物理的表現手法による技術・情報分野の教材開発およびその評価に関する研究

吉原和明　（正会員）
福山大学工学部情報工学科助教

キーワード

情報教育ネットワーク学習教材物理的表現手法

［背景］中学校や高等学校においてネットワークの仕組みの学習が必修

［問題］適切な教材が無く実験や実習を行うことが難しい
［貢献］物理的表現手法を用いたネットワーク学習教材の有効性を確認した

現行の学習指導要領では，中学校の技術・家庭科技術分野（以下，技術科）高等学校の情報科において，情報通信ネットワークの仕組みの学習が必修化されている．情報系の大学を中心に，端末やルータなどの実際にネットワークを構成するコンピュータ機器同士を配線してネットワークを構築する演習が行われているが，ルータの設定など中学生および高校生には敷居が高く，適切な教材が無いため，実験や実習を行うことが困難である．加えて，ネットワークが目に触れないところで働いているため，動作を直接見ることができないこともネットワークの学習を難しくしている．本研究では，物理的可視化と物理的直接操作からなる物理的表現手法を提唱し，中学生および高校生を対象にした教材を開発する研究を行った．

物理的可視化とは，目に見えない事象を，ディスプレイのような画面上での可視化ではなく，目で直感的に理解できるLEDのような光や，扇風機の羽のような回転する動きのような物理的な現象を用いて可視化することである．物理的直接操作は，キーボードやマウスを用いた複雑な操作を，手や足を用いた単純な動作で，直感的に操作を行うことである．物理的表現手法を用いることで，理解しづらい目に見えない技術を直感的に理解することができ，さらに，複雑な操作を直感的かつ容易に行うことができる．

本研究では，物理的表現手法を取り入れたIPアドレスの仕組みを学習する教材とルータの役割を学習する教材を作成した．教材はRaspberry Piで開発を行い，以下の2つの特徴を持っている．

物理的直接操作として，ダイヤルとボタンをインタフェースに実装した．ダイヤルを手で回すことでIPアドレスを指定することができる．そして，ボタンを押すことで自機の教材にIPアドレスを設定したり，指定したIPアドレスの機器と通信を行うことができるので，直感的な操作で動作を実行することができる．
物理的可視化として，LEDを実装した．教材同士が通信を行うとLEDが点灯することで，通信が行われたことが，点灯したLEDを見ることで直感的に確認することができる．

開発した教材を用いた授業実践を，中学校1年生を対象に行い，教材の評価を行った．授業対象者を実験群と統制群に分け，事前テストと事後テストを行った結果，事後テストでは，実験群の方が統制群より得点が高い傾向にあり，有意差が見られたことから，教材の有効性が確認できた．また，授業後のアンケートの結果により，多くの生徒たちが，本教材を用いたネットワーク構築体験を通して，ネットワークの仕組みや構築に関して興味を持ったことが示された．

今後は，ネットワークだけではなく，その他の技術・情報教育における学習内容においても物理的可視化と物理的直接操作のコンセプトを基に教材開発をしていき，教材を評価することによって物理的可視化や物理的直接操作の有用性を検証していく必要がある．

（2020年5月29日受付）

取得年月日：2020年3月
学位種別：博士（教育学）
大学：広島大学

推薦文：（インターネットと運用技術研究会）

この博士論文は, 発光ダイオードを使った簡単な表示装置やダイヤルを使った簡単な入力装置等を使った, 情報通信ネットワークをわかりやすく学習するための教材について述べたものです．この研究は社会を支えているネットワークについて多くの人の理解をえるための有用で興味深い研究ですので，推薦いたします．

研究生活：

学部生のころからネットワークに興味を持ち，研究室に配属してからネットワーク教材の開発研究を行ってきました．博士課程では，大学外での多くの先生方との交流，海外での国際会議での発表や研究会シンポジウムの学生スタッフなどさまざまなことを経験させていただきました．

高校・大学学部生時代には博士課程に進むとは夢にも思っていませんでしたが，研究室のメンバや，多くの先生方に支えられ，無事に博士号を取得することができました．最後に学部3年から博士取得まで，長きにわたりご指導いただいた指導教員の渡辺健次先生にこの場を借りて心より感謝申し上げます．

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