TED日本語 - マイケル・ボデカー: 仮想ラボが科学の授業を変える!


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TED日本語 - マイケル・ボデカー: 仮想ラボが科学の授業を変える!

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This virtual lab will revolutionize science class


Michael Bodekaer






Today, I am going to show you how this tablet and this virtual-reality headset that I'm wearing are going to completely revolutionize science education. And I'm also going to show you how it can make any science teacher more than twice as effective. But before I show you how all of this is possible, let's talk briefly about why improving the quality of science education is so vitally important.

If you think about it, the world is growing incredibly fast. And with that growth comes a whole list of growing challenges, challenges such as dealing with global warming, solving starvation and water shortages and curing diseases, to name just a few.

And who, exactly, is going to help us solve all of these great challenges? Well, to a very last degree, it is these young students. This is the next generation of young, bright scientists. And in many ways, we all rely on them for coming up with new, great innovations to help us solve all these challenges ahead of us. And so a couple of years back, my cofounder and I were teaching university students just like these, only the students we were teaching looked a little bit more like this here.


And yes, this is really the reality out there in way too many universities around the world: students that are bored, disengaged and sometimes not even sure why they're learning about a topic in the first place.

So we started looking around for new, innovative teaching methods, but what we found was quite disappointing. We saw that books were being turned into e-books, blackboards were being turned into YouTube videos and lecture hall monologues were being turned into MOOCs -- massive online open courses. And if you think about it, all we're really doing here is taking the same content and the same format, and bringing it out to more students -- which is great, don't get me wrong, that is really great -- but the teaching method is still more or less the same, no real innovation there.

So we started looking elsewhere. What we found was that flight simulators had been proven over and over again to be far more effective when used in combination with real, in-flight training to train the pilots. And so we thought to ourselves: Why not just apply that to science? Why not build a virtual laboratory simulator?

Well, we did it. We basically set out to create a fully simulated, one-to-one, virtual reality laboratory simulator, where the students could perform experiments with mathematical equations that would simulate what would happen in a real-world lab. But not just simple simulations -- we would also create advanced simulations with top universities like MIT, to bring out cutting-edge cancer research to these students. And suddenly, the universities could save millions of dollars by letting the students perform virtual experiments before they go into the real laboratory. And not only that; now, they could also understand -- even on a molecular level inside the machine -- what is happening to the machines. And then they could suddenly perform dangerous experiments in the labs as well. For instance also here, learning about salmonella bacteria, which is an important topic that many schools can not teach for good safety reasons. And we, of course, quiz the students and then give the teachers a full dashboard, so they fully understand where the students are at.

But we didn't stop there, because we had seen just how important meaning is for the students' engagement in the class. So we brought in game designers to create fun and engaging stories. For instance, here in this case, where the students have to solve a mysterious CSI murder case using their core science skills.

And the feedback we got when we launched all of this was quite overwhelmingly positive. Here we have 300 students, all passionately solving CSI murder cases while learning core science skills. And what I love the most about this is really when the students come up to me sometimes afterwards, all surprised and a little confused, and say, "I just spent two hours in this virtual lab, and ... and I didn't check Facebook."


That's how engaging and immersive this really is for the students.

And so, to investigate whether this really worked, a learning psychologist did a study with 160 students -- that was from Stanford University and Technical University of Denmark. And what they did is split the students into two groups. One group would only use the virtual laboratory simulations, the other group would only use traditional teaching methods, and they had the same amount of time. Then, interestingly, they gave the students a test before and after the experiment, so they could clearly measure the learning impact of the students. And what they found was a surprisingly high 76 percent increase in the learning effectiveness when using virtual laboratories over traditional teaching methods.

But even more interestingly, the second part of this study investigated what the teacher's impact was on the learning. And what they found was that when you combined the virtual laboratories with teacher-led coaching and mentoring, then we saw a total 101 percent increase in the learning effectiveness, which effectively doubles the science teacher's impact with the same amount of time spent. So a couple of months back, we started asking ourselves -- we have a wonderful team now of learning psychologists and teachers and scientists and game developers -- and we started asking ourselves: How can we keep ourselves to our promise of constantly reimagining education?

And today, I am really excited to be presenting what we came up with and have been working incredibly hard to create. I will explain briefly what this is. Basically, I take my mobile phone -- most students already have these, smartphones -- and I plug it into this virtual-reality headset, a low-cost headset. And now what I can effectively do is, I can literally step into this virtual world. We'll have some of you in the audience also get to try this, because it is really something that you have to try to fully feel how immersive it really is. It literally feels like I just stepped inside this virtual lab. Do you see me up on the screen?

Audience: Yes.

Michael Bodekaer: Great! Awesome.

So basically, I have just turned my mobile phone into a fully simulated, million-dollar Ivy League laboratory with all this amazing equipment that I can interact with. I can, for instance, pick up the pipette and do experiments with it. I have my E-Ggel, my PCR and -- oh, look there, I have my next-generation sequencing machine, and there I even have my electron microscope. I mean, who's carrying around an electron microscope in their pocket? And here I have my machine, I can do different experiments on the machine. And over here I have the door, I can go into other experiments, I can perform in the laboratories. And here, I have my learning tablet. This is an intelligent tablet that allows me to read about relevant theory. As you can see, I can interact with it. I can watch videos and see content that is relevant to the experiment that I'm performing right now. Then over here, I have Marie. She is my teacher -- my lab assistant -- and what she does is guides me through this whole laboratory. And very soon, the teachers will be able to literally teleport themselves into this virtual world that I'm in right now and help me, guide me, through this whole experiment.

And now before I finalize this, I want to show you an even cooler thing, I think -- something you can not even do in real laboratories. This is a PCR machine. I'm now going to start this experiment. And what I just did is literally shrunk myself a million times into the size of a molecule -- and it really feels like it, you have to try this. So now it feels like I'm standing inside the machine and I'm seeing all the DNA, and I see the molecules. I see the polymerase and the enzymes and so forth. And I can see how in this case, DNA is being replicated millions of times, just like it's happening inside your body right now. And I can really feel and understand how all of this works.

Now, I hope that gives you a little bit of a sense of the possibilities in these new teaching methods. And I want to also emphasize that everything you just saw also works on iPads and laptops without the headsets. I say that for a very important reason. In order for us to really empower and inspire the next generation of scientists, we really need teachers to drive the adoption of new technologies in the classroom. And so in many ways, I believe that the next big, quantum leap in science education lies no longer with the technology, but rather with the teachers' decision to push forward and adopt these technologies inside the classrooms. And so it is our hope that more universities and schools and teachers will collaborate with technology companies to realize this full potential.

And so, lastly, I'd like to leave you with a little story that really inspires me. And that is the story of Jack Andraka. Some of you might already know him. Jack invented a new, groundbreaking low-cost test for pancreatic cancer at the age 15. And when Jack shares his story of how he did this huge breakthrough, he also explains that one thing almost prevented him from making this breakthrough. And that was that he did not have access to real laboratories, because he was too inexperienced to be allowed in.

Now, imagine if we could bring Ivy League, million-dollar virtual laboratories out to all these students just like Jack, all over the world, and give them the latest, greatest, most fancy machines you can imagine that would quite literally make any scientist in here jump up and down out of pure excitement. And then imagine how that would empower and inspire a whole new generation of young and bright scientists, ready to innovate and change the world.

Thank you very much.


今日 みなさんに このタブレットと 私が装着している このバーチャルリアリティ・ヘッドセットが 科学の授業にどのような革命を もたらすかをお見せしましょう それと 科学の教師が 生徒の学習効率を数段 高められる方法を お見せしましょう どうすればそのすべてが 可能になるのかをお見せする前に 科学の授業の質を高めることが なぜ重要なのかについて 手短にお話しましょう

皆さんもお気づきのはずですが 世界は急ピッチで成長しています その成長の裏側には越えるべき 課題もたくさんあります 例えば地球温暖化の問題であるとか 飢餓問題 水不足 病気の根治など 数多くあります

そういった大きな難問解決に いったい誰が手を貸すのでしょうか 最終的にはそれは 彼ら若き学生たちなのです 彼らこそ 若き聡明な 次世代の科学者たちなのです 様々な面で私たちが 彼らに期待しているのは 斬新で偉大な発想で 迫り来るあらゆる難問を 解決してくれることです 数年ほど前 私は ビジネス・パートナーとともに 大学でこういった感じの 学生を前に教鞭をとっていました 私たちが教えていた学生は こんな感じだったんです


そうです これが現実なのです 学生が退屈してしまって 興味をなくし なぜ それを学ぶのか 理由さえわからなくなる そんなことが 世界中のあまりにも 多くの大学で起きているのです

そこで私たちは 斬新な教え方が ないものかと探したのですが 極めて残念な結果に終わりました 私たちが目にしたのは 本がデジタル書籍になり 黒板がYouTubeの動画に替わり 大ホールでの授業が MOOC すなわち 大規模オープンオンライン講座に なっていく様子でした よく考えてみれば ここでしていることは 同じ内容を 同じ形式で より多くの学生に差し出しているだけなのです 素晴らしいことではあるんですよ 誤解しないでくださいね でもどちらかといえば 依然として教え方は同じで 特に革新的なものではないんです

ですから私たちは他で 探すことにしたのです それで わかったのですが フライトシミュレータを 実際の飛行訓練と組み合わせた場合 非常に効果があがることが 繰り返し証明されていたのです それを科学の授業に応用することを 思いついたのです 仮想ラボシミュレータを 造るのはどうかと思ったのです

それで やってみました 私たちが目指したのは 基本的に 完全再現した 個人対応型の仮想現実ラボを作り そこで学生たちが 本物のラボで実験するかのように 数式に基づく実験を 疑似体験できるようにすることです しかし単純な模擬版というわけではなく MITのような最高峰の大学と協力し 最先端のがんに関する研究を 学生に教えられるようなレベルの 先進のシミュレータを制作することにしたのです 学生が本物の実験室に入る前に 実験を疑似体験できるようになると 大学は いきなり何百万ドルもの経費を 節約できるようになりました それだけではなく 学生は 疑似装置の中で何が起きているのか 分子レベルで 理解できるようになったのです その上 実験室では危険すぎる実験まで できるようになったのです 例えば 重要なテーマでありながら 安全性を理由に多くの学校で 教えることができなかった サルモネラ菌について学ぶことができるのです それに もちろん テストをした後 教師はダッシュボードを使って 学生全員の進度を把握できます

しかし それだけではありません 授業中に学生たちの興味を維持するためには 意味を理解することが とても重要だからです そこでゲームデザイナーを連れて来て 楽しくて引き込まれるような ストーリーを考えだしたのです 例えば この授業で学生は ドラマ『CSI:科学捜査班』のような 殺人ミステリーを 学習課題の科学的知識を駆使して 解決しなくてはなりません

これらすべてを始めたときに 返ってきた反応は 非常に肯定的でした ここには300名の学生がいますが CSIの殺人ミステリーに 真剣に取り組みながら 課題である科学的知識を学びました 最も感動したのは 授業の後 学生が すっかり驚いて 戸惑い気味に 私のところに来て 「仮想ラボに2時間もいたけれど 途中でFacebookを 一度も見なかった」と言った時でした


学生にとって それほど身を入れ 没頭できるということなのです

実際にどのような 効果があったのかを理解するために 学習心理学者が160名の学生を 調査しました 被験者はスタンフォード大学と デンマーク工科大学の学生です 学生を二つのグループに分けました ひとつのグループは 仮想ラボシミュレータを使い もうひとつのグループは従来の 教え方で学びました 両グループとも 授業時間の長さは同じです 興味深いことに 学生の学習結果を明確に測定するために 実験の前後に テストが実施されました その結果 仮想ラボを使うと 従来の学習方法より 学習効率がなんと76%も 高まったことがわかりました

さらにおもしろいことに この調査の第二部として 学習に対する教師の影響力についても 調査したのです その結果 仮想ラボと 教師による 手ほどきや指導を組み合わせると 学習効率は101%も 向上するということが 判明したのです つまり かけた時間が同じでも 教師の影響力は 二倍になるということになります 数ヶ月前に 私たちは自問自答を始めました 学習心理学者、教師、科学者、ゲームデベロッパなど 素晴らしい専門家のチームが あるわけですが どうすれば 新たな教育の概念を 生み出し続けられるだろうかと 私たちは自分たちに 問い続けることにしたのです

そして今日ここで 皆さんに 私たちが考案したことと そして非常に苦労して制作してきたものを 発表できることを嬉しく思います 簡単にどういうものかを説明します 基本的には携帯電話を使います ― すでに殆どの学生がスマホを 持っていますから ― スマホをこの安価な VRゴーグルにつなぎます これで仮想世界の中に 文字通り入っていけます 会場にいらっしゃる何人かにも 試してもらいましょうね とにかく実際に体験してもらうと いかに没入感を得られるかが わかると思います この仮想ラボ空間に まるで 本当に足を踏み入れたように感じます スクリーン上に私が見えますか?



たった今 私の携帯電話は 百万ドルクラスの 操作可能な すごい装置一式が揃う アイビーリーグ大学の研究室を 完全にシミュレートしています 例えば このピペットを使って 実験をすることができます ここにはE-GelもあればPCR装置も ああ みてください 次世代シークエンサー(NGSM)も それに電子顕微鏡もあります そうです 電子顕微鏡を 携帯できるなんてすごいでしょう ここには私のパソコンがあって このマシンを使って さまざまな実験が可能です こちらにはドアがあり 他の実験室で 別の実験ができます こちらには私の学習用タブレットがあります インテリジェントタブレットなので 関連する理論を検索し 読むことができます ご覧のように インタラクティブに反応します 今ここで行っている実験に関連する ビデオや情報を閲覧できるのです ここに来るとマリーがいます マリーは私の先生というか ラボアシスタントで このラボ全体を案内してくれます そしてもうすぐ 実際の教師たちが 今私がいる この擬似空間に テレポートして この実験全体を通して手助けしたり 指導したりできるようになります

私のスピーチを終了する前に もっとかっこいいものを お見せしましょう 実際のラボでは実現不可能なものです ここにPCR装置があります 実験を始めてみましょう 私の身体を100万分の1に縮小し 分子サイズにしてみました 試してください 本当に小さくなった気がしますから 今私はこの装置の中に立ち DNAや分子を見ています ポリメラーゼなども見えます 試験管内で 私たちの体内で起こるのと同じように DNAが何百万回も繰り返し 複製されていく様子が ここで観察できます あらゆることがどう作用するかを 理解することができます

これらの新しい教え方に 可能性が詰まっていることを 皆さんに少しでも感じ取って もらえればと思います 特に強調しておきたいのは 今 見ていただいたことは全部 VRゴーグルがなくても iPadやラップトップで 使える点です それには大切な理由があります 次世代の科学者たちに 力を与え奮起してもらうために 教室内で使う新しい技術を 取り入れていく教師が必要なのです ですからいろいろな面で 科学教育で 次の大きな 飛躍的進歩を果たすには もう技術的なことではなく 教室の中で使用可能な これらの技術を 取り入れ使っていくという 教師側の決断次第であると 私たちは信じています ですからさらに多くの 大学や学校 そして教師が 技術開発会社と協力し合い 可能性を実現することを 願っています

最後になりますが 私自身に夢を与えてくれた ちょっとした逸話を お話ししたいと思います ジャック・アンドレイカの話です すでにご存知の方もいると思います ジャックは15歳の時にすい臓がんの 安価で画期的な新診断法を 発明しました ジャックがどのように その大発明をしたのかを説明した時に そこにいたるまでに 突き当たった壁についても 話していました その壁とは 経験不足という理由で ラボへのアクセスが 許可されなかったことでした

もしアイビーリーグ大学の 数百万ドルの設備の仮想ラボを 世界中にいるジャックのような 生徒たちに差し出し 考えうる限りの 最新で最先鋭の機械を 与えることができたらどうでしょう どんな科学者だって そのような環境を与えられたら 飛び上がって喜ぶことでしょう 想像してください そういう環境が 革新的な発想で 世界を変えようとしている 次世代の才能ある若い科学者たちに 大きな力と新たな発想を 与える様子を



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