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TEORIA DA RESPOSTA AO ITEM: Conceitos, Modelos e Aplicações. Dalton F. Andrade Departamento de Informática e Estatística – UFSC [email protected] www.inf.ufsc.br/~dandrade IASI - X Seminario de Estadística Aplicada – Rosario 2006 martes 11-13 y 14-16 miércoles 8:30-10:30. Tópicos.

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TEORIA DA RESPOSTA AO ITEM: Conceitos, Modelos e Aplicações

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Presentation Transcript


TEORIA DA RESPOSTA AO ITEM: Conceitos, Modelos e Aplicações

Dalton F. Andrade

Departamento de Informática e Estatística – UFSC

[email protected]

www.inf.ufsc.br/~dandrade

IASI - X Seminario de Estadística Aplicada – Rosario 2006

martes 11-13 y 14-16 miércoles 8:30-10:30


Tópicos

  • Introdução:

    Estatística em Avaliação Educacional

  • Teoria da Resposta ao Item - TRI:

    Conceitos

    Principais Modelos

    Aplicações em Educação e outras áreas

  • Estimação na TRI e outros modelos

  • Equalização

  • Construção e interpretação da escala de proficiência

  • Aspectos computacionais


Referências iniciais: TRI

  • Lord, F.M., Norvick, M.R. (1968). Statistical Theories of Mental Test Score. Reading: Addison-Wesley

  • Lord, F.M. (1980). Applications of Item Response Theory to Practical Testing Problems. Hillsdale: Lawrence Erlbaum Associates

  • Hambleton, R.K., Swaminathan, H., Rogers, H.J. (1991). Fundamentals of Item Response Theory. Newburry Park: Sage Publications.

  • Andrade, D.F., Tavares, H.R., Cunha, R.V. (2000). Teoria da Resposta ao Item: Conceitos e Aplicações. São Paulo: Associação Brasileira de Estatística.


Introdução: Estatística em Avaliação Educacional

  • Sistema Nacional de Avaliação da Educação Básica –SAEB (http://www.inep.gov.br/basica/saeb/

    • Planejamento

    • Amostragem

    • Medida de Proficiência

    • Estudo de Fatores Associados - HLM


Introdução: Estatística em Avaliação Educacional

  • Foco nas gestões dos sistemas educacionais

  • Realizado desde 1990. A partir 1995, passou a fazer uso da TRI.

  • 1995, 1997, ..., 2003, 2005 (em análise).

  • 4a. e 8a. séries do Ensino Fundamental e 3a. Série do Ensino Médio.

  • Disciplinas: Português, Matemática, ...

  • Amostra de estudantes

  • Proficiência do estudante

  • Fatores Associados: como características dos estudantes, professores e escolas estão relacionadas com a proficiências dos estudantes


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalProvas/Planejamento

  • O número de itens (questões) requerido pelos especialistas, para cada série e disciplina, é maior do que um estudante pode responder em 2 horas.

  • Equalização: obter resultados comparáveis (mesma escala) para as 4a., 8a. and 3a. séries e também ao longo do tempo.

  • Matemática, 3a. série: 169 itens.

    - 13 conjuntos com 13 itens cada (169=132)

    - Provas: cadernos de provas com 3 conjuntos, total de 39=3x13 itens

    - Total de 26 cadernos de provas

    - Itens de 8a. Série e também de anos anteriores


Cadernos de Provas: Planejamento emBlocos Incompletos Balanceados - BIB

Estudantes de mesma série respondem diferentes cadernos de provas, mas os cadernos de provas possuem itens comuns


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAmostragem

  • Dados de 2002

  • Amostragem por conglomerado (escola) em dois estágios, dentro de cada estrato:

    Estágio 1: escola

    Estágio 2: estudantes das escolas selecionadas


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalMedindo a Proficiência

  • Medir a proficiência do estudante.

  • Obter resultados comparáveis entre séries (4a., 8a. EF e 3a. EM).

  • Obter resultados comparáveis entre anos para a mesma série.

  • Diferentes provas entre anos, entre séries e entre estudantes de uma mesma série.

  • Teoria Clássica (TC)

  • Teoria da Resposta ao Item (TRI)


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAnálise de Fatores Associados

  • Como as características dos estudantes, professores e escola estão relacionadas com a proficiência dos estudantes.

  • Modelos de regressão com estruturas especiais de dependência.

  • Referências Básicas:

    GOLDSTEIN, H. (2003). Multilevel Statistical Models. 3a ed. London: Edward Arnold.

    RAUDENBUSH, S. W. e BRYK, A. S. (2002). Hierarchical Linear Models. 2a ed. Newbury Park: Sage.


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAnálise de Fatores Associados

  • Modelo de regressão:

    Y = f(X1, ..., Xp, W1, ..., Wq) + Erro

    X: características do estudante (gênero,idade, anos de escolaridade dos pais, tempo dedicado aos estudos fora da escola,...)

    W: características da escola (tipo de escola, localização, práticas pedagógicas, atitudes do diretor,...)

    Erro: independente, distribuição normal


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAnálise de Fatores Associados

  • Modelagem hierárquica/multinível

    Model nulo:

    Nível 1: estudante (i)

    proficij = 0j + eij

    eij: i.i.d. N(0,σ2)

    Nível 2: escola (j)

    0j = 00 + u0j

    u0j: i.i.d. N(0,τ00), independente de eij

    Variância total : σ2 + τ00 , Cov(proficij, profici’j) = τ00


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAnálise de Fatores Associados

  • Alguns resultados do SAEB 2001


Introdução: Estatística em Avaliação EducacionalAnálise de Fatores Associados

  • Alguns resultados do SAEB 2001 : Matemática


Teoria Clássica

  • Baseada no escore total: número de acertos

  • Seus parâmetros dependem do grupo de respondentes

  • Parâmetro de dificuldade: proporção de acertos

  • Correlação bisserial

  • Parâmetro de discriminação:

    proporção de acertos grupo superior – grupo inferior

  • Como comparar/representar proporção acertos aluno 4a. série com a proporção de acertos aluno 5a. Série ?

  • Modelo:

    X = T + Erro


Teoria da Resposta ao Item (TRI)

1. O foco é no item e não no escore total, como na Teoria Clássica.

2. São modelos que relacionam um ou mais traços latentes de um indivíduo, com a probabilidade dele apresentar uma certa resposta ao item.

3. Traço Latente: proficiência/habilidade em Matemática, Português, Ciências etc.

4. Baseado nas respostas dadas por um ou mais grupos de indivíduos, a um conjunto de itens, desejamos:

- estimar os parametros dos itens (processo de calibração)

- estimar as proficiências dos indivíduos

- estimar a proficiência média de um ou mais grupos de indivíduos


Teoria da Resposta ao Item (TRI)

5. A probabilidade de uma certa resposta a um item é modelada como função da proficiência do indivíduo e os parâmetros que representam algumas propriedades dos item.

6. Modelo acumulativo: quanto maior a proficiência do indivíduo, maior a probabilidade de uma resposta correta.

7. Propriedade da invariância: os parâmetros dos itens e as proficiências são invariantes, exceto pela escolha da escala (métrica).


Modelos da TRI

Os modelos dependem do tipo do item

Itens do tipo certo/errado (dicotômico) ou corrigido como certo/errado (múltipla escolha, aberto)

Modelo Logístico : unidimensional, um grupo, com 1 (Rasch), 2 ou 3 parâmetros.


Modelo Logístico de 3 Parâmetros

  • a: parâmetro de discriminação

  • b: parâmetro de dificuldade (medido na mesma escala da proficiência)

  • c: parâmetro de acerto casual (probabilidade de que um estudante com baixa proficiência responda corretamente)


Modelo Logístico de 3 Parâmetros


Modelos da TRI

Modelo Nominal : modela todas as categorias de resposta s=1,2, ...,mi.

onde ais e bis são como no modelo logístico.


Modelo Nominal


Modelos da TRI

Modelo de Resposta Gradual (categorias ordinais)


Modelo de Resposta Gradual


Outros Modelos da TRI

  • Modelo de Crédito Parcial : Modelo de resposta gradual sem o parâmetro a (Rasch).

  • Modelo de Escala Gradual: Modelo de resposta gradual com bis = bi – ds

  • Modelo dos Grupos Múltiplos (dois ou mais grupos).

    Bock, R.D., Zimowski, M.F. (1997). Multiple group IRT. In Handbook of Modern Item Response Theory. W.J. van der Linden and R.K. Hambleton Eds. New York: Springer-Verlag


Aplicações em Avaliação Educacional

PISA – Programme for International Student Assessment (Programa Internacional de Avaliação de Alunos)

- anos: 2000(Leitura), 2003(Matemática), 2006(Ciências)

- alunos com 15 anos (independente da série)

- itens de múltipla escolha e itens abertos (corrigidos 0,1,2)

- modelo de 1 parâmetro (somente parâmetro b: dificuldade)

- esquema BIB

- 32 países em 2000 – OCDE + convidados

- http://www.inep.gov.br/internacional/pisa/


Aplicações em Avaliação Educacional

Públicas: Estaduais/Municipais

SARESP (São Paulo)

SPAECE (Ceará)

SAEPE (Pernambuco)

Município do Rio de Janeiro

Município de São Paulo

Privadas

SIMA: Sistema Marista de Avaliação

Fundação Bradesco


Outras Aplicações da TRI em Educação

Educação Estatística

θ: extensão do uso de estatística no local de trabalho.

Questionário com 46 técnicas estatísticas e métodos de pesquisa (itens).

Harraway, J.A. and Barker, R.J. (2005). Statistics in the workplace: a survey of use by recent graduates with higher degrees. Statistics Education Research Journal, 4(2), 43-58, http://www.stat.auckland.ac.nz/serj

Harraway, J.A., Andrade, D.F.(2006). An item response analysis of statistics use in the workplace. (apresentado no ICOTS7, Salvador)


Outras Aplicações da TRI em Educação

Educação Médica

Avaliar o desempenho do aluno de curso de medicina

Prova realizada uma vez por ano por todos os alunos (1a.-6a.)

Comissão de avaliação do curso de medicina da UEL, PR:

Sakai, M., Mashima, D., Ferreira Filho, O.F., Matsuo, T.


Aplicações da TRI em outras áreas

Qualidade de Vida

Mesbah, M., Cole, B.F. and Lee, M.L.T.(2002). Ed. Statistical methods for quality of life studies: design, measurements and analysis. Boston: Kluwer Academic Publishers


Aplicações da TRI em outras áreas

HIT (Headache Impact Test): medir o impacto causado por dor de cabeça em diferentes situações (no trabalho, em casa e em ocasiões sociais).

Ware, J.E., Bjorner, J. B., Kosinski, M. (2000). Practical Implications of Item Response Theory and Computerized Adaptive Testing. A Brief Summary of Ongoing Studies of Widely Used Headache Impact Scales. Medical Care, v.38.

www.amihealthy.com


Aplicações da TRI em outras áreas

Medir o Grau de Satisfação do Consumidor

Costa, M.B.F. (2001). Técnica derivada da teoria da resposta ao item aplicada ao setor de serviços. Dissertação de Mestrado – PPGMUE/UFPR

Bortolotti, S.L.V. (2003). Aplicação de um modelo de desdobramento da teoria da resposta ao item – TRI. Dissertação de Mestrado. EPS/UFSC.

Bayley, S. (2001). Measuring customer satisfaction. Evaluation Journal of Australasia, v. 1, no. 1, 8-16.


Aplicações da TRI em outras áreas

Psiquiatria/Psicologia

Escalas psiquiátricas:

Inventário de depressão de Beck (BDI)

Escala de sintomas Depressivos (CES-D)

Escala de rastreamento de dependência de sexo (ERDS)

Schaeffer, N. C. (1988). An Application of Item Response to the Measurement of Depression.Sociological Methodology, 18, 271–307.

Embretson, S. E. and Reise, S. P. (2000). Item response theory for psychologists. New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Inc., Publishers..


Aplicações da TRI em outras áreas

Psiquiatria/Psicologia

Coleman, M. J., Matthysse, S., Levy, D. L., Cook, S., Lo, J. B. Y.,Rubin, D. B. and Holzman, P. S. (2002). Spatial and object working memory impairments in schizophrenia patients: a bayesian item-response theory analysis. Journal of Abnormal Psychology, 111, number 3, 425-435.

Hays, R., Morales, L. S. e Reise, S. P. (2000). Item response theory and health outcomes measurement in the 21st century, Medical Care, v.38.

Kirisci, L., Hsu, T. C. e Tarter, R. (1994). Fitting a two-parameter logistic item response model to clarify the psychometric properties of the drug use screening inventory for adolescent alcohol and drug abusers, Alcohol Clin. Exp. Res 18: 1335–1341.


Aplicações da TRI em outras áreas

Psiquiatria/Psicologia

Langenbucher, J. W., Labouvie, E., Sanjuan, P. M., Bavly, L., Martin, C. S. e Kirisci, L. (2004). An application of item response theory analysis to alcohol, cannabis and cocaine criteria in DSM-IV, Journal of Abnormal Psychology 113: 72–80.

Yesavage JA, Brink TL Rose TL et al. (1983). Development and validation of a geriatric depression screening scale: a preliminary report. J Psychiat Res, 17:37-49.


Aplicações da TRI em outras áreas

Nutrição

Diagnóstico de insegurança alimentar: Escala Brasileira de Medida de Segurança Alimentar - EBIA.

Profa. Ana Maria Segall Corrêa – Dep. Medicina Preventiva e Social – FCM/UNICAMP

Parke E. Wilde, Gerald J. and Dorothy R. Friedman (2004). Differential Response Patterns Affect Food-Security Prevalence Estimates for Households with and without Children. J. Nutr.134: 1910–1915.


Aplicações da TRI em outras áreas

Serviço Médico

Jishnu Das, Jeffrey Hammer (2005). Which doctor? Combining vignettes and item response to measure clinical competence. Journal of Development Economics 78, 348-383

Genética

Tavares, H. R.; Andrade, D. F.; Pereira, C.A. (2004) Detection of determinant genes and diagnostic via item response theory. Genetics and Molecular Biology, v. 27, n. 4, p. 679-685.


Aplicações da TRI em outras áreas

Gestão pela Qualidade Total

Alexandre, J.W.C., Andrade, D.F., Vasconcelos, A.P. e Araújo, A.M.S.(2002). Uma proposta de análise de um construto para a medição dos fatores críticos da gestão pela qualidade através da teoria da resposta ao item. Gestão & Produção, v.9, n.2,p.129-141


Estimação na TRI

Independência entre as respostas dos estudantes.

Independência entre as respostas dadas aos itens, para uma dada proficiência (local ou condicional).

Baker, F.B., Kim, S-H.(2004). Item Response Theory: parameter estimation techniques. New Yook: Marcel Dekker, Inc. 2nd Edition.


Estimação na TRI

Uma população

Máxima verossimilhança conjunta:

onde U=(uij) é a matriz das respostas (NxI) e ξ é o vector(qIx1) dos parâmetros dos itens. Para o modelo logístico de 3 parâmetros, q=3.


Estimação na TRI

Máxima verossimilhança conjunta

Precisamos encontrar os valores de θ and ξ que maximizam logL.

Técnica Iterativa Newton-Raphson.

Precisamos das derivadas parciais de 1a. e 2a. de logL com respeito a θ e ξ.

Indeterminação: existem diferentes valores de θ e b que fornecem o mesmo valor de Pij.

Uma solução: θ’s com média 0 e desvio padrão 1, escala (0,1)


Estimação na TRI

Máxima verossimilhança marginal

A idéia básica é “libertar” o processo de estimação dos parâmetros dos itens de sua dependência de θ.

Passo 1: estimação dos parâmetros dos itens.

Passo 2: assumindo que as estimativas dos parâmetros dos itens são seus verdadeiros valores, estimamos os θ’s.


Estimação na TRI

Máxima verossimilhança marginal

g(θ|η) é a distribuição de θ, com parâmetros η=(μ,σ2)’. Em geral, consideramos a normal padrão (μ =0 e σ=1).


Estimação na TRI

Máxima verossimilhança marginal

As estimativas dos parâmetros dos itens são os valores de ξ que maximizam L(ξ,η).

Algoritmo EM: U e θ são os dados completos, e U é dado observado.

Assumindo ξ “conhecido”, voltamos para L(ξ,θ) = L(θ) e maximizamos para θ.


Estimação na TRI

Estimação Bayesiana

Distribution a priori para a: Lognormal

Distribution a priori para b: Normal

Distribution a priori para c: Beta

Fornece estimativas para todos os itens com u=1 or u=0 para todos os respondentes. A estimação por máxima verossimilhança não fornece.

O mesmo para todos os respondentes que reponderam u=1 or u=0 para todos os itens.


Estimação na TRI

Duas ou mais populações

Caso 1: Estimação para cada população em separado.

requer uma “equalização a posteriori” para termos todos os resultados na mesma escala (métrica).

Caso 2: Estimação envolvendo todas as populações ao mesmo tempo.

Enfoque de Grupos Múltiplos: Estabelecemos uma das populações (grupos) como a referência, e obtemos todos os resultados na mesma escala. Por exemplo, estabelecemos a escala (0,1) para a população 1, e todos os resultados das outras populações estarão na mesma escala.


Resultados do SAEB


Modelos mais recentes da TRI

Modelos Longitudinais :estudantes são acompanhados ao longo do tempo.

Andrade, D.F. Tavares, H.R. ( 2005). Item response theory for longitudinal data: population parameter estimation. Journal of Multivariate Analysis 95,1– 22.

Tavares, H.R., Andrade, D.F.(2006). Item response theory for longitudinal data; item and population ability parameters estimation. Test 15(1), 97-123.


Exemplo Dados Longitudinais

International Project on Mathematical Attainment - IPMA (Profa. Ednéia Consolin Poli – UEL)

1999

2000

2001

2002

2003

G1-

1ª.

G1-

2ª.

G2-

1ª.

G1-

3ª.

G2-

2ª.

G1-

4ª.

G2-

3ª.

G2-

4ª.

Professores

22

22

22

20

18

24

16

17

Alunos

568

557

512

395

309

307

282

270

Escolas

8

8

6

8

6

8

6

6

No. de itens

20

40

20

60

40

80

60

80

Fatores Assoc.

-

-

-

-

-

sim

-

sim


Modelos mais recentes da TRI

Modelando a Proficiência Média: curva de crescimento

μk = f(tk,α)

Tavares, H.R., Andrade, D.F.(2005). Growth curve models for longitudinal item response data. Presented at AERA2005 in Montreal.


Modelos mais recentes da TRI

Modelos de Desdobramento

São modelos não acumulativos

São bastante utilizados em estudos de atitudes

Roberts, J. S., Laughlin, J. E. A.(1996) Unidimensional item response model for unfolding responses from a graded disagree-agree response scale. Applied Psychological Measurement, 20, p. 231-255.

Roberts, J. S., Donoghue, J.R., Laughlin, J. E.(2000) A general model for unfolding Unidimensional polychromous responses using item response theory. Applied Psychological Measurement, 24, p. 3-32.

Roberts, J. S., LIN, Y., Laughlin, J. E.(2001) Computerized adaptive testing with the generalized graded unfolding model.Applied Psychological Measurement, 25, p. 177-196.


Modelos mais recentes da TRI

Modelos Multidimensionais: mais de uma dimensão para representar o traço latente

Mislevy, R.J. (1986). Recent development in the factor analysis of categorical data. Journal of Educational Statistics, 11, 3-31.

Wood, R., Wilson, D., Gibbons, R., Schilling, S., Muraki, E., Bock, D. (2003). Testfact 4: Test Scoring, Item Statistics and Item Factor Analysis. Chicago: scientific Software, Inc.


Modelos mais recentes da TRI

Modelos Multidimensionais: mais de uma dimensão para representar o traço latente

Reckase, M. D. (1997). A linear logistic multidimensional model for dichotomous item response data. In W. J. Linden & R. K. Hambleton (Eds.), Handbook of modern item response theory (pp. 271-286). New York: Springer.

Nojosa, R. T. (2001). Modelos Multidimensionais para a Teoria da Resposta ao Item. Dissertação de Mestrado. Departamento de Estatística. Universidade Federal de Pernambuco.


Modelos mais recentes da TRI

Modelos Multivariados: mais de um traço latente para o mesmo aluno: matemática e português.

Matos, G. S. (2001). Teoria da Resposta ao Item: Uma Proposta de Modelo Multivariado. Dissertação de Mestrado. Departamento de Estatística. Universidade Federal de Pernambuco.

Exemplo: Projeto FUNDESCOLA / INEP-MEC

Alunos de 4a. série (1999) acompanhados até a 8a. série (2003) - Longitudinal

Disciplinas: matemática e Português - Bivariado

Dados Incompletos: alunos podem sair e entrar


Equalização

Resultados de diferentes provas em uma mesma escala

Exemplo: SAEB (entre séries e anos)

Como obter resultados comparáveis?

Itens comuns entre séries e anos

Kolen, M.J., Brennan, R.L. (2004). Test Equating: Methods and Practices (2nd ed.). New York: Springer.


Equalização

Calibração (estimação dos parâmetros dos itens) em separado para cada uma das populações envolvidas

Equalização pelo princípio da invariância: a posteriori

Exemplo: dados do SARESP (estado de São Paulo)

3a. série 96 – 28 itens (abril)

4a. série 97 – 30 itens (abril)

3a. série 97 – 32 itens (novembro)

11 itens comuns entre 3a. 96 e 3a. 97

21 itens comuns entre 4a. 96 e 3a. 97


Equalização

Exemplo: dados do SARESP


Equalização

Exemplo: dados do SARESP


Equalização

Calibração simultânea: Modelo dos Grupos Múltiplos

Questões:

- Número e distribuição de itens comuns

- Como ¨posicionar¨ novos grupos em uma escala já construída

- Avaliações Estaduais e outras: itens calibrados + itens novos

Andrade, D.F. (2001). Desempenhos de grupos de alunos por intermédio da teoria da resposta ao item. Estudos em Avaliação Educacional, no. 23, 31-70.


Construindo e Interpretando Escala

Beaton, A.E., Allen, N.L. (1992). Interpreting scales through scale anchoring. Journal of Educational Statistics, 17, 191-204.

Valle, R.C. (2001). Construção e interpretação de escalas de conhecimento: um estudo de caso.Estudos em Avaliação Educacional, no. 23, 71-92.


Construindo e Interpretando Escala

  • Educação Estatística

    θ: extensão do uso de estatística no local de trabalho.

    Questionário com 46 técnicas estatísticas e métodos de pesquisa (itens).

    Harraway, J.A. and Barker, R.J. (2005). Statistics in the workplace: a survey of use by recent graduates with higher degrees. Statistics Education Research Journal, 4(2), 43-58, http://www.stat.auckland.ac.nz/serj

    Harraway, J.A., Andrade, D.F.(2006). An item response analysis of statistics use in the workplace. (apresentado no ICOTS7, Salvador)


Construindo e Interpretando Escala

  • Educação Estatística


Construindo e Interpretando Escala

  • Escala Nacional de Proficiência – INEP/MEC

    “Régua (métrica) criada a partir dos resultados do SAEB

  • - Média 250(rendimento médio dos alunos da 8a. Série em 1997)

  • - Desvio padrão 50

  • - http://www.inep.gov.br/download/saeb/2004/resultados/BRASIL.pdf


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