玉川学園のロボット活動支援と教材開発
Robot activity support and development of teaching materials in Tamagawa
水野真*、佐治量哉**、佐々木寛***Makoto Mizuno*, Ryoya Saji** and Hiroshi Sasaki****玉川大学工学部機械情報システム学科
Department of Mechanical Systems, Tamagawa University**玉川大学脳科学研究所
Tamagawa University Brain Science Institute***玉川大学工学部ソフトウェアサイエンス学科
Department of Software Science, Tamagawa University
194-8610 東京都町田市玉川学園 6-1-1
6-1-1 Tamagawagakuen Machida-shi Tokyo 194-8610
Abstract
In recent years, "lack of consideration ability" in younger generation has been discussed especiallyin science educational field in Japan.

In this background, we have carried out educational

supporting activity using robotics materials in collaboration with Tamagawa

Academy.

This

paper briefly overviews our 3-year activities, and gives the detail of some trial materials which havebeen improved as an experimental teaching material for science education not only in elementaryschool but also in junior-high school.

Key words: Educational material, Robot, Elementary school
1. 開発のきっかけ
公立学校における完全週５日制、生きる力の育成を目指した教育内容、そして教師らのための教科の時間削減と内容の厳選がいわゆる「ゆとり教育」でなされた。現在
では「脱ゆとり教育」にはなりつつあるが、1990 年代に戻っただけであり、それも 2011
年から小学校、2012 年に中学、2013 年に高校と開始される。少なくとも暫くの間、この「ゆとり教育」世代の小中学校の先生が排出される。
一方、児童生徒では、高学年になるに従って理科嫌いが進行している。1, 2)
この理由としては、・理解が困難。（見えない、抽象的である）
・興味がもてない。（世の中に誘惑が一杯）
・覚えることが多い。（公式など）・計算が困難。
（低学年での学習不足の蓄積）が考えられる。かなり以前から研究室に入ってきた学生に対して理科は実験科目なのか、暗記科目なのかと質問してきた。ほとんどの学生は暗記科目と答えている。このことは他の大学の先生でも感じており、ある大学の先生が高校の先生に理科の実験を増やしてくださいとお願いしたら、「大学入Memoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.46 (2011)

試に実験を入れてください」と答えられたに購入できる素材を組み合わせて開発する。というエピソードがある。教師には理科実・パソコンを必要とせず、単体で動作でき

験の時間に限りがある 3) ので教材の精選がる。

必要になり、教材研究の時間が必要になる。

・パソコンにも接続できる。

一般に中学や高校の理科教員には、教材研・実験消耗品は安価に購入でき、簡単に組究のための時間がそれ程保証されていないみ立てられる。のが現実で 4)、それどころか、放課後は生

この実験教材システムは、一般のロボット

徒指導等にエネルギーを費やすことが多くと同様に、センサーでデーターを収集しコなっている。小学校教員は、専科の教員以ンピュータで処理し、何らかの出力を出す

外は必ずしも理科が専門ではない。その結ことが基本となる。

果、理科実験を避けようとする場合が多い。

実験コントロール用コンピュータとしては、教員養成大学でも理科の実験を多く取り入

まだ決定ではないが、CPU ボードとして安れているとは思えない 4)。さらに教員免許

価で高性能な SH-7144 を用いることにしを取るために必要な教科（理科）の単位がた。また、補助的なアタッチメントボード

2 単位のみである教員養成課程の問題もあを追加する。さらに、何かを組み立てる素る。

材としてはタミヤの工作セットを利用する

従って、小中高大学でも理科の実験をしていない学生が教師になっている可能性がことにする。これらを一つの理科教材キットとして開発していく。

高く、このような先生に教わっている子供
3. 基本ソフトウェア

たちは悲劇である。
このような理由で、理科実験の教材の精選、教材研究の時間短縮をするための教材を開発することにした。基本はPBL(Problem Based Learning)などで採用しているロボット教材の考え方を拡張させて作ることにし、これを利用して可能な教材を作り、さらにこのテキストも作る予定である。残念ながら、全ての理科教育の範囲を網羅できないので限定された教材になるが、一つの小中の理科教師への希望になることを期待する。

内蔵の CPU で処理する入出力は以下の通りを予定している。
・A/D コンバーターによる電圧の測定
・デジタル入出力
・タイマー処理・直流モーターコントロール
・サーボモーターコントロール
・加速度センサー・方位センサー・RS-232C インタフェース
・LCD ディスプレイ
・他の装置と繋げるための I2C インタフェ

2. 開発素材ース

開発素材は以下の項目をできるだけ満足す・超音波距離センサーるようにする。

・赤外線センサー

・特殊なものを用いずに、できるだけ簡単・D/A コンバーターによる電圧の発生

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)ボット工作教室」を実施した。詳しくは、
これらの IO ライブラリを C++のクラスと後で述べるが、ここでは使用した教材につ作成し、これらを組み合わせて実験できるいて述べる。用いた教材としてタミヤ製のように工夫する予定である。

「リモコンロボット製作キット（タイヤタイプ）」を用いた。実際に子供たちが製作す4. 教材る時間制限から、チューター役の学生にギ

玉川学園では、2009 年より「玉川ロボットチャレンジプロジェクト」(TRCP)が開始され、その一環として小学４年生に対する「ロアボックス、リモコンなどを前もって完成させておいた。図 1～3 に子供たちが自由に製作したロボットの例を紹介する。

図１ ショベルドーザー型

図３砲撃型

以上の例では、コンピュータを一切使っていない。理科教材の補助として使えるようにするには色々なセンサー、アクチュエータをコントロールするシステムが必要になる。
IO ライブラリ作成の動作確認を兼ねて、簡易風向・風速計を試作した。これは図４のように、円柱がぶら下がっており、風で図２ ロボットハンド型

傾くことを利用してその角度より風速・風向を測定しようとするものである。実際の教材では、写真のようにプラスチックのパイプではなく、紙で筒を作り、ストローと針金で作れるはずである。風向・風速は元々正確にしても意味がないので、適度にサンプリングし 10 分ぐらい平均し平均の風向・風向を考えている。測定原理を図５に示す。

Memoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.46 (2011)

８．割り込みのプログラムを作ってみよう
９．PWM でモーターを動かしてみよう
１０．マイクで音を感じてみよう
１１．ライントレースをしてみよう
１２．アタッチメントの自動判別をしてみよう
１３．Robot
以上の講座内容の講義用電子基板を開発
図４

風向・風速計測装置

した。図６は CPU 基板である。図７は左からライントレース用、CdS センサー用、マイク用となっている。

図５

計測の原理図現在では SH-7144 を用いたシステムは

図６

CPU 基板案であるから、その前段階で構築したシステムを紹介する。これは、継続学習センタ
ーでの講座用に開発した教材で、CPU として PIC16F690 を使用している。
対象年齢の制限は無いため、できるだけ簡

図７ アタッチメント基板単に学習できるように考えてある。前回、別な内容で行った講座では、高齢の方が多図８は、赤外線を用いたラインセンサーアかった。

タッチメントを装着して実際に動かしてみ

内容は以下のようになっている。

た場合である。プログラムとしては、初心

１．車体をつくる者を考慮して、写真にあるような楕円を周２．電子回路基板の半田付け回するだけの簡単なものとした。

３．インストールと環境設定
４．MPLAB の使い方
５．PIC へ書き込む
６．LED を光らせてみる７．A/D コンバーターを使ってみよう

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)

教室でも使用した。参加者は同様に 30 人だった。図１０にそのロボットの写真を載せる。

図８

ライントレースロボット
図１０

ロボット工作教室用

図９は、マイクで音の方向を向くアタッチ
メントを装着した場合である。左右後ろに次に、同様に PBL で用いている H8 シス

マイクがあり、手などを叩き、その中で一テムを紹介する。

番音を大きく検知した方向に向くというもこのシステムは、CPU にルネサスエレクのである。

トロニクス社の H8/36064 を採用している。
これは RoboCupJunior のレスキューチャレンジに挑戦することを目標にしている。
これは、中学年（5 年生から中 2）の田原先生指導の自由研究で行っている活動と同じである。このために、図１１に示すようなラインセンサー用基板（下）とモータードライバー基板（上）を開発した。これらは、中学年にも供給している。
図９

音源に向くこのシステムは、CPU にマイクロチップ社の PIC16F690 を採用している。これは極めてコストパフォーマンスが良い。
また、これとほぼ同じ構造で、2010 年 8月 1 日に脳とロボット展に於いて、子供た

図１１

インタフェース基板

ちに対してライントレースロボットの工作教室を行った。参加者は 30 人だった。

講義としては、大学一年生の秋学期は一階さらに同じロボットを、2010 年 8 月 17 日制覇、二年生は二階までの制覇を目標としに町田市の観光協会の主催のロボット工作ている。詳細はMemoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.46 (2011)http://www.robocupjunior.jp/info/rescue.

音波レンジファインダーは右側に固定されhtml を参照して貰いたい。ており、片方の壁から一定の距離を保つよ

これを、サイテックセンターにあるコース

うにプログラムされる。

を使わせてもらって動作確認を学生にさせている。図１２はそのコースである。

図１２

図１３

PBL でのロボット

図１４

PBL でのロボット 2コース

図１２の左側のラインは二階に行くラインであるが、現在のルールではこのラインは取り払われ、超音波レンジファインダーなどを用いて壁を伝わって、二階に行くようになっている。
この時のルールでは、緑と銀色の被災者を見つけたら LED を点滅させることになっ5. 玉川学園 K-12 低学年４年生を対象としたロボット製作実習ている。二階にもラインは無く、瓦礫(鉛筆を半分にしたようなもの)が散らばり、その2008 年度より、玉川学園 K-12 低学年４中に被災者がいる設定になっている。詳し

年生を対象としたロボットに関する特別授

くは別項目の PBL の部分で説明される。図業を開講している。毎年 11 月に通常の理科

１３と図１４はそのロボットの製作途中のの授業 2 時限の中で実施し、4 年生全員がものである。図１３は、超音波レンジファ受講している。この授業の主たるねらいは、インダーとそれを回転させるサーボモータ①児童の科学技術に対する興味・関心を育ー、傾きを計測する３軸加速度センサー、むこと、②玉川学園 K-12 中学年 5 年生か被災者を見つけるカラーセンサーを搭載しら始まる自由研究でロボットに関する研究ている。図１４もほぼ同様だが、車体が傾を選択する児童が増加すること（ひいてはいてもライントレース用センサーが常に下その後に科学技術を専門とする職業を志望を向くような機構がついている。また、超する生徒が増加すること）、である。

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)初年度（2008 年度）は、とくに①のねら

児童は 94.1 %（2009 年度）、91.7%（2010

いに主眼を置き、そのためには「近い将来年度）、「今回の授業をうけて、観察や実験に身近な生活環境へ入ってくる新しい技術をすることが好きになりましたか？」といに触れることが有効である」との考えから、う質問に対し、「好きになった」あるいは「ど大学教員によるロボットに関する講義に加ちらかといえば好きになった」と答えた児え、工学部ロボット工房でイレイサー、ア童は 78.9 %（2009 年度）、77.4%（2010 年

イボ、二足歩行ロボットに実際に触れる体度）であった。また、「今回の授業を受けて、験を授業の中に取り入れた。受講児童数は将来、理科・算数を必要とする仕事に就き144 名であった。事後にアンケートを実施たいと思うようになりましたか？」というしたところ、「今回の授業はおもしろかった

質問に対し、「受けた後に思った」あるいはですか？」という質問に対し、「おもしろか「受ける前から思っていた」と答えた児童った」あるいは「どちらかといえばおもしは 62.4 %（2009 年度）、71.2%（2010 年度）

ろかった」と答えた児童は 97.9 %、また「今であった。そのうち「受ける前は思ってい回の授業をうけて、観察や実験をすることなかったが、受けた後は思うようになった」

が好きになりましたか？」という質問に対、35.5%と答えた児童は、31.1 %（2009 年度）

し、「好きになった」あるいは「どちらかと（2010 年度）であり、理科・算数を必要といえば好きになった」と答えた児童はする仕事に就きたいと感じる児童数の増加92.9 %であった。授業のねらいはある一定が伺える。アンケートとは別に、事後学習レベル以上で成し遂げられたと考えられた。の位置づけとして、班ごとにロボット製作2009 年度、2010 年度には、前述のロボに関する作文を書いてもらった。授業内容

ット教材（リモコンロボット製作キット）や科学技術に対する興味等についての否定を用いたロボット製作実習を授業の中に取的な内容はなく、ほぼすべての班が「ロボり入れた。科学技術者の道を目指す児童・ット製作が楽しかった」、「ロボット製作に生徒が真に増えてくるためには、科学技術興味を持った」と感じ、約半数の班が「ロに対して興味・関心を持つだけでは不十分ボットをまた作ってみたい」、「今回のロボで、興味・関心を持った対象に対し「自分ットに改良を加えてみたい」と考え、約三にできる」と感じることが重要であると考分の一の班が「ロボットを完成できて達成えられたからである。ロボット製作実習に感を感じた」と書いていた。またそのほか、あたっては、児童を４、5 名ずつの班に分「ロボット製作ではチームワークが大切」、

け、各班に大学生 1 名が TA としてつき指「考えるプロセスが大切である」、「将来は導にあたった。受講児童数は 171 名（2009

工学部に進学したい」と書かれた作文もあ年度）、170 名（2010 年度）であった。事った。

後にアンケートを実施したところ、「今回のロボット教材を用いたロボット製作実習授業はおもしろかったですか？」という質の実践により、玉川学園 K-12 低学年 4 年問に対し、「おもしろかった」あるいは「ど生の児童の科学技術に対する興味・関心がちらかといえばおもしろかった」と答えた

促進され、工学を将来の道の一つとして考Memoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.46 (2011)

えるきっかけを与える効果もあることが示唆された。玉川学園 K-12 一貫教育体制の中2011 年 2 月 7 日原稿受付

で、あるいは大学を含めた K-16 教育体制のReceived, February 7, 2011

中で、その興味・関心を継続していかに育んでいくかが今後の課題となるものと考えられる。
なお、このロボット製作実習は、学術研
究所 K-16 一貫教育研究センター、脳科学研
究所知能ロボット研究センター、玉川学園
K-12 低学年との連携により実施されている。また、2008 年度および 2009 年度については、独立行政法人科学技術振興機構による SPP（サイエンス・パートナーシップ・プロジェクト）事業の支援を受けた。
6. おわりに教材開発の中核をなすコントローラ部分の開発の状況と途中経過を報告した。
これからは、さらに使用できるセンサーを増やしていき、実際の教材とテキストを作製する予定である。
参考文献
1) 平成 15 年度小中学校教育課程実施状況
調査、文部科学省
2) OECD 生徒の学習到達度調査（PISA)2006 年調査国政結果報告書、国立教育政策研究所（編）、ぎょうせい（2007）
3) PISA のアンケート項目による中 3 調査
集計結果について、国立教育政策研究所（2008）
4) 平成 20 年度高等学校理科教員実態調査、（独）科学技術振興機構理科教育支援セセンター（2009）

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)