动态的、技术丰富环境中识别未知人工结构来达到某个目标的能力。

微动态系统可以反映变量之间的多种关系或作用效应，其原理如图4-8所示。主效应指的是一个外生变量和一个内生变量之间的关系，如果一个外生变量涉及一个以上的主效应，那么这种效应称为多重效应。一个内生变量受到一个以上外生变量的影响被称为多重依赖。参与者可以通过在一个给定范围内操控外生变量的值来积极控制这些效应。内生变量之间互相影响的作用称为副效应或副作用，内生变量在没有其他变量作用下自己发生变化称为自回归过程或者本征动态（例如生长曲线），参与者不能直接影响这两种效应，但是通过运用策略可以检测这两种效应。此外，所有的效应在路径强度上可能有差异。

图4-8　微动态系统框架示意图^[66]

将这个框架与不同的背景结合起来可以命制一批试题，每个被试要做8～12个这样的试题，每道题需时约6分钟，再加上指导语和练习，总耗时在1小时左右。微动态系统的试题属于“最低限度复杂试题”，也就是说它属于复杂问题解决，但是复杂程度刚刚达到门槛要求，同时在数量上也足够。每道题目的处理都要经过3个阶段：①第一阶段是探究阶段：被试自由探索系统。在这一阶段没有限制或规定的目标，被试可以重设系统或者撤销他们最后一步的动作，也可以追踪前序步骤的历史。因此在这一阶段可以评价探究策略。②第二阶段是心理模型外化阶段：在他们探究的同时或者在探究之后，被试要根据他们的假设画出变量之间关系的连接，这可以评价获得的因果知识。③第三阶段是控制阶段：被试要在外生变量上输入足够的值，使内生变量达到给出的目标值。在这一过程中，评价对获取的知识的实践应用。Grieff等基于详细的任务分析，确定7个因素可能与题目难度相关，如表4-2所示。

表4-2　影响微动态系统难度的因素

Reeff等^[67]曾提出，对于以线性结构方程为代表的动态系统模型来说，影响任务难度的各种特性可以用所使用的系统的深层结构来定义，也就是说，下面这些作用或关系的数量越多、种类越多，了解和控制该系统的难度就越高：

直接单一作用　外生变量（可控制的）X 1影响内生变量（不可控制的）Y1。

多重作用　外生变量X 1影响内生变量Y 1和Y 2。

多外生变量作用　内生变量受多个外生变量影响。

本征动态　变量自己会随时间发生变化。(https://www.chuimin.cn)

副效应　内生变量受另一个内生变量影响。

变量数　外生变量和内生变量的个数，系统的可控性取决于两者的比例。

关系数量　单一作用的数量，多重作用的数量。

随机成分　通过以非系统的方式增加对内生变量的作用来“增加噪音”。

延迟效应　时间上延迟的作用，这些作用会模糊或混淆总的模式。

时间窗的规模　探究次数。