Startup Engineering Education Program in Niigata University : How to Integrate Knowlege to Solve Engineering Problems

本論文は、日本の工学教育において、大学1年生が高校での「理科の問題解き」から、現実世界の文脈における工学的問題解決へ移行する際に生じると考えられる困難を扱っている。著者らは、多くの学生が入試志向で、しばしば機械採点される評価によって強く条件づけられ、問題には唯一の正解があり、学習とは主にそれを最も効率よく選ぶ方法を暗記することだと捉えがちだと論じる。高校の理科教育は、単純化した仮定の下で式を用いる能力を育てる一方で、そうした理想化（例：形状の影響や空気抵抗を無視すること）が、実務上の制約に対する準備不足につながりうる。これにより知識と経験の乖離が生じ、教科書の知識を現実的な工学課題へ適用することが難しくなる。これに対し、新潟大学工学部は、科学的に理想化された学びと現実世界の工学条件を結びつけ、反復的な改善を通じてオープンエンドな工学問題を解く力を育成することを意図した「スタートアップ工学教育」プログラムを開発した。

記述された各プログラムを通じて著者らは、適切な足場かけ（scaffolding）があれば、大学1年生でもオープンエンドな工学課題にうまく取り組めること、またプロジェクトが、与えられた選択肢から答えを選ぶ思考から、自分たちで生み出した方策の中から最適解を選ぶ思考へと学生を移行させるのに役立つことを報告している。化学・化学工学系学科では、当初は容易だと感じられた課題が、実環境の条件や測定アーティファクト（artefacts）に直面すると難しくなることが、学生の経験として示唆された（例：熱移動や扱い方により温度計の読みが変動する）。温度測定の例では、議論と2回目の試行の後、2つのチームが温度計の種類間およびチーム間の不一致を減らし、初回に見られた散らばりや偏り（氷で冷やした水に対して0°Cを上回る値と下回る値の双方が出たことを含む）と比べて、非常に狭い範囲に収まる値を得た。アンケートのコメントから、学生は、教科書記述の確認を目的とする高校実験とは異なる点を認識しており、大学の課題は因果分析、改善計画、知識の活用を要し、その感覚が「研究」に近いと述べていた。著者らは、大学1年生の能力が本質的に低いのではなく、オープンエンドな工学問題に対して知識を統合して対応する訓練が不足しているのだと結論づけている。

本プログラムは、7学科（機械・生産工学（M）、電気・電子工学（E）、情報工学（I）、生物サイバネティクス（F）、化学・化学工学、土木工学・建築学（K）、材料科学・工学（S））において、必修の1年次科目「Introduction to Engineering Literacy」として実施される。各学科が実習課題（例：手作り熱気球、Lorentz forceの測定、Lego NXTを用いた組込みソフトウェア、紙橋設計、交通・輸送の改善設計、brush motors、酸素濃度測定）を設定する。大学1年生が作業を主導し、教員および4年生が直接の答えや固定された手順を与えずに支援する一方、考慮すべき要因や参考文献の探し方などの助言を行う。プロジェクトは、教科書では通常単純化される条件を露出させ、PDCA cycle（plan–do–check–act）を繰り返す枠組みとして2回以上の試行を要するように構成されている。論文はまた、工学的問題解決能力の評価枠組みとして3要素を提案する。「Purpose」（問題分析から導かれる目標設定の適切さ）、「Process」（選択肢の生成と特徴づけ、制約の優先づけ、有効性の見積もり、選択肢の絞り込み）、「Performance」（方策の合理的評価と、予期しない結果への対応）である。化学・化学工学の事例では、約80人の学生を20チームに分け、同一プロジェクトに2チームが取り組み、全体で10件のプロジェクトを用意した。多くのプロジェクトは90分×5回の授業で進行し、デモンストレーション／説明、1回目試行、1回目評価、2回目試行、2回目評価＋レポートから構成された（ただし燃料電池プロジェクトは製作時間の都合で1回のみの試行となった）。最終回（全課題の発表を含む）の後に質問紙調査を実施した。

著者らは、新潟大学のスタートアップ工学教育が、現実の制約を認識し、解決策を反復的に改善し、知識と手を動かす経験を統合することを特徴とする「工学的」な問題解決様式へ、大学1年生を導入するうえで有効だと結論づける。さらに、大学1年生の問題解決能力が低下しているという教員に共通する認識に明確に異を唱え、むしろ学生の既有の訓練は、領域横断のオープンエンドな統合ではなく、暗記や試験志向の問題形式を重視しているのだと主張する。記述されたプロジェクトは、工学とは実用目的に向けた知識統合であることに「目を開かせる」仕組みであり、改善は一回限りの「その場しのぎ（nonce）」の対策ではなく、繰り返しの評価と洗練によって達成されるという考え方を埋め込むものとして提示されている。一方で、学生には、すぐに正誤判定や決定的な答えを求めて参考書に頼ろうとする傾向が残ることも指摘され、初期のパラダイム転換には補強が必要だと示唆される。その結果、本取り組みの意義は1年次での介入にとどまらず、その後の専門教育や卒業研究（capstone research）に向けた期待の形成にもあると位置づけられている。

論文は、1年次での効果は、2年次・3年次・4年次における適切に設計された継続教育によって維持されるべきだと主張する。著者らは、パラダイム転換は後年次の演習や実験を通じても継続し、4年次のproject researchがcapstoneとしてそれを総括し、4年生が1年生チームに助言も行うと述べている。さらに、答えがすぐに得られないときにも「keep consideration」して学び続けられるよう、動機づけを維持しつつ工学的能力を段階的に育てる必要性を強調する。1年次の設計における将来志向の設計原理としては、高校レベルの知識で達成できそうに見える一方で重要な現実条件を含む課題の選定、2回目の試行後も一部の問題を未解決に残して「moderate incomprehensibility」を保つこと、経験や技能の不足を補うために議論に基づくチームワークを用いることが挙げられる。全体として示唆される展望は、反復的でオープンエンドな問題解決を繰り返し実践し深化させる、一貫した複数年カリキュラムであり、学生が在学中を通じて実践的な工学問題に向けて技術知識を統合できるようにすることにある。

この論文は、日本の工学(科学や数学の考え方を、ものづくりや設計、製造、運用などの実用目的に役立てる学問です。現実の制約を考えながら、使える解決策を作る点が重要です。)部に入った大学1年生が、高校で慣れてきた「理科の問題を解く学び」から、現実の状況を考えながら答えを作る「工学的な問題解決」へ切り替えるときに、どんな難しさが出るのかを扱っています。多くの学生は入試の影響で、「問題には正解が1つある」「勉強は正解を効率よく選ぶ方法を覚えること」と考えがちです。
一方、高校理科では計算しやすくするために、空気抵抗を無視するなど、現実では成り立ちにくい条件で学ぶことがよくあります。そのため、教科書で覚えた知識を、現実の制約がある工学の課題にそのまま使うのが難しくなります。
そこで新潟大学工学部は、理想化(計算や理解を簡単にするために、現実の要素（例：空気抵抗、形の違い）を無視して単純な条件にすることです。学びやすい反面、現実への応用には追加の考慮が必要になります。)された学びと現実の条件をつなぎ、試して直すことを繰り返しながら、答えが1つに決まらない課題に取り組む力を育てる「スタートアップ工学教育」プログラムを作りました。

プログラムの結果、適切な支えがあれば大学1年生でも、答えが1つに決まらない工学(科学や数学の考え方を、ものづくりや設計、製造、運用などの実用目的に役立てる学問です。現実の制約を考えながら、使える解決策を作る点が重要です。)課題に取り組めることが示されました。また学生は、「与えられた選択肢から正解を選ぶ」考え方から、「自分たちで考えた案の中から最適なものを選ぶ」考え方へ移っていきました。
化学・化学工学系の課題では、最初は簡単に思えた作業でも、実際の環境条件や測定のくせの影響で難しくなることが分かりました。たとえば温度測定では、温度計の種類や扱い方、熱の移動の影響で結果がばらつきます。しかし議論して2回目を試すと、チーム間や温度計の違いによるずれが小さくなり、より狭い範囲の結果にそろえられました。
アンケートからは、学生が「高校の実験は教科書の内容確認が中心だったが、大学の課題は原因を考え、改善案を立て、知識を使う必要がある」と感じ、「研究に近い」と表現していたことが示されました。著者らは、大学1年生の力が低いのではなく、知識を組み合わせてオープンエンドな課題に対応する訓練が不足していただけだと結論づけています。

このプログラムは、7学科で必修科目「Introduction to Engineering Literacy」として実施されます。学科ごとに、手作り熱気球、ローレンツ力の測定、Lego NXTを使った組込みソフト、紙の橋の設計、交通改善案づくり、ブラシモーター、酸素濃度測定などの課題が用意されます。
大学1年生が中心になって進め、教員や4年生は正解や決まった手順を教えず、考えるべきポイントや調べ方のヒントを出して支援します。課題は、教科書では単純化されがちな条件をあえて含み、PDCAサイクル(計画し、実行し、結果を確認し、改善する流れを繰り返す考え方です。工学では試して直すことが基本なので重要です。)として少なくとも2回以上試行し、評価して改善する流れになるよう設計されています。
また論文は、工学(科学や数学の考え方を、ものづくりや設計、製造、運用などの実用目的に役立てる学問です。現実の制約を考えながら、使える解決策を作る点が重要です。)的な問題解決力を評価する観点として、Purpose(問題を分析して、どんな目標を立てるべきかを適切に決めることです。目標の立て方がずれると、努力しても解決につながりにくくなります。)、Process(目標達成のための案を出し、良い点と悪い点を整理し、制約の優先順位を決め、効果を見積もって案を絞る一連の考え方です。現実的な解決策を作るために必要です。)、Performance(実行した解決策を筋道立てて評価し、予想外の結果が出たときに理由を考えて対策を作る力です。改善を続けるための中心になります。)の3つを提案しています。化学・化学工学の例では、約80人を20チームに分け、2チームで同じ課題に取り組む形で、合計10種類の課題を実施しました。多くの課題は90分授業を5回使い、説明、1回目の試行、1回目の評価、2回目の試行、2回目の評価とレポート作成で進みました。最後に質問紙調査も行っています。

著者らは、このスタートアップ工学(科学や数学の考え方を、ものづくりや設計、製造、運用などの実用目的に役立てる学問です。現実の制約を考えながら、使える解決策を作る点が重要です。)教育が、現実の制約に気づき、解決策を繰り返し改善し、知識と手を動かす経験を結びつける「工学的な問題解決」を大学1年生に身につけさせるのに有効だと結論づけています。
また、「最近の大学1年生は問題解決力が下がった」という見方に反対し、学生が苦手なのは能力の低下ではなく、入試中心の学びの中で、分野をまたいで知識を統合する訓練が少なかったためだと主張します。さらに、工学の改善はその場しのぎではなく、評価と改善を繰り返して作り上げるものだという考え方を、早い段階で体験させる意義があると述べています。
一方で学生には、すぐに正誤や正解を知りたがり、参考書に頼ろうとする傾向も残るため、考え方を切り替えるには継続的な支えが必要だと指摘しています。

論文は、1年次で得られた効果を保つには、2年次・3年次・4年次にも、うまく設計された学びを続けることが重要だと述べています。後の学年の演習や実験で考え方の転換を進め、4年次の研究活動がまとめの段階になり、4年生が1年生を助言する役割も担うとしています。
また、すぐに答えが出ないときでも考え続けられるように、やる気を保ちながら工学(科学や数学の考え方を、ものづくりや設計、製造、運用などの実用目的に役立てる学問です。現実の制約を考えながら、使える解決策を作る点が重要です。)的な力を段階的に伸ばす必要があると強調します。1年次の課題設計としては、高校知識でも取り組めそうに見えるが重要な現実条件が含まれる課題を選ぶこと、2回試しても一部の疑問が残る程度の「少し分からない状態」を残すこと、議論を中心にしたチームワークで経験不足を補うことが大切だと述べています。最終的には、複数年にわたり、答えが1つに決まらない課題を繰り返し実践するカリキュラムが必要だと示しています。