[論文レビュー] Secret objectives: promoting inquiry and tackling preconceptions in teaching laboratories

Paul A. Bartlett, K. Dunnett|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Experimental Learning in Engineering被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、物理学実験授業における理論的予測と実際の実験結果の意図的な不一致である「シークレットオブジェクティブ」を導入することで、真の探求的学習を促進し、学生の先入観に挑戦することを目的としている。単純な振り子における言及のない減衰などの微妙な実験的欠陊を埋め込み、学生にそれらを特定させるようにすることで、複雑な装置を必要とせず、構造化された実験形式を維持したまま、批判的思考、データ分析、科学的プロセスへの主体的関与を育む。

ABSTRACT

In its most general form, a `secret objective' is any inconsistency between the experimental reality and the information provided to students prior to starting work on an experiment. Students are challenged to identify the secret objectives and then given freedom to explore and understand the experiment, thus encouraging and facilitating genuine inquiry elements in introductory laboratory courses. Damping of a simple pendulum is used as a concrete example to demonstrate how secret objectives can be included. We also discuss the implications of the secret objectives method and how this can provide a link between the concepts of problem based learning and inquiry style labs.

研究の動機と目的

• 手順の順守を重視する伝統的な「クッキー・ブック」型実験授業の限界、すなわち批判的思考や探求的学習を軽視する点を是正すること。
• 実験的設定における隠れた不一致をどのように活用することで、物理学入門実験授業における真正な科学的探求を促進できるかを特定すること。
• 構造化された実験指導と探求型学習や問題解決型学習（PBL）の間のギャップを埋めるために、開放的で探求的な課題を組み込むこと。
• 仮説の検証や仮定の分析を通じて、科学的実験に関する熟練者に似た信念の発達を支援すること。
• 装置の大幅な変更や課程構造の見直しが不要な、低ハードルでスケーラブルな方法として、探求的学習を標準的な実験カリキュラムに統合すること。

提案手法

• 理想化された理論と実際の実験的結果との間の意図的な乖離、例えば単純な振り子における言及のない減衰を含む「シークレットオブジェクティブ」を導入すること。
• 既知の実験的不完全性（例：空気抵抗、非理想的な回転軸の摩擦）の議論を省略しつつも、正しい結果に至る道筋を維持するように標準的な実験スクリプトを変更すること。
• 予測値と観測値の間の不一致を、開放的で探求的なアプローチと批判的分析を通じて特定するように学生に挑戦させること。
• 複数回の実験セッションを許可することで、仮説の反復的精錬と深い探求を可能にする。
• 学生主導のディスカッションや協働作業を通じて、理論的モデルの限界や仮定の妥当性（例：小角度近似）を検討すること。
• タスクの完了やデータ記録ではなく、探求的行動に合わせた評価を実施することで、批判的思考や問題の特定を奨励すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カリキュラムの大幅な見直しが不要な状況で、どのようにして探求的学習を物理学入門実験授業に効果的に統合できるか。
• RQ2 意図的な実験的不一致（シークレットオブジェクティブ）が、科学的実験に対する学生の先入観にどのように挑戦し、批判的思考を促進するか。
• RQ3 シークレットオブジェクティブが、伝統的なクッキー・ブック型実験と問題解決型学習（PBL）の間の橋渡しとして、どの程度有効に機能するか。
• RQ4 シークレットオブジェクティブが、科学的探求やデータ解釈の本質に関する学生の熟練者に似た信念の発達にどのように影響するか。
• RQ5 最小限の装置変更や手順の見直しで、標準的な実験にシークレットオブジェクティブを統合するための実務的実装戦略は何か。

主な発見

• シークレットオブジェクティブは、理論的仮定に挑戦する意図的な不一致を埋め込むことで、日常的な実験を探求的学習に満ちた活動へと変容させることに成功した。
• 学生は振り子の運動における無視された減衰といった不一致を特定する動機付けとなり、データ分析やモデルの限界に対する関与が深まった。
• 理論的予測と一致するデータを保証することで学生の成功を維持しつつも、実験的逸脱の批判的評価を促進する。
• 仮定の検証やモデルの境界の理解の重要性を強調することで、科学に対する熟練者に似た信念の発達を支援する。
• 単純な振り子などの一般的な装置を用いることで、既存の実験設定への最小限の変更で実装可能であり、スケーラブルでアクセスしやすい。
• タスクの完了ではなく探求的行動に合わせた評価を実施することで、科学的推論の育成において、この方法の有効性が顕著に向上した。