コンピュータ教育

コンピュータサイエンス教育 またはコンピューティング教育は、コンピュータサイエンス^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}および計算的思考^{[7] [8] [9]}の分野を指導および学習する分野です。コンピュータサイエンス教育の分野は、基本的なプログラミングスキルから高度なアルゴリズム設計やデータ分析まで、幅広いトピックを網羅しています。これは急速に成長している分野であり、テクノロジー業界やコンピューティングスキルを必要とする他の分野でのキャリアに向けて学生を準備するために不可欠です。^[10]

コンピュータサイエンス教育は、学生を21世紀の労働力に備えるために不可欠です。テクノロジーが社会のあらゆる側面にますます統合されるにつれて、熟練したコンピュータ科学者の需要が高まっています。労働統計局によると、コンピュータおよび情報技術職の雇用は「2021年から2031年にかけて21％増加する」と予測されており、これはすべての職業の平均よりもはるかに速いペースです。^[11]

コンピュータ サイエンス教育は、テクノロジー業界でのキャリアに向けて学生を準備するだけでなく、ビジネス、ヘルスケア、教育など、多くの分野で価値のある計算思考スキルも促進します。アルゴリズム的に考え、問題を体系的に解決することを学ぶことで、学生はより効果的な問題解決者および批判的思考者になることができます。

コンピュータプログラミングの初期の頃は、コンピュータを扱っていたのは初期の科学者と数学者だけだったので、教育システムを構築する必要はまったくありませんでした。コンピュータプログラミングは、教える価値があるほど人気が​​なく、専門家でない人がそこから何かを得られるような状況でもありませんでした。しかし、数学者はコンピュータサイエンスの仕事に適しておらず、この分野に完全に専念できる人材が必要であることがすぐに認識されました。^[12]時が経つにつれ、コンピュータの使用にますます依存するようになる世界の需要に応えるために、コンピュータプログラミングの専門訓練を受けた人材の必要性が高まりました。当初は大学のみがコンピュータプログラミングのコースを提供していましたが、時が経つにつれ、高校、さらには中学校でもコンピュータサイエンスのプログラムが実施されるようになりました。^[12]

科学教育や数学教育と比較すると 、コンピュータサイエンス（CS）教育ははるかに新しい分野です。^[13]コンピューティングの歴史において、デジタルコンピュータが構築されたのは1940年代頃からですが、コンピューティングはアナログコンピュータの発明以来何世紀も前から存在しています。^[14]

コンピュータサイエンス教育のもう一つの特徴は、最近まで主に大学レベルでのみ教えられてきたことです。イスラエル、ポーランド、英国では、1980年代にBBC Microが英国でコンピュータサイエンス教育の一環として教えられたという注目すべき例外があります。^{[6] [15]}コンピュータサイエンスは、数十年前からいくつかの国で14歳または16歳からの学校カリキュラムの一部となっていますが、通常は選択科目として行われています。

米国では初等・中等教育のコンピュータサイエンス教育は比較的新しいもので、多くの K-12 コンピュータサイエンス教師は、専門家としての孤立、限られたコンピュータサイエンスの専門能力開発リソース、コンピュータサイエンスの指導に対する自己効力感の低さなど、コンピュータサイエンスの指導を統合する上での障害に直面しています。^{[16] [17 ] [18]} 2021 年のレポートによると、米国の高校でコンピュータサイエンスを提供しているのはわずか 51% です。^[19] 特に小学校のコンピュータサイエンス教師は、中学校や高校の教師に比べてコンピュータサイエンスの指導の有効性が低く、指導にコンピュータサイエンスを導入する機会も少ないです。^[16]仮想実践コミュニティなどの方法を使用してコンピュータサイエンス教師をリソースや同僚とつなぐことは、コンピュータサイエンスと STEM の教師が指導に対する自己効力感を向上させ、生徒の指導にコンピュータサイエンスのトピックを導入するのに役立つことが示されています。^{[16] [17]}

ほとんどの分野と同様に、コンピュータサイエンスでは、生徒の発達のさまざまな段階でさまざまなツールと戦略を使用することで、教育から最大限の成果が得られるようにすることができます。ScratchやMIT App Inventorなどのビジュアルプログラミング言語は、シンプルでわかりやすいブロックベースのプログラミング構造を備えたプログラミング言語の機能の優れた入門書として、小学校や中学校で効果的です。^[20]生徒がこれらの言語でプログラミングの基礎を理解できたら、通常、教師は、より複雑な言語に比べて構文がはるかに簡単なPythonなどの使いやすいテキストベースのプログラミング言語に進みます。一般的に、生徒はプロのビジネスやプログラマーに人気の言語で教えられ、実際に職場で使用されている言語に慣れることができます。そのため、高校や大学では、授業ではPythonのより複雑な使用法や、Java、C++、HTMLなどの他の言語に重点が置かれる傾向があります。^[21]それにもかかわらず、コンピュータサイエンスの多くは、何らかの形であらゆる言語に適用できる優れたコーディングプラクティスの学習に基づいているため、最も人気がある、または使用されているコーディング言語に焦点を当てる必要はまったくありません。

コンピュータサイエンスにおける効果的な教授法は、多くの場合、他の科目とは異なる。学校でよく使用される標準的なスライドショーや教科書の形式は、標準的な学術科目に比べて効果が低いことがわかっているためである。^[22]コンピュータサイエンスは問題解決の性質を持つため、問題に焦点を当てた一種のカリキュラムが最も効果的であることがわかっており、生徒にパズル、ゲーム、または小さなプログラムを与えて対話および作成させる。学んだテクニックや戦略をテストやクイズに適用するのではなく、生徒は授業で学んだ資料を使用してプログラムを完了し、授業についていることを示す必要がある。^[22]さらに、生徒の問題解決能力と創造力を向上させ、導くことを目指す教授法を開発すると、生徒がコンピュータサイエンスや他の授業で成功するのに役立つ傾向があることがわかっている。^[20]コンピュータサイエンス教育の問題解決の側面は、多くの生徒がその概念に苦労することがあり、特にこの時点までにそのような方法で適用する必要がなかった可能性が高いため、対処するのが最も難しい部分であることが多い。

最近人気が出てきているのは、オンラインコーディングコースやコーディングブートキャンプです。コンピューターサイエンスは学問であるため、後になって初めて興味があることに気づく人や、高校や大学に通っているときには広く利用できなかった人が多くいます。これらの機会には、学術的な焦点よりも、労働力としての準備を重視した厳しいコースが含まれることがよくあります。^[23]コーディングブートキャンプは、人々がもう一度学校に通うことなくコンピューターサイエンスの市場に参入するための素晴らしい方法になっています。

コンピューティング教育研究（CER）またはコンピュータサイエンス教育研究は、コンピュータサイエンスの教育と学習を研究することに焦点を当てた学際的な分野です。^{[5] [24]}これは、コンピュータサイエンスと教育研究の両方のサブフィールドであり、K-12学校、大学、オンライン学習環境など、さまざまな環境でコンピュータサイエンスがどのように教えられ、学習され、評価されるかを理解することに関係しています。^{[引用が必要]}

コンピュータ サイエンス教育研究は、研究者がコンピュータ プログラミングの指導に対するさまざまなアプローチの有効性を検討し始めた 1970 年代に研究分野として登場しました。それ以来、この分野は、カリキュラム設計、評価、教育法、多様性と包括性など、コンピュータ サイエンス教育に関連する幅広いトピックを網羅するまでに成長しました。^{[引用が必要]}

コンピュータ サイエンス教育研究の主な目標の 1 つは、コンピュータ サイエンスの教育と学習を改善することです。この目的のために、研究者は次のようなさまざまなトピックを研究します。

コンピュータサイエンス教育の研究者は、学生にとって効果的で魅力的なカリキュラムの設計を目指しています。これには、さまざまなプログラミング言語の有効性の研究や、能動的な学習を促進する新しい教育アプローチの開発が含まれます。^{[引用が必要]}

コンピュータサイエンス教育の研究者は、学生の学習成果を評価する効果的な方法の開発に関心を持っています。これには、学生の知識やスキルを評価する新しい方法の開発や、さまざまな評価方法の有効性の評価が含まれる場合があります。^{[引用が必要]}

コンピュータサイエンス教育の研究者は、さまざまな教授法や指導戦略の探求に関心を持っています。これには、講義、オンラインチュートリアル、ピアツーピア学習の有効性の研究が含まれる場合があります。^{[引用が必要]}

コンピュータ サイエンス教育の研究者は、コンピュータ サイエンス教育における多様性と包括性の促進に関心を持っています。これには、コンピュータ サイエンスにおける特定のグループの代表性不足に寄与する要因の研究や、包括性と公平性を促進するための介入策の開発が含まれる場合があります。^{[引用が必要]}

計算機協会（ACM）は、 SIGCSEとして知られるコンピュータサイエンス教育に関する特別興味グループ（SIG）を運営しており、2018年に50周年を迎え、ACM特別興味グループの中で最も古く、最も長く続いているグループの1つとなっています。^[26]コンピューティング教育研究の成果としてパーソンズ問題が挙げられます。^[要出典]

多くの国では、コンピュータサイエンスの教育において大きな男女格差があります。2015年、米国の博士号を授与しない機関を卒業したコンピュータサイエンスの学生のうち、女性の割合は15.3%でしたが、博士号を授与する機関では16.6%でした。^[27]米国の女性の博士号取得者数は、2018年には19.3%でした。 ^[28]世界のほぼすべての国で、コンピュータサイエンスの卒業生のうち女性は20%未満です。^[29]

この問題は主に、小学校レベルから女子がコンピューターに興味を示さないことから生じています。この分野における女性の割合を増やすために特別に設計されたプログラムによる多くの努力にもかかわらず、大きな改善は見られませんでした。さらに、過去数十年間で女性の関与は減少傾向にあります。^[30]

これらのプログラムが失敗した主な理由は、ほとんどすべてが高校生以上の教育を受けている女子を対象としていたためです。研究者は、その頃には女性はすでに決心しており、コンピュータ科学者についての固定観念が形成され始めていると主張しています。コンピュータサイエンスは、オタクで社交スキルに欠ける人々が追求する、男性優位の分野であると認識されています。^[30]これらの特徴はすべて、男性と比較して女性にとってより有害であるようです。したがって、これらの固定観念を打ち破り、より多くの女性をコンピュータサイエンスに引き込むには、中学校レベルから女子の興味を喚起し、ハードサイエンスへの学術的道筋に備えるための特別なアウトリーチプログラムが不可欠です。^[29]

明らかに、アジアやアフリカにはこうした固定観念が存在せず、女性が小学校レベルから科学分野でのキャリアを積むことを奨励され、事実上男女格差が存在しない国がいくつかある。2011年、マレーシアではコンピューターサイエンスの学位を取得した人の半数が女性だった。^[31] 2001年、ガイアナではコンピューターサイエンスの卒業生の55%が女性だった。^[32]

最近、コンピュータ教育では、あらゆるレベルの教育にコンピュータの知識を取り入れることに重点が置かれるようになっています。これは、世界がますますテクノロジー主導になっているためです。Code.org などの組織や、Hour of Codeなどのイニシアチブ、大規模公開オンライン コース(MOOC) は、コンピューター サイエンス教育を促進し、世界中の学生がコーディングにアクセスできるようにする上で重要な役割を果たしてきました。特に、女性、恵まれない人々、過小評価されているコミュニティに変化をもたらしています。これらのオンライン学習プラットフォームは、コンピューティング教育をよりアクセスしやすくし、個人がリモートでコーディングを学習できるようにもしました。さらに、健康、ビジネス、テクノロジーなど、さまざまな分野でテクノロジーがますます見られるようになっています。 ^{[33] [34]}

長年にわたり、コンピュータ教育はさまざまな問題に直面しており、それが何らかの形でコンピュータ教育の不人気につながっています。これらの問題の中で最も影響が大きいのは、この分野を効果的に教えるための機器のコストです。^[35]過去には、この分野を学びたいすべての生徒にコンピュータを提供するための手頃な選択肢はあまりありませんでした。このため、コンピュータ教育は多くの分野で苦戦し、この科目を適切に教えるための資金はほとんど残っていませんでした。^[36]これが、米国や英国の多くの学校でコンピュータ教育が極めて不振であるか、まったく行われていない主な理由です。この科目が長年にわたって不人気だったのは、効果的に教えるために必要な機器とソフトウェアを購入できる人だけが受講できる科目だったことが主な原因です。^[36]

また、この科目の優秀な教師を見つけて訓練するという問題もありました。過去には、多くの学校が、教師がコンピュータサイエンスを教えたり、必要な免許を取得したりするための訓練にお金を払うことに価値を感じていませんでした。このため、恵まれない地域や単に人口が少ない地域の多くの学校が、優れたコンピュータサイエンスのカリキュラムを提供するために必要な教師を雇うのに苦労しています。^[35]この分野の教師側のもう1つの問題は、コンピュータサイエンス自体の性質であり、スライドと教科書を使用した標準的な教育構造は効果的でないことがよくあることです。コンピュータサイエンスは非常に問題解決志向の科目であり、標準的な講義形式よりもこの観点からアプローチすると、教育がより効果的になることがよくわかっています。^[22]

コンピュータサイエンスは学校では非常に難しい科目として悪名高く、長年教えられてきた中で不合格率や中退率が高い。^[22]これは通常、コンピュータサイエンスという科目が問題解決に重点を置いた科目であり、多くの生徒がこの点で苦労することがあるという事実に起因している。これは特に高校に当てはまり、高校ではコンピュータサイエンスほど高いレベルの問題解決能力が求められる科目はほとんどない。さらに、コンピュータサイエンスは他のほとんどの科目とは非常に異なる分野であるため、初めてコンピュータサイエンスに触れる生徒の多くは非常に苦労する可能性がある。^[22]

分野が直面している課題にもかかわらず、テクノロジーが進歩し、教室だけでなく日常生活でもコンピューターがますます重要になるにつれて、コンピューターサイエンスは科目として人気が高まり続けています。

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