デジタルセンサの導入

現代社会の多くの技術革新を支え，そのような発展し続ける社会環境を維持するた めに欠かすことのできないICT機器としてセンサの存在がある。人間は，生まれながら に五感という名のセンサ（感覚器官：視覚，聴覚，嗅覚，味覚，触覚）を備え，それら を用いて，自然界の現象や変化を捉え，状況判断や危機回避を行う能力を持っている。

また，得られた情報から，将来起こりうる現象を予想したり，現状を改善したりする高 度な知能と技能も兼ね備える。

人間は，自らの感覚では捉えることのできない，もしくは定量化することができな い現象を捉えるために，電子デバイスとしての人工的なセンサを開発し，日々の生活の 改善，そして近代の高度社会発展を成し遂げ，成長を続けている。センサの端的な定義 としては「温度，圧力，流量，光，磁気等の物理量や，それらを検出する素子，または 装置。さらに検出量を適切な信号に変換して計測系に入力する装置」とされる [広辞苑,

2008]。社会生活を支え，人間の感覚を補い，時にそれを超越するセンサの役割を考慮す

れば，「人間が，科学的現象を体感し，より探求的になるために現代社会では欠かすこと のできない，五感の延長線上にあるデバイス」，もしくはより簡略に「人間の体感領域を 広げるためのデバイス」であると定義することができる（図5-1） [Homma, et al., 2013]。

図 5-1: デジタルセンサによる体感領域の拡張（概念図）

食品，水産，農業，通信，建設，医療といった産業界の多種多様な業種において共 通して活用されているのが，このセンサである（例えば，温度，pH，O2，CO2，電圧，

電流，照度，湿度測定等）。このような機器を教育（特に科学教育）の場で適切に利用す ることによって，生徒に産業の多様な側面に関心を持ってもらうきっかけになるととも に，次項以降に示される科学的概念を獲得する上でも，その利点を挙げることができる。

活用に関わるいくつかの視点

学習指導要領（理科） [文部科学省, 2008e]に掲げられている「体感する」という 理念は，生徒の五感のみでは感じることのできない現象を，センサを用いることでリア ルタイムに採取し観察することによって，より充実した形で達成することができると考

Higher level of observation skill with digital sensors (Right pics, courtesy of PASCO Scientific)

Limited observation skill

Observation skill

Sensing capacity

外部支援による実地検証教科横断型の学習展開社会的背景の調査教育リソースの投入と活用議論と提言

えられる。人間の五感からの情報は，数十マイクロ秒というごくわずかな遅れを伴って 脳に送られ，あくまで定性的に状況認知や判断に用いられる。センサを用いた場合，情 報は，リアルタイムにスクリーン上に数値もしくはグラフとして表示され，人間の目を 通して脳に送られる。つまり，五感とセンサとで，時々刻々と変化する現象を認知する までの経路は異なるものの，現象を感じ取る（センシング）という意味において，この センサは，五感を用いた体感する機能を補完，もしくは強化する役割を担っている。

従来より，実験中に生徒が現象を観察するタイミングと，グラフをプロットしその 現象を認識するまで間に生じる時間的ギャップによって，生徒にとって両者が別々の存 在であるかのように感じ取られてしまうことが問題視され，センサを利用することで，

このようなギャップを最小にすることができるとされる [Barton, 1997]^{。また，生徒は} 測定を実施した後，データを表で記載し，計算し，グラフ化するといた複雑な処理を必 要とせず，実験の計画，検証，解釈といった，より概念上重要な作業に時間を集中する こ と が で き る と い わ れ る [Rogers & Wild, 1994] [Newton, 2000] [Osborne &

Hennessy, 2003]^。

このように，センサを使用することによる利点が指摘されつつある，一方で，教育 者側が，センサのような先進的な機器を教室で用いることにためらいを持つこと，また，

従来から行われている実験から切り替えるには，操作上の問題，新たな指導方法の構築 といった障壁も存在することが指摘されている [Newton, 2000][Tan, et al., 2006]^。ま た，端末のスクリーン上に自動的に数値化され，グラフがプロットされる情報は，生徒 が批判的な思考に基づき，解釈していないのであれば，意味を持たないともされる [Rogers & Wild, 1994][Newton, 1997]^。

教育効果と実態

学校でのセンサの利用に関する調査研究は諸外国の取り組みが参考になる。管見の 限り，これまで最も大規模かつ包括的に調査がなされた 例は，アメリカの NAEP

（National Assessment of Educational Progress – The Nation's Report Card: Science

Highlights 2000）であると思われる。NAEPは，生徒の科学的知識と技能を評価するた

めに，以下の項目に沿った測定を行う [National Center for Education Statistics, 2001]^。

1） 知識そのものを持っているかどうか

2） その知識を活用する能力を持っているかどうか

3） 実験器具や手順，科学的，論理的思考を用いて，自然界に関する理解を深めているかどうか

2000年に，アメリカのGrade4，8，12における約49,000人の生徒を対象に同調査 が実施された（それぞれ，日本の小学校4年生，中学校2年生および高等学校3年生に 該当）。表5-1は，Grade8の生徒が，科学の授業でどの程度コンピュータを利用し，そ れがスコアに関係しているかを示している。ワードプロセスや，シミュレーション，モ デリングといった活用によって，わずかなポイントの優位が見られるものの，その差は 顕著ではない。また，コンピュータを用いてデータ解析を行うことについては，それを 実行したことによる有意差は見られなかった。

表 5-1: 科学授業における生徒（Grade8）のコンピュータ利用状況とスコアの関係

1996年調査

生徒回答 Yes ^{スコア平均} No ^{スコア平均} ワードプロセスを

使う 22 % 154 78 % 151

シミュレーション／

モデリングを使う 25 % 155 75 % 151 データ解析，その他

応用ソフトを使う 19 % 152 81 % 152

2000年調査

生徒回答 Yes ^{スコア平均} No ^{スコア平均} ワードプロセスを

使う 35 % 154 65 % 151

シミュレーション／

モデリングを使う 23 % 155 77 % 151 データ解析，その他

応用ソフトを使う 33 % 156 67 % 150

[National Center for Education Statistics, 2001]

表5-2に示されるように，Grade12の生徒に対しては，毎月どの程度の頻度でセン サを利用しデータ採取をしたかという質問項目を設け，その結果と，知識および技能の

外部支援による実地検証教科横断型の学習展開社会的背景の調査教育リソースの投入と活用議論と提言

評価結果（スコア平均）の相関性を比較している。1ヶ月のうち，１，２回の頻度でセン サを利用した生徒は，全く利用しない生徒に対して，10ポイントの優位が見られ，また，

採取したデータを解析する工程を学習に取り入れた場合は，16ポイントの優位が確認さ れた。

表 5-2: 科学授業における生徒（Grade12）のコンピュータ利用状況とスコアの関係

2000年調査 生徒回答 全く使わない スコア平均 1ヶ月に一度

未満使う ^{スコア平均}

1ヶ月に一度か

それ以上使う ^{スコア平均} インターネットを

使い，関連するデ ータや情報を入手 する

45 % 148 13 % 158 9 % 155

インターネットを 使い，他の生徒や 科学者と実験や調 査に関する情報交 換をする

54 % 151 7 % 151 4 % 146

コンピュータに接 続された実験器で データ採取をする

（センサの利用）

42 % 148 11 % 154 13 % 158

コンピュータを使 い，採取したデー タを解析する

44 % 147 11 % 157 11 % 163

[National Center for Education Statistics, 2001]

参考までに，Grade8とGrade12の生徒のスコア分布を表5-3に示す。

表 5-3: Grade8とGrade12のスコア取得割合

スコア Grade8 Grade12

Advanced 210以上 4 % 2 %

Proficient 178 ～ 209 28 % 16 %

Basic 146 ～ 177 29 % 34 %

Below Basic 145以下 39 % 47 %

[National Center for Education Statistics, 2001]

シンガポールにおいては，1997年から2002年における「ITマスタープラン」のも と，中等教育およびジュニアカレッジのすべての実験室に，それぞれセンサおよびその

周辺機器が配備された。4年後の2006年調査において，演示および実験の際にそれら機 器を使用しているかとの質問に対し，67 ％（394人／593人）の教員が使用したと回答 した。逆の見方では，33 ％の教員は全く使用していない，もしくは一度使用したがその 後中止した，ということになるが，この背景に存在する理由として，次のような教員の 意見が挙げられた [Tan, et al., 2006]^。

・ 生徒がセンサや周辺機器の操作方法を習得するのに時間を要する。

・ 生徒にどのようにデータを採取し解析するのかを説明するのに時間を要する。

・ 時間がないということよりも，まずシラバスの内容をすべてこなすことの方が大切である。

・ 学校教育のシラバスや試験に組み込むことが非常に困難であり，実際的でない。

・ 面倒であり，また信頼性が低い。準備や指導方法の修正にかかる時間が無駄である。

・ 実験室に十分な情報端末がない。インターフェイスにデータを取り込んだとしても，やは り端末上で解析をしなければならないため。

多くは時間不足に関する理由であり，全体の47 ％を占め，機器の操作に関わる理由，

カリキュラムへの取り込みに関わる理由は，それぞれ 35 ％と 17 ％であったとされる [Tan, et al., 2006]^。

日本の学校におけるセンサの活用は，主に高等学校の物理領域から徐々に浸透しつ つあり，高等学校1年生から3年生ならびに卒業生を対象にしたアンケート結果 [筒井,

他, 2010]が，その活用効果を示している。アンケートは5 段階評価（強く思う＝5，普

通＝3，全く思わない＝1）で評価され，「学習内容に興味が持てる（4.1～4.5）」「学習内 容が理解しやすい（4.2～4.5）」「物理現象を考えるきっかけになる（3.6～4.3）」「グラフ を見ても意味が分かりにくい（2.4）」「実験に時間がかかりすぎる（2.3～2.7）」「授業に できるだけ取り入れたほうが良い（3.9～4.2）」「自分自身で実験（コンピュータの操作を 含む）をしたい（3.1～3.3）」という結果が出ている。

この他，大学に進学した学生（学部1年生，約3,800人）を対象とした物理領域に おける実態調査が実施されている [山崎, 他, 2011]。これによれば，高校生のときに，

物理の授業でセンサを利用した生徒は，全体の1 ％未満であることが示されている。国 内外で，授業で導入する実践研究が紹介されつつある状況においても，現状としては一