第一工業大学研究報告第32号（2020）pp.25-28

PBL による実践的プログラミング教育の事例
中茂 睦裕 1)，山田 猛矢 1)，福永 知哉 2)
1)

第一工業大学 工学部 情報電子システム工学科 (〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2)
2)

第一工業大学 共通教育センター (〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2)

Case study of practical programming education using PBL
Mutsuhiro NAKASHIGE 1), Takeshi YAMADA 1) and Tomoya FUKUNAGA 2)
1)

Department of Informatics and Electronics, Daiichi Institute of Technology
2)

Common Education Center, Daiichi Institute of Technology

Abstract: Importance of the PBL(Problem/Project-based Learning), the dynamic problem solving type oflearning approach has been pointed out. Programming is a required subject in elementary education since2020, and it is expected to foster logical thinking, creativity and problem solving ability of the children inprimary phase. In this study, we present the practical example of introducing PBL to C language
programming lecture. In particular, we mounted the idea to solve surrounding problems on a compact
motherboard called Arduino. Furthermore, we provided that system to the people concerned and verified
the operation so we present the process.

1.

はじめにPBL(Problem/Project-based Learning)と呼ばれる、いわゆる課題解決型学習による動的な学修応用する事は困難である。Scratch が実際の業務に利用されることが無いことからも、あるところに限界があり高レベルな処理には向いていないことは明白である。

アプローチの重要性が指摘されている。
2020 年よ高等教育では一般的にC言語に代表される手続

りプログラミング教育が小学校でも必修化され、き型のプログラミング言語から修得する。プログ

小学校段階における論理的思考力や創造性、問題ラムを記述するためには、まず IDE(Integrated解決能力等の育成が期待されている。本稿では、Development Environment)と呼ばれる統合開発

C 言語プログラミングの講義を対象に、PBL を導環境を PC へインストールし、ソースコードと呼入した取り組み事例を紹介する。具体的には、ばれるコンピュータへの命令文をテキストで入力

Arduino と呼ばれるマイコンボードを用い、身のしていく。完成したソースコードをコンパイルと回りの課題を解決するアイデアを実装した。さら

いう処理でコンピュータが分かる唯一の言語であに、それらのシステムの動作を確認するとともにる機械語へ変換しておき、実行すると PC のスクユーザへ提供してその効果を検証したのでその過リーン上でその結果を観察できる。しかし、その程を報告する。

変化は、注意していないと気付かないほど少ない
2.

背景と課題刺激である。
学部 2 年生で履修する C 言語プログラミング

小学生など若年者向けのプログラミング教育でI/II では、条件分岐、繰り返し、再帰処理など、Scratch のようなビジュアル言語が使われるようアルゴリズムを活用した論理的な設計手順を次々に、プログラミング教育には学修者の興味を惹くに学修していくが、4 年生でいざ卒業研究にプロ要素が必要である。しかし、Scratch を学んでマグラミングの知識やスキルを活かそうとしても、スターしたとしても、それを卒業研究のテーマに身に付いておらず基礎から学修し直すというケー

第一工業大学研究報告 第32号 （2020）

スが散見される。
他の教育でも同様であるが、特にプログラミン
グ教育においては、テキストや教示に従って文法を反復するだけでは知識を身に付けることは難しい。また、知識を実践した際の結果フィードバッ
クとしてコンソール出力に頼っており、刺激が不足していることも一因である。そこで、我々はArduino と呼ばれるマイコンボードを用い、学修効果を高めるためにプログラミング教育に PBL

図 1 マイコンボードと専用のシールドを取り入れることにした。次章では、その具体的は都合が良い。また、配線などのワイヤリングをな方針を示す。

させると別のスキルが必要となり学修者によって3.

アプローチは難易度が高くなってしまうため、マイコンボードと一体となったシールド(拡張基板)を設計した。

前章で、プログラミング教育において、コンソ開発したシールドを図 1 に示す。
こうすることで、ールに出力させて結果を確認させるだけでは学修ハードウェアを扱うにも関わらず、学修者はプロ効果を高めることが困難であることを述べた。そグラミングのみに集中できる。15 回ある講義は実こで、PBL を導入して学修効果を改善する取り組

践的なプログラミング Tips を紹介しながら進め、みを企画する。PBL とはいわゆるアクティブラー

並行して何らかの社会ニーズに対処する作品を立

ニングの手法の 1 つであり、プログラミング教育案して実装し、最終回の講義で発表会を実施するのみならず、多種多様な科目を対象としている。

こととした。

直訳すると課題解決型の学習であるが、知識の暗今回の PBL の取り組みに必要な社会ニーズの記などのような生徒が受動的な学習ではなく、自抽出は、プログラミング教育の講義ではおこなわら問題を発見し解決する能力を養うことを目的とず、既知とした。具体的には、既に教材開発で協した教育法のことを指す。正しい答えにたどり着力関係にあった特別支援学校と、課外のサークルくことが重要ではなく、答えにたどり着くまでの活動の中で立案したアイデアを採用した。
次章で、過程（プロセス）が大切であるという学習理論のこれらのニーズに応えるためのプログラミング教ことで、1900 年代初頭アメリカの教育学者ジョ育の取り組み事例を 3 つ紹介する。

ン・デューイが初めて教育現場で実践に取り入れ
事例: 特別支援学校における教具・遊具開発たとされる。本稿で紹介する取り組みでは、身の4.

回りを観察し、そこに存在する課題を見出し、そ本学は高等学校教諭(工業)の免許を取得できるれを解決するためにプログラミングの知識やスキことから、特別支援教育の現場で教鞭を取っていルを活用することで学修効果を高める。

る OB 教員がいる。定期的な情報交換の機会に、

まず、Arduino と呼ばれるマイコンボードを用特別支援学校の教育現場で必要な教具や遊具を試い、制御する対象をコンピュータスクリーンでは作するために協力を求められた。学部 3 年生を対なく物理メディアとした。LCD や LED による視象にしたプログラミング演習 I の講義を活用して覚フィードバックだけでなく、ボリュームやボタ実装した 3 つのシステムを紹介する。

ンの操作(触覚)、ブザーの鳴動(聴覚)によるフィー

1 つ目は特別支援学校の運動会で使用するためドバックで刺激を高めることができる。そもそものボウリング遊具である。傾斜した雨どいに輪ゴ

Arduino は学生たちがこれを使って何かを「する」

ムがストッパーとして取り付けられており、硬式ことを主眼に開発されており、PBL の素材として

中茂・山田・福永：PBLによる実践的プログラミング教育の事例

ど、基本的なプログラム実装で実現している。
2 つ目は、同じく特別支援学校の朝の会または帰りの会を司会するシステムである。試作した装hook

置を図 3 に示す。前者と同様に MP3 モジュールとスピーカを追加してある。本システムの対象ユーザは、筋力の衰えなどの理由で発声が困難な生

Arduinoswitch

図 2 ボウリング遊具の外観

microcontroller
board

mp3 player(inside)徒である。自らの声を発することは難しいため、合成音声を予め MP3 形式のオーディオファイルで録音しておき、指示があったら再生する仕組みである。生徒のハンディーキャップの種類や程度はさまざまであるが、それぞれ常時の意思表示などに使用しているスイッチがある。このスイッチをシステムへ接続し、入力があるたびに次のセリフを再生していく。誤って 2 回操作してしまった

speaker

場合には 1 つ前のセリフへ戻れる機能も実装した。
このセリフを戻す操作は介助者がおこなう。
また、
このシステムは用途を変え、音楽の授業でリズム学修を対象にすることもできる。前者と同様に個々の生徒が担当するパートの楽器音を録音してpush switch

おき、タイミング良くスイッチを押すとスピーカから楽器の音が鳴動するというものである。
3 つ目は、音スイッチである。音の入力を契機

図 3 タッチスイッチで朝の会を進行するシステム
野球用のボールを固定している。生徒がスイッチを押すと、ボールを固定していた輪ゴムが外れ、雨どいをボールが転がり、その先に並べられているピンに見立てた色水が入ったペットボトルが倒れる。試作したシステムの外観を図 2 に示す。ス
イッチが押されると、マイコンボードがそれを感知し、サーボモーターを回転させる。ストッパーの輪ゴムの一端はサーボモーターの羽根に引っ掛として 2 次側の回路がオンになるシステムを実装した。そのユニットの外観を図 4 に示す。ぬいぐ
るみなど様々な玩具や装置へ組み込むため、小型化している。Attiny85 と呼ばれるマイコンで、Arduino のファミリーとして開発することができる。プロトタイプ実装までは Arduino のマイコンボードで進めたが、ぬいぐるみへの組み込みをする際に小型のボードを新規にデザインした。ユニットの基板サイズは 30x17.3mm である。+1.5～かっており、モーターの回転で輪ゴムが外れる。
ストッパーが無くなると勢いよくボールが飛び出すが、ちょうどピンに当たるであろうタイミングを見計らって、ボールがピンに当たる音と拍手の音が再生される。このケースでは既存のマイコンボード＋シールドに対し、MP3 再生モジュールとスピーカを追加で接続した。また、条件分岐やイベントハンドリング、MP3 モジュールとの通信な
図 4 音スイッチの検知・制御ユニット

第一工業大学研究報告 第32号 （2020）

5V 程度の電源で動作し、2 次側の回路にも柔軟にリングしたところ、さあ勉強するよと絵本を出し対応する。スイッチング素子にフォト MOSFETて練習を始めるよりも、遊びの一環としてトレーと赤外発光ダイオードを光結合させた東芝製のフニングに取り組むことができ、想像していたよりォトリレーTLP241A を使用しており、2 次側のも早く自然なタイミングでの発声ができるように

回路は電圧 40V まで、電流 6A まで対応する。今なるなど学修効果が上がったと回答があった。

回は、犬のぬいぐるみに実装し、言語の獲得に遅このような PBL を取り入れたプログラミング

れがある生徒が音によるインタラクションで二項教育を実施することで、何らかのニーズを持つ当関係を獲得することを目的に試作した。ECM に事者の立場に立ち、自己の持つ知識やスキルを活よる入力波形をサンプリングし、過去の時系列か用して解決できることを実証することができた。

ら音量の偏差が一定の値を超えたときに入力があ

この取り組みを通じて、教員への質問が増えたり、ったと判定し、2 次側の回路をオンにする。音声

チームで議論する姿が多く見られるようになったを認識することはできないが、掛け声や呼び声にり、主体的に学修する姿勢を観察できた。また、反応して、犬のぬいぐるみが動いたりワンワンと学修者をヒアリングすると、自己肯定感が向上し鳴いたりする。

たり、自信につながったという回答を得られ、知5.

評価と考察ボウリング遊具について、過去の運動会では特別支援学校の教諭または父兄が生徒の手を引き、的な学修効果だけでなく、心理的な学修効果も得られる機会となったことが分かった。
6.

おわりに手に握ったひもがストッパーを外す仕組みであっプログラミング教育を対象に、知識やスキルのた。しかし、それでは自分でボールを転がしたと獲得を確実なものとすることを目的に PBL を導いう意識はあまり持てず、介助者の手を借りて実入する取り組みを実践した。プログラミング演習行したという認識になってしまうことが分かった。 の講義で最終成果物として作品制作を求めたとこ
提供した遊具には、生徒が通常使用している任意ろ、社会のニーズに応える具体的なシステムを完のスイッチを接続できるようにしてあり、自分の成させることができた。

意識するタイミングでボールを転がすことができ学修者の知識やスキルを総動員して制作した作た。事後のヒアリングから、アクティビティに対品が、ニーズを持つ当事者やその関係者に取ってする満足度が向上したことが分かった。

何らかの効果を提供し、外部から評価を受けるこ

音楽のリズム学修を知的障害を持つ一部の特別とは通常の講義スタイルでは経験することができ支援学校の生徒に対して実施するとき、例えば太ない。これらのプロセスを通じて、学修者が知識鼓のバチを渡しておいてリズムに合わせて叩く指やスキルを獲得し確実なものにすることに寄与し示をしてもスムーズに学修を進めることが難しい。 ただけでなく、学修の姿勢や気持ちの面に良い影リズム学修の内容に踏み込む前に、バチの形や大響を及ぼすメリットもあることが分かった。

きさ、持ち方が気になってしまいその先へ進めな事例紹介した音スイッチはその後、別の展開がい様子を観察できた。そこで、生徒が常用していあった。
音に反応するライトを多数製作して並べ、るスイッチを操作対象にし、本システムを利用さ音が伝わる速度を可視化し、かぎん空間演出事業せたところ、他へ注意が散ってしまうことなくリ映像コンテストへ出品して賞を得た。

ズム学修の授業を進めることができた。

今後、PBL によるプロトタイプ教育を履修した

音スイッチについて、音によるインタラクショ

学修者のその後をトラッキングし、卒業研究やそンについての二項関係を獲得しようとしている生の他の活動に変化があるのか長期的に観察してい徒に 2 か月ほど使用させた。担当する教諭へヒアきたいと考えている。