基于PISA的学生问题解决能力评估研究

现实生活中，很多问题解决所需要的信息并非在一开始就完全呈现，相反，一些关键性的信息需要通过与问题情境的互动探索才能显现，并且有时候，这种互动探索会改变问题解决的方向。正是因为有了计算机模拟的方式，这种互动的问题情境才可以有效地呈现在学生面前。而对互动问题解决的评估，也是PISA 2012与PISA 2003问题解决测试最显著的区别之一。

PISA 2012所采用的互动问题模拟主要来自两种基于计算机的问题类型，分别称为“微动态系统”（Micro DYN System）和“有限状态自动机”（Finite-state Automata）。^[35]两类问题都聚焦于问题解决者对未知系统的探索和控制。从这种意义上来说，PISA 2012的互动问题属于系统分析和设计的互动形式。两类系统的区别在于，微动态系统（包括线性结构方程系统）反映的是变量之间的量化关系，通过等距量表进行测量；有限状态自动机反映的系统内变量的质性关系，通过称名尺度表示。

3.3.4.1　微动态系统

Samuel Greiff指出，微动态系统是一种通用的开发复杂问题解决（Complex Problem Solving，CPS）任务的理论框架和评估框架，这一系统基于认知心理学的理论，依靠计算机辅助测试，并且已经得到了多项研究的验证。^[36]微动态系统的前身是由Funke于2001年提出的线性结构方程（Linear Structural Equation）系统正式框架。线性结构方程系统的主要特征是包括一些输入和输出变量，它们相互之间的联系方式对问题解决者来说是未知的。输入与输出变量之间，或者输出变量之间可能存在着因果关系。这样一来，输出的变量既受到输入变量的影响，也可能受到它们自身的影响，问题解决者面临的情境就增加了动态变化特征。这就要求问题解决者必需运用策略去探索变量之间的动态关系，从而使得对问题解决者的探究策略测评成为可能。

与线性结构方程系统主要用于心理实验研究不同，微动态系统强调CPS的心理测量特征，所以从任务时间以及结构的通用性方面做出了调整，单项任务的时间大大缩短，使得在通常的测试时间内可以测评多项内容；通用结构使得系统可以很容易地设定为不同的背景，变量和变量之间的关系可以按要求进行设计。

以PISA 2012问题解决样题“室温控制”为例（见图3-9）。学生需要找到新空调“顶部控制器”“中部控制器”和“底部控制器”与“温度”和“湿度”之间的关系。这个问题中，“顶部控制器”用于控制温度，一个单位对应两个温度单位变化，“中部控制器”和“底部控制器”用于控制湿度，“中部控制器”一个单位对应一个单位湿度变化，“底部控制器”一个单位对应两个单位湿度变化。学生需要通过探索认识到它们之间的关系。

问题2要求学生通过控制器设定温度和湿度水平（见图3-12）。学生需要运用已经探索到的规则或已给定的规则，实现对空调系统的控制。为了保证学生是基于规则运用而非试误进行控制，题目特别设定了“只能点击四次‘应用’，并且没有‘重设’按键”的限制条件。

图3-12　PISA 2012动态问题解决样题：“室温控制”问题2

从上述样例中我们可以非常清晰地发现，利用微动态系统可以很好地区分学生问题解决的探索阶段和应用阶段。Novick和Bassok将这两个过程视为复杂问题解决的限定性内容，分别代表了问题解决的知识获取阶段和知识运用阶段。^[37]可见，微动态系统的运用为评估学生不同的问题解决阶段提供了工具基础。

3.3.4.2　有限状态自动机

随着科学技术的发展，特别是网络和智能手机的普及，人们生活中使用的自动机器、装置和应用越来越多，自动贩卖机、自动取款机、网络订票、在线购物都可以称为有限状态自动机/应用。Buchner认为这些自动机/应用具有三个显著的特征：

1）他们的状态是有限的。(https://www.xing528.com)

2）通过用户的输入（比如按键）或通过一种自动过程（例如长时间未操作，自动机/装置回到初始状态）从当前状态转入下一种状态。

3）一般而言，输出是由用户的输入和当前的状态决定的。^[38]

Funke通过对之前研究者观点的归纳，指出有限状态自动机是由一组有限数量的输入信号X，一组有限数量的状态Z和一组有限数量的输出信号Y，以及两种功能构成的。转换功能（Transition Function）表示Z状态下的Z×X序列，并决定在当前状态下输入一个信号后将出现的下一状态；结果功能（Result Function）表示Z×X序列对应的Y，并决定接下来作为输入信号结果所出现的输出信号是什么。^[39]

我们以PISA 2012“车票”单元为例来说明有限状态自动机（见图3-13）。该题目模拟了一台火车站的自动售票机。列车网络分为“城市地铁”和“郊区火车”；车票有“全价票”和“学生票”；每种票又分单日票或多次票。学生可以通过点击不同的按键选择需要的车票，可以通过“购买”按键完成选择，也可以通过“取消”按键取消所做选择。尽管在城市生活中，购买地铁票是许多学生已经熟悉的问题场景，但由于这一场景设定为在一个陌生城市购买不太常见的车票类型（学生票、单日票、多次票），对绝大多数学生而言仍是一个陌生的情境。

图3-13　PISA 2012动态问题解决样题：“车票”问题1、2

问题1明确给出了需要购买的车票类型和达成次数，学生需要通过探索了解各个按键之间的关系并成功购买正确车票。问题2难度增大，学生需要根据所有的限制条件（市内、四次地铁、学生票、最便宜）和生活经验（学生票比全价票便宜）探索并购买最便宜的车票，还需要通过对比反思所购买的车票是否符合“最便宜”的要求。问题3（见下页图3-14）与前两道题目有所不同，当学生按常规选择了适当的车票（可乘两次城市地铁的学生票）并点击“购买”时，系统提示不能提供，这时学生必需对问题情境进行评估，重新购买合适的车票（可乘两次城市地铁的全价票）。

可以看出，采用有限状态自动机可以很好地模拟生活中涉及自动系统的复杂问题解决。与微动态系统一样，不仅可以考查学生在不同问题解决阶段的表现，例如探索阶段、运用阶段、监测和评估等，还可以考查学生在问题情境变动的情境下及时调整解决策略的灵活性。

图3-14　PISA 2012互动问题解决样题：“车票”问题3

两种互动问题的呈现方式均要求学生在解决这些问题时，需要探索系统或设备以理解他们操作的作用、解释设备的功能，让设备达到某种需要的状态，或者提出改进意见。正如前文所述，在Buchner看来复杂问题是问题情境会随着解决者的介入或时间的推移而变动，并且问题规则只能通过成功的探索与对探索过程中所获信息的综合才能揭示的。由于认识到解决这些复杂问题所需技能在生活和学习中的重要性，PISA将其引入了2012的问题解决测试，并指出：“互动问题解决是一种在动态……环境中识别未知人工设备结构，以达到特定的目标……的能力。一般而言，必需通过探索才能获得必要的知识去控制这一设备。”^[40]