Understanding Self-Regulated Learning Behavior Among High and Low Dropout Risk Students During CS1: Combining Trace Logs, Dropout Prediction and Self-Reports

ملخص تقني لورقة بحثية بعنوان: "فهم سلوك التعلم المنظم ذاتياً لدى الطلاب ذوي مخاطر التسرب العالية والمنخفضة خلال مساق البرمجة التمهيدي (CS1): الجمع بين سجلات التتبع، والتنبؤ بالتسرب، والتقارير الذاتية."

1. بيان المشكلة

تُعد مساقات البرمجة التمهيدية (CS1) عائقاً حرجاً في تعليم علوم الحاسوب، حيث تتميز بمعدلات تسرب عالية وتحديات كبيرة للمتعلمين المبتدئين. وبينما يمكن لنماذج تحليلات التعلم التنبؤية تحديد الطلاب المعرضين للخطر بدقة عالية، إلا أن هذه النماذج غالباً ما تفتقر إلى القابلية للتفسير. يواجه التربويون صعوبة في فهم لماذا يُتوقع تسرب طالب ما، أو كيف تساهم سلوكيات تعلمه المحددة في زيادة خطر التسرب هذا.

تعتمد الأبحاث الحالية غالباً على مقارنات ما بعد المساق بين المتفوقين ومنخفضي الأداء، أو تستخدم تقارير ذاتية تفتقر إلى التفصيل الزمني. وهناك حاجة إلى منهجية تقوم بـ:

• ربط بيانات السلوك في الوقت الفعلي (سجلات التتبع) مع نماذج التنبؤ بالتسرب.
• التمييز بين الصعوبات المؤقتة والمسارات غير القابلة للاستدراك التي تؤدي إلى التسرب.
• دمج نظرية التعلم المنظم ذاتياً (SRL) لتفسير هذه السلوكيات.

2. المنهجية

استخدمت الدراسة نهجاً مختلط الأساليب يجمع بين تحليلات التعلم الكمية والتقارير الذاتية النوعية، استناداً إلى نظرية التعلم المنظم ذاتياً (SRL) (تحديداً إطار عمل "التكتيك-الاستراتيجية" لـ وين و هادوين).

2.1 جمع البيانات

• السياق: مساق CS1 بواقع 6 ساعات معتمدة في جامعة يوفاسكولا (خريف 2023) يضم 321 طالباً مسجلاً.
• المشاركون: قدم 47 طالباً موافقاً سجلات التتبع؛ وأكمل 29 منهم استبيان التقارير الذاتية بعد انتهاء المساق.
• مصادر البيانات:
  • سجلات التتبع: 86,738 حدثاً خاماً من بيئة التعلم الافتراضية (VLE)، تشمل استخدام كتاب المساق، المحاضرات، تسليم المهام (التمهيدية، الأساسية، الجوهرية، الإضافية، ومهام الخبراء)، جلسات المساعدين التدريجيين (TA)، ومراجعة الإجابات النموذجية.
  • بيانات الأداء: درجات المهام الأسبوعية، درجات الامتحانات، والدرجات النهائية.
  • التقارير الذاتية: أسئلة مفتوحة حول عادات الدراسة، التحديات، واستخدام الموارد.

2.2 مسار تحليل البيانات

طوّر المؤلفون مساراً مكوناً من خمس خطوات لتحويل السجلات الخام إلى ملفات تعريف تعلم قابلة للتفسير:

1. المعالجة المسبقة للسجلات: تم تجميع الأحداث الخام في جلسات طلابية باستخدام حد فاصل قدره 25 دقيقة (بناءً على الوقت المقدر لإكمال المهمة). تم استبعاد الجلسات التي تحتوي على حدث واحد لتصفية الضوضاء.
2. اكتشاف تكتيكات التعلم:
   • تم تحويل الجلسات إلى ناقلات تردد الأحداث (82 رمز حدث متميز).
   • تم تطبيق تجميع k-medoids (باستخدام مسافة $\ell_1$) لتحديد 12 تكتيك تعلم متميزاً (مثل "التركيز على مواد المساق"، "محاولة أداء المهام الجوهرية"، "مراجعة الأسابيع السابقة").
3. صياغة استراتيجية التعلم:
   • تم إعادة تسمية الجلسات برموز التكتيكات المقابلة لها.
   • تم تقسيم السجلات إلى سجلات فرعية أسبوعية لالتقاط تطور الاستراتيجيات عبر 11 أسبوعاً من المساق.
   • يشكل التسلسل الأسبوعي للتكتيكات استراتيجية تعلم.
4. توصيف استراتيجية التعلم (تجميع المخاطر):
   • تم تطبيق نموذج انحدار لوجستي مدرب مسبقاً للتنبؤ بالتسرب (بناءً على أداء المهام) على كل أسبوع لكل طالب لتوليد احتمالية التسرب ($p_{drop}$).
   • تم تصنيف الاستراتيجيات كـ عالية المخاطر ($p_{drop} > 0.5$) أو منخفضة المخاطر ($p_{drop} \leq 0.5$).
   • التجميع: تم تجميع الاستراتيجيات داخل كل مجموعة خطر باستخدام توقع التعظيم (EM) على نماذج ماركوف من الدرجة الأولى (FOMM) لانتقالات التكتيكات.
   • التفسير: تم تصور المجموعات باستخدام الشبكات الاستدلالية (تنقيب العمليات) ومخططات SHAP waterfall (لتفسير ميزات التنبؤ) لتحديد أنواع استراتيجية متميزة.
5. توصيف الطلاب:
   • تم تجميع الطلاب بناءً على تكرار أنواع الاستراتيجيات التي استخدموها طوال المساق (التجميع التجمعي - Agglomerative Clustering).
   • استُخدمت اختبارات برونر-مونزل للمقارنة إحصائياً بين المجموعات فيما يتعلق بالدرجات، تنبؤات التسرب، والآراء المبلغ عنها ذاتياً.
   • استُخدم التحليل النوعي للمحتوى للتقارير الذاتية للتحقق من المجموعات الكمية وسياقها.

3. المساهمات الرئيسية

• التكامل المنهجي: مسار مبتكر يجمع بين تنقيب العمليات، النماذج التنبؤية، والتقارير الذاتية لتفسير سبب كون الطالب معرضاً للخطر، متجاوزاً مجرد التصنيف البسيط.
• تصنيف الاستراتيجيات الدقيق: تحديد 12 نوعاً متميزاً من استراتيجيات التعلم الأسبوعية، مصنفة حسب مستوى الخطر:
  • 3 استراتيجيات منخفضة المخاطر: موجهة نحو المهام (تركز على الأداء)، البحث عن الفهم (كثيفة الموارد)، ومركزة على الموارد (المواد > المهام).
  • 9 استراتيجيات عالية المخاطر: تتراوح بين الصعوبات القابلة للاستدراك (مثل "البداية البطيئة"، "المحاولة مع استخدام الأمثلة") وأنماط الفشل الحرجة (مثل "التأخر عن الركب، وإدراك الصعوبة في وقت متأخر جداً"، "التركيز المخاطر على المهام الإلزامية فقط").
• التوصيف الطولي: تعريف 5 أنواع لملفات تعلم الطلاب بناءً على كيفية تنقلهم بين هذه الاستراتيجيات طوال الفصل الدراسي.
• التثليث (Triangulation): إثبات كيف يمكن للتقارير الذاتية حل الغموض في بيانات سجلات التتبع (على سبيل المثال، تفسير سبب نجاح طالب يستخدم استراتيجيات "عالية المخاطر").

4. النتائج الرئيسية

4.1 سلوكيات انخفاض خطر التسرب (RQ1)

أظهر الطلاب ذوو خطر التسرب المنخفض ثلاث استراتيجيات أسبوعية رئيسية:

1. الموجهة نحو المهام: ركزت على إكمال المهام الإلزامية والأساسية بكفاءة.
2. البحث عن الفهم: أعطت الأولوية للاستيعاب العميق عبر المحاضرات والموارد الإضافية قبل محاولة أداء المهام.
3. المركزة على الموارد: قضت وقتاً كبيراً في مواد المساق والإجابات النموذجية بدلاً من إكمال المهام الفوري.

• الملفات التعريفية: ارتبطت هذه السلوكيات بملفات مثل "الباحثون عن الفهم التكيفي" (الذين عدلوا استراتيجياتهم بناءً على السياق) و**"المتعلمون النشطون الموجهون نحو المهام"**.

4.2 سلوكيات ارتفاع خطر التسرب (RQ2)

أظهر الطلاب عالي المخاطر تسع استراتيجيات متميزة. ومن الأهمية بمكان أن الدراسة ميزت بين المخاطر المؤقتة والنهائية:

• المخاطر القابلة للاستدراك: الاستراتيجيات مثل "البداية البطيئة" أو "الصعوبة في الفهم" كانت تُستخدم غالباً من قبل طلاب تعافوا ونجحوا في النهاية.
• المخاطر النهائية: الاستراتيجيات مثل "التأخر عن الركب، وإدراك الصعوبة في وقت متأخر جداً" (مشاهدة الإجابات النموذجية دون أداء المهام) و**"التركيز المخاطر على المهام الإلزامية فقط"** ارتبطت بقوة بالطلاب الذين تسربوا.
• الاستنتاج: الطلاب الذين تسربوا عادة ما عادوا إلى استراتيجيات عالية المخاطر قبل أسبوع أو أسبوعين من المغادرة، وغالباً بعد تقديم موضوع صعب معين.

4.3 ملفات الطلاب والتقارير الذاتية (RQ3)

حددت الدراسة خمسة ملفات تعريفية للطلاب:

1. الباحثون عن الفهم التكيفي (N=20): عدلوا استراتيجياتهم بناءً على المواضيع الأسبوعية؛ وكان لديهم تفاعل عالٍ مع موارد متنوعة.
2. المتبعون المجتهدون لمحتوى المساق (N=14): اتبعوا الجدول الزمني المقترح بصرامة؛ وكان لديهم اعتماد كبير على المساعدين التدريسيين والمجموعات الزميلة.
3. المتعلمون النشطون الموجهون نحو المهام (N=5): استخدموا باستمرار استراتيجيات منخفضة المخاطر؛ وحققوا معدلات إنجاز مهام عالية.
4. المثابرون حتى النهاية (N=1): حالة استثنائية استخدمت استراتيجيات عالية المخاطر (الحد الأدنى من العمل على المهام) لكنها نجحت بدرجات ممتازة بسبب الأداء الاستثنائي في الامتحان. كشف تقريرهم الذاتي عن سوء إدارة الوقت لديهم مقابل مهارات قوية في استرجاع المعلومات.
5. المتسربون من المساق (N=7): جميعهم تسربوا بحلول منتصف المساق. استخدموا حصرياً استراتيجيات عالية المخاطر في الأسابيع التي سبقت رحيلهم.

التحقق: أكدت التقارير الذاتية النتائج الكمية. فعلى سبيل المثال، أفاد مجموعة "التكيفي" بتعديل روتينهم بسبب ظروف شخصية، بينما أفاد مجموعة "المجتهد" بالاعتماد الكبير على المساعدة الخارجية. كما فسر التقرير الذاتي للمثابر الوحيد مساره الفريد (التركيز على الامتحان) الذي قد يخطئ سجل التتبع في تصنيفه كفشل.

5. الأهمية والآثار العملية

• التدخلات المستهدفة: توفر الدراسة إطاراً للمساعدين التدريسيين والمدرسين ليس فقط لتحديد من هو معرض للخطر، بل ما هو السلوك المحدد الذي يسبب هذا الخطر. على سبيل المثال، يحتاج الطالب الذي يستخدم "الاعتماد المتأخر على الإجابات النموذجية" إلى تدخل مختلف (مثل فرض إكمال المهام) عن الطالب الذي يعاني من "بداية بطيئة" (مثل التدريب على إدارة الوقت).
• أنظمة الإنذار المبكر: من خلال ربط أنواع الاستراتيجيات الأسبوعية باحتمالات التسرب، يمكن للتربويين التدخل أثناء المساق بدلاً من التدخل بعد فوات الأوان.
• نظرة شاملة: يمنع الجمع بين سجلات التتبع والتقاربات الذاتية سوء التفسير. فالطالب الذي يبدو "عالي المخاطر" في السجلات قد يكون متعلماً "مثابراً" يمتلك ببساطة استراتيجية مختلفة (ولكن فعالة)، مما يمنع التدخلات غير الضرورية أو الموجهة بشكل خاطئ.
• القابلية للتوسع: يستخدم المسار بيانات موجودة بالفعل في بيئة التعلم الافتراضية ونماذج تعلم آلي قياسية، مما يجعله قابلاً للتطبيق في مجموعات CS1 الكبيرة دون الحاجة إلى طرق جديدة لجمع البيانات تتسم بالاقتحام.

في الختام، تثبت هذه الورقة أن أنواع استراتيجيات التعلم هي أكثر قدرة على التنبؤ والتفسير من مجرد أعداد الأنشطة الخام. ومن خلال تصنيف السلوكيات إلى ملفات تعريف مخاطر محددة، تقدم الدراسة خارطة طريق عملية لتقليل معدلات التسرب في مساق CS1 من خلال دعم محدد السلوك وفي الوقت المناسب.