日本ソフトウェア科学会第 34 回大会 (2017 年度) 講演論文集

QuadPro を目指す組込みシステム開発教育における学習プロセスの検討
中村 啓之

峯 恒憲

鵜林 尚靖

近年の工学教育の中で PBL を中心にしたカリキュラムを組む流れは強くなっている．この中で，PBL の成果及び，受講者の学習効果を定量的に測定することは困難である．コンピテンシーテストによって受講者の成長を測定する試
みがなされているが，短期間の PBL における評価の妥当性は更に困難と言える．組込みシステム開発教育において，Quad Pro( Product，Process, Project, Professionalism の 4 要素) を軸としたカリキュラムの実践が為されている．この 4 要素を PBL 実施中の作業日報と照らし合わせ，習熟度の測定基準として定量的に扱えないか検討を行った．本稿では，九州大学工学部電気情報工学科計算機工学課程の PBL を対象に，3 週間の作業日報を学習プロセスに沿い分析し，可視化することで学習効果を測定する手法を論ずる．

In recent years of engineering education, the trend to form a curriculum focusing on PBL is getting stronger.
Among them, it is diﬃcult to quantitatively measure the outcome of PBL and the lErning eﬀect of students.
Attempts have been made to measure the growth of students through competency tests, but the validityof evaluations in short term PBLs is even more diﬃcult. In embedded system development education,
curriculum practice is carried out centered on QuadPro (Product, Process, Project, Professionalism). We
examined whether these four elements can be handled quantitatively as a measurement standard of proficiency level by compering with the work daily report under PBL implementation. In this paper, we discussa method to measure learning eﬀect by analyzing work daily report of 3 weeks according to the learning
process and visualizing it, for PBL of computer engineering course of electric engineering department of
Kyushu University.

おいては，PBL(Project/Problem Based Learning)

1 はじめにの導入が社会的要求に対する答えとなっている．組込

近年の大学教育は在学中に知識の習得を目指すだけ

みシステムは制御理論やセンシングに関する知識とプではなく，より社会に出た際に経験にもとづく即戦力ログラミングスキルといった能力が要求される．同時を身につけさせる内容を求められている．学生には，に実世界上にシステムが構築されることから，PBL座学によって得られる知識を活用し，チームでの協調を行う上での親和性は高い．演習の結果として構築し作業や問題解決力，クリエイティブな発想力といったたシステムを評価することは容易だが，PBL によっ多面的な能力が必要とされる．工学教育においては，てどのような能力が得られたかについて客観的に評スキルとしての技術力だけでなく，開発工程の活用力価することは難しい．本稿では，PBL によって修得やプロジェクトの推進力といった能力の育成が対象とされる能力を測定することは困難であっても，受講者なる．それらの能力をバランスよく修得させていくこがどのような学習プロセスをたどるかを測定し，傾向とが昨今の課題と言える．組込みシステム開発教育にを可視化した．可視化により，PBL を実施するにあA Study on Learning Process in Embedded System
Development Education aiming at Quad Pro.
Hiroyuki Nakamura Tsunenori Mine Ubayashi Naoyasu, 九州大学大学院システム情報科学研究院, Faculityof Information Science and Electrical Engineering,Kyushu University.

たっての受講者と演習内容の関係性を定量的に計測する．同時に，PBL を受講する学生へ，どのような指導が適切か述べる．対象は，九州大学工学部電気情報工学科計算機工学課程の 3 年次前期初に行われる３週間の PBL 演習である．また，評価の対象として受講者個々人の作業日報を用い，記載内容がポジティが明確に認められた．しかし，本稿で扱うような短期ブかネガティブかを尺度として用いた．これにより，間の PBL には時間の制約が大きく実施は難しい．ま対象者の学習姿勢や，傾向が明らかになった．

た，学習プロセスに沿った能力の向上傾向を計測することはできない．

2 関連研究井上らの研究 [4] では，技術革新の速い ICT のよう

3 組込みシステム開発教育と Quad Pro

な分野においては，PBL は課題の抽出力・解決力の2016 年下期より文部科学省の取り組みとして，成育成に有効であると論じている．その上で，実社会の長分野を支える情報技術人材の育成拠点の形成事業

テーマを題材に企業、学生が連携してシステムを開[1] が学部生教育に向けて開始した．本事業は，ビッ発する事例を述べている．ここでは，１年の期間にグデータ・AI 分野，セキュリティ分野，組込みシスわたり，システムの制作に取り組むが，前段階からグテム分野 [2]，ビジネスシステムデザイン分野によりループ作業や自主学習を実施する．また，課題として構成される．組込みシステム分野では，特に「4 つの大きなシステムを構築してしまうと，システムの実Pro で実践力のある人材を育成する」ことを目指し，社会の投入が困難になること，また，専門的スキル

4 つの実践力を以下のように定義している．

に関しては別途科目が必要になると結論づけている．

• Product:システムを作る能力

本稿において対象とする PBL とは規模が大きく異な• Process:開発工程の活用力

る点，テーマ自体を学習者が設定する点など多くの差• Project:プロジェクトの推進力

異はあるものの，工学教育における PBL の有用性は現在も変わっていないと言える．

• Professionalism:職業人力組込みシステムは，日常で使用するあらゆる電気製

伊藤らの研究 [3] では，情報系 PBL 科目を実施す品から産業用製品まで広く組み込まれ，それらを制る際提出を義務付けた週報のデータ分析を行ってい御するためには不可欠である．IoT を支え，ものづくる．この研究では，主に学習者が残した週報の文字数り産業の基盤となる要素のひとつであり，4 つの実践と出現頻度の高い単語に着目し，「学び」の評価を行っ力を持つ人材は，新たな価値をもつ組込みシステムた．週報に十分な内容が記載されていれば，学習者のを構築し社会的課題を解決できる技術者を目指せる．

評価に活用できるとの仮定にたった検討がなされて教育プログラムのフレームワークとして 3 つの科目おり，記載内容を平均文字数を尺度に行っている．評を設定している．

価に活用するためには，個人の週報へ程度のフィードバックが必要と結論づけている．本稿における評価は日報をもとにしているが，先行研究の週報と同種のものである．多くの学生は，日報・週報に対して，積極的なアプローチによる記述を行なっていない点や，フィードバックが必要という考察は同様である．しか• QproJ(Junior):特定技術ごとの学習教材を用意し，自己学習また E-Learning 等で学習

• QproB(Basic):Quad Pro を網羅した基礎学習として，PBL 教科や短期集中講座で学習• QproA(Advance):より高度なテーマに取り組む学生向けの実践教育

し，本稿における評価の基準は，日報に含まれる設問

QuadJ は学部の 1，2 年生を対象とし，QproB は概へのポジティブな反応，あるいは，ネガティブな反応

ね 3 年生を対象とする．本稿で対象とする PBL 教科をしているかを計測している．ポジティブな内容であは QuadB にあたり学部 3 年生が受講する．本教科

れば，学習者の学習達成度が高いとの仮定にたち本稿は，PBL を本格的に実践する最初の科目に相当し，を述べる．

Quade Pro で定義した 4 つの実践力取得を目指す重山本らの研究 [5] では，PBL の成果の定量的測定を要な段階といえる．

行った．個人のコンピテンシーに関するテストをPBL 実施前後に行った．テストにより，能力の向上

4 PBL 教科 (分散ロボットプロジェクト演習) と実践力
現在，九州大学工学部電気情報工学科計算機工学課
程 3 年次には，通年を通して計算機工学に関する演習科目が履修必須となっている．前期には，計算機におけるハードウェアに関する演習，後期にはソフトウェアに関する演習を行なっている．その中で前期の最初になる 4 月に 3 週間にわたり，分散ロボットプロジェ
クト演習を実施している．分散ロボットプロジェク
ト演習では，4〜5 名のグループに分かれローバ（ロボット）の制御を行う実習を行う．昨年までは，教材として Lego Mindstorms を用いた荷物の協調運搬をテーマとしていた．本年からは，無限軌道ローバを用いた，自動運転をライントレースによって行う新しい

図1

PBL 課題 2017 年度テーマ

テーマを題材とし演習を行なった．テーマの概略を図

ループに分かれて演習を行った．個人ごとに演習室の1 に示す．2 台のローバを用いて，１台が走行中に衝PC と開発環境を与え，1 グループ毎に 2 台のローバ突を起こし，もう 1 台が救援に向かい，最終的には 2を配布した．配布したローバは，Zumo と呼ばれる車台が出発位置まで戻る動作を自動で行う．衝突のイベ体に制御用の GR PEch 基板を搭載した教材である．

ントに加速度センサを用い，救援車と事故車は無線通開発環境は，True Studio を用いた．

信を行い動作する，
本演習は 9 回にわたって実施し，1 回の演習は 180分行なった．１回から 9 回の流れは下記の通りである．

• 1 回：ガイダンス，班分け，担当分担• 2 回：設計（クラス図・アクティビティ図・ UML等，通信モジュール）5 評価・分析の指針
5. 1 個人作業日報の評価
本稿では，enPiT2 組込み分野で Quad Pro と呼称する 4 能力の測定と修得へのプロセスに関して述べる．Quad Pro 能力の測定のために，個人の作業日報• 3 回：設計（加速度センサーモジュール）の解析を行った．特に対象としたのが，個人日報に含• 4 回：設計（単体コーディング，単体テスト項目

まれる学習内容の 5 項目に対する学習者の回答の仕方作成）である．日報への記述をポジティブな回答，ネガティ• 5 回：コーディング，単体テスト

ブな回答，どちらとも受け取れない回答の 3 つに分• 6 回：結合テスト，コーディング類した．具体的質問と回答例を表 1 に示す．ポジティ• 7 回：結合テスト（調整）ブな回答 (P) をしている学習者は概ね，演習内容を• 8 回：結合テスト，発表準備理解できており演習に対しても積極的な姿勢を持つ傾• 9 回：PBL 発表会

向が見て取れる．一方で，ネガティブな回答 (N) を本演習では，学習者に対して個人別の作業日報及している学習者は，演習内容が滞る場合が多い．どちび，グループごとの作業日報の記述を義務付けた．グらでもない回答 (E) は，学習者は演習に対して積極

ループごとの作業日報は，その回の作業内容と分担・的に取り組んでおらず，結果記述も短文で内容のない問題点・気付き・次回の予定・時間配分を記述させものになる傾向がある．空欄のまま提出した場合は Eた．また，個人の作業日報には学習者のその日の作業に含めている．5 項目の回答は直接 Quad Pro の能力

内容と次回の予定，その回の詳細な学習内容を 5 項を計測するための設問にはなっていない．

目に別け記述させた．本年度の受講者は 61 名，12 グ

回答が複文からなり，P と N が両方含まれる場合
は事象の大小を考慮して判定者が主観的に測定した．

表1
能力[コミュニケーション力]
・指示や説明が理解できたか?
・相手に伝わるように説明できたか?
[問題解決能力]・説明なしに理解できたか?
・自分で発見した気づきはあったか?
[知識獲得力]・ 理解のため，自ら調べようとしたか?

[組織的行動力]・教えあい学び合うことを自分からしたか?
・ノウハウを積極的に伝えようとしたか?
[自己行動力]・計画を立て沿って作業を実施したか?

判定PN
E
P
N
E
P
N
E
P
N
E
PNE

個別作業日報の分類例
班員とコミュニケーションを十分にとり、必要な図を作成できた
相手の説明は理解したが自分から情報提示する機会がほとんど作れなかった
他の班にアドバイスをもらう等した
クラス図、シーケンス図の重要性に気づいた
内容は理解できたがそれを実践する力がなかった
特に問題はなかった
スライドを見直し，なるべく調べて解決しようとしたできる人に頼りっきりになる場面が多々あった
特になし
班員内でのコミュニケーションをとる機会は多く，いい組織行動力を示すことができた
学びあうというより一方的に教わるという感じだった
教えあいが必要な場面がなかった
残り時間を考え急ぐべきかじっくり作業すべきか計画した
うまく計画は立てられたが，そのとおりに作業を進めることがうまくいかなかった
ぎりぎりで本番どおりの動きを再現することができた。計画通りだった

5. 2 Quad Pro 能力の計測

表2

Quad Pro の能力を定量化するためそれぞれを下記

出席回数

人数のように回答の P の出現率をもとに再定義した．

出席回数の集計

838• Product:問題解決力

77• Process:組織的行動力+知識獲得力65• Project:コミュニケーション力+組織行動力

54• Professionalism:自己行動力
Product はシステムを作る技術力と前述したが，全ての力の中で，個人の技術力・姿勢が表れる場面が多いことから，問題解決力と再定義した．また，演習では小規模のグループを形成しテーマに当たるこ

ウトを壊してしまい自動抽出ツールで記載を転記・集と，教員・TA の助力をある程度期待でき，またネッ計できなかった若干名もサンプルから除去した．サントからの知識も活用できることから，Process は組織プルとして 54 名分，日報サンプルとしては，410 文的行動力と知識獲得力の 2 つがふさわしいと判断で書，2050 項目を目視にて P，N，E を判定した．判定

きる．QProJ の目的として重きを置く Project(プロ者は１名で作業した．欠席 (日報未提出及び集計不良

ジェクト推進力) は対人間およびグループ内のコミュを含む) した回数をカウントし表 2 の通り集計した．

ニケーションが基礎をなす．Professionalism(職業力)初回のガイダンス時の出欠は作業日報を取っていないは自律的な行動をとることにより育成できるものとことによりサンプルから除外した．

言える．

図 2 に前述した能力と P，N，E の割合を示す．Pの割合が高いほどその能力が高いと判定している．

6 評価
6. 1 事前評価

出席回数別に P,N,E の割合を算出し結果を図 3 に示す．

対象とする分散ロボットプロジェクト演習の受講者

出席回数の多いほど E が多くなる傾向が若干ではのうち言語的な問題から回答が無かった者や，毎回同あるが観測できた．出席回数が多い学習者の方が，作じ回答をする者はサンプルから除去した．また，本個業日報が定常化し，ルーチンワークになるとの予想

人日報は MS Word に記載を記述させたため，レイアはあり，裏付けられた．また，出席が少ない学習者ほ

図2

図3

図4

Product 能力

図5

Process 能力

図6

Project 能力

QuadePro 能力

出席と日報の回答傾向

ど，積極的に作業日報を書くことで評価が下がることを避けようとした結果と推測できる．

6. 2 Quad Pro の演習時の推移
6. 2. 1 概略
Quad Pro の能力値を演習日毎に日報から計測し，れたと推測できる．当初の見込みでは，演習が進行ポジティブ・ネガティブの表現をもとにグラフ化した．

するほど日報の作成が定常化し E にあたる回答が増Product 能力は比較的平均値近傍で推移し，Processえることも想定していたが異なる結果が得られてい能力及び，Project 能力は回が進む毎に減少の傾向がる．また，図 2 及び図 7 より，Professionalism 能力表れた．一方で，Professionalism 能力は，向上の傾は，もっとも学習者にとって苦手ではあるが，伸びし向が見られた．Project 能力及び，Process 能力は二ろを生かし，演習によって向上したと推測できる．

つの設問の和をとっており，平均化された結果が現発を実例と挙げたが，Quad Pro は多くの工学教育に適用可能な指標である．作業日報の記述項目を設定する際に指標とすることができる．日報による学習者の報告を 3 値に分類することで，群としての評価は可能であると結論できる．また，自律的に行動するという職業人力の向上を観測でき演習の成果を測定できた．しかし本稿では，一年分のサンプルから情報を抽出したに過ぎない．日報を次年度も蓄積し評価することで精度の比較を行いたい．日報も個人日報の 5
図7

Professionalism 能力項目以外の活用を検討する．同時に，先行研究にもあ6. 3 Prouct 能力の詳細

る機械的な計測手法の導入も必要である．特に，今回Product 能力の推移を示す図 4 に特異点が最終回 4の測定により，3 割以上のサンプルが内容に乏しいこ

月 27 日の日報から抽出されている．この回の演習は，ともわかった．作業日報の記述に重きを置かない指導

最終の PBL 発表会があり，Product としては，新たのためである．また，演習に慣れてくることで作業日に開発することがなかった事に因する．また，4 月 12

報作成が形骸化したことも推測できる．日報自体へ日の回は，アクティビティ図や UML といった新しいのフィードバック，指導を行うことにより学習者のモ製品開発の要素が加わり，学習者にとっては分かりにチベーションを上げる必要性がある．以上をもとに，くかったと考えられる．他の回は，P が 50%弱保持

Quad Pro の能力を備えた情報技術者の育成のためのしており，もとから持つ個人のシステム開発の能力がPBL 教科の洗練に努め，より良い評価手法の検討を発揮できたと言える．

行う．
謝辞 本研究は，文部科学省「成長分野を支える情6. 4 Professionalism 能力の詳細

報技術人材の育成拠点の形成 (enPiT2)」事業の助成

Professionalism は当初，N を回答する学習者が他を受けた．本稿を執筆するにあたりご協力いただいたの能力と比べて非常に多かった．しかし，回を重ね皆様に，謹んで感謝の意を表する．

る毎に P が N を逆転する結果となり，能力の伸びがもっとも顕著である．3 年次になり始めての実機教材

参 考 文 献を用いた演習であり，開始時には戸惑いがあるが徐々[1] enPiT2: http://www.enpit.jp/.
[2] enPiT2-Emb:組込み分野: http://emb.enpit.jp/enpit2/.
[3] 伊藤恵, 雲井尚人, 木塚あゆみ: 情報系必修 PBL 科
目の週報データの分析と考察, (2015).
[4] 井上明, 金田重郎, ほか: 実システム開発を通じた社会連携型 PBL の提案と評価, 情報処理学会論文誌,
Vol. 49, No. 2(2008), pp. 930–943.
[5] 山本雅基, 小林隆志, 宮地充子, 奥野拓, 粂野文洋, 櫻井浩子, 海上智昭, 春名修介, 井上克郎: enPiT における教育効果測定の実践と評価, コンピュータソフトウェ
ア, Vol. 32, No. 1(2015), pp. 1 213–1 219.に自信をつけたと見ることができる．また，プレゼンテーションの用意および PBL 発表会では，テーマをやり遂げることができ，自己行動力の向上につながっている．これらから，実経験を積むことで能力の引き上げが比較的容易といえる．

7 まとめと今後の課題
本稿では，Quad Pro と呼ぶ能力に着目し，PBLの成果の評価手法に関して述べた．組込みシステム開