大学の理工系知識伝達型科目における反転授業の導入と効果

2015/11/12
大学の理工系知識伝達型科目に
おける反転授業の導入と効果
塙雅典
（はなわまさのり）
山梨大学教育国際化推進機構
大学教育センターセンター長
山梨大学大学院総合研究部
工学域電気電子情報工学系教授
（工学部電気電子工学科担当）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
1
山梨大学の取組のご紹介（5分）
http://youtu.be/HrnHTrPPNRA
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
2
1
2015/11/12
反転授業（FC／フリップトクラスルーム）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
3
事の始まり・・・
• 2012年4月文部科学省がグローバル人材育
成事業を公募
• 山梨大学で応募に向けた申請書準備チームを
結成した際に，なぜかアクティブ・ラーニン
グ担当としてチームに呼ばれる
• 理事からの指令：どうやったらアクティブ・
ラーニングを導入できるかを検討せよ
？？？
2015/10/23
アクティブ・ラーニング
SEAワークショップ@湯の山温泉
？？？
4
2
2015/11/12
アクティブ・ラーニング(AL)
 学修者が能動的に学修を行うことを目指した学修手法
 学修者の学習に対する責任に重きを置く
 事前指導後に実習を行うことが最良の結果を与える
嘘っぱち
エドガーデールの経験の円錐
抽象と具体のピラミッド
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
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2012年4月に学内関係者向けに作成したスライドからの抜粋
試行錯誤の結果
反転授業的な
手法に到達
この辺りに反転授業っぽいやり方が書かれている
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
6
3
2015/11/12
ねらい
従来の授業の大半を占めていた
一斉講義部分を動画として事前
提供することで，貴重な対面授
業を，学生にとって一方的・受
動的な知識伝達から，学生自身
の主体的・協調的な学び合いの
時間（AL活動）に転換する
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
7
方向性は決まったので具体化
• 自分自身の担当科目で試行
–
–
–
–
–
2012年後期情報通信II （3年次後期選択．履修者約20名）
2013年前期情報通信I （3年次前期必修．履修者約50名）
（2013年前期同演習（3年次前期選択．事実上必修））
時間信号波形と周波数スペクトルの関係の理解
様々な信号形式の特徴を認識→適切な伝送システムの構築
• 対面授業は一斉講義（講義中にも一部演習を含む程度）
• 従来の問題点
–
–
–
–
–
–
2015/10/23
講義を一度だけ聞いても実はほとんど理解できない（寝ない）
質問をしない→わかっていないことがわかっていない
演習授業があっても自ら手を動かせない→指導者にも問題有り
演習問題の残りを宿題にしてもやってこない
フーリエ変換以前に，実は三角関数と積分の計算ができない
根本的に計算練習が足りない
SEAワークショップ@湯の山温泉
8
4
2015/11/12
担当授業の目的
私の専門の光ファイバ通信システムを例にすると・・・
半導体レーザ
電気→光
変換
電気
信号
光ファイバ
中継器
光→電気
変換
光ファイバ
E/O
電気
信号
O/E
光信号
どのような信号を伝送すればよいか？
→ディジタル伝送理論
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
9
「情報通信I」「同演習」の内容
ディジタル伝送理論の基礎
確定信号の解析
信号の大きさ
エネル
ギー
電力
パーセ
バルの
定理
信号の類似度
相関係
数
相関関数
自己相相互相
関
関
2015/10/23
ランダム信
号のスペク
トル解析
信号伝送
フーリエスペクトル
周期信号
線形シ
ステム
非周期信号
三角
指数
フーリ
フーリ
フーリフーリ
エ変換
エ変換
エ級数エ級数
の性質
無歪伝
送条件
伝送歪
線形歪
エネル
ギース
ペクト
ル密度
電力ス
ペクト
ル密度
マルチ
パス歪
授業は週2コマ連続180分
SEAワークショップ@湯の山温泉
10
5
2015/11/12
「情報通信II」の内容
ディジタル伝送理論の続き
アナログ信号と
ディジタル信号
標本化定
理
パルス符
号化変調
パルス整
形
符号間干渉
ナイキス
トのゼロ
ISI基準
2015/10/23
誤り訂正符号化の
基礎
ディジタル伝送
伝送路符
号化方式
ロールオ
フ
ネット
ワーク
加法性白
色通信路
とビット
誤り率
パリティ
チェック
ハミング
符号
TCP/IP
の基礎
ヘッダ
フォー
マット
授業は週1コマ90分のみ
SEAワークショップ@湯の山温泉
11
アクティブラーニングの導入を
目的とした授業方法の変更
• 講義を動画として事前配信（ビデオカメ
ラは嫌→共同研究先よりスライドキャス
トシステムを借用）
• 授業前に講義動画を視聴（時間捻出のた
め）
• 教室では理解を深めるための何らかのア
クティブラーニングを実施（この効果検
証が目的）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
12
6
2015/11/12
2012年後期情報通信II
• 各回分の事前学習動画を一括収録して提供
–
–
–
–
–
–
内容は前年と殆ど変えない
90分授業用スライド集を元に動画を作成
コラム的な内容は動画には含めない→ある意味つまらない
早口で繰り返さず要点のみ
30分～50分と長く，作成も管理も視聴も大変
動画の作成で手一杯で自転車操業
• 対面授業（90分）で何をするか？？？
–
–
–
–
–
–
小テストを毎回実施→演習問題を載せたワークシートを提供
動画の振り返り（要点・疑問点の共有，質問への追加解説）
協調（協同？）学習としてのグループワーク演習
プレゼン
なぜか授業でも少し解説→何のための事前学習動画か？
対面授業で何をやれば良いのか？
振り出しに戻る
IDを知らないが故の試行錯誤のどうどうめぐり
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
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学生の様子
事前学習動画
◯ わからない時に戻って繰返し見られる（学生談）
◯ スライドと合わせてメモを取りながら見れる（学生談）
× 止まっている映像を見ていると眠くなる（学生談）
→学生を飽きさせない工夫も必要
小テスト
× 初回は自力で完答できた学生はたった一人→基礎学力不足
二回目以降は自力で記入できる部分が増加→事前学習の効果
◯ 徐々に自分自身で回答できる量が増えてきている（学生談）
→全く書けないのでは「テスト」の意味が無い→ワークシートへ
協調学習
× 自ら動いて「相談相手を見つける」という能動性が見られない
→教員に背中を押されて動くことが多い
◯ 回数を重ねることで多少は活性化
△ 近隣同士で話をするだけで大きく動かない
× グループ全員が誤っていても気づかないときがある
× 小テストが白紙状態のメンバー同士では話し合いが起きない
× 授業時間内に繰り返すと集中力が続かない（頭を使っているせい）
授業準備
事前学習
出欠確認
小テスト
同級生と相談
採点＋補足説明
を
短いサイクル
で繰り返し
講義の振り返り
と質疑応答
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
14
7
2015/11/12
2013年前期
情報通信I
• 90分の講義時間だけを反転授業化
• 基本的な授業方法は踏襲
• 授業中には動画の内容の再説明はしないと宣
言→必ず視聴してくることを要求
• ノート作成を指示（チェックなし）
• 各回の内容に応じたワークシートを配布
– 講義動画のポイントと疑問点の記入から開始
– 学生同士の意見交換，教員への質問，演習問題の
答案作成，学生同士の相談，学生による解答例の
発表などを繰り返し実施
• 実態は相変わらず動画の作成で自転車操業
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
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完全習得学習クラスにおける
達成度の度数分布
度数
完全習得学習
講義
低
2015/10/23
達成度
SEAワークショップ@湯の山温泉
高
16
8
2015/11/12
中間試験結果（幹葉表示）
難易度：前年度並み
平成24年度（FCなし）
低得点者大幅減
（２４→８）
高得点者大幅増
（１２→３３）
5
887
5432111
9988755543210
987766543210
96444310
8765422100
30
得点
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
平成25年度（FCあり）
9
19
29
39
49
59
69
79
89
99
N=56，平均値63，中央値63.5
7
699
1349
458
111669
012244667778
0011224456777888999
00
N=50，平均値80.4，中央値86.5
平均値，中央値共に大幅に上昇
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
17
期末試験結果（幹葉表示）
難易度：前年度より高い（欲ばった）
平成24年度（FCなし）
得点
42
0 86
10 40
20 320
30 8820
40 72210
50 8622221
60 8722
70 8777772222000
80 642200
90 0000000 100
N=55，平均値67.4，中央値77
平成25年度（FCあり）
9
19
29
39
49
59
69
79
89
99
5
15
0399
45568
0334667778
002578889
001688
02344557789
00
N=50，平均値72.5，中央値73.5
同様の傾向
高難易度でも効果あり→理解度は向上？
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
18
9
2015/11/12
総括評価結果（幹葉表示）
平成24年度（FCなし）
9
不合格者
17名
91
7430
8544
987211
8865533210
997776533222211
97655443
73200
得点
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
N=55，平均値65.5，中央値71
平成25年度（FCあり）
9
19
29
39
49
59
69
79
89
99
9
６名
00
077
0013447789
11445789
0012344578899
245566667799
N=49，平均値76.9，中央値80
中間試験後の脱落者はどちらも1名
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
19
授業評価アンケート
全科目
記名式
有効回答者数44人
授業外
学習時間
主観的達成度
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
20
10
2015/11/12
授業時間外学習時間は増加した？
予習をしなかった学生は０→学科平均は22％
無指示で4割が復習
反転授業の導入が学生の予復習の時間を増加させた
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
21
学生は分からない時に動画を見た？
復習に動画を活用
「事前学習ビデオの閲覧は授業内容の理解に役
だった」の平均値は4.2点（ 5点満点）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
22
11
2015/11/12
学生が授業に主体的に参加した？
講義しないのになぜ？
「クラスメートとの議論は理解を深めるのに役だっ
た」の平均値は4.1点（ 5点満点）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
23
主観的な達成度評価も上昇
学科平均よりも
自己評価は低め
自己評価が低い
学生が減少
自己評価が高い
学生が増加
平均より厳しい自己評価
前年度との比較は成績分布と同様の変化
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
24
12
2015/11/12
理論は後付
アクティブラーニングの定義（京大・溝上先生）
• 一方向な知識伝達型講義を聴くという（受動
的）学修を乗り越える意味での，あらゆる能動
的な学習のこと．能動的な学習には，書く・話
す・発表する等の活動への関与と，そこで生じ
る認知プロセスの外化を伴う→正にこれが大切
• 知識習得を目指す伝統的な教授学習感の転換を
目指す文脈で用いられ，その授業においては
「アクティブ・ラーニング型授業」等として使
用されるべきである
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
25
2014年，2015年も継続
•
•
•
•
アクティブラーニング室が供用開始
人手不足のため，講義担当者が演習科目も担当
講義と演習は連続開講（＝180分の対面授業）
講義をしないのに180分もの対面授業で何をやれ
ば良いのか？→ちょっと途方に暮れた
• 学習内容を小分け（フーリエ変換の◯×特性）
• 小分けした学習内容に応じて動画を15分以下に
分割（一部20分を越えるものも残存）
• ワークシートの問を増やし，簡単なものから応用
的なものまで幅広く提供→進度・到達度に個人差
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
26
13
2015/11/12
対面授業の時間配分の例
•
•
•
•
授業の4日前に15～30分の事前学習動画（時に複数）を提供
入力
事前のノート作成を指示し，視聴状況をノートでチェック
対面授業中に動画の内容の再説明はしない（質問対応のみ）
振り返りや内容理解を助けるワークシートを配布
対面授業中の活動
時間配分
教室入り口でワークシートを配布＆出欠確認
5分
事前学習動画の内容の振り返り
（ポイントと疑問点をワークシートに記入＆スマホアプリで共有）
10分
集まった不明点全てに対して質疑応答を繰り返す
10～20分
* 内容理解を助けるための演習問題に個人で取り組む
3～5分／問
小グループで小型ホワイトボードを使って意見交換
解答例を共有（* に戻る）
出力
7～10分／問
3～5分／問
（時間が許せば）対面授業の振り返り
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
27
2014年情報通信Iの授業風景
（6/25・履修者79名）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
28
14
2015/11/12
ワークシートの例
（情報通信I・同演習計180分用）
講義動画の振り返り
内容理解を助ける
演習問題
（続き）
内容理解を助ける
演習問題
対面授業の振り返り
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
29
従来より発展的な問いを追加
（全員到達できるわけではない）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
30
15
2015/11/12
ワークシート記入例
（優秀な学生の例）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
31
ワークシート記入例（2）
（３回不合格した学生の例）
順序立てて考えることができない様子
→中学校レベルの数学からやり直しが必要
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
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16
2015/11/12
スマホアプリを使って解答を共有
（Learning Catalytic的な効果を期待）
アプリへの不満（安定性・機能）も多く，帯に短し襷に長し，という状況
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
33
３年間の総括評価結果の変遷
平成24年度（FCなし）
平成25年度（FCあり）
得点
平成26年度（FCあり）
平成27年度（FCあり）
0 9
10 - 19
91
20 - 29 9
478
人数増・１８０分連続・問題増・アクティブラーニング室導入
7430
30 - 39 04
1
8544
40 - 49 00
1137
2467
987211
50 - 59 077
01367
0133444
8865533210
60 - 69 0013447789
01122344556677
00112444457788
「不確定信号」の基礎を追加（期末試験で出題）
997776533222211
70 - 79 11445789
0022233445677788999
0012333344456677899
97655443
80 - 89 0012344578899
002223444566789
011134455667788
73200
90 - 99 245566667799
011133
01125
100
0000
0
N=49，平均値76.9，中央値80
N=55，平均値65.5，中央値71
N=69，平均値72.9，中央値75
N=69，平均値69.4，中央値73
基本的に２６年度と同様（ダレた？誤差？）
9
0 9
9
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
34
17
2015/11/12
問題があるならどこか？
• 反転授業の成立には事前学習の徹底が鍵
2013：ほぼノーチェック
2014：ログ（無意味なことが判明して頓挫）
→ノートチェック（自己/相互/助教）
2015：簡易ルーブリック（自己/相互/助教）
• 前出の３回不合格の学生らを除き，最低限の
事前学習はしてきている（程度が低い？）
• 対面授業中のAL活動（質疑応答，アプリ，
振り返り，学び合い）がマンネリ化している
• 評価は適切か？主体性をどう評価するか？
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
35
T君のストーリー
•
•
•
•
•
•
•
•
1,2年次は学習に興味が持てず低GPA
反転授業で「わかる！」「面白い！」
難しいと言われる情報通信Iでトップ合格
学ぶって面白い！？
大学院進学を決意
卒業研究を主体的に実施（ほぼ私不要）
卒業研究優秀発表賞受賞
現在も主体的に研究を推進中
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
36
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2015/11/12
I君のストーリー
•
•
•
•
•
•
•
•
格別成績が良いわけではない平均的な学生
反転授業で「わかる！」「面白い！」
難しいと言われる情報通信Iで満点合格
通信って面白い！？学びたい！研究したい！
大学院進学を決意し親を説得（トップ合格）
卒業研究を主体的に実施中（ほぼ私不要）
９月の電子情報通信学会大会で成果報告済み
３月大会も発表すべく研究（≠実験）中
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
37
実践上の課題
• 使いやすく手軽な事前学習動画配信システム
– 学生は圧倒的にスライドキャストを支持（データ量少）
– 途中に簡単なクイズ等の課題を含められるものが欲しい
• 事前学習の徹底
– ログは役に立たない
– ノート作成を課すことは有効（チェックが大変）
– 未学習時の対応→一度退室して閲覧など
• 動画による事前学習～対面授業に渡る全体の設計
– 新規導入のしきいを下げられる授業デザインテンプレート
– 高次能力習得型・学修の個別化が可能な授業デザインは？
– グループの作成方法（学生の自由？ランダム？）
• 評価
– 対面授業中のAL活動をより活性化させる評価
– 学習に対する主体性の評価方法
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
38
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2015/11/12
おわりに
• ３年にわたって複数の工学部知識伝達型専門科目
において反転授業を組織的・継続的に実施
• 反転授業の導入目的・対面授業の設計・運営が
確立している科目では顕著な教育効果を確認
–
–
–
–
–
学習時間の増加
学生の授業への関与の増加
学生間のインタラクションの活性化
学生自身による主観的な達成度の上昇
成績の大幅な上昇（下位層・上位層ともに改善）
• 対面授業の設計・運営がうまくいかなかった科目
では，上記の教育効果が見られていない
• 大切なことは授業全体の設計と運営（≠動画）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
39
結論
• インストラクショナルデザインが鍵
• 山梨大学全教員にインストラクショナル
デザインを普及させたい（立場を利用）
• 今年のFD研修会のメイントピック
– ３月鈴木克明先生（FD研修会）
– ６月gaccoインタラクティブティーチング
– 11月米島博司先生（FDワークショップ）
– １月未定（ID関係という以外内容未定）
2015/10/23
SEAワークショップ@湯の山温泉
40
20

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