[論文レビュー] Teachers' perception of Jupyter and R Shiny as digital tools for open education and science

Jozef Hanč, Peter Štrauch+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

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ひとこと要約

本研究は、物理学教育におけるオープンデジタルツールとしてのJupyterとR Shinyの、教員の認識を調査している。Jupyterは直感的なインターフェースを備えているが、実務経験のある教員はその使用に備えておらず、一方でR Shinyは指導の質に関するリアルタイムフィードバックを提供する点で高く評価されている。一方、教員免許取得志望の教員や博士課程学生は、Jupyterを容易に受け入れており、インタラクティブで再現可能な学習を通じてデータリテラシーと専門的発展を促進する役割を評価している。

ABSTRACT

During the last ten years advances in open-source digital technology, used especially by data science, led to very accessible ways how to obtain, store, process, analyze or share data in almost every human activity. Data science tools bring not only transparency, accessibility, and reproducibility in open science, but also give benefits in open education as learning tools for improving effectiveness of instruction. Together with our pedagogical introduction and review of Jupyter as an interactive multimedia learning tool, we present our three-years long research in the framework of a complex mixed-methods approach which examines physics teachers' perception of Jupyter technology in three groups: Ph.D. candidates in physics education research (PER) ($N = 9$), pre-service physics teachers ($N = 33$) and in-service physics teachers ($N = 40$). Despite the fact that open-source Jupyter notebooks are natural and easy as email or web, the results suggest that in-service teachers are not prepared for Jupyter technology and open analysis, but positively accept open education data presented via another open-source data science tool, R Shiny interactive web application, as an important form of immediate feedback and learning about the quality of their instruction. Simultaneously our instruction results in the frame of the Flipped Learning also indicate that young beginning PER researchers and pre-service physics teachers can master key digital skills to work with Jupyter technology appreciating its big impact on their learning, data and statistical literacy or professional development. All results support the ongoing worldwide effort to implement Jupyter in traditional education as a promising free open-source interactive learning tool to foster learning process, especially for the upcoming young generation.

研究の動機と目的

• 物理学教員がオープン教育のためのJupyterとR Shinyをどの程度認識しているかを調査すること。
• 実務経験のある教員、教員免許取得志望の教員、および博士課程の物理学教育研究者におけるJupyter技術の受容性と準備状況を評価すること。
• JupyterとR Shinyが科学教育におけるデータリテラシー、指導フィードバック、専門的発展を支援する有効性を評価すること。
• フリップラーニングとデジタルリテラシーが、教員教育におけるデータサイエンスツールの導入を促進する役割を明らかにすること。

提案手法

• 3年間の縦断的混合研究法を用い、3つのグループ（物理学教育研究分野の博士課程学生9名、教員免許取得志望の物理学教員33名、実務経験のある物理学教員40名）を対象とした。
• データ収集には、ユーザーエクスペリエンス評価（UEQ）、定性的インタビュー、フリップラーニング介入中の観察評価が含まれた。
• Jupyterノートブックは、PythonおよびRカーネルを用いたインタラクティブで再現可能な指導とデータ分析に使用された。
• 教員の指導の質に関するリアルタイムでインタラクティブなフィードバックを提供する目的で、自社開発のR Shinyウェブアプリケーションが開発された。
• 統計的分析には、学習成果と技術採用パターンの評価に向けたクラスタリング分析および多変量解析手法が用いられた。
• 本研究では、Jupyterを教員研修に統合するためにフリップラーニングモデルを採用し、支援付きの自己学習を重視した実践的学習を促進した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実務経験のある物理学教員は、Jupyterノートブックを指導に活用する際の使いやすさと関連性をどのように認識しているか？
• RQ2 教員免許取得志望の物理学教員および物理学教育研究分野の博士課程学生は、Jupyterをどの程度採用し、データリテラシーと専門的発展にどのように利益を得ているか？
• RQ3 R Shinyを基盤とするインタラクティブなウェブアプリケーションは、指導の質に関する即時のフィードバックをどの程度効果的に提供できるか？
• RQ4 JupyterやR Shinyのようなオープンソースのデータサイエンスツールを教員教育プログラムに統合するにあたり、主な障壁と促進要因は何か？

主な発見

• Jupyterは直感的なインターフェースを備えているものの、実務経験のある物理学教員はその指導への活用に備えておらず、他のツールと比較してアクセスが難しいと感じている。
• 教員免許取得志望の教員および物理学教育研究分野の博士課程学生はJupyterを習得し、データおよび統計リテラシーの向上に寄与する役割を高く評価している。
• 実務経験のある教員は、R Shinyウェブアプリケーションによる指導の質に関するリアルタイムでインタラクティブなフィードバックを肯定的に受け入れており、特に即時のデータ可視化の価値を重視している。
• 本研究では、感情的要因と使いやすさの認識が、とりわけ若年層の教育者におけるR Shiny受容に顕著に影響していることが判明した。
• Jupyterの再現性、透明性、柔軟性の強みは、高度なデータ分析と学習に価値があると認識されているが、初期段階の導入には的確な支援が必要である。
• 一回限りのJupyter研修では不十分であることが示唆されており、とりわけ成績が低めの教員や女性教員において、持続的な支援とデジタルリテラシーの統合が不可欠である。