[論文レビュー] A Vision of Interdisciplinary Education: Students' Reasoning about "High-Energy Bonds" and ATP

Benjamin W. Dreyfus, Vashti Sawtelle+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2014

Interdisciplinary Research and Collaboration参考文献 48被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、生物学と物理学教育が、ATP や「高エネルギー結合」に関する学生の推論を通じてどのように統合できるかを調査し、学習者が分野間の明らかな矛盾を、文脈依存のモデリング選択によって解消していることを明らかにした。主な貢献は、学習者が分野の整合性を保ちながら、横断的な理解を構築できるように支援する、分野間推論（IDR）の枠組みの構築である。

ABSTRACT

As interdisciplinary courses are developed, instructors and researchers have to grapple with questions of how students should make connections across disciplines. We explore the issue of interdisciplinary reconciliation (IDR): how students reconcile seemingly contradictory ideas from different disciplines. While IDR has elements in common with other frameworks for the reconciliation of ideas across contexts, it differs in that each disciplinary idea is considered canonically correct within its own discipline. The setting for the research is an introductory physics course for biology majors that seeks to build greater interdisciplinary coherence and therefore includes biologically relevant topics such as ATP and chemical bond energy. In our case-study data, students grapple with the apparent contradiction between the energy released when the phosphate bond in ATP is broken and the idea that an energy input is required to break a bond. We see students justifying context-dependent modeling choices, showing nuance in articulating how system choices may be related to disciplinary problems of interest. This represents a desired endpoint of IDR, in which students can build coherent connections between concepts from different disciplines while understanding each concept in its own disciplinary context. Our case study also illustrates elements of the instructional environment that play roles in the process of IDR.

研究の動機と目的

• 異なる分野における科学的アイデアの矛盾、特にATPと結合エネルギーに関して、学生がどのように統合しているかを調べること。
• 分野の文脈が、生化学的プロセスにおけるエネルギー変化に関する学生の推論にどのように影響するかを調査すること。
• 物理学と生物学の間で一貫した学習を支援する、分野間統合（IDR）の枠組みを開発すること。
• 洗練された文脈感受性のモデリング意思決定を行うのを支援する教育的条件を同定すること。
• ATPの結合切断に伴うエネルギー放出と、化学結合を切断するために必要なエネルギーという、表面的な矛盾を学生がどのように乗り越えているかを理解すること。

提案手法

• 生物学専攻向けに設計された入門的物理学コースにおける事例研究を実施し、ATPなどの生物学的に関連するトピックを統合した。
• ATPと結合エネルギーに関する学生の推論データを、インタビューと授業観察を通じて収集・分析した。
• 分野間統合（IDR）の枠組みを用いて、物理学（結合の切断にはエネルギーが必要）と生物学（ATP加水分解はエネルギーを放出）のアイデアを学生がどのように統合しているかを分析した。
• 学生のシステム境界の選択とモデリング意思決定を追跡し、分野の目的とどのように一致しているかを評価した。
• 質的分析を用いて、文脈ごとのモデリング意思決定の正当化におけるパターンを同定した。
• 分野間統合の焦点として、「高エネルギー結合」の概念に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 学生が、結合の切断にエネルギーが必要であるのに対し、ATPはエネルギーを放出するという表面的な矛盾に直面した際、ATP加水分解に関連するエネルギー変化をどのように推論しているか。
• RQ2 学生が物理学的および生物学的視点からATPエネルギー変化を説明する際、どのような方法で文脈依存のモデリング選択を行っているか。
• RQ3 分野の規範と目的が、化学結合内のエネルギーおよびATP反応におけるエネルギーの解釈に、学生の理解にどのように影響しているか。
• RQ4 どのような教育的特徴が、異なる分野の明らかに矛盾する科学的アイデアを統合する能力を支援または阻害しているか。
• RQ5 ATPの文脈において、学生が物理学と生物学の間でつながりを構築する際、どの程度分野の整合性を保っているか。

主な発見

• 学生は、システム境界や文脈に特化したモデリングに注目することで、結合の切断にエネルギーが必要であるのに対し、ATP加水分解でエネルギーが放出されるという表面的な矛盾をうまく統合した。
• 学習者は、生物学的文脈における熱力学的自発性と物理的文脈における結合解離エネルギーを区別することで、洗練された推論を示した。
• 学生は、分野の関連性に基づいてモデリング選択を正当化しており、それぞれの分野内で概念的一貫性を保ちながら、分野を越えた考えを結びつけることができた。
• 教育的環境、特に物理学の授業に生物学的に関連する内容を統合することにより、分野間推論が可能になった。
• 本研究では、学生の推論が単なるアイデアの混合ではなく、意図的で文脈感受性の高い分野の規範の適用であることが明らかになった。
• 分野間統合（IDR）の枠組みは、科学分野間で一貫性があり、分野に配慮したつながりを築くのを支援する有効なモデルであると検証された。