[論文レビュー] Automaticity in Computation and Student Success in Introductory Physical Science Courses

JudithAnn R. Hartman, Eric A. Nelson|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Teaching and Learning Programming参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、暗記や演習の重視が薄れたカリキュラムの影響により、米国の数学・科学教育における計算スキルの低下が、導入レベルの物理学・科学課程における学生の成功を損なっていると主張している。認知科学の原則を用いて、基礎的な数学・科学の手続きにおける自動性が問題解決の成功に不可欠であると提唱し、これらの証拠に基づく学習実践と整合するカリキュラム改革を求める。その目的は、低下傾向にあるSTEM分野の卒業率を是正することにある。

ABSTRACT

Between 1984 and 2011, the percentage of US bachelor degrees awarded in physics declined by 25%, in chemistry declined by 33%, and overall in physical sciences and engineering fell 40%. Data suggest that these declines are correlated to a deemphasis in most states of practicing computation skills in mathematics. Analysis of state standards put into place between 1990 and 2010 find that most states directed teachers to deemphasize both memorization and student practice in computational problem solving. Available state test score data show a significant decline in student computation skills. In recent international testing, scores for US 16 to 24 year olds in numeracy finished last among 22 tested nations in the OECD. Recent studies in cognitive science have found that to solve well-structured problems in the sciences, students must first memorize fundamental facts and procedures in mathematics and science until they can be recalled with automaticity, then practice applying those skills in a variety of distinctive contexts. Actions are suggested to improve US STEM graduation rates by aligning US math and science curricula with the recommendations of cognitive science.

研究の動機と目的

• 1984年から2011年の間に、米国の学士号授与数が物理学で25%減少、化学で33%減少、理系分野および工学で40%減少した傾向と、米国教育における計算スキルの低下の相関関係を調査すること。
• 1990年から2010年の間に、州のカリキュラム基準を分析し、暗記や計算演習の重視の低下傾向を特定すること。
• 国際的および国内のテストデータ（OECD PISAスコアを含む）を検証し、過去30年間にわたり米国学生の数的理解力および計算スキルの低下傾向を評価すること。
• 認知科学における自動性に関する研究を応用し、物理科学課程での学生の成功を高めるカリキュラム改革戦略を提唱すること。
• 米国の数学・科学カリキュラムを認知科学の知見と一致させるよう提言し、STEM分野の定着率および卒業率の向上を図ること。

提案手法

• 1990年から2010年の間に実施された州教育基準を分析し、暗記や計算演習の重視の低下が見られるかを特定すること。
• OECD PISAスコアを含む国内および国際的評価データのレビューと統合的分析を行い、米国学生の数的理解力および計算スキルの傾向を評価すること。
• 問題解決の文脈における手続き的熟達と自動性に関する認知科学の研究を統合すること。
• 学生の成績データの実証的証拠を用いて、計算スキルが弱いことが導入レベルの物理科学課程での成績不良と関連していることを特定すること。
• 認知科学の原則に基づいたカリキュラム再設計を提言し、基礎的知識や手順の意図的な練習と自動的想起を重視すること。
• 米国の教育動向を国際的ベンチマークと比較分析し、スキル習得における体系的な欠陥を浮き彫りにすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1990年から2010年の間に、米国の州カリキュラム基準は、数学・科学教育における暗記と計算演習の重視にどのような影響を与えたか？
• RQ2 過去30年間にわたり、国内および国際的なテストスコアは、米国学生の計算スキルおよび数的理解力の低下をどの程度反映しているか？
• RQ3 基礎的な数学・科学の手続きにおける自動性と、導入レベルの物理科学課程での学生の成功の関係は何か？
• RQ4 現在の米国のカリキュラム実践は、STEM分野における効果的な学習を支える証拠に基づく認知科学の助言とどの程度一致しているか？
• RQ5 米国における計算スキルの修得を回復させ、STEM分野の卒業率を向上させるために、具体的にどのようなカリキュラム改革が必要か？

主な発見

• 1984年から2011年の間に、米国の学士号授与数は物理学で25%減少、化学で33%減少、理系分野および工学で40%減少した。
• 1990年から2010年の州基準は、暗記と計算問題解決の演習の両方の重視が徐々に低下した。
• 22か国のOECD加盟国の中で、米国の16歳から24歳の若年層は、国際的評価において数的理解力で最下位だった。
• 認知科学の研究は、基本的な事実や手順を自動的に想起できる能力が、構造化された科学的問題を解くために不可欠であることを確認している。
• 核となる計算スキルを自動的になれる学生は、導入レベルの物理科学課程で著しく優れた成績を示した。
• 本論文は、米国のSTEMカリキュラムを認知科学の原則（特に意図的な練習と自動性）に合わせることで、低下傾向にあるSTEM卒業率を是正できると結論づけている。