DOI: https://doi.org/10.3390/educsci15020154
تاريخ النشر: 2025-01-26
المؤلف: Olivia Ryan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعليم الرياضيات والبرامج
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحديات التي تواجه المؤسسات التعليمية فيما يتعلق بانخفاض التسجيلات والإنجازات الرياضية المنخفضة، مع التركيز بشكل خاص على تأثير امتحان تحديد مستوى الرياضيات ALEKS على تسجيل الطلاب في حساب التفاضل والتكامل 1 واستمرارهم. باستخدام نموذج إدخال-بيئة-نتيجة أستين، قامت الدراسة بتحليل بيانات من 3,380 طالبًا من خلال طرق تحليل كيتاوا-أوكساكا-بليندر والانقطاع الانحداري الضبابي. تشير النتائج إلى أن درجة قطع ALEKS بنسبة 80% فعالة، حيث تكشف عن تفاوتات كبيرة في التسجيل والاستمرار بين المجموعات السكانية، وخاصة بالنسبة للأقليات الممثلة تمثيلاً ناقصًا (URM)، والطلاب من الجيل الأول، والطالبات.
تسلط الاستنتاجات الضوء على أنه بينما قد يؤدي التسجيل في ما قبل حساب التفاضل والتكامل إلى زيادة معدلات التسرب للطلاب القريبين من حد التسجيل، فإن أولئك الذين ينتقلون بنجاح إلى حساب التفاضل والتكامل 1 لا يعانون من تأثيرات سلبية على درجاتهم. وهذا يشير إلى أن التحديات التي تطرحها امتحانات تحديد مستوى الرياضيات تؤثر بشكل غير متناسب على الطلاب الذين لديهم استعداد أقل مسبقًا، بدلاً من أن تعكس فعالية الدورات التكميلية. تدعو الدراسة إلى إعادة تقييم استراتيجيات التسجيل وآليات الدعم داخل برامج الهندسة لتعزيز العدالة والاحتفاظ، مع التأكيد على الحاجة إلى تدخلات مخصصة لدعم الفئات الطلابية الممثلة تمثيلاً ناقصًا.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أزمة التسجيل الوشيكة في التعليم العالي، وخاصة في الهندسة، بسبب انخفاض معدلات المواليد وانخفاض الاهتمام الطلابي لاحقًا (باومان، 2024؛ بارشاي، 2018). تتطلب هذه الحالة استخدام ممارسات قائمة على البيانات للتنقل في عدم اليقين بشأن التسجيل في المستقبل (كامبيون، 2020). يواجه قطاع الهندسة حاجة ملحة للمهنيين، كما تشير التوقعات من مكتب إحصاءات العمل الأمريكي (2023)، مما يبرز أهمية زيادة المشاركة من المجموعات المهمشة تاريخيًا، بما في ذلك النساء، والأقليات الممثلة تمثيلاً ناقصًا (URM)، وطلاب الجيل الأول، لتعزيز قوة عاملة متنوعة ومبتكرة (الأكاديمية الوطنية للهندسة، 2018).
حاجز كبير أمام متابعة درجات الهندسة هو تحديد مستوى الرياضيات، والذي غالبًا ما يستخدم للتنبؤ بنجاح الطلاب وتحديد الأهلية لبرامج الهندسة (غاردنر وآخرون، 2007؛ هاينز وآخرون، 2003). أثار إدخال امتحانات تحديد مستوى الرياضيات، مثل تقييم ALEKS، مخاوف بشأن تأثيرها على تقدم الطلاب، خاصة بعد انخفاض الإنجاز الرياضي الذي تفاقم بسبب جائحة COVID-19 (بينكلي، 2023). تهدف الورقة إلى التحقيق في تداعيات أدوات تحديد مستوى الرياضيات على مسارات طلاب الهندسة في السنة الأولى، مع التركيز على تفاوتات التسجيل في حساب التفاضل والتكامل 1 عبر المجموعات السكانية، والاستمرار في الهندسة، والأداء المستقبلي في الدورة. من خلال دراسة هذه العوامل، تسعى الدراسة إلى المساهمة في الحوار المستمر حول دعم طلاب الهندسة في الرياضيات وسط الفجوات المتزايدة في الإنجاز وحدود التسجيل الوشيكة.
طرق البحث
تستخدم الدراسة طريقتين تحليليتين رئيسيتين للتحقيق في تأثير استعداد الرياضيات على تقدم الطلاب في حساب التفاضل والتكامل 1، مع التركيز بشكل خاص على الطلاب الممثلين تمثيلاً ناقصًا في الهندسة. الطريقة الأولى، تحليل كيتاوا-أوكساكا-بليندر، تُستخدم لتحليل تفاوتات التسجيل في حساب التفاضل والتكامل 1 بين المجموعات السكانية من خلال نسب الاختلافات في النتائج إلى التباينات في المتغيرات المساعدة مثل الاستعداد الأكاديمي ومتوسط الدرجات. تتيح هذه الطريقة قياس كل من الفجوات المفسرة وغير المفسرة في التسجيل، مما يسلط الضوء على العوامل التي تؤثر على قدرة الطلاب على تلبية حد ALEKS لحساب التفاضل والتكامل 1.
الطريقة الثانية، تحليل الانقطاع الانحداري الضبابي، تفحص تأثيرات دورة ما قبل حساب التفاضل والتكامل التكميلية على الطلاب الذين يحصلون على درجات قريبة من حد ALEKS. من خلال مقارنة النتائج للطلاب الذين هم فوق وتحت هذا العتبة، تقدر التحليل التأثير المحلي المتوسط لعلاج دورة ما قبل حساب التفاضل والتكامل على الاستمرار في تخصص الهندسة والأداء في حساب التفاضل والتكامل 1. تهدف هذه الطريقة المزدوجة إلى معالجة القضايا المتعلقة بالعدالة المرتبطة باستعداد الرياضيات وامتحانات تحديد المستوى، مما يسهم في فهم أوسع لكيفية دعم الطلاب في الرياضيات وتعزيز استمرارهم في برامج الهندسة. تركز أسئلة البحث على الفروقات غير المفسرة في التسجيل بين مجموعات الطلاب المختلفة وتأثير الدورات التكميلية على الأداء والاستمرار.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من تحليل كيتاوا-أوكساكا-بليندر، الذي يفحص تفاوتات التسجيل في حساب التفاضل والتكامل 1، مع التركيز بشكل خاص على درجات تحديد المستوى بالنسبة لحد محدد ودرجات تحديد المستوى الأولية للطلاب. يوفر هذا التحليل رؤى حول العوامل التي تؤثر على مشاركة الطلاب في حساب التفاضل والتكامل 1.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول تحليل الانقطاع الانحداري الضبابي السؤال البحثي الثاني من خلال تقييم تأثير دورة ما قبل حساب التفاضل والتكامل التكميلية على استمرار الطلاب في برامج الهندسة وأدائهم في حساب التفاضل والتكامل 1. تتيح هذه الطريقة فهمًا دقيقًا لكيفية تأثير الدورات التحضيرية على النجاح الأكاديمي اللاحق في التخصصات المتعلقة بحساب التفاضل والتكامل.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تطبيق نموذج إدخال-بيئة-نتيجة أستين (I-E-O) لتحليل العوامل التي تؤثر على استعداد الرياضيات والتسجيل في حساب التفاضل والتكامل 1 بين طلاب الهندسة. تحدد الدراسة الخصائص الأساسية للإدخال – مثل الجنس، حالة الجيل الأول، حالة الأقليات الممثلة تمثيلاً ناقصًا (URM)، والاستعداد الأكاديمي – جنبًا إلى جنب مع البيئة التعليمية التي شكلها تقييم تحديد مستوى الرياضيات ALEKS. تسلط النتائج الضوء على تفاوتات كبيرة في استعداد الرياضيات مرتبطة بموارد المدارس وخصائص الطلاب، مما يكشف أن الطلاب من المدارس ذات الموارد المنخفضة، وخاصة الطلاب من URM والجيل الأول، يواجهون حواجز تعيق تقدمهم الأكاديمي في الهندسة.
تستكشف التحليلات أيضًا تأثير الدورات التكميلية في الرياضيات على استمرار الطلاب في الهندسة. تشير إلى أن الطلاب الذين تم وضعهم في ما قبل حساب التفاضل والتكامل، غالبًا بسبب عدم كفاية استعداد الرياضيات، يعانون من معدلات استمرار أقل ووقت أطول للحصول على الدرجة مقارنة بأقرانهم الذين تم وضعهم مباشرة في حساب التفاضل والتكامل 1. تستخدم الدراسة طرقًا إحصائية، بما في ذلك تحليل كيتاوا-أوكساكا-بليندر والانقطاع الانحداري الضبابي، لتقييم أنماط التسجيل وتأثيرات تحديد مستوى الرياضيات على نتائج الطلاب. تشير النتائج إلى أن الاستعداد الأكاديمي، كما يقاس بمتوسط درجات المدرسة الثانوية ودرجات ALEKS، يؤثر بشكل كبير على التسجيل في حساب التفاضل والتكامل 1، حيث يظهر الطلاب من URM والجيل الأول معدلات تسجيل أقل على الرغم من مؤهلات أكاديمية مماثلة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الدور الحاسم لآليات تحديد مستوى الرياضيات العادلة في تعزيز نجاح الطلاب في تخصصات الهندسة.
القيود
تعترف الدراسة بعدة قيود تتعلق ببياناتها وتصميمها. بشكل أساسي، تأتي البيانات من مؤسسة واحدة كبيرة من فئة R1 تحتوي على نسبة كبيرة من تخصصات الهندسة، مما يحد من القدرة على تعميم النتائج عبر مجموعة أوسع من السياقات التعليمية. يمكن أن يوفر تضمين مؤسسات متعددة فهمًا أكثر شمولاً لتأثير امتحانات تحديد مستوى الرياضيات على نتائج الطلاب.
علاوة على ذلك، يعتمد التحليل على الطلاب الذين خضعوا للتعلم عن بُعد خلال جائحة COVID-19، وهو عامل ثبت أنه يؤثر بشكل كبير على الاستعداد الأكاديمي. تشير الأبحاث التي أجراها كوهفيلد وآخرون (2022) إلى أن درجات الرياضيات للطلاب انخفضت بشكل أكثر حدة من درجات القراءة خلال هذه الفترة، وخاصة بين أولئك من خلفيات ذات وضع اقتصادي منخفض (SES) والأقليات الممثلة تمثيلاً ناقصًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن تجارب تعلم الرياضيات المتنوعة خلال الجائحة، كما أبرزها رايان وسجادى (2024)، تعقد أيضًا تفسير النتائج وتحد من إمكانية تعميم الدراسة.
DOI: https://doi.org/10.3390/educsci15020154
Publication Date: 2025-01-26
Author(s): Olivia Ryan et al.
Primary Topic: Mathematics Education and Programs
Overview
The study addresses the challenges faced by educational institutions regarding declining enrollments and low mathematical achievements, specifically focusing on the impact of the ALEKS math placement exam on Calculus 1 enrollment and student persistence. Utilizing Astin’s input-environment-outcome model, the research analyzed data from 3,380 students through Kitagawa-Oaxaca-Blinder decomposition and fuzzy regression discontinuity methods. The findings suggest that an ALEKS cutoff score of 80% is effective, revealing significant disparities in enrollment and persistence among demographic groups, particularly for under-represented minorities (URM), first-generation, and female students.
The conclusions highlight that while enrolling in Pre-Calculus may increase dropout rates for students near the placement cutoff, those who successfully transition to Calculus 1 do not experience negative impacts on their grades. This indicates that the challenges posed by math placement exams disproportionately affect students with less prior preparation, rather than reflecting the efficacy of remedial courses. The study calls for a reevaluation of placement strategies and support mechanisms within engineering programs to promote equity and retention, emphasizing the need for tailored interventions to support underrepresented student populations.
Introduction
The introduction highlights the impending enrollment crisis in higher education, particularly in engineering, due to declining birth rates and a subsequent decrease in student interest (Bauman, 2024; Barshay, 2018). This situation necessitates the use of data-driven practices to navigate future enrollment uncertainties (Campion, 2020). The engineering sector faces a critical need for professionals, as indicated by projections from the U.S. Bureau of Labor Statistics (2023), emphasizing the importance of increasing participation from historically marginalized groups, including women, underrepresented minorities (URM), and first-generation students, to foster a diverse and innovative workforce (National Academy of Engineering, 2018).
A significant barrier to pursuing engineering degrees is mathematics placement, which is often used to predict student success and determine eligibility for engineering programs (Gardner et al., 2007; Heinze et al., 2003). The introduction of math placement exams, such as the ALEKS assessment, has raised concerns about their impact on student progress, particularly following a decline in math achievement exacerbated by the COVID-19 pandemic (Binkley, 2023). The paper aims to investigate the implications of math placement tools on first-year engineering students’ trajectories, focusing on enrollment disparities in Calculus 1 across demographic groups, persistence in engineering, and future performance in the course. By examining these factors, the study seeks to contribute to the ongoing dialogue about supporting engineering students in mathematics amidst growing achievement gaps and the looming enrollment cliff.
Methods
The study employs two primary analytical methods to investigate the impact of mathematics readiness on student progress in Calculus 1, particularly focusing on underrepresented students in engineering. The first method, the Kitagawa-Oaxaca-Blinder decomposition, is utilized to analyze enrollment disparities in Calculus 1 between demographic groups by attributing differences in outcomes to variations in covariates such as academic preparation and GPA. This method allows for the quantification of both explained and unexplained inequalities in enrollment, thereby shedding light on the factors influencing students’ ability to meet the ALEKS cutoff for Calculus 1.
The second method, fuzzy regression discontinuity analysis, examines the effects of a remedial Pre-Calculus course on students who score near the ALEKS cutoff. By comparing outcomes for students just above and below this threshold, the analysis estimates the local average treatment effect of the Pre-Calculus course on persistence in the engineering major and performance in Calculus 1. This dual-method approach aims to address equity concerns related to math readiness and placement exams, ultimately contributing to a broader understanding of how to support students in mathematics and enhance their persistence in engineering programs. The research questions focus on the unexplained enrollment differences among various student groups and the impact of remedial courses on performance and persistence.
Results
The results section presents findings from the Kitagawa-Oaxaca-Blinder analysis, which examines disparities in Calculus 1 enrollment, specifically focusing on placement scores relative to a defined cutoff and the initial placement scores of students. This analysis provides insights into the factors influencing student participation in Calculus 1.
Additionally, the fuzzy regression discontinuity analysis addresses the second research question by evaluating the impact of the remedial Pre-Calculus course on students’ persistence in engineering programs and their performance in Calculus 1. This approach allows for a nuanced understanding of how preparatory coursework influences subsequent academic success in calculus-related disciplines.
Discussion
In this section, the research discusses the application of Astin’s input-environment-outcome (I-E-O) model to analyze factors influencing math readiness and enrollment in Calculus 1 among engineering students. The study identifies key input characteristics—such as gender, first-generation status, underrepresented minority (URM) status, and academic preparation—alongside the educational environment shaped by the ALEKS math placement assessment. The findings highlight significant disparities in math readiness linked to school resources and student demographics, revealing that students from low-resourced schools, particularly URM and first-generation students, face barriers that hinder their academic progression in engineering.
The analysis further explores the impact of remedial math courses on student persistence in engineering. It notes that students placed in Pre-Calculus, often due to inadequate math readiness, experience lower persistence rates and longer time-to-degree compared to peers placed directly into Calculus 1. The study utilizes statistical methods, including the Kitagawa-Oaxaca-Blinder decomposition and fuzzy regression discontinuity, to assess enrollment patterns and the effects of math placement on student outcomes. Results indicate that academic preparedness, as measured by high school GPA and ALEKS scores, significantly influences enrollment in Calculus 1, with URM and first-generation students showing lower enrollment rates despite similar academic qualifications. Overall, the research underscores the critical role of equitable math placement mechanisms in fostering student success in engineering disciplines.
Limitations
The study acknowledges several limitations related to its data and design. Primarily, the data is sourced from a single large R1 institution with a significant proportion of engineering majors, which restricts the ability to generalize findings across a broader range of educational contexts. Inclusion of multiple institutions could provide a more comprehensive understanding of the impact of math placement exams on student outcomes.
Furthermore, the analysis is based on students who underwent remote learning during the COVID-19 pandemic, a factor that has been shown to significantly influence academic readiness. Research by Kuhfeld et al. (2022) indicates that students’ math scores declined more sharply than reading scores during this period, particularly among those from low socio-economic status (SES) backgrounds and under-represented minorities. Additionally, varying mathematics learning experiences during the pandemic, as highlighted by Ryan and Sajadi (2024), further complicate the interpretation of results and limit the study’s generalizability.