ピアインストラクションを導入した背景には, 中央教育審議会の答申新たな未来を築くための大学教育の質的転換に向けて ( 平成 24 年 8 月 28 日 ) がある. この中で従来のような知識の伝達注入を中心とした授業から, 教員と学生が意思疎通を図りつつ, 一緒になって切磋琢磨し, 相互に刺

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さあしゃこのえ
5 years ago
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事例報告 KIT KIT Progress 25 25 ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - Implementation of Peer Instruction in Physics Lecture - Deep Learning based on Peer Discussion - 工藤知草, 西誠, 三嶋昭臣

1 事例報告 KIT KIT Progress ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - Implementation of Peer Instruction in Physics Lecture - Deep Learning based on Peer Discussion - 工藤知草, 西誠, 三嶋昭臣 Tomoshige KUDO, Makoto NISHI, Akiomi MISHIMA 学生主体のピアインストラクションを導入した物理学講義を実践した. 学生がクリッカーで回答しながら能動的に講義に参加して, 学生同士のディスカッションにより, 深い学びを実現した. また,ICT 教材で物理の現象の理解を深めた. アンケートでは, 講義の満足度が高くなり, ピアインストラクション型講義はプロジェクトデザインやデザインシンキングに活きると考えた学生の割合が高くなった. キーワード : アクティブラーニング, 深い学び, ピアインストラクション,ICT, クリッカー We implemented student-centric physics lecture based on Peer Instruction. Students actively took a class using clickers, and peer discussion realized deep learning. Students understood physics phenomena by using ICT teaching-material tools. In questionnaire, students had a high satisfaction level in the lecture, and found the lecture based on Peer Instruction to be a very useful means of projectbased learning or design thinking. Keywords: Active Learning, Deep Learning, Peer Instruction, ICT, Clicker 1. はじめに学生が主体的に, 深い学び (Deep learning) をするアクティブラーニングの一つとして, ハーバード大学で実践され発展してきたピアインストラクション (Peer Instruction) という講義形態がある 1), 2). ここで,Peer は学生同士, Instruction は教え合いを意味する. ラーニングピラミッド ( 平均学習定着率 ) によれば, 他者に教えること (Teaching others) で,90 % の記憶の定着率を得られ, 教え合いの効果は, 半年後でも高いことが知られている. 通常の板書型講義の中で, 深く考える概念問題 (Concept Test) を出題し, 学生は, ARS(Audience Response Systems) のクリッカー ( 図 1) を用いて回答する. クリッカーで押した番号は, 瞬時に集約され, リアルタイムにクラス全体の回答分布がヒストグラムでスクリーンに表示される. 学生はディスカッションを行うことで, 論理的思考力を養う. このピアインストラクション型講義は, 受講者が 100 名を超える規模でも実現できる利点がある. 図 1 クリッカー 1 ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - 119

2 ピアインストラクションを導入した背景には, 中央教育審議会の答申新たな未来を築くための大学教育の質的転換に向けて ( 平成 24 年 8 月 28 日 ) がある. この中で従来のような知識の伝達注入を中心とした授業から, 教員と学生が意思疎通を図りつつ, 一緒になって切磋琢磨し, 相互に刺激を与えながら知的に成長する場を創り, 学生が主体的に問題を発見し解を見いだしていく能動的学修 ( アクティブラーニング ) への転換が必要である. と提言されている. ピアインストラクション型講義は, この提言にも適合し, 極めて有効なアクティブラーニング型講義の一つといえる 3). 2. クリッカーを活用したピアインストラクションの実践 2.1 ピアインストラクションの流れ 2015 年度の後学期の基礎物理の講義で, クリッカーを活用したピ表 1 履修状況アインストラクションを導入した講義を実践した. 受講者は合計 45 名学科 2 年生 3 年生で, 月曜 4 限に 90 分の 1 セメスター授業として行われた. 表 1 は受講者 EP 29 名の履修状況を示す. 準備として, クリッカーに 1~60 のラベルを張った. EE 1 名 1 名学生は, 講義を通して同じクリッカーを使用することでどの選択肢を選ん FP 1 名だかを知ることができる. はじめ, クリッカーの使い方を練習した. その VA 4 名 1 名後, 合計 4 回の講義で概念問題 ( 合計 14 問 ) を講義の中で出題した. ピ EM 1 名アインストラクションの流れは, 次の 1~9 のようになる. ER 6 名 1. 通常の板書型講義を実施する. 2. 講義に関連した概念問題 ( 選択肢問題 )( 図 2) を出題する. 3. 学生は自分で考え, クリッカーの番号を押して回答する ( 表 2 の議論前 ). 4. クラス全体の回答をヒストグラムでスクリーンに示す. IC 1 名 5. 学生同士, クリッカーで回答した番号とその理由を説明し合い, ディスカッションを行う. 6. 再度, クリッカーで回答する ( 表 2 の議論後 ). 7. クラス全体の回答を再度ヒストグラムでスクリーンに示す. 8. 学生を当て理由を答えてもらう. 9. 先生が正解を示し, 解説する. 2.2 概念問題と ICT 教材の活用図 2 は概念問題の例を示す. この問題は, 同じ質量の弾丸を 3 つ打ち出して, どの軌道が一番はやく落下するかというもので, 一番近くに落ちる弾丸が一番はやく落下するという直観に反して, 軌道の高さが一番低い軌道が一番はやく落下する ( 正解は C). 表 2 は, 議論前後の正答率を示し, 正解は太字で示した.2 回目のクリッカーの回答の後, 学生に回答理由を聞いたところ, 高さのみが, 落下時間に関係しているので, 横の長さは関係ないので, 一番はやく C に当るので 5 番を選択したと適切な考え方をしていた. 正解を示した後に,Excel VBA(Visual Basic for Applications) で作成した ICT(Information and Communication Technology) 教材で答えを示した. シミュレーション動画は, 教室内で演示が困難な現象を見ることで理解を深めることができる補助教材になる.Excel シート上の Start ボタンを押すと, 弾丸が 3 つ打ち出される. 弾丸は, はじめ C に当り ( 図 3), 次に A に当る ( 図 4) ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び -

3 表 2 クリッカーの回答選択肢議論前議論後 % 2.9 % % 0 % % 2.9 % % 5.9 % % 88.2 % 図 2 放物運動の概念問題図 3 はじめ C に衝突図 4 次に A に衝突クリッカーでディスカッションし,Excel VBA のような ICT を活用することで, 時間を有効に活用でき, これまでの伝統的なスタイルの板書型講義にも, アクティブラーニングをスムーズに取り入れることが可能となる. 2.3 議論前正答率と議論後正答率の推移図 5 は, 概念問題 (14 問 ) の議論前正答率と議論後正答率の推移を示す. 実線は, 議論前後で正答率が変化しない場合を示す. この図で学生が苦手な因子と得 (c) 意な因子を知ることができ, 効果的に授業改善することが可能となる. 図 5 で, 特に議論後の正答率が低くなった概念問題は (a) で, その問題を図 6 で, クリッ (a) カーの回答を表 3 で示した. 一定の速さで上昇するエ (b) レベーターの中にいる人にはたらく力に着目すると, 重力と垂直抗力がある. それらの力の合力が 0 N になるため, 人は一定の速さで進み続ける. この問題を解くためには, 人にはたらく力をすべて見抜くこと, 力の合力を求めること, ニュートンの運動の第 1 法則 ( 慣性の法則 ) で, 一定の速さで運動する場合, 力の合力が 0 N でなければならないことを理解してい図 5 議論前後の正答率の推移る必要がある. 3 ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - 121

4 表 3 クリッカーの回答選択肢議論前議論後 % 15.8 % % 71.1 % % 13.2 % 図 6 ニュートンの運動の第 1 法則 ( 慣性の法則 ) の概念問題表 4 クリッカーの回答選択肢議論前議論後 % 23.1 % 2 59 % 56.4 % % 20.5 % 図 7 ニュートンの運動の第 2 法則 ( 運動の法則 ) の概念問題図 5 の (b) で, 議論前後で, 正答率が 20 % 程度と, かなり低い概念問題がある ( 図 7, 表 4). 加速しながら上昇するエレベーターの中にいる人にはたらく力は重力と垂直抗力で, 垂直抗力が重力より大きいとき, 人にはたらく力の合力は鉛直上向きになる. ニュートンの第 2 法則 ( 運動の法則 ) より, 人は鉛直上向きに加速する. 議論前の正答率が 20.5 %, 議論後の正答率が 23.1 % であり, 今後, 授業を工夫する必要がある. 図 5 の (c) で, 議論後の正答率が 100 % になった. その概念問題を図 8 で, クリッカーの回答を表 5 で示した. この問題は, 一定の速さで運動する物体に撃力を加えたときに, 物体の運動を x-t グラフを答えるものになる. 力がはたらかない場合, ニュートンの運動の第 1 法則 ( 慣性の法則 ) より速さが一定なので直線になり, 力がはたらく場合, 速さが増加するため運動の第 2 法則 ( 運動の法則 ) より曲線になる. 力を加えるのをやめると, 物体は一定の速さで運動するため, 直線になり, 答えは選択肢 2 になる. 表 5 において, 議論前には, 選択肢 1 が 20 %, 選択肢 3 が 14.3 % であったが, 議論後には選択肢 2 の正答率が 100 % になった. このように, 学生同士のディスカッションと教え合いにより, 正しい物理概念が形成されていく. もし間違えても, 間違えた理由を考え, 深い学びを実現するピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び -

5 表 5 クリッカーの回答選択肢議論前議論後 1 20 % 0 % % 100 % % 0 % 図 8 運動の第 1 法則と運動の第 2 法則の概念問題 ( 撃力 ) 2.4 ピアインストラクションのアンケート結果授業後にピアインストラクションに関する 4 つのアンケートを実施した.5 点中, 平均 4 点以上と高くなり, ピアインストラクションで, 理解を深めることができたことが確認された. 質問 1 友達と議論して, クリッカーで 2 度回答することで, 概念問題に対する理解は深まりましたか. 平均 4.2 点 ( 深まった場合 5 点, 深まらなかった場合 1 点 ) 質問 2 クリッカーを用いて能動的に学修することに興味をもてましたか? 平均 4 点 ( 興味をもった場合 5 点, 興味をもたなかった場合 1 点 ) 質問 3 クリッカーを用いた学習は授業の理解に役立ちましたか? 平均 4.1 点 ( 役立った場合 5 点, 役立たなかった場合 1 点 ) 質問 4 ピアインストラクション型講義と通常の板書型講義のどちらの授業を受けたいですか. 平均 4.1 点 ( ピアインストラクション型講義 5 点, 通常の板書型講義 1 点 ) 3. グループ学習 3.1 グループ学習発表会基礎物理では,2 回のグループ学習 (90 分 2) と 1 回の発表会 (90 分 1) を実施する. 本講義でのグループ学習の課題は意外だと思った現象の問題を設定し, 問題文を作成する. 物理法則を用いて問題文を解き, 解を求める. また, 図を用いてその現象を説明するとした. この課題の目的は, 問題設定能力を養うことにある. この課題は, 本論文の著者の一人の西誠教授が実践してきたグループ学習の課題であり,2015 年度後学期の基礎物理の講義でその課題を実践した. このグループ学習を実践した背景には, 文部科学省の大学における実践的な技術者教育のあり方に関する協力者会議の報告書 ( 平成 22 年 6 月 3 日 ) がある. その中で日本経済団体連合会は, 技術系人材に対して, 基礎学力の不足, 問題設定能力の不足, 目的意識の欠如, 狭い専門領域等の問題点があると指摘している. と述べられている. 金沢工業大学の教育目標は自ら考え行動する技術者の育成であり, 技術者に必要な汎用的能力を培うような講義を実践することを目標にした. はじめは個人でレポートを作成し, その後,4 名のグループをつくりディスカッションして, その課題を発展させる. 発表会では, パワーポイントを活用して 4 名が協力して発表した. また, 他の班の発表をお互いにクリッカーで評価し, 客観的に見る目を培うことを目標にした. 5 ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - 123

3.2 グループ学習のアンケート結果授業後にグループ学習に関する 4 つのアンケートを実施した. 以下に結果を示す.5 点中 3.8~4 点の間にあり, 自分の班の発表に満足できましたかという設問が一番低くなった. 質問 5 自分の班の発表の内容を満足できましたか. 平均 3.8 点 ( 満足した場合 5 点, 満足しなかった場合 1 点 ) 質問 6 他の班の発表の内容を理解できましたか.

6 3.2 グループ学習のアンケート結果授業後にグループ学習に関する 4 つのアンケートを実施した. 以下に結果を示す.5 点中 3.8~4 点の間にあり, 自分の班の発表に満足できましたかという設問が一番低くなった. 質問 5 自分の班の発表の内容を満足できましたか. 平均 3.8 点 ( 満足した場合 5 点, 満足しなかった場合 1 点 ) 質問 6 他の班の発表の内容を理解できましたか. 平均 4 点 ( 理解できた場合 5 点, 理解できなかった場合 1 点 ) 質問 7 自ら考えたテーマに対し物理を活用できましたか. 平均 3.9 点 ( 活用できた場合 5 点, 活用できなかった場合 1 点 ) 質問 8 自ら設定した問題を論理的に説明する上で物理の知識が重要であることを理解できましたか. 平均 4 点 ( 理解できた場合 5 点, 理解できなかった場合 1 点 ) 4.FCI(Force Concept Inventory) 講義による学生の概念理解の向上を定量的に調査するテストとして FCI(Force Concept Inventory) 4) がある.2015 年度後学期の基礎物理において FCI を講義の前後に実施した.FCI は 5 択の選択肢問題で構成され合計 30 問ある. 講義の事前 (pre), 事後 (post) の FCI の正解率を, それぞれ S pre, S post % とすると, 規格化ゲインは gggg = S post S S pre pre で表される. ゲインは gggg = 0.13 であった. 図 9 に FCI の事前テストと事後テストの正答率を示した. 今後, 講義の前後の FCI の正答率を検証して, 授業改善に活かす. 図 9 FCI の事前事後テストの正答率ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び -

7 5. 講義後のアンケートと物理の好感度調査 5.1 アンケート結果最後に, ピアインストラクション型講義がプロジェクトデザインに活きるかの質問をした. 質問 9 ピアインストラクション型講義で培う汎用的能力は, 金沢工業大学の教育の中心であるプロジェクトデザインやデザインシンキングに活きると思いますか. 平均 4.1 点 ( 活きると思う場合 5 点, 活きないと思う場合 1 点 ) 学生による 5 段階評価の結果を図 10 で示した. ピアインストラクション型講義は, 金沢工業大学の教育目標, プロジェクトデザイン, デザインシンキングにも活きるアクティブラーニングの一つで, 学生同士の教え合いにより, 深い学びを促進する講義形態である. 図 10 アンケート結果のヒストグラム 5.2 好感度調査最後に, 講義の前後に物理の好感度調査を実施した表 6 クリッカーの回答ので報告する. 講義のはじめに, 物理の好感度を 5 段選択肢講義前講義後階で調査した ( 表 6). ピアインストラクション型講好きです 14.3 % 28.6 % 義を受ける前に, 物理を嫌いと回答した学生の割合はどちらかといえば好き 28.6 % 34.3 % 31.4 % いたが, 講義後には 8.6 % まで減少した. 講義普通 25.7 % 28.6 % の前後で, 物理を嫌いと回答した学生の割合が 22.8 % どちらかといえば嫌い 17.1 % 0 % も減少した. また, 物理を好きと答えた学生の割合ははっきりいって嫌い 14.3 % 8.6 % 講義の前後で 20 % も増加した. 講義前後の物理に対する好感度の変化を示したものが図 11 になる. プラスは好感度が上昇したことを示す. 例えば, 嫌い 4 から普通 3 に変化したときには-(3-4) = +1 となる. アンケートは講義の前後に実施したが, その両方を回答した学生数は 35 名であった.1 名だけ, 好感度の推移が-4 になった学生がいた. その学生は, 過年度生 (3 年生 ) であり, 今後, 過年度生の状況も考えて授業を工夫する必要がある. 全体としては, 講義の前後で物理に対する意識が好きな方向へ変化したのは 18 名で, 嫌いな方向へ変化したのは 2 名であった. 技術者の基礎科目である物理に対する意識が改善されたことはとても意義がある. 図 11 好感度の推移のヒストグラム 7 ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び - 125

6. まとめピアインストラクション型講義は, 学生同士の教え合いで深い学びをする, 学生主体の講義形態である. 学生はクリッカーで回答して, 楽しみながらディスカッションし, 能動的に講義に参加した. 教員は, 学生が苦手な因子と得意な因子を知ることで, 講義の改善をすることができる.

Mazur, Peer Instruction: A User s Manual, Englewood Cliffs NJ: Prentice Hall(1997). 2)C.H. Crouch and E. Mazur, Peer Instruction: Ten Years of Experience and Results, Am. J.

Hake, Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousand-student survey of mechanics test data for introductory physics courses, Am. J. Phys. 66 (1), pp.

8 6. まとめピアインストラクション型講義は, 学生同士の教え合いで深い学びをする, 学生主体の講義形態である. 学生はクリッカーで回答して, 楽しみながらディスカッションし, 能動的に講義に参加した. 教員は, 学生が苦手な因子と得意な因子を知ることで, 講義の改善をすることができる. アンケート結果では, ピアインストラクション型講義をまた受講したいと思う学生が多く, 深い理解を得て, 満足度が高く, プロジェクトデザインやデザインシンキングに活きると考えた学生が多かった. 講義後, 物理を好きと答えた学生が多くなり, 技術者の基礎となる物理学の好感度が上昇した. 参考文献 1)E. Mazur, Peer Instruction: A User s Manual, Englewood Cliffs NJ: Prentice Hall(1997). 2)C.H. Crouch and E. Mazur, Peer Instruction: Ten Years of Experience and Results, Am. J. Phys. 69 (9), pp (2001). 3) 新田英雄, 松浦執, 工藤知草, ピアインストラクションを導入した物理入門講義の実践と分析, 科学教育研究,38(1),pp.12-19(2014). 4)R. Hake, Interactive-engagement versus traditional methods: A six-thousand-student survey of mechanics test data for introductory physics courses, Am. J. Phys. 66 (1), pp (1998). [ 原稿受付日平成 28 年 8 月 4 日採択決定日平成 28 年 12 月 16 日 ] 工藤知草講師博士 ( 理学 ) 基礎教育部数理基礎教育課程数理工教育研究センター物理教育, 量子力学, 光学三嶋昭臣教授工学博士シニア教育士 ( 工学技術 ) 教育支援機構専任教員物理学, 物性理論, 物理教育西誠教授博士 ( 工学 ) 基礎教育部数理基礎教育課程数理基礎教育課程主任数理工教育研究センター工学教育, 機械加工ピアインストラクションを導入した物理学講義の実践 - 学生同士のディスカッションによる深い学び -

3-2 学びの機会グループワークやプレゼンテーションディスカッションを取り入れた授業が 8 年間で大きく増加この8 年間でグループワークなどの協同作業をする授業 ( よく+ある程度あった ) と回答した比率は18.1ポイントプレゼンテーションの機会を取り入れた授業 ( 同 ) は 16.0

3-2 学びの機会グループワークやプレゼンテーションディスカッションを取り入れた授業が 8 年間で大きく増加この8 年間でグループワークなどの協同作業をする授業 ( よく+ある程度あった ) と回答した比率は18.1ポイントプレゼンテーションの機会を取り入れた授業 ( 同 ) は 16.0 3-1 大学教育観大学に指導や支援を求める意見が 8 年間で増加 3 大学生の学びこの8 年間で学習方法を自分で工夫するよりも大学の指導を受けたいと考える学生が11.4ポイント学生生活について学生の自主性に任せるよりも教員の指導支援を受けたいと考える学生が22.9ポイント増加しており大学に指導を求める声が大きくなっているまた単位取得が難しくても興味のある授業よりもあまり興味がなくても楽に単位を取得できる授業