2013年度の実践をまとめた学会発表　科学教育学会2014

1. 静岡大学創造科学技術大学院
情報科学専攻
○齊藤智樹・奥村仁一・熊野善介
The Theories and Practices
Which Appear in the Summer Camp
as a Model of STEM Education in the Informal Setting

2. 1背景Background 2問題ResearchQuestions
3実践Practices 4結果と考察Result&Discussion
米国STEM教育改革
Learn from the US
STEMは何を目指しているか
What do STEM education aims for ?
Eを統合するには？
How can we integrate Engineering?
STEM教材の性質
Themeaningtopredictproblems.
STEM教材開発の道標
Howcanwedevelopthe integratedSTEMactivities?
参加者の示した解決策
Thesolutionwhichmadebycampparticipants.
学習サイクルD－D－Oモデル
Define–Develop-Optimize
実施されたSTEM教材
STEMLearningMaterialsinSTEMcamp
キャンプの活動の様子
Activitiesinthecamp
STEM教材とはどんなものか
What kinds of activity will appears as STEM?
子どもたちの示すデザインとは？
How do students design their solution?
日本型をつくっていくには？
What should we need to develop J-STEM model?

3. STEM教育とは Backgrounds
Where will we go as the STEM Education reform?
What is the purpose?
How can we impliment it?

4. 米国STEM教育改革
Why do we need STEM Education reform?
STEMは何を目指しているか
What does STEM education aim for ?
Eを統合するには？
How can we integrate Engineering?

5. STEM Education reform in the US
What ‘s going on?
Why do they choose the STEM integrated reform?

6. Where will STEM Education aims？
What did the US people think?
What will STEM support?

7. *STEM教育は,米国が世界の中でリーダーであり続け
ることができるか,また,エネルギー,健康,環境保護,
安全保障などの分野での計り知れない問題を解く
ことができるかどうかを決定することになるだろ
う(p.vii)
*全ての米国市民は,科学技術的な知識,工学の原理原
則,彼らが社会生活とキャリアにおいて成功するた
めに十分な量的な方法,そして我々の国やこの地球
が直面している問題についてのより正確な情報に
基づいた意思決定をすることへの理解を示す必要
がある(P.15) PCAST ”Prepare and Inspire”(2010訳:2013)
• STEM education will determine whether the United States
will remain a leader among nations and whether we will be
able to solve immense challenges in such areas as energy,
health, environmental protection, and national security.
• All U.S. citizens should have an understanding of scientific
and technological knowledge, engineering principles, and
quantitative methods sufficient to succeed in public life and
in their careers, and to make informed decisions about
issues facing our Nation and our planet.

8. このSTEM教育改革の特徴として,何が他の教育改革と違うのか
1. 市民として理解すべき地球規模の問題に向けていること
2. 環境やそれに関する問題に対する認識を変えていくこと
3. 現代的な(21世紀における)職能について認識すること
4. 安全保障の問題について長期的に見ていくこと.
(Bybee,2013, 訳: 2013)
What makes a STEM reform different resides in four themes:
• Addressing global challenges that citizens must understand
• Changing perceptions of environmental and associated
problems
• Recognizing 21st-century workforce skills
• Continuing issues of national security

9. *米国の科学教育改革のスローガンとし
てだけでなく,その他の国々も含めた世
界にとっての社会的諸問題(Issues)を解
くことのできる人材育成という側面を
持ってスタートした
*これからの時代を生きる市民としてど
んなことが求められているのかについ
て,意識が向いている
• STEM is not just a slogan of the US education reform, but a
human resource development for the world which are
meeting the common global issues.
• It aims for the

10. 工学を通して科学を教えるとは？
How can students learn Science through Design activities?
How can we integrate these Discipline?

11. *工学―人間の必要性と欲求を満たすた
めに物体・プロセス・システムのデザ
インをするための秩序だった,また繰り
返される取り組みのこと.
A Framework for K-12 Science Education (2012 p.202, 訳：熊野2012)
• Engineering design, a systematic process for
solving engineering problems, is based on
scientific knowledge and models of the
material world.

12. ①科学や数学を学ぶために現実世界の文
脈を提供する
②デザイン活動は課題解決力を開発する
文脈を提供する
③デザイン活動は複雑であるがゆえにコ
ミュニケーション活動とチームワークの
形成を推進する
Roehrig他(2012),Brophy他等3論文のまとめ
① Provide real-world context for learning
mathematics and science;
② Design task provide a context for
developing problem-solving skills; and
③ Design tasks are complex, and as such,
promote the development of
communication skills and teamwork.

13. 工学の活動においてその中心となるのは目的
に合わせて問題を解決する考え方であり,工学
デザインの過程によって特徴づけられる こと,
また,工学のデザインとは「その形や機能がク
ライアントの目的やユーザーのニーズを満たす
と同時に,具体的な制限事項を満たすような端
末やシステム,過程のためにデザイナーが生成
し,評価し,概念を明確にする秩序だった,知的な
過程」である. Dym(1999,2005)
• Engineering design, a systematic process for
solving engineering problems, is based on
scientific knowledge and models of the
material world.

14. 社会のニーズに合わせて解決策をつくりだすこと

15. STEM
STEMの各分野の内容を
収める容器のようなも
のはないか
We need a container to put them in

16. STEM
イシューズをその容器とする
The container is “Issues”.
イシューズに対して、解決策
を考えていくことは、科学だ
けを扱う活動には成りえない。
→STEMとなる
Students will make their Solution for “issues” in
the lesson. It should not be an activity which uses
only science.
And
It will become a STEM activity.
Design×Issues

17. Research Question
Before we will develop the J-STEM model
What should we need to know from an initial implimention?

18. STEM教材とはどんなものか
What are the characteristics of STEM learning?
子どもたちの示すデザインとは？
What will be lead by design activity?
日本型をつくっていくには？
What do we need to develop J-STEM model?

19. STEM教育における実践の中でも,特に私たち日本人
にとって馴染みの薄い内容である工学(Engineering)
としてのデザイン活動に主眼を置いた科学教育の実
践を通して,①現在米国を中心にSTEM教材として示さ
れているものにはどんな特徴があるか,②超領域的な
問題に取り組むキャンプとしてSTEM教育を実践し
た場合,子どもたちはどのような解決策を作ってくる
のか,③今後日本型のSTEM教材をつくっていく上で例
となる形式はどんなものかについて見出し,今後日本
の文脈においてSTEM教育研究を進める上でポイント
となる論点をまとめていく.
The purpose of this study
①What kinds of characteristics do STEM learning materials have?
②What kind of solution do participants design in transdisciplinary context?
③What kind of discussions do we need to develop J-STEM model?

20. Practices
科学と工学の統合したモデル
As a initial effort, we observed as it is.
Making its purpose, activities, and assessments in the action.

21. 双方向学習過程D－D－Oモデル
Define – Develop – Optimize interactive cycle model
実施されたSTEM教材
STEM Learning Materials in the camp
キャンプの活動の様子
Activities in the camp

22. 津波に対して私たちはどんな対
策ができるのか
What kinds of countermeasures can we develop
for huge Tsunami like 3.11?
静岡県焼津青少年の家
2013.7.29-30実施
小学校5年～中学3年生対象
29名参加

23. interactiveCycle
Next Generation Science Standards
Appendix I “Engineering Design”
Define－問題を明らかにする
ソリューションを制限しそうな基準や制約、
考慮点に注意を向ける。
Develop－ソリューションを開発する
異なるソリューションの部分を新しいソ
リューションを創りあげるために結合する
Optimize－最適化する
繰り返しテストをするシステマチックなプ
ロセスを用いて、ソリューションを改良する。

24. 問題をはっきりさせる
解決策をつくる
解決策を改良する
•各自の解決策をデザインする。
•STEM教材を使って学習。自分が作る
ものと科学的な情報とのつながりを
学んでくる。
•科学者、工学者との出会い。
•津波に対して何ができるかを考えて
いく。
•津波に対して何ができるかを考えていく。
•各自の解決策をつくりなおす。
•班ごとの解決策をまとめる。
•それぞれの考えた解決策を発表する。
•津波についての基本的な知識を得る。
•津波に対してどんな対策ができるのか、
ブレインストーミング。(webbing)
•グループごとにどんな対策ができるのか
の全体像をまとめる（コンセプトマップ）
•各自の解決策をデザインする。

25. Day1 Day2
午前
Morning
ブレインストーミング
Brain storming
コンセプトマップ
Concept maps
デザイン
Design their Solutions
本物の工学者との出会い
Invite Engineer
デザインの改善
Redesign their solutions
午後Afternoon
STEM教材での学習
Study with
9 STEM Materials
デザインのまとめ
Make conclusion
発表会
Presentation
夜
Evening
本物の科学者との出会い
Invite Biologist

26. They discuss their ideas
how to solve the problems

27. It also lead individual idea
to make solution.

28. STEMLearningMaterials
イス ローラーコースター パンプキンランチャー
ソーラークッキング ウォーターフローター 水琴窟
ペーパーブリッジ おむつ 耳石

29. STEMLearningMaterials
“e-GFI”
by ASEE
EASE
東アジア科学教育学会

31. Redesign the solution
of “Tsunami.”

32. Had presentation of
individual solution and discuss with.

33. They made models
with a poster.

34. Their ideas were supported
by STEM activities.

35. Result &Discussion
実践の結果と見えてきたこと
During the practice and after implimention of our camp
What kind of things were necessary to support our lesson development?

36. STEM教材の性質
The meaning to identify problems.
STEM教材開発の道標
How can we develop the integrated STEM activities?
参加者の示した解決策
The solution which made by camp participants.

38. 関連する分野と課題
この教材は、段ボールを使って自分用途に合ったイスをつくる活動です。用意するものは、段ボール、定規、体重計、段ボールカッター、そしてA4デザイン
用紙3枚ずつです。参加者は、与えられた材料から各自自分の目的とする用途に合わせたデザインを描き、そのうえで製作をする。それぞれ一度のプロト
タイプを作り、テストを行う。また、改良点をデザインし直した後作り直してもよい。どのような結果になったとしても、「何がより荷重を支えたか」や、「自分が
目的とした用途に近づくための工夫」についての意見を、「追究ブック」にまとめてこのブースでの活動を終わりにする。
学習指導要領では…
NGSSでは…
活動の概要
双方向学習過程(Learning Cycle) 評価（How to assess the Students?）
・重力
・力の効果（圧力）
・材料の向きと力の関係
自分の用途に合ったイス
をつくろう。
直に床に座るよりも立位へ移行
しやすく活動しやすい。
イスの用途は作業をするためと、
休息をするための２つに分けら
れる。
単位面積当たりの力の
関係を計算する。
自分の下肢の長さと、イ
スの長さを考慮する。
小学校では「風やゴムのはたらき」「てこのつり合いとおもさ」「てこのつり合いの規
則性」「てこの利用」
中学校では「力の働き」「重さと質量の違い」「圧力（水圧）」「仕事とエネルギー」「力
学的エネルギーの保存」
高等学校では「物理量の測定と表し方」「運動の表し方」「直線運動の加速度」
「様々な力」「力のつり合い」「運動の法則」「物体の落下運動」「運動エネルギーと
位置エネルギー」「力学的エネルギーの保存」など
Motion and Stability: Forces and Interactionsとして各学年段階に記述がある。
二つの衝突する物体におけるニュートンの第3法則・物体の運動はその質量
と力に依存する・重力の相互作用に関係する物体の質量に依存するという証
拠に基づいた議論を展開する。
Define問題を明らか
にする－ソリュー
ションを制限しそう
な基準や制約、考
慮点に注意を向け
る。
Developmentソ
リューションを開発
する－異なるソ
リューションの部分
を新しいソリューショ
ンを創りあげるため
に結合する
Optimize最適化す
る－繰り返しテスト
をするシステマチッ
クなプロセスを用い
て、ソリューションを
改良する。
Define：自分の体重を十分に支え
る椅子になるための条件は何か
考える。また、自分の作る椅子は
どんな場面で使うものかをはっき
りさせる。
Development：各自の作った椅子
のなかで、良いポイントは何か、
相談し合う。
Optimize：作り直しを繰り返しなが
ら、最も良い椅子になるよう工夫
する。
1.Defineの場面では、自分の体重をはかり、その体重が載る面積、
その面を支える脚の強度に着目していること。また、椅子を使う場面
をはっきりとイメージし、使用の目的を作業とするか休息とするかに
よって、具体的なデザインの工夫ができている。
2.Developmentの場面では、お互いのプロダクトの良い点を吸収し合
い、自分のプロダクトを改良しようとしている。
3.Optimizeの場面では、Defineの段階で測った体重、面積をはっきり
と定義し、それを支えるための方略を考え出すことができること（成
功していなくても方略が作れているか）また、各自のオリジナルな工
夫ができていること。などを評価する。
関連する分野と課題
Related STEM
Contents & Subject matter
学習指導要領・NGSS
における記述
Description in
Course of Study & NGSS
活動の概要
D-D-Oモデルに
基づいた
繰り返しの学習過程
Iterative Cycle based on DDO model
D-D-Oモデルに
基づいた評価
Assessment based on DDO model

39. ・重力
・力の効果（圧力）
・材料の向きと力の関係
関連する分野と課題
自分の用途に合った
イスをつくろう。
直に床に座るよりも立位へ
移行しやすく活動しやすい。
イスの用途は作業をするた
めと、休息をするための２つ
に分けられる。
単位面積当たりの力の関係
を計算する。
自分の下肢の長さと、イス
の長さを考慮する。

40. 学習指導要領では…
小学校では「風やゴムのはたらき」「てこのつり合いとおもさ」
「てこのつり合いの規則性」「てこの利用」
中学校では「力の働き」「重さと質量の違い」「圧力（水圧）」
「仕事とエネルギー」「力学的エネルギーの保存」
高等学校では「物理量の測定と表し方」「運動の表し方」「直線
運動の加速度」「様々な力」「力のつり合い」「運動の法則」「物
体の落下運動」「運動エネルギーと位置エネルギー」「力学的エネ
ルギーの保存」など
NGSSでは…
Motion and Stability: Forces and Interactionsとして各学年
段階に記述がある。
二つの衝突する物体におけるニュートンの第3法則・物体の
運動はその質量と力に依存する・重力の相互作用に関係する
物体の質量に依存するという証拠に基づいた議論を展開する。

41. この教材は、段ボールを使って自分用途に合ったイスをつくる活動。用意
するものは、段ボール、定規、体重計、段ボールカッター、そしてA4デザ
イン用紙3枚ずつ。参加者は、与えられた材料から各自、自分の目的とする
用途に合わせたデザインを描き、そのうえで製作をします。それぞれ一度の
プロトタイプを作り、テストを行う。また、改良点をデザインし直した後作
り直してもよい。どのような結果になったとしても、「何がより荷重を支え
たか」や、「自分が目的とした用途に近づくための工夫」についての意見を、
「追究ブック」にまとめてこのブースでの活動を終わりにする。
活動の概要
繰り返しの学習過程(Learning Cycle)
Define問題を明ら
かにする－ソ
リューションを制
限しそうな基準や
制約、考慮点に注
意を向ける。
Developmentソ
リューションを開
発する－異なるソ
リューションの部
分を新しいソ
リューションを創
りあげるために結
合する
Optimize最適化す
る－繰り返しテス
トをするシステマ
チックなプロセス
を用いて、ソ
リューションを改
良する。
Define：自分の体重を十分に支える椅子になるための条件
は何か考える。また、自分の作る椅子はどんな場面で使
うものかをはっきりさせる。
Development：各自の作った椅子のなかで、良いポイント
は何か、相談し合う。
Optimize：作り直しを繰り返しながら、最も良い椅子に
なるよう工夫する。

42. 評価（How to assess the Students?）
1.Defineの場面では、自分の体重をはかり、その体重が載る面
積、その面を支える脚の強度に着目していること。また、椅
子を使う場面をはっきりとイメージし、使用の目的を作業と
するか休息とするかによって、具体的なデザインの工夫がで
きている。
2.Developmentの場面では、お互いのプロダクトの良い点を吸
収し合い、自分のプロダクトを改良しようとしている。
3.Optimizeの場面では、Defineの段階で測った体重、面積を
はっきりと定義し、それを支えるための方略を考え出すこと
ができること（成功していなくても方略が作れているか）ま
た、各自のオリジナルな工夫ができていること。などを評価
する。

43. 系統性をどう確保するのか
全ての内容をサポートするSTEM教材の必要性
カリキュラムの在り方
あるいはカリキュラムそのものが改変される必要がある
のではないか
問題は学校においてなぜこれらの教科が分割されて
いるのかという点である。(NAE, 2009)

44. T技術
技術(工学の成果
としての製品)と
私たちの社会の
なかでのその性
質を特定する。
Define Technology and its
characteristics in our Society.
SM科学・数学
その技術に利用
されている科学
や数学を理解す
る。
Understand Science and
Mathematics which use for
the Technology
E工学
どんなデザイン活動
を提供すれば、TSM
が学ばれる場が作れ
るか。
Plan design to solve the problem.
なにをつくるのか？
「イス」
その役割や問題点
開発の歴史は？
どうしたら自分の重みを
支えられるのか
「重力」
「圧力」
素材の向きなど
「関係性・規則性」は？
子どもたちがニーズに合わせ
改善したいと思う点はどこか
「もっと重さに耐えるようにし
たい」
「くつろげるように傾いた背も
たれにしたい」
T-SM-Eモデル

45. toimplicateinschoolscience
ものづくり教材のSTEM化

46. * 既存のものは必ずしも学習指導要領の内
容に(NGSSでさえ)適応できているとは言
い難い。
* D-D-Oモデルによる評価を取り入れるとい
うことは可能.
* 先生方にとってPracticeは馴染みのない
もの
「系統性はどう確保するのか？」by a principal

47. ① 革新的なもの Innovative one
② 科学的な知識に基づいたもの
Based on Scientific Knowledge
③ 細かなニーズに対応しようと
したものーソフト対策
Soft solution-to meet specific needs

48. #1

49. #1
Rugby House

50. #2Make protuberance near the sea bed.
波が小さいほどエネルギーも小さい
段々羽を細かくすることに
よって波も小さくなる

51. #2
発電機をつける
Tsunami power plant
船が来たときはたたむ
20～several hundreds

52. #3To ride on a Bird
Improve science
Use light which
make something
bigger

53. #3Make Square Boat
表面積が広い
もの

54. #4Make a shelter
• 予算の使い道は？
• マンションはどうするの？
• 津波が来るとき外出中だったら？
• ホームレスはどうなの？
• 地下にいるとき地上の様子が
• 分からない
• 電力・水道はどうする？
• 業者を説得して自分も手伝う
• 0~1Fはシェルターに避難んし、
～最上階は屋上に避難する
• お店や学校にも設置する
• 近くの家・お店などが意地悪を
しないで入れてあげる
• 透明なフタを用意する
• 電気はソーラーパネル、水は食
料の水でがんばる

55. Innovators
* 特定の答えを求める問題ではなく、STEM教
材のように限られた材料や目的に向けて自分
なりの考えを形にしていく活動は適している。
* キャンプに来た時点で、イノベーティヴなアイ
デアを創りだすことができている。
* イノベーティヴな解決策に対応できない
* ブースでのSTEM活動自体が反映されてい
ない→彼らにとっての学習が用意できていな
い。
→彼らは最初に考えた解決策をOptimizeしたい

56. ScienceActors
* ブースから得られた科学的な知識を基にし
て、各自の解決策は作り上げることができ
る。
* “解決策をつくろう”といったとき？？となる
子たちにとっては、ブースの活動が解決策
づくりの参考になっている。
* ブースでの活動が、トータルの解決策をサ
ポートできるものにしていく必要がある。
→より効果的なキャンプの全体像

57. Needs sufficient
* 解決策（Technology)にまつわるあら
ゆるニーズに応えようとしたものもあっ
た。
* 科学Sの欠落
* 一方で、ソフトソリューションに対する
評価の手法を持っていない
科学教育者→STEM教育者

58. STEM教材について
STEM Learning material
参加者のデザインについて
Design by students
日本型STEMについて
What should we need to develop J-STEM model

59. * スタンダードを満たすSTEM教材・カリキュラムの開発。
We need to develop STEM leaning materials and its curriculum
* 指導要領と並行して使用できる評価の作成。
need to develop assessment which can use align with the “course of study”
* デザインそのものについて、子どものあらわれをあるがま
まに、よく見る。
need to observe students’ design carefully and find something new as a assessment
* 国際的な学力調査等からの新しい時代に求められる学力
“CPSや21st century skills”などの調査・研究、STEM
文脈での実践。
need to study about Creative Problem Solving or 21st century skills and to make practice on it

60. 本研究は,平成23年度から平成25年
度科学研究費補助金(基盤研究B)課題
研究番号23300283「科学技術ガバナ
ンスの形成のための科学教育論の構
築に関する基礎研究（研究代表者
熊野善介）及び,平成25年度静岡大学
地域応援事業の助成を受けて行いま
した.ここに感謝の意を表します.

61. 以上で終わります
ありがとうございました

62. *DymC,LearningEngineering:Design,languages,andexperiences,Journalof
EngineeringEducation,1999
*DymC他,Engineeringdesignthinking,teaching,andlearning,JournalofEngineering
Education,2005
*ExecutiveOfficeofthePresidentPresident’sCouncilofAdvisorsonScienceand
Technology,REPORTTOTHEPRESIDENTPREPAREANDINSPIRE:K-12
EDUCATIONINSCIENCE,TECHNOLOGY,ENGINEERING,ANDMATH(STEM)
FORAMERICA’S FUTURE,2010
*Gillian他,IsAddingtheEEnough?InvestigatingtheImpactofK-12Engineering
StandardsontheImplementationofSTEMIntegration,2012
*NationalResearchCouncil:AFrameworkforK-12ScienceEducation:Practices,
CrosscuttingConcepts,andCoreIdeas,2012
*LeadStatesandPartners:NextGenerationScienceStandards,2013
*RodgerW.Bybee,TheCaseforSTEMEducationChallenges andOpportunities,NSTA
press,2013
*RodgerW.Bybee,ScientificandEngineering PracticesinK–12Classrooms,2011
*熊野善介：科学技術ガバナンスの形成のための科学教育論の構築に関する基礎
的研究,中間報告書・最終報告書,2012-13