劉鐵川， 趙 玉，戴海琦

(1.贛南師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院；2.贛南醫(yī)學(xué)院 心理學(xué)系，江西 贛州 341000；3.江西師范大學(xué) 心理學(xué)院，南昌 330022)

?

·教育技術(shù)理論與實踐·

認(rèn)知策略轉(zhuǎn)換行為的心理計量學(xué)研究*

劉鐵川1， 趙 玉2，戴海琦3

(1.贛南師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院；2.贛南醫(yī)學(xué)院 心理學(xué)系，江西 贛州 341000；3.江西師范大學(xué) 心理學(xué)院，南昌 330022)

傳統(tǒng)的測量模型有一重要假設(shè)，即被試在完成測驗過程中自始至終采用同一種策略.事實上，被試會根據(jù)題目類型不同而改變其解題策略，稱之為策略轉(zhuǎn)換.使用策略轉(zhuǎn)換模型和潛在類別分析兩種方法對平衡秤任務(wù)測驗作答過程中的策略轉(zhuǎn)換現(xiàn)象進行了分析比較.結(jié)果顯示：策略轉(zhuǎn)換模型存在策略位置參數(shù)越界、順序混亂等缺陷，不適于策略轉(zhuǎn)換問題研究；使用潛在類別分析方法可有效分析被試的策略轉(zhuǎn)換行為，兒童在完成平衡秤任務(wù)測驗時呈現(xiàn)出不同的策略轉(zhuǎn)換路徑.

平衡秤任務(wù)；策略轉(zhuǎn)換；心理計量模型；潛在類別分析

1 引言

使用多種策略靈活處理認(rèn)知任務(wù)是智慧行為的典型表現(xiàn).在問題解決過程中，不同被試對同一問題的理解不同，相應(yīng)地他們可能采用不同的策略解決問題.研究表明，兒童在代數(shù)運算、因果推理、決策、閱讀理解、序列回憶和空間推理等多個領(lǐng)域都存在使用多種策略解決問題的現(xiàn)象.[1]

在發(fā)展心理學(xué)中，平衡秤任務(wù)被廣泛用于研究兒童比例推理能力發(fā)展的階段性特征與差異.[2-3]Siegler認(rèn)為不同發(fā)展階段兒童問題解決過程的根本差異在于他們所使用規(guī)則的差異，他設(shè)計了規(guī)則評估技術(shù)(Rule Assessment Method，RAM)來研究兒童在平衡秤任務(wù)上的策略使用，并得出了四種基本策略或規(guī)則.[4]規(guī)則評估技術(shù)的提出極大促進了平衡秤任務(wù)兒童規(guī)則的研究，其中一些研究發(fā)現(xiàn)兒童可能使用四種基本規(guī)則之外的認(rèn)知規(guī)則，如加法規(guī)則[5]、質(zhì)性比例規(guī)則[6]等.盡管RAM應(yīng)用廣泛，但這種方法并不具備觀察模式與理想模式匹配程度的統(tǒng)計檢驗信息，而且RAM需要事前界定全部規(guī)則可能出現(xiàn)的反應(yīng)模式，所以使用RAM不利于發(fā)現(xiàn)新規(guī)則，從而可能導(dǎo)致對被試規(guī)則使用的誤判.因此，近些年的一些平衡秤任務(wù)研究中開始使用潛在類別分析方法(Latent Class Analysis，LCA)來研究兒童的規(guī)則使用.[5,7-8]雖然可使用不同統(tǒng)計模型分析平衡秤任務(wù)作答數(shù)據(jù)，[9]但關(guān)于其涉及的兒童解題認(rèn)知過程尚未形成一致的看法.[10]

但在以往平衡秤任務(wù)研究中，無論采用RAM還是LCA對規(guī)則進行分類，多假設(shè)被試完成測驗過程中，對各種類型的平衡秤任務(wù)自始至終使用同一種規(guī)則解答.事實上，被試在面對一系列認(rèn)知任務(wù)時，會根據(jù)當(dāng)前任務(wù)的不同性質(zhì)而選擇更適當(dāng)?shù)慕忸}策略，稱之為策略轉(zhuǎn)換(Strategy Shift).問題解決過程中的策略轉(zhuǎn)換至少存在以下兩種情形，一種是在完成某認(rèn)知任務(wù)時，被試嘗試一種策略后，主動調(diào)整改變其解題策略；另一種是被試面對多個不同性質(zhì)的認(rèn)知任務(wù)，任務(wù)性質(zhì)改變，從而引發(fā)被試的策略調(diào)整行為.第一種情形的策略轉(zhuǎn)換無法反映在作答數(shù)據(jù)之中，無法通過測量模型研究.但平衡秤任務(wù)測驗包括多種類型的題目，所引起的策略轉(zhuǎn)換屬于第二種情形，此時被試使用策略的差異將體現(xiàn)在作答反應(yīng)之中，可以通過測量模型來進行分析.

策略轉(zhuǎn)換本身蘊含了被試完成測驗認(rèn)知過程的大量信息，測量模型中應(yīng)當(dāng)反映這一事實.目前能夠研究策略轉(zhuǎn)換問題的方法比較有限，除了專門針對此現(xiàn)象的策略轉(zhuǎn)換模型外，雖然以往平衡秤任務(wù)研究中使用LCA時假定單策略假設(shè)成立，但LCA在統(tǒng)計上的靈活性使其能夠用于策略轉(zhuǎn)換問題的研究.本研究將通過分析平衡秤任務(wù)操作中策略轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，對策略轉(zhuǎn)換模型與LCA這兩種方法的優(yōu)勢與不足進行比較，為其它認(rèn)知任務(wù)中的策略轉(zhuǎn)換研究提供參考.

2 研究方法

2.1 被試取樣

本研究被試來自江西省贛州市某小學(xué)一年級至五年級、以及某初中初一年級至初三年級的學(xué)生，各年級隨機抽取一個班，共468人，年齡范圍為6歲到15歲.在本研究中完整作答的有457人，其中男性253人，女性204人，各年齡分別有37(.57)、60(.52)、47(.60)、58(.53)、65(.70)、41(.44)、46(.50)、44(.61)、52(.46)、7(.71)人，括號內(nèi)為男性所占比例.

2.2 測驗工具

自編圖形平衡秤任務(wù)測驗，包括重量、距離、沖突重量、沖突平衡四類試題，每類5題，共20題，打亂題目類型后呈現(xiàn)給被試.另備有木制實物平衡秤和3個練習(xí)題，以使被試熟悉測試方式.兒童作答時，在左傾、右傾和平衡三個選項中選一個.經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的團體施測，共收回作答完整、有效的測驗457份.評判正誤后，Cronbach系數(shù)為.819，測驗內(nèi)部一致性較好.

2.3 測量模型設(shè)定及數(shù)據(jù)分析方法

目前，測量學(xué)文獻(xiàn)中已有部分模型允許不同被試使用不同策略解題，如混合Rasch模型[11]、多成分多策略潛在特質(zhì)模型[12]等.但多數(shù)現(xiàn)有模型假定同一被試面臨所有認(rèn)知任務(wù)時，只采用一種解題策略，并未考慮被試面臨不同類型問題時轉(zhuǎn)換策略的可能性.近年來，有研究者提出了策略轉(zhuǎn)換模型(Strategy Shift Model，SSM)用于分析不同認(rèn)知任務(wù)間的策略轉(zhuǎn)換問題[13]，此模型定義如下：

(1)

上式表示能力為θ的被試作答第i題的正確概率，題目i可用Mi種策略解答，上式右側(cè)部分表示的是被試選擇第Si種策略的概率，其中φiSi為策略Si的位置參數(shù)，表示使用此策略的容易度(Easiness)，WSi為策略Si的權(quán)重參數(shù)，由研究者設(shè)定.此部分與多維對數(shù)線性IRT模型相似.[14]公式(1)中的πiSi是被試使用某種策略Si解答第i題的正確概率，需要根據(jù)理論確定取值.于是，能力為θ的被試作答第i題的正確概率為使用所有可能策略的可能性與對應(yīng)策略答對概率乘積的和.

表1 四種解題策略的預(yù)測概率

SSM模型處理的是二值數(shù)據(jù)，所以本研究將平衡秤任務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)正確答案進行轉(zhuǎn)換.參照以往研究中的作法，[13]SSM模型中考慮猜測、規(guī)則Ⅰ、規(guī)則Ⅱ、規(guī)則Ⅳ四種基本規(guī)則，模型中的πiSi根據(jù)表1 進行設(shè)定.SSM模型沒有現(xiàn)有的程序方便地實現(xiàn)參數(shù)估計，本研究通過Openbugs 3.12使用MCMC方法實現(xiàn)模型參數(shù)估計.其中，被試能力參數(shù)，策略的位置參數(shù)的先驗分布均設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.為模型識別，規(guī)則Ⅰ的位置參數(shù)和權(quán)重參數(shù)固定為0.運行5條馬氏鏈，鏈長均為10 000，拋棄前5 000次估計以得到穩(wěn)定的后驗分布.MCMC收斂后才能得到穩(wěn)定的參數(shù)估計值，根據(jù)Sinharay的建議，[15]通過coda 0.41-2計算多變量潛在量尺縮減因子(Multivariate Potential Scale Reduction Factor，MPSRF)來評價MCMC估計結(jié)果的收斂性.

通過潛在類別分析方法，不僅可以得到各類被試在某題目上選擇各個選項的條件概率，也可以估計出被試歸屬不同類別的后驗概率，本研究以此作為被試策略使用的依據(jù).潛在類別分析的使用必須確定數(shù)據(jù)中究竟包含多少個類別，一般通過Pearson卡方、似然比卡方、AIC、BIC和自助法似然比檢驗(Bootstrapped Likelihood Ratio Test, BLRT)進行選擇.研究顯示，當(dāng)作答模式較多，而樣本量較少時，Pearson卡方與似然比卡方皆不服從卡方分布，此時使用自助法似然比檢驗更可靠.[16]本研究使用Mplus 6.0完成潛在類別分析，潛在類別分析可以處理三個類別的作答反應(yīng)，所以直接使用原始數(shù)據(jù).

3 結(jié)果

3.1 SSM模型的策略位置參數(shù)

隨著迭代次數(shù)增加，若MCMC收斂，則馬氏鏈不再受初值影響，MPSRF將下降至1附近，越接近1表示收斂情況越好.本研究中，SSM模型參數(shù)的MPSRF指標(biāo)為1.03，非常接近1，可認(rèn)為MCMC算法收斂.取5條鏈均值作為最終估計結(jié)果.表2顯示，除沖突重量題目外，猜測策略的位置參數(shù)是所有策略中最小的，即對沖突重量題目而言，使用猜測策略比規(guī)則Ⅱ更容易，而對其他類型題目，使用猜測策略要更難.

表2 平衡秤任務(wù)測驗策略轉(zhuǎn)換模型估計結(jié)果

圖1 第1題和第16題的策略選擇概率曲線

根據(jù)表2的參數(shù)估計結(jié)果，可以繪制相應(yīng)的策略選擇概率曲線.圖1呈現(xiàn)了兩個題目的策略選擇概率曲線.可以看出，對于第1題，被試選擇猜測策略的概率非常低；隨著能力提高，曲線單調(diào)遞增，選擇規(guī)則Ⅱ的概率也越來越高，同時，選擇規(guī)則Ⅰ的概率越來越低，在某一點上選擇兩種規(guī)則的概率相同，此點稱為策略轉(zhuǎn)換點(Strategy Shift Point).對于第1題，規(guī)則Ⅰ與規(guī)則Ⅱ的策略轉(zhuǎn)換點位于-2.011，能力值高于此點的被試，其選擇規(guī)則Ⅱ的概率更大；規(guī)則Ⅰ與猜測策略的策略轉(zhuǎn)換點位于2.211，能力值高于此點的被試選擇猜測策略的概率更大.對于第16題，規(guī)則Ⅰ與規(guī)則Ⅳ的策略轉(zhuǎn)換點位于能力值等于1.639，規(guī)則Ⅰ與猜測策略的策略轉(zhuǎn)換點位于-0.644.

3.2 各類平衡秤任務(wù)的潛在類別分析

下面通過LCA方法對被試在平衡秤任務(wù)上的策略轉(zhuǎn)換進行分析，為得到被試在各類平衡秤任務(wù)上的策略使用信息，需要分別對各種題目進行分析.

表3總結(jié)了各種題目的潛在類別分析結(jié)果.可以看出，對于重量題目，4類別模型(W4)的AIC值最小，其BIC比3類別模型(W3)略大，而自助法似然比檢驗的p值為.000，顯示增加一個潛在類別可以顯著改善模型的擬合程度.因此，重量題目的分析最終采用模型W4.與此相似，距離題目使用4類別模型(D4)，沖突平衡題目使用6類別模型(CB6)，沖突重量題目使用3類別模型(CW3).

表3 各類題目的潛在類別分析

通過細(xì)致分析確定類別總數(shù)后的各類被試作答反應(yīng)模式，可以確定絕大多數(shù)被試在解決不同題目上所使用的策略，具體見圖2.需要指出的是，未掌握規(guī)則Ⅰ的兒童無法順利完成本測驗，會造成分類混亂，所以將第1類與第3類的被試作答剔除，共29人，后續(xù)統(tǒng)計分析將使用428人的數(shù)據(jù).

3.3 基于潛在類別分析方法的被試策略轉(zhuǎn)換分析

由重量題目潛在類別分析得到的第2類和第4類兒童都掌握了規(guī)則Ⅰ，圖2呈現(xiàn)了這些兒童在不同類型平衡秤任務(wù)上的策略轉(zhuǎn)換路徑.圖中括號內(nèi)為使用該策略的被試數(shù)量.由于篇幅限制，圖中未繪制其中人數(shù)較少的規(guī)則Ⅰ′及最小距離規(guī)則兩類的策略轉(zhuǎn)換路徑.

圖2 平衡秤任務(wù)策略轉(zhuǎn)換路徑

由圖2可以看出，在重量題目上使用規(guī)則Ⅰ的兒童，在距離題目上分化為四類.在距離題目上使用規(guī)則Ⅰ的兒童，在沖突平衡題目上主要使用最小距離規(guī)則，而在沖突重量題目上傾向使用規(guī)則Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ，但由于他們在距離題目上使用規(guī)則Ⅰ，不可能掌握更復(fù)雜的規(guī)則，所以他們在沖突重量題目上使用的規(guī)則應(yīng)是規(guī)則Ⅰ.

在距離題目上使用規(guī)則Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的兒童，在沖突平衡題目上使用規(guī)則Ⅳ或質(zhì)性比例規(guī)則的兒童最多，使用最小距離規(guī)則的兒童最少.在沖突平衡題目上使用最小距離規(guī)則的兒童，他們未掌握規(guī)則Ⅳ、規(guī)則Ⅱ，所以在沖突重量題目上傾向于使用規(guī)則Ⅰ.在沖突平衡題目上使用距離優(yōu)勢規(guī)則的兒童在沖突重量題目上也傾向使用距離優(yōu)勢規(guī)則.在沖突平衡題目上使用規(guī)則Ⅳ或質(zhì)性比例規(guī)則的被試在沖突重量題目上傾向于使用規(guī)則Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ，此類被試能正確解答各類平衡秤任務(wù)，應(yīng)已掌握了規(guī)則Ⅳ.在沖突平衡題目上使用加法規(guī)則的被試在沖突重量題目上傾向于使用加法規(guī)則或質(zhì)性比例規(guī)則.由沖突平衡題目潛在類別分析得到的第5類兒童不具備明顯的作答模式，但他們在沖突重量題目上主要使用加法規(guī)則或質(zhì)性比例規(guī)則.

4 結(jié)論及討論

以往對平衡秤任務(wù)認(rèn)知規(guī)則研究一般假設(shè)被試自始至終使用一種解題策略，SSM模型可釋放這一限制，本研究認(rèn)為可使用潛在類別分析研究策略轉(zhuǎn)換問題，并對這兩種方法進行了比較.

得出SSM模型參數(shù)后，可以通過計算被試選擇各策略的概率判定其在各題目上所使用的策略.但由于以下幾點原因，本研究認(rèn)為基于SSM模型的結(jié)果研究策略轉(zhuǎn)換問題并不可靠.

第一，模型估計結(jié)果無法準(zhǔn)確反映解題策略間的關(guān)系.規(guī)則Ⅳ需要兒童理解力矩計算規(guī)則，而猜測是指被試在不具備任何解題所需知識的情況下，隨機選擇一個選項，所以理論上使用猜測策略更容易.然而策略轉(zhuǎn)換模型估計結(jié)果顯示，對于沖突重量之外的各類題目，猜測策略的容易度(位置參數(shù))小于其他策略.

第二，模型估計結(jié)果無法準(zhǔn)確反映能力發(fā)展與策略選擇可能性的關(guān)系.平衡秤任務(wù)解題策略代表兒童的認(rèn)知發(fā)展水平，隨著兒童認(rèn)知能力的提高，應(yīng)更能熟練使用復(fù)雜解題策略.而第16題的策略轉(zhuǎn)換曲線(圖1)顯示，被試能力越高越傾向于選擇猜測策略，這也與事實不符.

第三，策略位置參數(shù)越界嚴(yán)重.所估計出的本研究中的被試群體的最低能力值為-2.15，最大值為2.10，而很多策略位置參數(shù)都落此范圍之外，這是不合理的.

SSM模型的估計結(jié)果顯示此模型存在策略關(guān)系混亂、位置參數(shù)越界等缺陷.SSM模型存在以上缺陷的原因可能在于模型所處理的作答數(shù)據(jù)為二值記分，無額外信息的條件下只能估計出一個難度參數(shù)，而此模型則試圖估計出多個策略的位置參數(shù)和選擇概率，雖然固定規(guī)則Ⅰ的位置參數(shù)為0，但仍存在過度參數(shù)化的問題，從而得到難以解釋的估計結(jié)果.由此也可看出，SSM模型中的參數(shù)數(shù)量隨策略增加而增加，在題目作答類別不變的情況下，SSM模型能考慮的策略數(shù)量是比較有限的，當(dāng)問題解決策略數(shù)量較多時，此模型并不適用.

鑒于SSM模型存在本質(zhì)缺陷，本研究認(rèn)為可以通過潛在類別分析方法來分析問題解決過程中的策略轉(zhuǎn)換現(xiàn)象.對平衡秤任務(wù)的分析顯示，在被試認(rèn)知策略可能發(fā)生轉(zhuǎn)換的假設(shè)下所得到結(jié)果與以往研究不同.如假定被試使用單一策略時，未發(fā)現(xiàn)有兒童使用最小距離規(guī)則，[17]但本研究發(fā)現(xiàn)在距離題目上使用規(guī)則Ⅰ、規(guī)則Ⅰ＇以及最小距離規(guī)則的兒童在沖突平衡題目上主要使用最小距離規(guī)則.

但潛在類別分析方法所得到的潛在類別與認(rèn)知策略并不完全對應(yīng)，不同的認(rèn)知策略可能得出相同的作答反應(yīng)模式.所以，使用潛在類別分析方法研究認(rèn)知策略轉(zhuǎn)換問題，其準(zhǔn)確性依賴于單一類型的認(rèn)知任務(wù)上的作答反應(yīng)模式能否準(zhǔn)確區(qū)分不同的認(rèn)知策略，這對認(rèn)知測驗的編制提出了非常高的理論要求.

由于距離題目上使用規(guī)則Ⅰ′及最小距離規(guī)則的被試較少，本研究未細(xì)致探討這兩類被試的策略轉(zhuǎn)換路徑，有待于加大樣本量作進一步分析.總之，潛在類別分析方法可以有效地用于分析被試的認(rèn)知策略轉(zhuǎn)換路徑，但本研究也發(fā)現(xiàn)潛在類別分析有時會得到難以解釋的混合作答模式構(gòu)成的類別.[2]這一問題的解決以及被試內(nèi)、任務(wù)內(nèi)策略轉(zhuǎn)換的測量模型研究都有待于研究方法上的進一步突破.

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Psychometric Investigation of Cognitive Strategy Shift

LIU Tiechuan1, ZHAO Yu2, DAI Haiqi3

(1.SchoolofEducationalScience,GannanNormalUniversity; 2.DepartmentofPsychology,GannanMedicalCollege,Ganzhou341000,China; 3.SchoolofPsychology,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,China)

Flexibility of strategy use in problem solving is one important feature of higher cognitive functioning. One implicit assumption in previous research on rules used in balance scale task is that children use the same strategy or rule throughout the test. That's not true and the children may shift their strategies when faced with different tasks. Strategy Shift Model has been proposed for that specific situation. In the present study, one alternative approach based on latent class analysis is compared with Strategy Shift Model through the analysis of balance scale task. A test made of 20 items which belong to four different type of balance scale task, was developed for the present research. It is shown that latent class analysis can be an effective method for research on strategy shift and produce the strategy shift path diagram. As the path diagram indicates, children may follow different lines of strategy shift and differs with the results under general strategy assumption. Finally, the limitations of the present study and future directions of research on strategy shifts are discussed.

balance scale task; strategy shift; psychometric model; latent class analysis

2016-03-10

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.029

江西省高校人文社會科學(xué)研究青年基金項目(XL1302)

劉鐵川(1980-)，黑龍江雞東人，贛南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院講師，心理學(xué)博士，研究方向：教育與心理測量；趙玉(1981-)，江西贛州人，贛南醫(yī)學(xué)院心理學(xué)系講師，心理學(xué)碩士，研究方向：心理測量；戴海琦(1947-)，上海人，江西師范大學(xué)心理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：項目反應(yīng)理論及應(yīng)用.

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1521.060.html

B841

A

1004-8332(2016)06-0120-05