《Journal of Intelligence》：Macro- and Micro-Level Behavioral Patterns in Simulation-Based Scientific Inquiry: Linking Processes to Performance Among Elementary Students
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这篇研究通过分析259名四年级学生在模拟探究任务中的过程数据，采用序列模式挖掘、熵分析和过程挖掘等多层次分析方法，揭示了有效（effectiveness）和高效（efficiency）学生的行为特征：宏观层面，有效学生表现出更迭代的证据收集循环；微观层面，高效学生展现了更优的策略协调能力，为小学科学教育中的技能诊断和个性化支架设计提供了新视角。
引言
科学探究是科学教育的基石，它使学生能够生成和评估证据以解决科学问题。传统评估多关注探究结果，而模拟探究任务则能通过记录过程数据，无干扰地捕捉学生在互动式探究环境中的行为轨迹，为理解探究过程的动态展开提供了丰富信息。尽管相关研究日益增多，但仍存在重要空白：许多研究将丰富的过程日志简化为相对静态的聚合指标，可能无法充分捕捉探究过程的动态和时间结构；同时，研究往往孤立地考察宏观或微观层面的行为序列，缺乏整合；此外，多数研究仅关注任务有效性（任务正确性），而较少同时考察效率（如任务完成时间）。本研究旨在通过多层次分析框架，填补这些研究空白。
相关工作
科学探究过程与认知策略使用
科学探究包含假设形成、证据收集、证据评估和结论得出等动态过程。这些阶段很少以固定顺序展开，而是通过反复的实验循环进行测试、修正和完善。探究质量不仅取决于学生能否独立执行每个阶段，还取决于他们如何随时间推移协调这些阶段。在微观层面，学生的探究表现还取决于他们在探究阶段内和跨阶段使用的策略，例如控制变量策略（CVS）支持通过一次只改变一个变量来建立因果关系。
模拟探究任务中的科学探究过程与表现
模拟探究任务提供了交互式的计算机环境，学生可以在其中设计和进行实验，其行为被无干扰地记录为过程数据。这些数据可以在不同粒度上进行分析。宏观层面，探究过程通常表示为探究阶段的状态序列；微观层面，则表示为离散行为的事件序列，能够表征学生在探究阶段内和跨阶段如何组织行为形成探究策略。研究已将行为模式与任务表现联系起来，表明有效学生通常从事更系统、连贯的实验循环。除了有效性，效率反映了学生利用时间和认知努力达到结论的经济性。
本研究及研究问题
基于先前研究，本研究调查了小学生在模拟评估环境中的科学探究过程。研究问题包括：RQ1，在宏观层面，有效学生和低效学生在整体探究过程上有何差异？RQ2，在微观层面，在有效组内，高效和低效学生在探究过程上有何差异？分析框架包括对过程数据进行预处理和重编码，形成基于有效性和效率的性能亚组，并采用多分析方法进行宏观和微观层面的分析。
方法
参与者与程序
分析样本包括来自中国南方四所公立小学的259名四年级学生（Mage= 10.21岁）。他们完成了一项名为“水力发电厂”的模拟探究任务。约33%的学生成功得出正确答案。
模拟探究任务：水力发电厂
该任务要求学生确定能使发电机转速最大化且低于安全限值（400 rpm）的最佳运行条件。模拟涉及操纵两个自变量：闸门位置（低、中、高）和进水口直径（40 cm、80 cm、120 cm）。正确答案是进水口直径120 cm、闸门位置中等的组合（309 rpm）。
行为编码方案
开发了一个两层级的行为编码方案。微观层级编码捕获界面级事件（如调整闸门、调整直径、运行试验）。宏观层级将这些微观代码聚合为三个认知成分：证据收集（DESIGN和CONDUCT）、证据评估（ANSWER和MANAGE）和任务控制（START和END）。编码者间信度近乎完美（宏观层级Cohen’s κ = 1.00；微观层级Cohen’s κ = 0.98）。
统计分析
分析分为四个阶段：过程数据预处理、任务性能亚组形成、宏观层级分析（描述性统计、泊松GLM、序列可视化、序列模式挖掘）和微观层级分析（描述性统计、熵分析、过程挖掘）。效率亚组通过高斯混合模型（GMM）基于任务完成时间进行划分。
结果
跨有效性组的宏观层级探究过程（RQ1）
描述性统计和泊松GLM显示，有效组在设计实验（DESIGN）、执行实验（CONDUCT）和数据管理（MANAGE）方面的发生率显著高于无效组，而提交答案（ANSWER）的频率显著较低。序列可视化表明，有效组的行为序列更长，具有持续的迭代循环；而无效组序列较短，倾向于较早回答问题。序列模式挖掘发现，有效组表现出更丰富的探究模式库，包括从任务开始就优先进行证据收集以及持续的迭代实验循环（如）。无效组则表现出过早闭合的模式，例如更频繁地尝试立即回答问题（如）。
有效性组内基于效率的微观层级探究过程（RQ2）
描述性统计显示，在有效组和无效组内部，高效亚组的任务完成时间和序列长度均显著短于低效亚组。熵分析表明，四个性能亚组的归一化熵指数非常接近（0.81至0.85），且双向ANOVA未发现有效性或效率的主效应或交互作用显著，表明行为多样性本身不能区分性能。过程挖掘揭示了所有亚组共享一个共同的行为主干（如从变量调整过渡到运行试验）。然而，组织这些过渡的方式因有效性和效率而异。在有效组内，高效学生表现出更有组织的过渡，将试探性答案与实验联系起来；而低效学生则更依赖于默认试验后的直径调整和记录删除。在无效组内，高效学生倾向于快速回答问题并运行连续试验，而低效学生则在运行试验后更频繁地调整直径。
讨论
跨有效性组的宏观层级探究模式
宏观分析表明，有效学生表现出系统的探究过程，其特征是迭代实验。相反，低效学生参与的实验迭代有限，并倾向于过早回答。这些发现与强调证据收集和评估之间互惠关系的研究一致。
有效性组内基于效率的微观层级探究模式
微观分析表明，效率并不意味着采用不同的行为，而是有效和高效的学生将共同的行为组织成更紧密、更有目的的循环。探究性能取决于行为库的协调，而不仅仅是特定行为的存在或缺失。这些结果与认为熟练的科学思维需要协调多个变量的观点一致。
启示
本研究展示了如何通过多层次分析模拟探究任务的过程数据，以获得关于学生探究行为的可解释证据。通过联合考虑有效性和效率，研究不仅捕捉了过程是否导致正确解决方案，还捕捉了学生如何在过程中经济地组织其行为。整合宏观和微观视角，提供了关于结构连贯性（宏观层面）和策略协调（微观层面）如何共同促进科学探究性能的全面描述。研究结果也为针对特定学习者需求定制教学提供了依据。
局限性与未来方向
本研究的局限性包括分析方法依赖于关于时间依赖性和数据稀疏性的特定假设；所有结果均源自单一任务和内容领域的过程数据；对探究性能的操作化仅捕获了探究技能多面性的一部分。未来研究可以整合额外的分析视角、多模态数据源，并在不同的探究环境、任务设计和人群中检验行为模式的一致性。
