高中生心理-认知能源素养的潜在剖面及其性别预测作用：一项潜在剖面分析

《Sustainability》：Exploring Psychological–Cognitive Energy Literacy Profiles of High School Students and the Role of Gender as a Predictor: A Latent Profile Analysis

　　

： 日益严峻的全球能源与可持续发展挑战要求公民能够就能源生产、消费与节约做出明智决策。因此，提升青少年的能源素养日益被视为重要的教育目标。然而，以往大多数研究采用以变量为中心（variable-centred）的方法，聚焦于知识与态度的平均水平，可能忽视了学习者之间富有意义的内在差异。本研究采用心理-认知取向（psychological–cognitive operationalization）的能源素养操作化定义，通过以人为中心（person-centred）的方法弥补了这一研究空白。此外，研究还考察了性别作为剖面归属预测变量的作用。研究以方便抽样（convenience sample）方式招募了363名意大利中学生，完成了一项经改编的四层诊断工具（four-tier diagnostic instrument），该工具同时测量内容知识与信心判断（confidence judgements），并配以包含12个条目的能源态度量表。研究采用潜在剖面分析（latent profile analysis, LPA），以标准化后的知识得分、信心判断得分和态度得分作为剖面指标。性别预测作用通过经分类误差校正的三步分析法（classification-error-adjusted three-step analysis）进行检验。研究识别出三个截然不同的剖面：过度自信且态度较低组（Overconfident and with Lower Attitudes，占55.6%）、校准良好且态度较高组（Calibrated and with Higher Attitudes，占38.0%），以及知识扎实、校准良好且态度较高组（Knowledgeable, Calibrated and with Higher Attitudes，占6.3%）。在考虑分类不确定性后，性别未能显著预测剖面归属。总体而言，研究结果凸显了以人为中心的方法在捕捉学生能源相关知识与态度内在异质性方面的价值，并表明有效的能源教育不仅应促进概念理解，还应培养校准良好的元认知自我评估（metacognitive self-assessment）能力。此类努力将更好地支持学生作为未来公民，有意义地参与未来的环境与可持续发展挑战。

论文解读

一、研究背景与问题提出

能源被广泛视为当代世界最重大的挑战之一。气候变化、资源枯竭与能源不安全等全球性问题日益加剧，要求公民具备就能源生产、消费与政策做出明智决策的能力。研究者日益认识到，个体应当能够理解复杂的能源系统、批判性地评估信息、就能源议题进行有效沟通、参与民主决策过程，并为可持续能源转型作出贡献——换言之，个体应当具备充分的能源素养（energy literacy）。高中生是这一目标群体中的关键对象，因为他们即将在社会中承担更为积极的角色，并将面临日益复杂的科学-社会议题。

然而，尽管能源议题的重要性与日俱增，研究一致表明许多中学生对基本能源概念的理解有限，却对可持续性与能源节约表现出积极态度。这种能源概念知识与能源态度之间的脱节，引发了关于能源素养发展以及教育干预有效性的严重关切。虽然能源素养被公认为一个多维建构，但大多数研究仅分别考察其各组成部分。因此，关于这些维度如何在个体学习者内部共存的研究十分匮乏。以人为中心的方法，包括潜在剖面分析（latent profile analysis, LPA），更适合识别具有相似能源素养水平的学生亚群，从而能够设计、开发并实施更有效的教学干预。本研究正是旨在通过应用LPA填补这一空白，基于学生的能源概念知识、信心判断（confidence judgements）与自我报告的能源态度来识别中学生的潜在剖面。

二、研究设计与方法概述

研究以方便抽样方式招募了363名意大利高中学生（女生160人，占44.1%；男生203人，占55.9%），分布于高中最后三年（11年级168人、12年级139人、13年级56人）。数据收集时间为2021年冬至2022年春。所有学生自愿参加了一项为期6小时的校外能源与可持续性教育活动，来自20所学校，其中12所为STEM导向学校、8所为人文导向学校。

在测量工具方面，研究人员设计了一个包含10个条目的四层诊断工具（four-tier diagnostic instrument），每个条目包含陈述性知识层（第1层）与推理层（第3层），并在每层之后附加信心判断层（第2层和第4层）。该工具覆盖能源概念的四个关键理念：形式（3个条目）、转移（3个条目）、守恒（2个条目）与退化（2个条目）。能源态度方面，研究人员专门设计了20个条目的问卷，经焦点小组讨论后保留12个条目，涵盖三个态度维度：对节能行为的看法（9个条目）、对可再生能源的态度（4个条目）以及对能源相关气候焦虑的感知（7个条目），采用5点李克特量表。

在数据分析方面，研究采用多重方法：对内容知识问卷计算合并得分并检验信度；对态度问卷进行验证性因子分析（confirmatory factor analysis, CFA）；通过潜在剖面分析识别学生亚群，采用分析层次过程（analytic hierarchy process, AHP）比较四种模型规格以确定最优剖面数；最后通过经分类误差校正的最大似然三步法（classification-error-adjusted maximum-likelihood three-step approach）检验性别对剖面归属的预测作用。

三、研究结果

3.1 内容知识问卷的描述性统计

在单层水平上，陈述性知识层（T1）与推理层（T3）的成功率均未出现极端难度参数，保持在20%至80%的可接受阈值内。学生层面的皮尔逊相关分析显示两层之间存在中等正相关（r = 0.55, p < 0.001），表明陈述性知识基础仅能解释学生科学推理方差的约32%。在合并T1与T3得分后，所有条目的难度指数均下降，表明学生平均而言无法正确论证其答案，支持了学生对问卷所涉及的四项能源关键理念整体缺乏内容知识的结论。此外，四个条目（Gymnast 2、Wind turbine 1、Cyclist和Skater）的难度低于20%的可接受阈值，其中Skater条目还呈现负向区分度指数，表明其心理测量功能不当，因此被排除在后续所有分析之外。最终用于LPA的指标基于剩余九个合并条目计算，McDonald's ω = 0.62。

在元认知校准方面，十个条目中有九个位于理想校准线上方的左上象限，表明学生样本整体存在过度自信偏差（overconfidence bias）。保留全部10个条目时，学生平均信心得分与合并知识得分之间的皮尔逊相关为r = 0.33（p < 0.001），排除Skater条目后略微上升至r = 0.35（p < 0.001）。

3.2 能源态度问卷的描述性统计

12个保留条目的平均得分为3.38（标准差 = 0.69）。态度得分与合并概念理解得分和信心得分的零阶相关分别为r = 0.29（p < 0.001）和r = 0.18（p < 0.001）。线性回归分析显示，模型解释了学生能源态度得分总方差的约9.3%，且仅能源概念理解得分是显著预测变量。

3.3 潜在剖面分析

AHP程序建议三剖面解决方案的Model 1（等方差、协方差固定为零）为最优。BIC在三个剖面处取得最小值（= 3016），三剖面解的熵值（0.754）高于四剖面解（0.695），且对未标准化原始得分重新运行LPA的稳健性检验同样支持三剖面解。基于上述结果，研究保留了三个剖面的解决方案。

三个剖面分别为：剖面1（n = 202，占55.6%）在内容知识维度呈低于平均值水平，信心与态度略低于样本均值，且位于校准线上方较远处，表明高度过度自信，被命名为"过度自信且态度较低组"；剖面2（n = 23，占6.3%）在内容知识与信心维度显著高于平均值，态度得分亦高于平均值，位于校准线附近，表明整体对自身知识具有良好意识，被命名为"知识扎实、校准良好且态度较高组"；剖面3（n = 138，占38.0%）在概念维度呈高于样本平均值水平，态度积极，信心得分略高于样本均值，位于校准线中心附近，表明整体校准良好，被命名为"校准良好且态度较高组"。

事后多元方差分析（MANOVA）确认了三个剖面在三个维度上均存在显著差异（Wilks' Λ = 0.176, F(6, 716) = 164.831, p < 0.001, partial η2 = 0.580）。Mardia检验确认了各剖面内多元正态性假设基本满足。

3.4 剖面与性别的关联

经分类误差校正的最大似然三步模型中，以"过度自信且态度较低组"为参照剖面、男生为性别参照类别。总体Wald检验未达到统计显著水平，表明性别未能显著预测三个潜在剖面的整体归属。尽管女生归属于"知识扎实、校准良好且态度较高组"的估计优势比为1.72，归属于"校准良好且态度较高组"的估计优势比为1.56，但两个剖面特定对比均未达到统计显著水平。

四、讨论与结论

研究发现，大多数学生（55.6%）属于"过度自信且态度较低组"，表现出低于平均水平的内容知识、较弱的能源相关可持续性态度以及显著的过度自信偏差。这一发现是新颖的，因为以往研究通常报告中学生虽对基本能源概念掌握有限，但通常对能源与环境议题感兴趣。该剖面学生的元认知意识缺失可能源于能源在日常现象中的"不可见性"。研究还识别出"校准良好且态度较高组"，表明学生可能对能源相关议题持积极态度，同时能现实地意识到自身知识可能不足以解释熟悉能源议题背后的基本物理概念。"知识扎实、校准良好且态度较高组"仅占样本的6.3%，支持了掌握核心能源概念对大多数中学生而言具有挑战性的结论。

关于性别的作用，尽管未达到统计显著水平，但估计方向的趋势具有理论相关性：女生归属于两个更校准且态度更积极的剖面的估计优势比均高于男生。这一趋势与以往研究报告女生具有更强的生态敏感性、更积极的环境态度以及在某些科学相关领域信心较低的现象相兼容。

研究结论指出，能源素养不能被视为一个统一或单维的建构。学生不仅在知识与态度水平上存在差异，而且在应用能源相关概念理解时的信心程度也存在差异。因此，旨在培养能源素养的教育干预应摆脱"一刀切"框架，仔细考虑这些不同的学生剖面。对于"过度自信且态度较低组"的学习者，教学策略不应仅仅传递内容和激发兴趣，还应挑战其错误概念。对于"校准良好且态度较高组"的学生，教师可侧重于加强复杂概念推理、促进系统思维，并引导学生将基本物理原理与现实能源挑战联系起来。

尽管性别与剖面归属的关联未达统计显著水平，但研究结果不支持仅以性别作为差异化能源素养干预的依据。教学应响应学生可观察到的知识、元认知校准与能源相关态度的组合。性别敏感的教学实践对于确保STEM与可持续性教育中的公平参与仍然有价值，但剖面特定的教育需求不应仅从学生性别推断。

总之，本研究采用的心理-认知取向的能源素养操作化表明，学校课程需要一种平衡的方法，同时针对能源相关的概念掌握、基于价值的态度的校准以及元认知监控。虽然未来需要纳入可靠行为测量的研究来建模所识别剖面如何转化为实际的可持续行为，但当前以人为中心的证据为教育工作者提供了设计针对性能源与可持续性干预的有效建议，这些干预可能更贴合中学生的多样化需求。