第９回科学技術人材育成シンポジウム 2018.1.27

初等中等教育における STEM 教育への取り組み〜Society5.0 に向けた基盤としての新しい教育の必要性と課題〜
野村 泰朗
埼玉大学 教育学部
埼玉大学 STEM 教育研究センター
tairo_nomura@mac.com
http://www.stem-edulab.org/
１．生活，社会とともにある STEM 教育に開かれた教育課程』」を目指して「何のために学ぶの
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STEM 教育の定義は，大きく分けて，米国 を筆頭とか」を重視するが（文科省 2016），学ぶ意欲を喚起するした，産業界における IT エンジニアの不足に伴い理工観点からも，身近な生活や社会の課題を取り上げる方系人材の確保を目指すために K12 から STEM 領域の学が望ましいと考える。

習をより早期段階から，より実践的に進めようとする「ワークフォース指向」と，英国や北欧を筆頭とした社

２．Society5.0 に向けた教育観の転換の必要性

会や生活にある事象を批判的に吟味することを通して現在の情報社会の進展の先に，日本政府による，第問題を積極的に発見し，主体的に問題解決できるため５期科学技術基本計画において提唱された，未知の可に STEM 領域の知識や技能を統合して様々な解決策を能性を秘めた「新たな社会」（Society5.0）2がすぐそこま考えられる「21 世紀型学力指向」がある。筆者らは，で来ていることは，特に，人工知能技術の急激な発展に日本においてすでに 20 年以上取り組まれている「総合よる新しい出来事が世間を賑わすなかで（例えば，羽生的な学習の時間」の考え方にもとづき，STEM 領域に限2017），もはや誰もが疑いようのないものとなっている。

らず広く教科横断的な学習を通して，社会の問題を自人工知能が仕事を奪うのではないかと不安になるのでら解決できる主体的な問題解決力を高める教育のありはなく3，具体的に何をどう変えていきたいのか正に主方について研究を進めている（野村・小川 2013）。社会体的な問題解決力が個人に求められると考える。パーの問題を自ら解決しようという主体性を持たせるためソナルコンピュータの概念を発明した Alan Kay は，こには，文脈が重要であり，従来の学校内にとどまり学校れからのコンピュータはどうなるのかとの質問に「未文化を醸成する活動から，総合的な学習の時間では「学来を予測する一番の方法は未来を発明してしまうこと校の実態に応じて，例えば国際理解，情報，環境，福祉・である」4と答えたことに，多くの識者がハッとさせら健康などの横断的・総合的な課題についての学習活動，れ，彼に感化されて，今，まさに Society5.0 の創造に取児童の興味・関心に基づく課題についての学習活動，地り組んでいる研究者，エンジニアが大勢いる。社会は誰域の人々の暮らし，伝統と文化など地域や学校の特色かが与えてくれるものではなく自ら創造し選択するもに応じた課題についての学習活動」（文科省 2008，下線のであるという事実を再認識するところ，そしてそのは筆者）と，教科や学校枠組みを超えて，環境，福祉な創造のために利用できる技術のバラエティが確実に広ど福祉に関するテーマのように社会的な課題を扱うこがっていることを認識するところから「新しい社会」にとが意図されている。総合のみならず各教科の学習における個人の生き方を考えていく必要があるであろう。

おいても，次期学習指導要領では「子供たちに求められ学校教育に限って見ても，すでにさまざまな情報通る資質・能力とは何かを社会と共有し，連携する『社会信技術（ICT）を教育の場面に積極的に活用できる ICT

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米国:オバマ大統領一般教書演説 2011https://www.jst.go.jp/crds/pdf/2010/FU/US20110301.pdf
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http://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/index.html

日本の労働人口の 49％が人工知能やロボット等で代替可能に, http://www.nri.com/Home/jp/news/2015/151202_1.aspx
4-1-“The best way to predict the future is to invent it.”

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活用実践力が教師に求められている。それは，より効果になると考えられる。しかし，次の２つの点から，人工的な授業を実現する上で，授業の仕方の工夫として，必知能時代の教育観や，そこで求められる教師の力量に要なところで ICT も含めさまざまな手法を取り入れるついて捉え直していく必要があると考える。

ことができる教師の力量を指している。ICT 活用の考え（１）学習内容の変化方は新しいものではなく，従来から視聴覚教育として，近年，情報技術の発展によって社会の変化が激しくその時代に適した技術を教育に取り入れることが行わなってきている。学校で学んだ知識だけで問題を解決れてきた。しかし，機械を教育に利用することに対するできる場面は少なく，最新の情報や知識を手に入れそ漠然とした不安を持つ教師や，逆に ICT を是が非でもれらを適切に分析し，答えを創造する能力が求められ利用しようとする教師など，ICT を教育に利用することている。
「社会の変化に対応する資質や能力を育成するを目的として捉えてしまう傾向が見られるが，そのよ教育課程編成の基本原理」（国立教育政策研究所 2013）

うな捉え方では，ICT もまた従来からある黒板や紙のよでは，この能力を「思考力」，「基礎力」，「実践力」からうに，教師と学習者，学習者同士のコミュニケーション構成される「21 世紀型能力」として整理している。従の手段の一つでしかないという視点を失うことになる。

来からの，知識蓄積型の教育から，知識活用発信型の教機械には，人間より優れている点があることも事実育への転換が求められており，学習内容としても用語である。特に，記憶性，継続性（持続性），再現性の３や定義を覚えたり，基礎となる理論や他人の問題解決つの点について人間は機械に遠く及ばない。私たちはの仕方を覚えたり，誰かがすでに解いた問題を解ける

これらの特徴をうまく使うことによって単調な作業をだけでは不十分であり，それらの知識を適用して社会自動化したり，情報収集の手段として活用したりと，機の問題を解決できる力を育成することが求められてい械は現代の生活においてなくてはならない存在になっる。そのためには，さまざまに解決策を考えられるためている。さらに，現代の機械はコンピュータ技術，通信の見方考え方を身につけさせることが不可欠であり，技術が組み合わさることで，その精度を高めるととも次期指導要領においては，育成すべき資質・能力を，①に，よりリーズナブルに製造ができるようになり，生活知識及び技能，②思考力，判断力，表現力等，③学びにのあらゆる場面に浸透してきている。学校教育におい向かう力，人間性等の３つの柱に整理し，「何ができるても，例えば文部科学省は新たな ICT 導入事例として，か」を重視するために各教科等において見方考え方の①講義主体型，②ドリル主体型，③ゲーミフィケーショ

指導に注目するとともに，教科横断的に学習内容を関ン型，④インフラ一括提供型，⑤遠隔授業支援型の５つ連づけていくカリキュラムマネージメントが重要であの型に分類している（文科省 2010）。よりよく機械を取るとしている（中教審 2016）。

り入れていくには，機械の得意な分野と苦手な分野を（２）教師の役割の変化知り，機械に任せることのできる部分を見極めていく

他方で，このような資質・能力を育むためには，教員ことが大切である。しかし，昨今の情報社会の進展は学はこれまでより高い指導力，そして新しい視点が必要

校現場での ICT 活用への対応のスピードをはるかにしとなる。しかし，「教員の資質向上方策の見直し及び教のいでおり，人工知能技術，IoT 技術といった新しい技員免許更新制の効果検証に係る調査」（文部科学省

術が，教育のあり方自体を大きく変えようとしている。

2010）では，「教員に求められる資質能力について」の機械に任せる部分を検討する中に，教師自身が機械で学校長における初任者教員の資質能力の充足度は 12 項代替される可能性を含める必要が出てきた。

目中 9 項目において「やや不足している」,「とても不足している」の割合が４割を超えており，教員としての３．人工知能時代の教育観と求められる教師の力量基礎的な力が不足していることがわかる。さらに，機械

確かに，さまざまな分析，予測では，人工知能技術がに任せることができる部分を理解すると，教員のこれ進展したとしても，非定型で協調性を必要とする教師からのあり方が変容しつつあることに気づくことがでの仕事は一見すると将来にわたっても人間が担うこときる。従来の一斉授業のように，あらかじめ用意した内2

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容を一方的に伝える伝達型の授業は，既に，進学校や塾，予備校などでは，特定の教員の授業を録画したビデオ

４.１ 総合的な学習の時間を活用した日本型 STEM
教育の実践
筆者らは，学校教育，それも公立学校において，どのを生徒が閲覧し受講できる仕組みがある。人間の教師ような教師でも実践できる STEM 教育の内容のその授が授業することの強みは，学習者個人の特性に応じた業設計の手法について研究をしている。その一例とし個別対応にあると言われるが，それさえも。すでにタブて，小学校５年生を対象に，社会科および算数での学習レットと人工知能技術を組み合わせることでさまざまに実現されており悠長に構えているわけにはいかない。

を深めることを目的とする，相当的な学習の時間のカリキュラム開発を通して，野村ら（2013）の開発モデル

小学校教員における 30 歳未満の教員の割合が平成 16の有用性を検証を目的とした実践研究を紹介する（野年では 8.9%であったのが，平成 25 年度では 15.3%と，村ら 2014）。ここでは，現職教員と恊働で新しいカリキ

約 10 年で 6.4%増加している（文部科学省 2013）。これ

ュラムを開発する学校の当該学年では，社会科で自動は，いわゆる団塊の世代の大量退職によって教員にお車工場について学ぶ中で，実際に社会科見学に行ったける若手教員の割合が増加しており，また 50 歳以上のことを受けて，工業製品の生産モデルや日本ならでは教員の割合が 38%と全体の約 4 割をしめる結果となっのロボットを利用した生産ラインについて，その特徴ていることから，これから先も同様に退職に伴って若手教員の全体に占める割合が増えて行くと考えられる。

等の学習を深めることを意図した学習を計画することとなった。以下，学校側の窓口となる教員（５年担任のこのことは，高い力量を持つベテラン教師が不足する１人）と提案する STEM 教育カリキュラムの３段階開という学校現場の心配要因と捉えられている向きもあ

発モデルにもとづいて，カリキュラムのデザイン過程るが，見方を変えると，急速に変化する社会において，を説明する。

教師や学校のあり方を変えるチャンスでもあると言え第１段階 活動テーマの設定る。若い世代は，ICT にも明るく，そこでは，機械に対既に説明したように，活動テーマは，社会科の自動車する抵抗感をなくし，教育のさまざまな課題に，人間と工場の中でも，実際に社会科見学で見た生産ラインにともに取り組むパートナーとしての機械のあり方を積ある産業用ロボットの活躍について，さらに最近の工極的に模索することが必要であると考える。

業製品の特徴や生産方法について学習を深めることをねらいとした。活動テーマ設定のポイントは，最終的に４．Society5.0 に向けた教育研究の方向性
以上のように，Society5.0 に向けて教育現場で取り組問題解決型の学習に向かわせることを意図することか

むべき課題を，学校，教師の視点から整理した。もちろら，そのテーマに対して批判的な問いがたくさん上がん，Society5.0 への対応は教育制度の面でも，2020 年にるものであることが望ましい。また，第２段階でできる向けて学習指導要領の改訂が行われており，例えば，小だけ多くの領域の内容と関連づいてくるテーマである学校からの外国語活動の一層の充実，プログラミングと探求の幅が広がり，問題解決の可能性が広がる。

教育の必修化などが話題となっている。細かな内容に第２段階 従来教科のカリキュラムとの系統性分析

おいて賛否が分かれるところがあるものの，大きな方今回は，社会科より出て来たテーマから「工業製品」向性として，４の（１）で指摘したような教育内容の転「産業用ロボット」「生産ライン」に関連する理科の電換の必要性についてはコンセンサスが取れていると考気の系統や力学の系統の学習内容が含まれてくる。そえられることから，これを実現するためには，実際に実れに加えて，今回は教員側からの提案で，算数で割合を践をする学校そして教師が，内容の変化を受け止め，対学んだ直後なことから，生産ラインの生産性の計算や，応変できなければならず４の（２）の議論が優先されるロボットの故障率の計算などをさせる活動を加えること考える。そこで，次に，筆者が取り組む STEM 教育とで，算数の学習内容とも関連づけるように設計した。

に関する実践研究と，そういった実践に取り組む教師

第３段階 ものづくり活動を含む授業の設計
今回は，理科の電流の働きで用いた教材を使って電の育成に関わる研究を紹介する。

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磁石でモノを吸着して持ち上げ，移動させる産業用ロ

最も，児童生徒に，科学技術を自分たちの生活にいかにボットを各自が作り，グループでそれらを持ち寄って，役立てられるか，という教育目標の観点から自分ごと自動車の生産ラインを模したミニゲームをすることをとして考える機会を与えることができるテーマである

通して，産業用ロボットや生産ラインの特徴についてことが示唆されてきた（野村 2008）。これと並んで，最考えさせることとした。

近注目されるテーマがサービスロボットの分野である。

以上をふまえて表１のようにカリキュラムを作成し 

た。また，図１のような生産ラインを模したフィールド を用意して，実際に自分たちが作ったロボットを動か 

すことを通して，ロボット技術の基礎基本を知るとと 

もに，日本の生産技術の高さや，ロボット技術の先進性
についても知ることができる。

表１ 開発したカリキュラム（←既習事項の活用，→将来学習する内容への導入）
次数
第1次
2h(１月)

第2次
2h(２月)
第3次
2h(２月)

カリキュラム(第５学年)
ロボットとは？
・ロボットの特徴を知り計測制御システムの基礎基本を知る・生活に役立つロボット，働くロボットの研究を知り，特有の性質について知る
・現在，工業製品の大半が，ロボット技術を用いて，効率化されており，重要な役割を果たしていることを知る。
自動車工場で働くロボットを作ろう
・ 「電流の働き」で使った教材を用いて工場の生産ラインで働くロボットを作る。
自動車工場のラインを動かそう
・ ４〜５人のグループで，各自が使ったロボットを組み合わせて，自動車工場の生産ラインを再現する。
・ ロボットの動作を振り返って，電流の働きについて理解を深める。
・ 生産ラインの性能を，数値化して表現する方法を考える。

従来教科との主な関連

←社会科５年 自動車工場（社会科見学後）←算数５年 割合，百分率←理科４年 電気の働き

図１ 生産ラインを模したフィールドの概要←理科４年 電気の働き←理科５年 電流の働き←算数５年 割合
→理科６年 電気の利用→理科全般 科学的な実験観
察→社会科 工業生産

図２ 各自のロボットを使ってグループで工場のラインを再現する活動している様子

社会の中で国際的なサービスロボット研究として，
RoboCup@HOME がある5。RoboCup は，ロボットや人表１の計画通り実践を行ったが，前後に算数の割合，工知能と人間が共生する未来を模索する，国際的な人理科の電流の働きに関するテストと，社会科見学と今工知能研究コミュニティであるが，これまで主にサッ回の活動とを結びつけた振り返りをさせた。振り返り

カーやレスキューをテーマに研究が進められてきた。

では，「とてもむずかしくて工場のロボットがすごいとこれらの研究は，これまではどちらかというと研究室思った」といった理解の深まりが見られた。の中の整えられた環境においてロボットや人工知能技

４.２ サービスロボットをテーマにした教育活動の考え方と主体的な問題解決力術の高度化を目指した研究が行われてきた。しかし，実１.で指摘した通り，身近な生活や社会の課題を題材

炎天下のピッチで戦えなければいけないし，火災も起として扱うことが STEM 教育を促進する上で重要であきている災害現場の瓦礫の中を探索・救助できる必要際に役に立つロボットとなるためには，芝生の生えたるが，その中でも，人命救助（レスキュー）のテーマは，
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http://www.robocupathome.org/

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があるが，そのような環境下での研究はコスト的にもRobot Summit(WRS)の開催が決定している6 。その中で難しい。従来のような「整った環境で複雑な（高度な）は，先端研究を披露したり，次世代を担う若者がチャレ機能（Well-defined environment, Complicated task）」を追ンジしたりする World Robot Challenge(WRC)部門があり，求する研究スタイルに対して，@HOME では，「現実のWRC の中で，サービスロボットは１つのカテゴリにな（不確定な）環境で単純な機能（Ill-defined environment,っているだけでなく，かつ小中高校生がチャレンジでSimple task）」を追求する新しい研究スタイルを提案しきるジュニアカテゴリのテーマもサービスロボットとている。筆者らも，レスキューロボットをテーマにしたなっている。そこで高校生を対象としたワークショッ

教育活動のデザイン原理を検討する中で，そもそも教プを開発し実践を行った。タイの高校生 10 人（男 8，育活動のために用意する競技フィールドのあり方につ女 2）と 1 人の女性教員を対象に，サービスロボットのいて批判的に検討をしてきている（野村ら 2014）。そこ

ワークショップを実施し実現可能性や有効性を検証しでは，レスキュー競技のためにわざわざフィールドとた（野村ら 2017）。

定めた枠の中に壁や障害物，スロープなどを設けるの

ここでは，❶室内の移動，❷飲み物のサービス（茶ではなく，実際の建物の一部を使ってできないか，とい運び）に加えて❸食器の片付け，の３つのタスクを取う提案を行なっている。これは，手軽に活動ができるとり上げた。ここでも，テーブル上でできる課題としいう教育する側からのメリットだけではなく，実際のて，図３のような仮想の部屋を用意しました。今回ロボットが直面する課題を知り，頭の中だけで考える，は，食器（コップ）をダイニングテーブルから取ってもしくはコンピュータシミュレーション上の理想的なキッチンまで運び，流しに置くという動作ができるよ

状態とは違う，現実にものをつくるために必要な技術

うに，ダイニングテーブルとキッチンは高さのある台や工学的な見方考え方を養う上でメリットが大きいととするために，発泡スチロールのブロックを使った。

考える。@HOME での研究スタイルも，基本的に同じ考参加者は，マイコン，モーター，センサーの他は，プえ方かと思われ，サービスロボットをテーマに教育活ラスチックダンボール，竹ひごのみを材料に，ロボッ動をデザインすることには妥当性，合理性があると考トを製作した。

える。

Service Robot Challenge ver.1
ROOM2@HOME では，サービスロボットの要件として次のEntranceような基本的な評価規準を設けて，オープンなチャレンジを呼びかけている。

ROOM1• 人間と機械との対話（include human machineinteraction）• 社会的適切さ（be socially relevant）• 実用的（be application directed/oriented）• 科学的な研究的要素を含む（be scientificallychallenging）• 手軽で低価格に試せる（be easy to set up and low incosts）• 単純で自明なルール（be simple and have selfexplaining rules）• 観客を楽しませる（be interesting to watch）• 長時間を要しない（take a small amount of time）

図３ サービスロボットの競技フィールド（１）タスク❶，❷へのチャレンジ

まず，ライントレースをするロボットを製作し，次に他方で，2020 年に日本で人間のオリンピック・パラ茶運びロボットに挑戦した。ここでは，コップを人が持リンピックが開催されることに合わせて，同じ 2020 年ち上げたことをどのように検知するかということが課に日本においてロボットのオリンピックとして World題となった。参加者は，使うことができるセンサを工夫6

http://worldrobotsummit.org/

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し，光センサを使うモデルと，スイッチを使うモデル，めには，自らの授業を客観的に振り返りそこで気づきそしてコップに細工をしてアルミ箔を巻いて導通によを与えることが不可欠であると考える。そのために筆って検知するモデルの３種類が出てきた。参加者全員

者らは，コミュニケーションロボット”Pepper”を利用しが，タスク❷まではクリアすることができた。

た模擬授業訓練システムを開発している。本システム
は，教師が作成した指導案にもとづきロボットが教師役となって授業を実施する。板書の代わりにスライドによる情報提示を行い，児童生徒役からの反応は顔認識，音声認識によって受け取る。これを用いて，教員養成課程の学生を対象にした，授業設計訓練を行うカリキュラムを開発している（野村・友田 2017）。

図４ タスク❶，❷にチャレンジするロボット（３）タスク❸へのチャレンジ

食器（コップ）をダイニングテーブルから取る機能の工夫が必要であるが，ここでは，４つのタイプが出てきた。今回は，サーボモータ１個だけ使うことができるという条件下であったが，当初想定していた，きちんと掴む動作をする手を作る参加者はおらず，図５のかき寄

図６

せる動作のモデルを製作した高校生が多かった。しか開発中の Pepper と情報提示装置とを組み合わせた模擬授業訓練システム

参考文献

し，テーブルで引っかかるとコップが倒れてしまうこ

国立政策研究所(2013)「社会の変化に対応する資質や能力を育成する教育課程編成の基本原理」, https://www.nier.go.jp/kaihatsu/pdf/Houkokusho-5.pdf（参照日:2018 年 1 月 15 日）
中教審(2016) 幼稚園、小学校、中学校、高等学校及び特別支援学校の学習指導要 領等の改 善及び 必要な方 策等に ついて（ 答申 ），http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chukyo/
chukyo0/toushin/1380731.htm（参照日:2018 年 1 月 15 日）
野村泰朗・小川裕也(2013) 現職教員との恊働による STEM 教育カリキュラム設計モデルの開発〜理科，算数をつなぐ総合学習の設計と試行〜, 日本教育工学会第 29 回全国大会, 山形大学.
野村泰朗・小川裕也(2014) STEM 教育カリキュラム設計モデルの適用可能性の検討〜社会科，算数科と関連づけたロボットづくりの新しいテーマの設定と教材開発〜, 日本教育工学会第 30 回全国大会, 岐阜大学.
野村泰朗・友田陽三(2017) 教師役・児童生徒役にロボットを活用する
教師の指導力訓練システムの開発−「教師ロボット」による模擬授業機能の実現−, 第 18 回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会, 仙台国際センター.
野村泰朗(2017)サービスロボットを題材とした STEM 教育ワークシ
ョップの開発, 第 18 回計測自動制御学会システムインテグレー
ション部門講演会, 仙台国際センター.
羽生善治(2017)『人工知能の核心』, NHK 出版, 東京.
文部科学省(2010)「教育の情報化に関する手引」第３章 教科指導における ICT 活用, http://www.mext.go.jp/a_menu/
shotou/zyouhou/1259413.htm（参照日:2018 年 1 月 15 日）
文部科学省(2010)「教員の資質向上方策の見直し及び教員免許更新制の効果検証に係る調査」, http://www.mext.go.jp/
a_menu/shotou/sankou/index.htm（参照日:2018 年 1 月 15 日）
文部科学省(2013) 第５章 総合的な学習の時間, 小学校学習指導要領
http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/
youryou/syo/sougou.htm（参照日:2018 年 1 月 15 日）
文部科学省(2016) 学習指導要領のポイント, http://www.mext.
go.jp/a_menu/shotou/new-cs/__icsFiles/afieldfile/2017/06/16/1384662_2.pdf（参照日:2018 年 1 月 15 日）とがあった。これは確かに最も手軽であるが，食器を想定した時に，落としてしまう，割れてしまう危険性をあまり考慮していないように思われた。

図５ タスク❸にチャレンジするロボット

４.３ ロボットを活用した授業設計訓練
時代に即した新たな学力観に基づいて指導ができる
高い指導力を持つ教員を養成する必要があるが，そのためには，ア）機械化できる授業内容を明らかにすることで教師が本当にすべきこと明確にすること，イ）従来型の授業から脱し新しいタイプの授業ができるために自ら設計した授業を試してみる機会を増やすこと，が大事であると考える。さらに，ア）やイ）を促進するた

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