理数系教員統計・データサイエンス 授業力向上研修集会…と、ビッグデータの活用能力を育成するいくつかの取り組み

宮崎県立宮崎北高等学校
教育開発部 河野 健太

本日のアウトライン
自己紹介
１．宮崎北高校の探究活動
２．データサイエンス（ＤＳ）
３．マニュファクチャリング（ＭＦ）
４．生徒の応用事例
５．今後の展望・課題自己紹介
河野 健太（37）
大分県別府市出身
宮崎大学大学院 応用物理学専攻
専門：理科（物理）
趣味：天文
宮崎北高校 ４年目
・ＳＳＨ教育開発担当
・科学部顧問1．宮崎北高校の探究活動
文部科学省指定事業

スーパーサイエンスハイスクール（ＳＳＨ）
第4期4年目 （20年間やってます）

適切な観察・実験から得られた情報を適切にデータ処理し、論理的・客観的・実証的にものごとを考える能力を持った人材

第4期 開発目標

サイエンス科 ※開発パイロット学科
Break down

普通科

1．宮崎北高校の探究活動
サイエンス科の「科学探究(ACT-SI)」と「プレ探究活動」
ＳＴ…科学論文と英語

ＦＷ…実験観察の手法

ＥＳ…地球環境とＳＤＧｓＤＳ…統計とプログラミング

ＭＦ…試行錯誤の体験

ＰＴ…英語の論文とプレゼン

ＩＥ…豊富な国際交流

勉強だるいな～

科学技術人材となるための探究技能を習得し活用しながら学ぶ楽しさに気づく

外発的
動機付けの学び

ＡＣＴ－ＳＩ（３年間の科学探究）

内発的動機付けの学びへ！

1．宮崎北高校の探究活動
サイエンス科の「科学探究(ACT-SI)」と「プレ探究活動」
ＳＴ…科学論文と英語

ＦＷ…実験観察の手法

ＥＳ…地球環境とＳＤＧｓ

ＤＳ…統計とプログラミング

ＭＦ…試行錯誤の体験

ＰＴ…英語の論文とプレゼン

ＩＥ…豊富な国際交流

１年サイエンス科
２年サイエンス科
科学技術人材となるための探究技能を習得し１年サイエンス科 活用しながら学ぶ楽しさに気づく 隔週２時間で実施
土曜講座で集中講義
内発的
外発的ＡＣＴ－ＳＩ
動機付け
動機付け（３年間の科学探究）の学びへ！の学び

勉強だるいな～２．データサイエンス（ＤＳ）
１年生 【エクセルで学ぶ統計処理】（１）群・変数・項目とは（２）適切なグラフの選び方（円・棒・折れ線グラフ）（３）円・棒・折れ線グラフの作り方（４）測定データの種類（５）代表値（６）標準偏差と分散（７）標準偏差の使い方と誤差グラフ（８）Excelワークシートの活用方法（セルの絶対参照）（９）箱ひげ図（１０）ヒストグラム（１１）散布図と近似線（１２）相関係数（１３）無相関検定（１４）1群の t 検定（１５）対応のある t 検定（１６）ウェルチの t 検定

適切な実験計画を立てるためデータの種類について学ぶ
適切なデータ処理のためばらつきの概念を学ぶ
適切なデータの可視化を学ぶ
相関を分析できるようになる
相関検定＆平均の差の検定をマスターして終了！

２．データサイエンス（ＤＳ）
授業の流れ①本校独自のオリジナル教材による個別学習 ～自分のペースで学ぶ～Ｃｌａｓｓｉで配信

Google Workspaceで配信

本校独自のオリジナル動画教材（無音）２．データサイエンス（ＤＳ）
授業の流れ①本校独自のオリジナル教材による個別学習 ～自分のペースで学ぶ～動画を見て各自で勉強！

自分のタブレットも使って…

２．データサイエンス（ＤＳ）
授業の流れ②ＰＢＬ課題に取り組む ～各自の進捗に合わせて課題を進める～

進捗にあわせて各自で取り組みます。ＰＢＬ課題を解く鍵は動画にある…といった感じです２．データサイエンス（ＤＳ）
授業の流れ②ＰＢＬ課題に取り組む ～各自の進捗に合わせて課題を進める～
各生徒のＰＢＬ進捗状況を掲示

ＰＢＬ課題を解く過程で話し合い・教え合いが発生

ただし！人のパソコンに触れるのは禁止！！

２．データサイエンス（ＤＳ）
授業の流れ③チェック＆口頭試問 ～個々の能力に合わせて無理なく次へ～
ＴＴの先生もいます
２人で指導中。
もちろん順番待ちも出ますが…

これだとちょっと変！
どこが変かな？

課題にはかならず口頭試問がある

生徒一人ひとりと対話をしながら進めます２．データサイエンス（ＤＳ）
１年間の進捗状況

２月22日現在 ＤＳ…26時間※終わっていない分は次年度のＤＳに持ち越し（それで終わらないと放課後）

２．データサイエンス（ＤＳ）
２年生 【プログラミング画像処理】（１）Google Colabの使い方（２）画像読み込み（３）グレースケール化（４）二値化（５）色検出（６）モルフォロジー変換（７）エッジ検出（８）面積計算（９）ラベリング処理（１０）重心検出＆プロット（１１）動体追跡

昨年まではプログラミングソフト「ＭＡＴＬＡＢ」を使用
生徒全員へのGoogleアカウント配布に伴いGoogleColabへ移行中

３．マニュファクチャリング（ＭＦ）
マニュファクチャリング（Manufacturing）とは“ものづくり”の意味
物理の知識を活用するＰＢＬ（課題解決型学習）を行う。
クラフトＰＢＬ

プログラミングＰＢＬ

プロトタイプの作成を通して試行錯誤の練習 土曜講座にて実施
チームでの取り組みによって合意形成の練習 新科目「理数探究」の代替科目として開発→ 思考力・判断力・表現力を鍛える

３．マニュファクチャリング（ＭＦ）
プログラミングＰＢＬの内容
Raspberry Piでデータロガー作成

ラズパイゼロ＋センサーモジュール「EnviroPHAT」

ラズパイゼロ＋
カメラモジュール

大量の観測データを得られるようになろう！

開発環境は完全にＣＵＩ！
Ｌｉｎｕｘ系ＯＳでガリガリ操作！
レシピ課題をクリアしながらとにかく使ってみる！
ＰＢＬ課題に挑戦する３．マニュファクチャリング（ＭＦ）
プログラミングＰＢＬの内容※地元IT企業の社長に技術面での協力を受ける。
※丸投げではなく毎回「やりたいこと」の打ち合わせを行う。
※一度習ったことは、次年度以降に北高だけで教える！
（社長には常に新しいコトを習う！）←２０１９年はここまで
ここまでは学校で指導可能
教材化完了←２０２０年はここまで←２０２１年はここまで←２０２２年はここまで

３．マニュファクチャリング（ＭＦ）
プログラミングＰＢＬの内容※地元IT企業の社長に技術面での協力を受ける。
※丸投げではなく毎回「やりたいこと」の打ち合わせを行う。
※一度習ったことは、次年度以降に北高だけで教える！
（社長には常に新しいコトを習う！）

２０２２年度 （先日終わりました）「ＡＩ画像処理による骨格検出」
ラズパイで撮影 ＋ Google Colab ＋ TensorFlow

生徒にもできました！
協力：株式会社ランバーミル 伊藤 陽生 社長

初めてラズパイを触ってから集中講義１２時間でここまで！

サイエンス科１年生の学びをまとめると…

ＤＳで統計処理を学ぶ！

ＭＦでデータロガーをつくる！

データサイエンスの視座を持った研究計画書完成！

４．生徒の応用事例「自作プログラミングを用いた匂いの数値化」

臭気センサーモジュールを購入して研究を進めた４．生徒の応用事例「宮崎でも部分日食は観測できたか」

曇天の日食をラズパイの照度センサーで観測４．生徒の応用事例

４．生徒の応用事例「線状降水帯による災害を防ぐ」

４．生徒の応用事例「養蜂箱監視システムの構築」
生徒が自力でローカルネットワークを構築
動体検出カメラ＆ラズパイ４のサーバー化
Windowsパソコンで観測結果をチェックできる

ラズパイ＋カメラ

サーバー化した
ラズパイ４

WiFiルーター

屋上に蜂の巣箱

４．生徒の応用事例
サイエンス科の科学探究における“統計”と”マイコン”の活用率は上昇中！

誤差グラフ以上の統計活用者

マイコンの活用者

５．今後の展望・課題（１）統計処理教材はほぼ完成。どこまで教材化する？
→分散分析、３群以上の検定は作りたい。
（２）せっかく完成しかけていたＤＳに共通テスト対策が入ってきて…
→情報Ⅰの教科書の内容は、毎時５分の小テストで実施中。
→画像処理教材も教科書のPythonの項目に対応する形で見直す。
→基本はGoogle Colab でPythonを動かす。
OpenCVを用いる。

【付録】 データサイエンスの動画教材(一部)■測定データの種類■標準偏差と分散■代表値■標準偏差の使い方と誤差グラフ

【付録】 データサイエンスの動画教材(一部)■散布図と近似線■無相関検定■１群の ｔ 検定