持続可能性を利用して STEM 入門コースを意味のあるものにする

ユニバーシティ パーク、ペンシルベニア州 — 一部の学部生、特に科学を専攻する予定のない人にとって、一般教育の要件を満たすために大学レベルの数学コースを受講するという見通しは、かなり気が遠くなる可能性があります。 しかし、学生が代わりに持続可能性に関するコースを受講できるとしたらどうでしょうか? カリキュラムに数学的概念を丁寧に織り込んだコースですか? 結局のところ、ペンシルベニア州立大学の学生は、「持続可能性のための数学」コースでまさにその選択肢を持っており、コースを受講する人にとっては、はるかに魅力的な経験になる可能性があります.

「学生は、持続可能性のトピックについて多くの関心と懸念と質問を持ってコースに参加します。そのため、私たちにとっては、彼らがすでに持っている興味を定量的リテラシーと推論スキルに結び付ける機会です」と、数学の助教授であるラス・デフォレストは述べています。 2015 年からこのコースを教えている人です。

MATH 33: 持続可能性のための数学のアイデアは、ペンシルベニア州立大学で 20 年以上数学の教授を務め、そのうち 5 年間は学部長を務めていた故ジョン ローによって考案されました。 彼は、微積分や科学を学ぶ予定のない学生向けに、一般教育の数学コースを作成したいと考えていました。

「率直に言って、数学に少し懐疑的な学生が多いため、学生にできるだけ魅力的な方法で量的リテラシーのスキルを教えたいと考えています」と deForest 氏は述べています。

しかし、コースは数学のための手段以上のものです。 Roe は持続可能性に情熱を傾けており、学生が活動的で熱心な市民になるためのコースを設計しました。 2015 年の TEDxPSU の講演で、Roe は数学と持続可能性の自然なつながりについて説明しました。

「持続可能性について話すとき、私たちは数学について話している」と彼は聴衆に語った。 「サステナブルとは、それが持続することを意味します。 数学は「どれくらい?」と尋ねます。 環境の変化について話すとき、数学は「どのくらいの速さですか?」と尋ねます。 リスクについて話すとき、数学は「チャンスは何ですか?」と尋ねます。 エコロジーについて、相互接続された生命の網について話すとき、数学は「どのように接続されているのか?」と尋ねます。」

Roe は、当時大学院生だった Sara Jamshidi とともに、2014 年に初めてこのコースを提供しました。最初の数学期には、このコースには約 20 人から 30 人の学生がいましたが、急速に成長し、今学期には 100 人を超える学生がコースに参加しました。 このコースへの関心が高まるにつれ、ローとデフォレストは大学の支援を受けて、ペンシルベニア州立大学の他のキャンパスの数学教員向けに 2 つのワークショップを開催しました。 リソースの需要が高まるにつれ、3 人は Jamshidi 氏 (現在は Lake Forest College のコンピューター サイエンスと数学の助教授) のコース ノートを本格的な教科書に適合させました。 現在、持続可能性のための数学と、テキストに触発された同様のコースが、ペンシルバニア州立大学のいくつかのキャンパスと他の少なくとも 10 の大学で運営されています。

今年はまた、大学で「持続可能性のための化学」コースが開始されました。このコースは、数学コースに触発された、科学教育の上級副学部長であり、化学のメアリー ベス ウィリアムズ教授によって設計および指導されました。

「学生たちは長い間、このようなことを求めてきました。 「彼らは、私たちの入門コースで関心のあるトピックを見たいと思っています。 Chemistry for Sustainability は、秋学期ごとに 4000 人の学生が必要とする CHEM 110 とクロス リストに登録されているため、学生にとって意味のあるコンテキストに入れながら、CHEM 110 の十分な厳密さに一致する必要があります。 John Roe と Russ が数学で行った研究に非常に刺激を受けました。 彼らは、数学と科学を紹介しながら、持続可能性についてどのように話すことができるかを再考する方法を完全に先導しました。」

内容と倫理

持続可能性に関連する多くのトピックでは、非常に小さい量または非常に大きい量 (マイクロスケールとマクロスケール) について議論する必要があるため、持続可能性のための数学コースと持続可能性のための化学コースの両方で、これらの量を人間の用語に置き換えることから始めます。

この「次元分析」の後、数学コースでは、気候モデルと生態系モデルから始めて、モデリングに関する概念を紹介します。 また、同様のダイナミクスを持つシステムをモデル化するために、これらのモデルをどのように使用または適応できるかについても調査します。 次に、確率と不確実性、およびこれらがリスクにどのように影響するかというトピックに目を向けます。 最終的に、クラスは学んだスキルを意思決定に適用します。

「過去 3 年間、私たちはコースのより多くの側面に倫理的推論を統合することに取り組んできました。ケーススタディを使用して、関連する倫理的問題を探究しています」そして現在、過去3年間インストラクターを務めています。 「コースは、持続可能な開発に関連する倫理的問題と、それらの問題を調査するために定量的な質問をどのように形成し、回答するかを学生に検討させるものに成熟したと思います。」

一方、化学コースでは、炭素循環と大気温暖化、プラスチック、淡水の純度などのトピックを探ります。 このコースは、ペンシルバニア州のガスパイプラインの建設、海のプラスチック汚染、ミシガン州フリントの鉛中毒の飲料水などの持続可能性のトピックを使用して、化学の概念を深く掘り下げるケーススタディに基づいています。 ウィリアムズは、写真家で活動家のジェームズ・バログによって書かれた「ヒューマン・エレメント」と呼ばれるドキュメンタリー映画でコースの舞台を設定します。ジェームズ・バログは、エバーリー卒業生のジェームズ・バログの息子であり、ウィリアムズと大学の統合されたBS / MBA(学士科学/MBA) プログラム。

「『ヒューマン エレメント』とは、地球、空気、水、火の 4 つの伝統的なギリシャの要素を指し、コースの構造はこれらの要素、つまり原子、気体、液体と溶液、および燃焼を含む反応に対応しています」とウィリアムズは言いました。 「バログは、第 5 の要素は人間であり、私たちが世界に与える影響であると主張しています。 このコースでは、これらの人間的要素を学生の世界と経験に結びつける中心的な要素にし、なぜ、どのように答えるのに役立つ化学を学ぶよう学生を動機付けます。」

教育への珍しいアプローチ

サステナビリティのための数学は珍しい数学コースであり、deForest は認めており、このようなコースを教えることは一部の数学教員にとってなじみがないかもしれません。 このアイデアにより、インストラクターはワークショップを作成し、最終的には全国の同様の数学コースに影響を与えた教科書を作成しました.

「このコースの特徴は、学生が高校代数のバックグラウンドを持ってコースに参加するだけであっても、学生が表面的なレベルを超えて実際の問題に取り組むのを実際に支援することです」と deForest 氏は述べています。 「多くの数学コースは、生徒が持っているスキルを持った生徒に何を質問できるかを中心に作成されていますが、代わりに、生徒が関心を持っている質問から始めて、そこから進むようにしました。 私たちは、微積分を必要とせずに、生徒を高度な問題に取り組ませることができました。」

deForest と Williams はどちらも、これらのコースの設計と指導には、通常のコースと比較して一部のコンテンツをカットしたり、一部のコンテンツのカバー方法を変更したりする必要があると述べています。 このアプローチは、一部の教員にとっては困難な場合がありますが、どちらも価値があるという点で一致しています。

「最近発表された調査によると、コースの内容を減らすと、学生の学習が実際に増加することが示唆されています」と Williams 氏は述べています。 「学生が深く関わっていて、コンテンツが彼らにとって意味のあるものである場合、コンテンツを少し手放しても、学生の学習には問題ありません。 持続可能性にとって化学がどのように重要であるかにより多くの時間を費やすことは、学生が持続するだけでなく、より多くを学びたいというときに報われます。」

DeForest 氏は、次のコースに適用する必要がある一連のトピックを学習するよう求めるのではなく、コンテンツをカットすることで学生が「真の探究」を行えるようになったと付け加えました。 関与のレベルは価値があると彼は言いました。

「学生たちは、このコースを素晴らしい経験にしています」とフレンドは言いました。 「学生がこのコースを「通常の」数学の授業ではなく、自分にとって重要な問題を追求するよう奨励されている場合、学生は倫理的および倫理的な意思決定スキルを実践し、ケーススタディに関連するディスカッションに参加することに非常に意欲を感じます. 一般教育コースとして、私たちはペンシルベニア州立大学の他のほぼすべての分野から学生を集めています。つまり、彼らはさまざまな視点とスキルセットを持っています。 彼らが私たちの議論に追加した洞察に驚いています。」

Friend は、2021 年春学期の生徒たちのことを懐かしく思い出しています。彼らは、ユニバーシティ パークの学部生やコミュニティ メンバーが、食料、医療、衣服、資金、住居の不安に苦しんでいるのを助けるために、リソースのリストを作成しました。

「このリストは、市民活動に熱心で思いやりのある MATH 33 の学生でいっぱいの 2 つの教室のおかげで、エバリー科学大学全体に配布されました」と彼は言いました。

このコースを教えることで、deForest はアクティブ ラーニングの方法を探求し、微積分の教え方を変えるアプローチを開発することもできたと彼は言いました。

Williams は、Roe、deForest、Jamshidi による「Mathematics for Sustainability」の本に加えて、Eberly College of Science の教育コミュニティ、特に大学の Center for Excellence in Science Education (CESE) から大きな恩恵を受けていることも認めています。

「このコースは、一般化学を教える別の方法です。CESE と私たちの幅広い教育コミュニティに何年も携わってきた私には、勇気を持ってこの方向性を試すことができました」と彼女は言いました。 「コースに持続可能性を深く組み込むことを検討するように促された他の教員と提携したいと思っています。 おそらくいつの日か、大学は科学と数学の入門コースを介した代替的かつ統合的な道として、私たちのすべての分野にわたって持続可能性に焦点を当てた一連のコースを持つでしょう! 結局のところ、すべての科学と工学の未来の仕事です! — 生徒たちは何らかの形で、私たちの世界の持続可能性の課題に取り組むことに集中するでしょう。」

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *