DOI: https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2025.102177
تاريخ النشر: 2025-07-15
المؤلف: Sarah Hofer وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق التدريس والتعلم المبتكرة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية أنواع مختلفة من الدعائم في تعليم الرياضيات المعزز رقمياً، مع التركيز بشكل خاص على تعلم الكسور على خط الأعداد بين 332 طالباً في الصف السادس. تهدف الدراسة إلى تحديد أنواع الدعائم التي تفيد المتعلمين المختلفين، مع الأخذ في الاعتبار خصائصهم الفريدة مثل المعرفة السابقة، والانتباه، وقدرات التفكير، وصورة الذات في الرياضيات. تم تقسيم المشاركين إلى مجموعات تلقت دعائم مختلفة—تصورات ديناميكية، وصعوبة المهام التكيفية، وتفسيرات فردية—بينما تلقت مجموعة التحكم عدم وجود دعائم.
تكشف النتائج أنه بالنسبة لطلاب المدارس المتقدمة (APS)، كانت الدعائم لها تأثير ضئيل على نتائج التعلم. في المقابل، أظهر طلاب المدارس المهنية (VS) فوائد كبيرة من الدعائم: ساعدت التصورات الديناميكية في التخفيف من التحديات المرتبطة بانخفاض التفكير والقدرات البصرية المكانية عند التعلم باستخدام التشبيهات، بينما عالجت صعوبة المهام التكيفية بشكل فعال مستويات الاهتمام المنخفضة أثناء الممارسة. تشير النتائج إلى أنه يمكن تخصيص استراتيجيات التعليم لتناسب ملفات تعريف المتعلمين الفردية، مما يعزز فعالية الدعائم بناءً على آليات التعلم المحددة المعنية في الأنشطة المختلفة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الإيجابي الكبير للدروس الفردية على نتائج التعلم، كما يتضح من خلال دراسات مختلفة (Cohen et al., 1982; Nickow et al., 2024; Pellegrini et al., 2021; Rheinheimer et al., 2010). تؤكد على أهمية الأساليب التعليمية الشخصية والتكيفية لتلبية احتياجات التعلم الفردية (Dockterman, 2018; Hillmayr et al., 2020; Plass & Pawar, 2020). على الرغم من التقدم في تعدين البيانات التعليمية وتحليلات التعلم التي تكشف عن اختلافات التعلم الفردية، لا يزال هناك فجوة في فهم أي المتعلمين يستفيدون أكثر من العلاجات التعليمية المحددة (Chernikova et al., 2023; Tetzlaff et al., 2021). تهدف الدراسة إلى معالجة ذلك من خلال استكشاف أنواع مختلفة من الدعائم في أنشطة التعلم لتعزيز تعليم الرياضيات لطلاب المدارس الثانوية.
تناقش الورقة أيضًا الدور الأساسي لفهم الكسور في الرياضيات، مشيرة إلى أن العديد من الطلاب يواجهون صعوبة في هذا المفهوم (Booth & Newton, 2012; Bailey et al., 2012). تحدد التحديات المرتبطة بقياس الكسور، خاصة في المهام التي تتضمن خطوط الأعداد، حيث يمكن أن تؤدي الاختلافات في تقسيم الوحدة والطول الكلي إلى أخطاء منهجية (Behr et al., 1983). لفهم هذه المفاهيم بشكل فعال، يجب على الطلاب تفسير الكسور كقياسات لأجزاء من وحدة محددة (Kieren, 1976). يقترح المؤلفون أن التعليم يجب أن يستفيد من المعرفة السابقة للطلاب ويستخدم التشبيهات والممارسة المتكررة لتعزيز كل من الفهم المفاهيمي والإجرائي للكسور، مما يدمج هذه الاستراتيجيات في تعليم الفصل الدراسي القائم على الأجهزة اللوحية.
الطرق
استخدمت الدراسة إجراء تدخل منظم تم تنفيذه في يوليو 2021 و2022، مع موافقة أخلاقية من وزارة التعليم البافارية. بعد الحصول على موافقة المعنيين، شارك الطلاب في تدخل مدته ساعتان باستخدام الأجهزة اللوحية في فصولهم الدراسية، تحت إشراف محقق مدرب. كانت بيئة التعلم الرقمية تعتمد جزئيًا على منصة ALICE:fractions، التي تم تطويرها بالتعاون بين كرسي الهندسة والتصور وكرسي تعليم الرياضيات في جامعة TU ميونيخ.
بدأ الطلاب باختبار المعرفة السابقة لتقييم فهمهم للكسور على خط الأعداد، تلا ذلك الانخراط في أربعة كتل محتوى متسلسلة، تم تصميم كل منها لتعزيز فهمهم من خلال تنسيق تعليمي متسق. تصاعدت الكتل في التعقيد، بدءًا من الكسور الأساسية على خط الأعداد القياسي من 0 إلى 1، وتقدمت إلى الكسور التي تتجاوز 1، وانتهت بمهام تتضمن وضع الكسور دون أي تقسيم. انتهت كل كتلة باختبار بعدي خاص بمحتواها. تضمن التدخل ثلاث حالات دعائم تجريبية تهدف إلى تسهيل اكتساب المعرفة وممارسة الاسترجاع، مما يدعم الطلاب في إتقان مفهوم الكسور على خط الأعداد.
النتائج
في قسم النتائج، تفحص الدراسة الفروق في الأداء بين طلاب المدارس المتقدمة (APS) وطلاب المدارس المهنية (VS) عبر خصائص المتعلمين المختلفة. تشير النتائج إلى أن طلاب APS تفوقوا بشكل كبير على طلاب VS في المعرفة السابقة في المجال ($d = 1.20$)، والتفكير العام ($d = 1.19$)، والانتباه المستمر ($d = 1.04$)، والقدرة البصرية المكانية ($d = 1.00$)، حيث أظهرت جميعها أحجام تأثير كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، كان لدى طلاب APS حجم تأثير متوسط في صورة الذات ($d = 0.46$). ومع ذلك، لم تظهر المجموعتان أي اختلافات كبيرة في خصائص المتعلمين بعد العشوائية في الظروف التجريبية، كما أكد ذلك اختبارات كروسكال-واليس.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على أن طلاب APS كان لديهم انحراف متوسط تقديري أصغر عن الكسور المستهدفة في قياسات الاختبار البعدي (EMM = 0.078، 95% CI [0.071، 0.086]) مقارنة بطلاب VS (EMM = 0.161، 95% CI [0.146، 0.179]). وهذا يشير إلى أن التدخل قد يكون أكثر تحديًا لطلاب VS، الذين يمكن أن يستفيدوا أكثر من الدعائم بسبب موارد تعلمهم السابقة المحدودة نسبيًا. تؤكد النتائج على أهمية التعليم التكيفي المصمم لتلبية احتياجات الطلاب المتنوعة بناءً على خلفياتهم التعليمية.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في الورقة البحثية على دور أنشطة التعلم وإمكانياتها في إبلاغ استراتيجيات الدعائم الفعالة للمتعلمين. تبرز أن أنشطة التعلم المعتمدة، مثل توليد الحلول لمشكلات جديدة والانخراط مع حالات متناقضة، يمكن أن تعزز بشكل كبير العمليات المعرفية، وما وراء المعرفية، والدافعية الأساسية لاكتساب المعرفة. ومع ذلك، تختلف فعالية هذه الأنشطة بين الطلاب بسبب الاختلافات في الموارد المعرفية والدافعية الفردية. على سبيل المثال، تشير الفروق العمرية في الأداء بين توليد التوقعات والتعلم القائم على الأمثلة إلى أن الدعائم ضرورية لدعم المتعلمين الذين قد يفتقرون إلى الدافعية الذاتية أو المعرفة السابقة.
توسع الورقة مفهوم الدعائم ليشمل تعديلات في تنفيذ أنشطة التعلم، بدلاً من مجرد توفير معلومات إضافية. يشمل ذلك التصورات الديناميكية للمساعدة في المعالجة المعرفية وصعوبة المهام التكيفية لتعزيز الدافعية. يقترح المؤلفون أن الدعائم يمكن أن تستهدف عمليات معرفية أو دافعية أو ما وراء معرفية محددة، مما يخصص تجارب التعلم لتلبية الاحتياجات الفردية. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد التصورات الديناميكية المتعلمين ذوي القدرات البصرية المكانية المنخفضة في فهم التشبيهات، بينما يمكن أن تعزز صعوبة المهام التكيفية شعور الكفاءة بين الطلاب الذين لديهم صورة ذاتية منخفضة في الرياضيات. تهدف الدراسة إلى التحقيق في هذه الاستراتيجيات الدعائم في سياق تعليم الكسور لطلاب الصف السادس، وتقييم كيفية تأثير خصائص المتعلمين المختلفة على فعالية هذه التدخلات.
القيود
تسلط قيود هذه الدراسة الضوء على عدة مجالات حاسمة لمزيد من التحقيق. أولاً، بينما كانت الفرضيات مستندة إلى آليات نظرية، فإن غياب تحليل بيانات العمليات يحد من القدرة على التحقق المباشر من هذه الآليات. يمكن أن تستفيد الأبحاث المستقبلية من دراسة كيفية تفاعل الطلاب مع الأدوات الرقمية، مثل استخدام التصورات الديناميكية والتفسيرات الفردية، لفهم فعالية الدعائم المستخدمة بشكل أفضل.
ثانيًا، قد تعزز اعتماد أساليب القياس الديناميكية التي تميز بين خصائص السمة والحالة من الرؤى حول العمليات المعرفية والدافعية المعنية، مع الاعتراف بالتغيرات في متطلبات التعلم بمرور الوقت. قد يؤدي اعتماد الدراسة على تفاعلات الميل-العلاج الخطية أيضًا إلى تبسيط التعقيدات الكامنة في البيانات، مما يشير إلى أن استكشاف التفاعلات غير الخطية يمكن أن يوفر فهمًا أكثر دقة لكيفية تأثير الاختلافات الفردية على تصميم التعليم. أخيرًا، بينما ركزت هذه الدراسة على أنشطة التعلم المحددة والدعائم، يجب أن تأخذ الدراسات المستقبلية في الاعتبار اختبار الآليات المقترحة عبر مجموعة أوسع من الأنشطة والدعائم، بما في ذلك الاختلافات في تقديم المحتوى والتعقيد، لمزيد من التحقق من النتائج وتوسيع نطاقها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2025.102177
Publication Date: 2025-07-15
Author(s): Sarah Hofer et al.
Primary Topic: Innovative Teaching and Learning Methods
Overview
This research investigates the effectiveness of various scaffolds in digitally-enriched mathematics instruction, specifically focusing on learning about fractions on the number line among 332 sixth-grade students. The study aims to determine which types of scaffolds benefit different learners, considering their unique characteristics such as prior knowledge, attention, reasoning abilities, and self-concept in mathematics. Participants were divided into groups that received different scaffolds—dynamic visualizations, adaptive task difficulty, and individualized explanations—while a control group received no scaffolds.
The findings reveal that for advanced placement school (APS) students, the scaffolds had minimal impact on learning outcomes. In contrast, vocational school (VS) students demonstrated significant benefits from the scaffolds: dynamic visualizations helped mitigate challenges associated with lower reasoning and visual-spatial abilities when learning with analogies, while adaptive task difficulty effectively addressed lower interest levels during practice. The results suggest that instructional strategies can be tailored to individual learner profiles, enhancing the effectiveness of scaffolds based on the specific learning mechanisms involved in different activities.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant positive impact of one-on-one tutoring on learning outcomes, as evidenced by various studies (Cohen et al., 1982; Nickow et al., 2024; Pellegrini et al., 2021; Rheinheimer et al., 2010). It emphasizes the importance of personalized and adaptive instructional approaches to cater to individual learning needs (Dockterman, 2018; Hillmayr et al., 2020; Plass & Pawar, 2020). Despite advancements in educational data mining and learning analytics that reveal individual learning variations, there remains a gap in understanding which learners benefit most from specific instructional treatments (Chernikova et al., 2023; Tetzlaff et al., 2021). The study aims to address this by exploring various scaffolds in learning activities to enhance mathematics instruction for secondary school students.
The paper also discusses the foundational role of understanding fractions in mathematics, noting that many students struggle with this concept (Booth & Newton, 2012; Bailey et al., 2012). It identifies challenges associated with fraction measurement, particularly in tasks involving number lines, where variations in unit subdivision and total length can lead to systematic errors (Behr et al., 1983). To effectively grasp these concepts, students must interpret fractions as measures of parts of a defined unit (Kieren, 1976). The authors propose that instruction should leverage students’ prior knowledge and utilize analogies and repeated practice to enhance both conceptual and procedural understanding of fractions, ultimately integrating these strategies into tablet-based classroom instruction.
Methods
The study employed a structured intervention procedure conducted in July 2021 and 2022, with ethical approval from the Bavarian Ministry of Education. Following consent from relevant stakeholders, students participated in a 2-hour intervention using tablets in their classrooms, guided by a trained investigator. The digital learning environment was partially based on the ALICE:fractions platform, developed collaboratively by the Chair of Geometry and Visualization and the Heinz Nixdorf Foundation Chair of Mathematics Education at TU Munich.
Students began with a prior knowledge test assessing their understanding of fractions on the number line, followed by engagement in four sequential content blocks, each designed to enhance their comprehension through a consistent instructional format. The blocks escalated in complexity, starting with basic fractions on a standard number line from 0 to 1, progressing to fractions exceeding 1, and culminating in tasks that involved placing fractions without any segmentation. Each block concluded with a post-test specific to its content. The intervention incorporated three experimental scaffolding conditions aimed at facilitating knowledge acquisition and retrieval practice, thereby supporting students in mastering the concept of fractions on the number line.
Results
In the results section, the study examines the performance differences between Advanced Placement (APS) and Vocational School (VS) students across various learner characteristics. The findings indicate that APS students significantly outperformed VS students in prior domain knowledge ($d = 1.20$), general reasoning ($d = 1.19$), sustained attention ($d = 1.04$), and visual-spatial ability ($d = 1.00$), all exhibiting large effect sizes. Additionally, APS students had a medium effect size in self-concept ($d = 0.46$). However, both groups showed no significant differences in learner characteristics after randomization into experimental conditions, as confirmed by Kruskal-Wallis tests.
The study further highlights that APS students had a smaller estimated marginal mean deviation from target fractions in post-test measures (EMM = 0.078, 95% CI [0.071, 0.086]) compared to VS students (EMM = 0.161, 95% CI [0.146, 0.179]). This suggests that the intervention may have been more challenging for VS students, who could benefit more from scaffolding due to their comparatively limited prior learning resources. The results underscore the importance of adaptive instruction tailored to the varying needs of students based on their educational backgrounds.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the role of learning activities and their affordances in informing effective scaffolding strategies for learners. It highlights that established learning activities, such as generating solutions to novel problems and engaging with contrasting cases, can significantly enhance cognitive, metacognitive, and motivational processes essential for knowledge acquisition. However, the effectiveness of these activities varies among students due to differences in individual cognitive and motivational resources. For instance, age-related differences in performance between prediction generation and example-based learning suggest that scaffolding is necessary to support learners who may lack intrinsic motivation or prior knowledge.
The paper expands the concept of scaffolding beyond merely providing additional information to include modifications in the implementation of learning activities. This includes dynamic visualizations to aid cognitive processing and adaptive task difficulty to enhance motivation. The authors propose that scaffolding can target specific cognitive, motivational, or metacognitive processes, thereby tailoring learning experiences to individual needs. For example, dynamic visualizations can assist learners with lower visual-spatial abilities in understanding analogies, while adaptive task difficulty can foster a sense of competence among students with lower self-concept in mathematics. The study aims to investigate these scaffolding strategies in the context of teaching fractions to sixth-grade students, assessing how various learner characteristics influence the effectiveness of these interventions.
Limitations
The limitations of this study highlight several critical areas for further investigation. Firstly, while the hypotheses were grounded in theoretical mechanisms, the absence of process data analysis restricts the ability to directly validate these mechanisms. Future research could benefit from examining how students interact with digital tools, such as the utilization of dynamic visualization and individualized explanations, to better understand the effectiveness of the scaffolds employed.
Secondly, adopting dynamic measurement approaches that differentiate between trait and state characteristics could enhance insights into the cognitive and motivational processes at play, acknowledging the variability in learning prerequisites over time. The study’s reliance on linear aptitude-treatment interactions may also oversimplify the complexities inherent in the data, suggesting that exploring non-linear interactions could yield a more nuanced understanding of how individual differences influence instructional design. Lastly, while this research focused on specific learning activities and scaffolds, future studies should consider testing the proposed mechanisms across a broader range of activities and scaffolds, including variations in content presentation and complexity, to further validate and expand upon the findings.