協調的問題解決能力を育成する科学授業のデザインとその効果
キーワード：科学教育, 協調的問題解決, 授業デザイン, ラーニングアナリティクス 教育システム専攻 陳 莉 目次 序章 第1 節 研究背景 第2 節 研究目的 第1 章 先行研究の検討と本研究の意義 第1 節 理論的背景 第2 節 協調的問題解決能力に関する研究 第3 節 ラーニングアナリティクスに関する研究 第2 章 「免疫」授業のデザインと効果検証 第1 節 全体的な授業デザイン 第2 節 授業構成 第3 節 研究方法 第4 節 結果・考察 第5 節 まとめ 第3 章 「湖水爆発」授業のデザインと効果検証 第1 節 全体的な授業デザイン 第2 節 授業構成 第3 節 研究方法 第4 節 結果・考察 第5 節 まとめ 第4 章 「生命倫理」授業のデザインと効果検証 第1 節 全体的な授業デザイン 第2 節 授業構成 第3 節 研究方法 第4 節 結果・考察 第5 節 まとめ 第5 章 新しい「湖水爆発」授業のデザインと効果検証 第1 節 全体的な授業デザイン 第2 節 授業構成 第3 節 研究方法 第4 節 結果・考察 第5 節 まとめ 終章 第1 節 総合考察と結論 第2 節 今後の課題と展望 はじめに（序章と第１章） ２１世紀では、技術の発達による社会のグローバル化 に伴い、グローバル社会に活躍しうる人材の育成という 点から、科学教育が益々重要視されている。 Hogan（1999）は生徒が他者と協力するプロセスを通 じて、考えを共有し合い、他者の考え方や問題解決プロ セスを理解し、お互いの知識整理・統合することが、科 学的理解を構築することに効果的であると指摘した。そ のため、科学的知識・技能を活用し、協調的なアプロー チを用いて問題を解決することが重要であり、協調的問 題解決（Collaborative Problem Solving, 以下 CPS）能 力の育成が注目を集めている（Lin et al. 2015）。 PISA 2015 により、CPS 能力とは、個人が他者と有効 的に協力している過程で、問題解決ための理解・努力を 共有し、メンバー全員の集合知が互いに影響・作用して おり、効果的に取り組むことができる個人の能力である と定義されている（OECD 2017）。以上の内容を踏まえ、 本研究では、高校生を対象とした科学教育において、 CPS 能力の育成と促進を目指した科学授業をデザイン し、この授業デザインの学習効果を検証した。CPS 能力 を促進するために、まず授業内容に関する知識の定着と CPS に関する意識が向上したかどうかを評価した。 CPS には、ソーシャルレベルの「協調」と認知レベル の「問題解決」が含まれている。この２つのレベルをい くつか具体的なスキルに分け、全ての下位 CPS スキル を育成することが重要であると考えられる（Hesse et al. 2015）。下位スキルが向上したかどうか、どのような要 因が下位スキルに影響するのかを分析する必要がある。 本研究では、CPS スキルへの影響要因を明確にするため に、知識の定着、学習動機付け、学習行動などのデータ を収集し、CPS 意識を促進する影響について検討を行う。 第2 章 「免疫」授業のデザインと効果検証 １．授業デザイン 全体的な授業デザインとして、グループメンバーは① 相手のやっていることを理解し、②相手のやり方を理解 すること、この２つのソーシャルレベルの要因が用いら れた（三宅・白水 2003）。また、Quigley et al.（2017） が提唱した３つの問題提起の要因、すなわち①現実と関 わる課題、②問題解決の目的を明確に表示すること、③多様な解決法、を授業デザインに取り入れた。 今回の授業は「免疫」というテーマを設定した。身近 な疾患の例（風邪）に基づき、生物の体内環境を維持す る免疫の仕組み、免疫と病気との関係を理解させること を目指した。授業の流れについて、まず教師は問題を提 起し、生徒にグループで問題を解決させた。グループワ ークを支援するために、生徒に１人につき１台のタブレ ットを配り、学習管理システム“Moodle”による資料提供、 課題提出機能を用いた。最後はグループで発表を行い、 教師がフィードバックを与え、まとめと省察を行った。 ２．研究方法 受講者は福岡県内の公立高等学校の文系クラスの３年 生であり、29 名の生徒のデータが収集された。実践は「理 科探求」の１単元の授業時間内（50 分）に実施された。 授業前後に「協調的問題解決意識」に関する５段階評 定の質問紙Ⅰを行った。質問紙Ⅰのカテゴリーはソーシ ャルスキルと認知スキル２つの尺度、参与、視点を変え ること、社会的な調整、タスクの調整、知識構築から構 成されるCPS 尺度（Hesse et al., 2015）を用いた。授 業後に「授業に対する動機づけ」に関する５段階評定の 質問紙Ⅱへの回答を求めた。質問紙Ⅱに関する質問項目 は桜井・高野（1985）が開発した動機づけ尺度を用い、 挑戦、知的好奇心、達成、認知された因果率、内在的－ 外在的帰属、楽しさという 6 つの尺度により評定した。 質問紙Ⅱの最後に自由記述欄を設け、授業に対する感想 などを記入するよう指示した。 ３．結果・考察 １）本授業による学習効果：質問紙Ⅰ「協調的問題解決 意識」の有意差検証 本実験は Wilcoxon の符号付順位検定を用い、質問紙 Ⅰの有意差を検証した。結果として、授業の後にソーシ ャルスキルにおける参与と認知スキルにおける知識構築 が有意に促進した。しかし、視点を変えること、社会的 な調整など他者との相互作用を重視する意識、問題解決 の過程に関わるタスクの調整意識が向上しなかった。 ２）CPS 意識に影響する要因：相関分析 Spearman の順位相関係数を用い、CPS 意識、学習動 機付けの間の相関を分析した。結果として、認知スキル におけるタスクの調整と学習動機付けの外的因果律、内 的帰属、楽しさの間に弱い正の相関の傾向が示された。 第3 章 「湖水爆発」授業のデザインと効果検証 １．授業デザイン 「免疫」授業の結果によれば、視点を変えること、社 会的な調整などの他者との相互作用を重視する意識、タ スクの調整の問題提起意識が向上しなかった。そのため、 協調プロセスと問題解決プロセスを統合し、「問題の定 義」、「問題の表現」、「計画と実行」、「モニタリングと省 察」という４つの手順が含まれているCPS プロセス （Hesse et al. 2015）を授業デザインに取り入れた。 本授業では、実際に起こった自然災害に基づいた「湖 水爆発」というテーマを用いた。湖水爆発のメカニズム と生態系への影響を明らかにすることは本授業の目的と なる。授業の流れは第２章の「免疫」授業と同じであり、 グループワークにおいては、CPS プロセスに従い行った。 ２．研究方法 受講者は第２、３章「免疫」授業との同じクラスの３ 年生であり、27 名の生徒のデータが収集された。実践は ２限分の授業時間内（計100 分）に実施された。授業前 後に事前（質問紙Ⅰ）・事後質問紙（質問紙Ⅰと質問紙Ⅱ） 調査、事前・事後テストを行った。質問紙Ⅰと質問紙Ⅱ の項目は第２章「免疫」授業と同じである。 ３．結果・考察 １）本授業による学習効果：テスト、質問紙Ⅰ「協調的 問題解決意識」の検証 テストの結果によると、平均値は事前の 2.44 から 4.07 に有意（p<0.01）に上がっていた。そして、質問紙Ⅰの 検証結果から見ると、認知スキルにおいては、タスクの 調整と知識構築の意識は有意に上がった。 ２） CPS 意識に影響する要因：相関分析 ① 知識の定着：知識の定着は、ソーシャルスキルの参与、 視点を変えること、社会的な調整、認知スキルの知識構 築の間に弱い正の相関が見られた。 ② 学習動機付け：CPS 意識のソーシャルスキルから見 ると、視点を変えることは、外的因果律、外的帰属、楽 しさに弱い正の相関が示された。認知スキルに関しては、 知識構築は知的好奇心、楽しさに正の相関が見られた。 第4 章 「生命倫理」授業のデザインと効果検証 １．授業デザイン 第3 章の「湖水爆発」授業の結果により、ソーシャル 意識が促進されなかったことが分かった。改善案として、 「湖水爆発」の授業では教材が使われず、インターネッ トで情報を調べさせる代わりに、BookRoll システムで、 関連知識と事例などの学習コンテンツとしてのスライド 教材を作成し、学習者に提供することにした。また、生
徒にマーカー機能を利用させた。 本授業では、「生命倫理」の一つの重要な課題となって いる遺伝病がテーマとして使われた。遺伝病の分類、定 義と特徴に関する知識を学び、遺伝病に対して持つべき 態度および取るべき対策を考えることが目的となる。「湖 水爆発」の授業で得られた改善案をもとに、授業の流れ を変更した。具体的には、ディスカッションの前に、生 徒がマーカーを使いながらスライド教材を読み、重要だ と思う内容、わからない言葉、知識などにマーカーを引 き、個人的思考を行うようにした。 ２．研究方法 受講者は前の授業と同じクラスの３年生であり、25 名 の生徒のデータが収集された。実践は２単元の連続時間 内（100 分）に実施された。授業前後に事前・事後質問 紙調査、事前・事後テストを行った。 CPS に影響する要因を探究するため、質問紙とテスト のほかに、今回のスライド教材を読んでいた際の学習行 動に関するログを収集し、CPS 意識との相関を分析した。 ３．結果・考察 １）本授業による学習効果：テスト、質問紙Ⅰ「協調的 問題解決意識」の有意差検証 テストの平均値は事前の 3.08 から 5.16 に有意 （p<0.01）に上がっていた。質問紙Ⅰの結果から見ると、 ソーシャルスキルに関しては、参与が有意に上がった一 方で、視点を変えることが有意に下がったことを示した。 ２） CPS 意識に影響する要因：相関分析 ① 知識の定着：知識の定着は認知レベルのタスクの調整 の間に弱い負の相関が見られた。 ② 学習動機付け：ソーシャルスキルにおける参与と、動 機付けにおける達成に正の相関が示された。視点を変え ることは、動機付けにおける知的好奇心、内的因果律、 外的帰属に正の相関、挑戦、達成に弱い正の相関が見ら れた。社会的な調整は、挑戦、知的好奇心、達成、内的 因果律に正の相関が見られた。これらの尺度が CPS の 社会的意識への影響要因と考えられる。認知スキルにお いては、タスクの調整が内的因果律に弱い正の相関、知 識構築が知的好奇心に正の相関が示された。 ③ 学習行動：学習行動においては、３つの学習ログのデ ータが収集された。ページにチャンジする頻度、マーカ ーを追加・削除する頻度であった。 ソーシャルスキルにおける視点を変えることはペー ジチェンジの学習行動に弱い負の相関が見られた。これ は、科学的文脈による読解力が十分に身についていない ために、頻繁に教材のページを変更したと推察される。 また、ソーシャルスキルにおける参与かつ認知スキルに おける知識構築は、マーカー追加に弱い負の相関が見ら れた。マーカーの使い方、引かせる内容についての指示 を検討する必要があると考えられる。 第5 章 新しい「湖水爆発」授業のデザインと効果検証 １．授業デザイン 第２-４章の授業の結果に基づき、以下のように授業案 を改善した。 ① 少人数の協調（ピア）は視点を変える意識を促進しに くいと考え、グループ構成を５人〜６人に変更した。 ② 認知レベルの CPS 意識を促進するために、また、議 論を行いやすくするために、問題を細分化した。 ③ 学習者の学習意欲、興味・達成感などの影響を考え、 教科書の内容に基づき、現実世界と結びついた事例を用 い、知識を物語に埋め込んで提供することにした。 ④ マーカーとメモのツールを使わせ、マーカーを引いた 内容とメモした内容について議論させる指示を与えた。 今回の新しい「湖水爆発」は第３章の「湖水爆発」と 同じテーマを使い、３つの主問題をさらに細分化し、７ つの下位問題を提供した。授業の流れは「生命倫理」と 同じではあるが、個人的思考の部分を再デザインした。 生徒は問題を受け、わからない言葉、重要だと思う内容、 問題に関わる内容にマーカーを引き、自分の思考とマー カーした内容に関してはメモ機能を使って記入した。グ ループで提供された問題に向かって、マーカーとメモを した内容を中心にしてディスカッションを行った。 ２．研究方法 今回の受講者は前の実践と同じ学校の１年生であり、 33 名の生徒のデータが収集された。実験は 3 回（150 分） の授業時間内に実施された。授業前後に質問紙調査、テ ストを行った。そして、学習行動を表す学習ログも集計 し、CPS 意識に影響する潜在的要因として分析した。 ３．結果・考察 １）本授業による学習効果：テスト、質問紙Ⅰ「協調的 問題解決意識」の有意差検証 テストの結果によると、平均値は6.26 から 6.35 に上 がっていたが、有意差が見られなかった。したがって、 今回の授業は、知識の定着における効果があるとは言え ない。質問紙Ⅰの検証結果に関しては、認知スキルにお いてタスクの調整のみは有意に向上した。 ２）CPS 意識に影響する要因：相関分析
① 知識の定着：知識の定着は、認知スキルにおける知識 構築のみの間に負の相関が見られた。 ② 学習動機付け：学習動機付けにおける達成は、社会的 な調整との間に正の相関、視点を変えること、タスクの 調整、知識構築に弱い正の相関が示された。認知された 内的因果律は、認知的レベルに正の相関が見られた。楽 しさは、知識構築以外の尺度に弱い正の相関が見られた。 すなわち、タスクのゴールを達成したい意欲、課題へ の興味、内的動機付け、授業に楽しいと感じた傾向が高 いことは、CPS 意識を促進する潜在的要因と考えられる。 ③ CPS 意識と学習行動：学習行動においては、４つの 学習ログのデータから収集された：ページにチャンジし、 マーカーを追加・削除し、メモを追加する頻度。 社会的な調整とマーカー削除という学習行動に正の 相関が見られ、参与とメモ追加という学習行動に弱い正 の相関が見られた。マーカーとメモツールの利用はCPS 意識に影響することを示し、これらのツールをより良く 活用することによるソーシャル意識の向上が期待される。 ３）学習成果による高・低群の比較 本実践では、知識定着が有意に向上しなかったことが 示された。具体的な原因を分析するため、テストの成績 の下位25%（17 人）を低群、上位 25%（14 人）を高群 として、２つのグループに分け相関分析を行った。 ① 知識の定着：低群においてのみ、ソーシャルスキルの 社会的な調整との間に強い正の相関が見られた。 ② 学習動機付け：ソーシャルスキルにおいて、高群が達 成、内的因果律との正の関連性が示された。低群はより 多くの動機付け尺度との正の相関が見られた。認知スキ ルにおいては、高群で、認知レベルに関する意識の向上 が内的因果律に働きかけられていることがわかった。こ の結果によると、成績の低群の生徒はよりグループワー クを重視し、個人的思考への省察、知識の構築なども協 調活動により影響されることが示唆された。一方で、高 群の生徒はより認知的側面に注目していたと推察される。 ③ 学習行動：低群ではマーカー削除がソーシャルスキル の社会的な調整に強い正の相関があり、高群では、認知 スキルにおけるタスクの調整に正の相関を示した。 終章 本研究は、ICT の支援による協調的問題解決（CPS） 能力を育成する科学授業デザインとその効果の検討につ いて、実践研究を行った。結果として、CPS プロセスに 従った授業を通して、参与、タスクの調整、知識構築と いうCPS 意識が向上したことが示された。また、この３ つのCPS 意識に影響する潜在的要因を見つけ、かつ視点 を変えること、社会的な調整を促進するために、生徒の 知識定着と学習動機付け、学習行動などのデータへの分 析・検討を行った。知識の定着、「挑戦、知的好奇心、達 成、内的動機付け、楽しさ」などの学習動機付けと学習 行動から反映された教材内容への理解や熟知度、知識の 構築がCPS スキルへ影響することが示された。 今後の課題としては、全ての実践でソーシャルレベル と認知レベルの意識が同時に向上したわけではないため、 CPS プロセスの再検討と再構築をする必要がある。また、 本実践では主に量的分析を行った。なぜこれらの結果が 得られるのか、グループ活動がどのように進んでいるの かについてのCPS 学習の詳細まで把握できるよう、学習 活動のログ収集と授業観察を行う必要がある。それらに よって収集したデータにより、生徒のCPS スキルが本当 に向上したかどうかを検証することが求められる。 主要参考文献 三宅なほみ, 白水始 (2003). 協調学習という考え方. 学 習科学とテクノロジ. 日本放送出版協会, pp. 26-38 桜井茂男，高野清純（1985）．内発的−外発的動機づけ測 定尺度の開発．筑波大学心理学研究，7, 43-54 Hogan, K. (1999). Thinking aloud together: A test of
an intervention to foster students’ collaborative scientific reasoning. Journal of Research in Science Teaching, 36(10), 1085-1109
Hesse, F., Care, E., Buder, J., Sassenberg, K., & Griffin, P. (2015). A framework for teachable collaborative problem solving skills. Assessment and teaching of 21st century skills. Springer, pp. 37-56
Lin, K. Y., Yu, K. C., Hsiao, H. S., Chu, Y. H., Chang, Y. S. & Chien, Y. H. (2015). Design of an assessment system for collaborative problem solving in STEM education. Journal of Computers in Education, 2(3), 301-322
OECD. (2017). PISA 2015: Collaborative Problem-Solving Framework. Retrieved from https://www.oecd.org/pisa/pisaproducts/Draft%20P ISA%202015%20Collaborative%20Problem%20Sol ving%20Framework%20.pdf
Quigley, C. F., Herro, D. and Jamil, F. M. (2017). Developing a Conceptual Model of STEAM Teaching Practices. School Science and Mathematics, 117, 1-12
