[論文レビュー] A pandemic-resilient open-inquiry physical science lab course which leverages the Maker movement

F. R. Bradbury, Freek Pols|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Innovative Teaching Methods参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、手頃な価格のマイコン（アーウィーノ）とフリップ・クラスルームモデルを用いて、学生が自ら実験を設計・実施できる、パンデミックに強く、オープン・インクワイリの物理実験授業を提示する。新型コロナウイルス感染症の拡大に伴う突然のオンライン学習への移行にもかかわらず、全学生がオリジナルの研究プロジェクトを無事に完了させ、オープン・インクワイリのアプローチ、アクセス可能な技術、学生主導の学びに重きを置いた本授業の回復力と効果性が裏付けられた。

ABSTRACT

Without any major changes, a pilot version of a physical science lab course was able to continue when the COVID-19 crisis necessitated the abrupt suspension of on-campus education. The 'Maker Lab' course, in which students conceive and set up their own experiments using affordable microcontrollers, required students to follow the entire arc of an empirical research cycle twice. The decision for and facilitation of such open-inquiry projects was based on and warranted by the literature on teaching the process of experimental research and methods of scientific research. The flipped classroom approach was used, where contact time is devoted to discussions and the students' actual experiments were carried out independently at home or elsewhere without the in-person supervision of an instructor. Despite the COVID-19 measures, all students were able to produce interesting and successful research projects. While there were of course difficulties encountered due to the abrupt transition to online teaching, we found several counterbalancing advantages that bear consideration for inclusion even when all teaching activities can return to campus. We believe that three components in the design of the course were vital to the resilience of the course: the choice for fully open-inquiry projects, the decision to use Arduinos as measurement tools, and the flipped aspect of the instruction methods. We also include considerations for adapting these pandemic-resilient methods in other courses and programs.

研究の動機と目的

• 新型コロナウイルス感染症のような制度的混乱が生じても存続可能な、物理的に距離をとったオープン・インクワイリの物理科学実験授業を開発すること。
• マーカー運動とアクセス可能なマイコン技術（例：アーウィーノ）が、遠隔学習環境における真正の科学的探求をどのように支援できるかを調査すること。
• 対面指導が不可能な状況下でも、フリップ・クラスルームモデルが学生の関与度と研究の質を維持する効果を評価すること。
• 将来の危機やハイブリッド学習モデルに対応するための、科学実験授業の回復力を高める設計原則を同定すること。

提案手法

• 学生は、低コストでオープンソースのマイコン（アーウィーノ）を測定ツールとして用いて、2つの独立した実験を設計・実行するよう割り当てられた。
• 授業の構造はフリップ・クラスルームモデルに従い、非同期でのコンテンツ配信と、プロジェクト開発やトラブルシューティングに dedicated された対面またはバーチャルのディスカッション時間を設けた。
• オープン・インクワイリのプロジェクトが中心であった：学生は自ら研究課題を定義し、実験装置を設計し、データを収集し、結果を分析したが、事前に決められた実験マニュアルは提供されなかった。
• 授業では、仮説形成、実験設計、データ収集、分析、結論の導出という、真の科学的実践を模倣する包括的な経験的調査プロセスを重視した。
• すべての実験は、最小限の教員監視のもとで、学生が自宅で遠隔で実施した。主にデジタル通信と文書記録に依存した。
• アーウィーノの使用により、正確で再現性のある測定が可能になり、多様な物理現象（運動、温度、光など）のためのカスタムセンシングシステムの構築が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理実験授業が、対面から遠隔学習に突然移行する状況下でも、科学的厳密性と学生の関与度をどのように維持できるか。
• RQ2 低コストのマイコン（例：アーウィーノ）を用いたオープン・インクワイリのプロジェクトが、遠隔学習環境において、真正の科学的調査をどの程度支援できるか。
• RQ3 パンデミックに起因する混乱下でも、フリップ・クラスルームモデルが学生の自律性とプロジェクトの質をどのように維持するか。
• RQ4 制度的閉鎖に直面した際に、実験授業の回復力を高める設計的特徴は何か。

主な発見

• 全学生がアーウィーノを用いて、2つのオリジナルで自ら設計した実験を無事に完了させ、経験的調査プロセスの全段階に深く関与した。
• アーウィーノの使用により、自宅環境でも運動、温度、光などの多様な物理現象において、信頼性があり再現性のあるデータ収集が可能になった。
• 突然の移行に伴う物流上の課題にもかかわらず、学生は科学的に意味のある、技術的にも妥当なプロジェクトを生み出した。これは、強い学習成果を示している。
• フリップ・クラスルームモデルにより、限られた接触時間内でも、集中力があり質の高い対話を実現し、プロジェクトの深さと学生支援を高めた。
• 3つの核心的な設計要素——オープン・インクワイリの構造、アーウィーノを用いた測定ツール、フリップ指導——が、本授業の回復力に不可欠であることが同定された。
• 著者らは、遠隔実施によって予期しない利点が明らかになったと観察した。具体的には、学生の主体性や創造性が向上し、パンデミック後でもこれらの利点を維持できる可能性がある。