プログラミングロボットを用いた協調学習手法の検討
布施 泉 1), 野口 孝文 1)1) 北海道大学 情報基盤センター
ifuse@iic.hokudai.ac.jp

Study of Collaborative Learning Methods using Programming RobotsIzumi Fuse 1), Takafumi Noguchi 1)
1) Information Initiative Center, Hokkaido University
概要
大学の一般教育として、独自開発したプログラミングロボットを用いた授業を 2018 年度より行っているが、毎年、様々な知識レベルの学習者が履修をしている。授業では、ロボットの基本操作を個別学習で学んだ後、グループの協調学習として、複数のロボットの動きによる作品を企画し、発表会と相互評価を行う。本稿では、本ロボットによる協調学習が知識レベルの異なる学習者に対し、広く興味関心を持つ学習構成になっていることを示すとともに、プログラミング能力の育成と深化をさらに目指す学習構成について考察する。

1

半はロボットの基本操作を学習する個別学習、後はじめに半はグループを形成しての協調学習として作品企

学習指導要領の改訂で、初等中等教育段階での画・制作・発表会を行ってきた。但し、その作品プログラミング教育が強化されている[1]．新学習の企画内容は年度と学習環境等により、様々な制指導要領を経た学生は、2025 年度から大学に入学約を課してきた。また、ロボットの基本機能は同してくる。全学生が「プログラミング的思考」を等であるものの、光センサーの使用を可能とする習得して大学に入学することが期待される一方で、等、ロボットへの改良を随時進めている。作品制

学習者の入学時における知識やスキルの幅は大き作として使える機能が増しており、作品の企画にいと予想され、その解消は容易ではないことが予際しての条件も変化をさせている。

期される。さらに、プログラミングの授業を楽し

2 章では本授業で用いるプログラミングロボッ

いと感じていない生徒が高校生では 2 割強（小学トの特徴、基本的な授業構成、各年度の作品企画

生 7%弱、中学生 15%弱）との調査があり[2]、大における制約条件の付与と作品の状況、センサー

学入学時におけるプログラミングに対するレディを用いた課題設定によるメンバー担当の変化を述

ネスへの懸念もある。

べる。3 章では各年度の協調学習における実施状

著者らは、2018 年度から大学 1 年生を対象とした少人数の演習授業の中で、第二著者らが独自に開発したプログラミングロボットを用いた授業を行っている[3]．機械語命令で動作するロボットを操作する中で、プログラミングについて学ぶこ況と課題を考察し課題解消に向けた試みを述べ、4章で現状のまとめを記す。

2

授業実践

2.1 プログラミングロボットとを想定して授業を構成している。1 年生を対象

本稿で用いるプログラミングロボットを図 1 にとする選択の一般教育のため、文系・理系を問わ示す。ロボットは 2 つのギヤドモータに直結したない学習者がいる。事前の学習者の知識にも幅が車輪で移動する。マイクロコンピュータ上に作成ある。そのような中で、本授業の授業後の学習者した仮想コンピュータのプログラムを書き換えるのアンケート調査では、年度を問わず一貫してロことで制御し、その命令セットには、演算命令等ボットをプログラミングすることに対し、興味関の他、モータ制御やセンサー入力を読み取る命令心が高いことを確認している[4]。

を用意している[5][6]。また、ロボットを動作させ

著者らは、2018 年度の開講当初から、授業前567

るプログラムの入力や実行をロボット上面にある

8 個の赤 LED
プッシュスイッチ 3, 4, 5

R: 逆回転F: 順回転圧電スピーカー
コンピュータ基
板 omputer board
実行/プログラムモード スイッチ

8cm / 60° / 2sec
4cm / 30° / 1sec
2cm / 15° / 0.5sec
1cm / 7.5° / 0.25sec

右モータ F
右モーダ R
左モーダ F
左モータ R.

赤色 LED
黄色 LED

プッシュスイッチ 1, 2

3

45プッシュボタンスイッチ

電源スイッチch

図 2 ロボットの動作命令機能の説明図
図 1 プログラミングロボット

アキュムレータを用いた演算、サブルーチンの呼スイッチのみで行えるほか、PC に接続し、PC からプログラムの入出力を行うことや、ロボットの実行を直接命令することができる。ステップが多い複雑なプログラムは、ロボット単体ではなく、コンピュータから送信する方が容易である。
ロボットへの命令は 8bit の番地内に格納できる（一部は予約済みで使える番地は 200 程度）。本ロボットでは、ロボットを移動させる命令を直感的なものに設計している。命令は、図 1 に示したロボット上面前方にある 8 個の赤 LED の点灯(1)/消灯(0)に対応し、8bit 列で表現する。これを左右4bit ずつに分け、左 4bit で動作内容、右 4bit で動作量とすることを基本とする。左 4bit は、さらに 2bit ずつ左右のモータの動作(順回転 01/逆回転10)に割り当てる。図 2 で示す上位 4bit の点灯パターン(0101)は、左右のモータとも順回転を指示する。従って、ロボットは前方に進む命令となる。
ここで、左 2 つの LED の点灯を逆にし、(1001)にすると、左モータは逆回転、右モータは順回転となるため、左回転の命令を示す。
右 4bit は動作量を表す。ロボットの前・後進／回転／停止に応じ、それぞれ距離／角度／時間に割り当てる。この 4bit には重みを付けており、例
えば図 2 の命令（0101 1010）では、左 4bit（0101）が前進命令のため、右 4bit（1010）は前進の際の移動量を示し、8+2=10cm 移動の命令となる。左4bit が左回転命令（1001 1010)の場合には、右 4bitの動作量は角度（60+15=75°）に対応し、左 75°回転の命令となる。具体的な動作量や左右の順・逆回転の方向は、学習者が視覚的に分かりやすいよう、ロボットに装着可能な透明の指示付き定規を用意している。
本ロボットは、前進・後退、回転、停止等の単純な移動命令の他、繰り返し処理、ボタン押下（光センターで代替可能）による条件分岐、音の出力、568

び出し、等を行うことができる。
これらのロボットの機能を用い、また、中央の穴にペンを挿すことで、ロボットの軌跡により、絵を描くことが可能である。
2.2 個別学習と協調学習を組み合わせた授業構成
本稿で紹介する授業は、著者らの所属する大学で実施する大学 1 年生対象のフレッシュマンセミナーという演習科目で、半期 15 回、2 単位で構成される（2018 年度のみ、授業にロボット以外も構成要素に入れていたため、ロボットについては 9回で実施した）。履修者は最大 23 名である。
大学 1 年生に対するこのような演習系の授業は、初年次教育としても位置付け機能させることが望ましいと考える。本授業では、このような視点から 2022 年度のシラバスでは、到達目標として、以下の 3 点をあげている。
(1)機械語命令でプログラミングするロボットを用い、ロボットの動きを制御する中で、プログラミングとその背後にあるコンピュータの仕組みを知ることができる。
(2)センサー等の仕組みを用いて複数のロボットの動きを全体企画するなかで、目的に応じてロボットを動かすプログラムを作ることができる。
(3)グループでの学習活動を通し、円滑で効果的な協調活動を行うスキルを獲得する。
まずはプログラミングロボットを用いて、個別学習によりプログラミングについての理解を深める(到達目標 1)。次に、グループでプログラミングロボットの作品企画を立てる中で、目的に応じたプログラム作成をグループワークとして課し(到達目標 2)、グループ内でコミュニケーションを深め、協調学習を円滑に進める(到達目標 3)ことを目指したものである。
個別学習は、独力で課題を解くことから確実に学習を進めることができるという長所があるものの学習に行き詰まる可能性が高く、一方で協調学

習は、異なる学習者の視点を取り入れた深い学

表 1 年度によるグループ作業実施の状況の違い
年度 授業形態
PC・協調学習形態

習ができる可能性があるものの、特定の学習者だけで課題を解いてしまう懸念がある。本授業
は前半に個別学習、後半に協調学習を組み合わ2018せることで、両方の長所を取り入れた授業構成

対面（5 グループ）ができないかを考えている。

専用マシン（1 台/グループ）
作品は 1 台に集約
ロボットは授業時のみ貸出
専用マシン（1-2 台/グループ）

本授業では、プログラミングロボットを 1 人
2019

1 台用意し、各自が同一のロボットを毎回使用す対面（6 グ 人数分のロボットを用いるループ） 協力して描画る。学習者は、前半 5 回程で一通りのロボット

ロボットは授業時のみ貸出の操作を理解する。

対 面 ＆ オ 個人 PC（状況により個別貸出）

授業後半では、3～4 名程度のグループに分か2020れ、グループ発表の作品を企画する。第 13 回かン ラ イ ン 人数分のロボットを用いる（ 6 グ ル 協力して動作

14 回で発表会ならびに相互評価を行い、第 15ープ）

回で授業全体の振り返りを行っている。

対 面 ＆ オ 個人 PC

2.3 各年度の作品企画における制約条件の付与

2021と作品の状況履修者は 2018 年度が 18 名で少なめであるが、また、コロナ禍のため、2020 年度と 2021 年度
は対面とオンライン（ウェブ会議システム利用）

ン ラ イ ン 人数分のロボットを用いる（ 6 グ ル 協力して動作，センサー利用ープ）

それ以降は 21－23 名が継続的に履修している。

ロボットは自宅持ち帰り

ロボットは自宅持ち帰り

対面（6 グ 個人 PC2022

ル ー プ ， 人数分のロボットを用いる
ハ イ ブ リ 協力して動作，センサー利用ット有） ロボットは自宅持ち帰り可の併用授業として実施した。その際には、オンライン授業は、グループでの協調学習にあてた。
必然的に、プログラミングロボットは自宅への持ち帰りとさせた。2022 年度は対面に戻したが、自宅への持ち帰りも許可することとした（2019 年度までは原則授業時に貸与。授業時間外に利用する場合には著者らが付き添うこととしていた）。
表 1 に 2018 年度から 2022 年度までの授業の実施形態と協調学習時の状況をまとめた。なお2020 年度は後期に 2 つの授業を、2021 年度は前期・後期に各 1 つの授業を実施したため、この 2年は、以後便宜上 2020①、2021②等と表記する。
2018 年度はグループで 1 台のロボットの中に協力してプログラムを格納することとし、2019 年度以降は各自 1 台のロボットを組み合わせての作品企画とした。また、2018 年度から 2021 年度まを示す。2018 年度は 1 台のロボットに協力してプログラムを入力して作成した。メンバーの作業分担はメンバーに任せたが、一つの絵を担当部分に分け，部分毎に分担して描画する場合は，担当者の切り替え部分の動きをスムーズにつなげることが必要である。各自のプログラムの終わりではロボットに特定方向を向かせるといったルールを決め、制作したグループがあった（図 3 右作品）
。また、左作品では雪の結晶の枝や内部といった描画する部分とその繰り返しの組み合わせといった機能で分担するグループもあった。一方で、2019 年
度はメンバー分のロボットを一斉に動作させたた
め、ロボット間の衝突回避への調整に時間を要した。

では、ペンを挿しての紙への描画を必須とした（2020②と 2021②は除く）。
図 3、4 に 2018 年度と 2019 年度の描画作品例

図 3 2018 作品例（雪の結晶 と 北海道地図）

図4569

2019 年度作品例（首里城）

2020①と 2021①については、遠隔での協調学習であることから、クリアファイルを各自に配布し、実際の発表会では、それらを組み合わせて目指す絵とする作品企画とした。図 5 に作品例を示す。
この場合には 2019 年度のような衝突回避策を検討する必要がないことから、難易度は 2019 年度が最も高かったと推定される。
2020②の授業では、グループでロボットを協調的に動かすことを目標に、音を奏で、ロボットを動かすことを必須とした“ロボットダンス”を作品制約として設定した。舞台は 90cm×180cm×2

図62022 年度作品例（センサー利用）

セットの範囲内とした。シンクロナイズドスイミ

・グループ員全員のロボットを動作させる

ングを模した動き、カエルの歌を動きとともに輪・各ロボットで必ずセンサーを用いる（各ロボッ唱をさせたグループ等があったが、コロナ禍の中トで最低 1 個のセンサーを用いる）※すべてので同期を取った動きを遠隔で行うことは比較的難センサーを使わなくてもよい

易度が高かったことが学生への聞き取り調査から・音を出す（いずれかのロボットでよい）明らかになった。

・ボールを使う（グループで 1 つ以上）

2021 年度後期（2021②）からロボットに光セ・これ以外の要素が入っても構わないンサーを取り付け、ロボット上にあるプッシュスロボット間の連携をセンサー感知により行わイッチの押下をセンサーに代替させることができせ、条件分岐処理を各ロボットのプログラム内にるようになった。ロボットにはプッシュスイッチ入れることを想定したものである。

が 5 つ付いているが、そのうちの 3 つをセンサー2.4 センサー使用の作品制作における分担の変化に代替させることが可能である。光センサーによ2021 年度までの描画メインの作品制作においり、スイッチ押下時と同じ条件分岐プログラムをては、ロボットを自分の目的に応じて移動させる実行することができる。2022 年度には、2 つのセことが必要となる。作品テーマによっては、繰りンサーを用いてライントレースを行えるようにし、返し処理を入れたプログラムの工夫が見られたもそのサンプルも学習者に示した。センサー利用可のの（例えば図 5 の右上の五輪マーク等ではメモ能になった 2021②からは描画ではなく、センサーリ上限を鑑み、簡潔なプログラムとする工夫を行とボールを貸与し、以下の制約を作品に課した。っていた）、たくさんの必要な移動を力技で行うプ

・全てのロボットは 0 番地からプログラムをスタ

ログラムも多く、授業前半で学んだ様々な内容をートさせる（最初にあるロボットのセンサーを協調学習で深化させるような企画とすることが困検知として動作開始）．

難であると考えられた。そのため、2021②からは、・実行後は，終了まで原則ロボットには触らない570

センサーを各ロボットで動作させ、各ロボットで条件分岐処理を含めたプログラミングを各自が検変わらず有効であったことも示されている。

討する企画とすることを求めたつもりであった。

本ロボットによる作品制作は、共同で新たな作

しかし実際には、センサー付与による作品制作で品を創り出す創作活動であり、その達成感と喜びは、学習者のグループ作品におけるメンバーの役が学習者の満足度を上げていると考えられる。セ割分担が変化した。グループによるが、作業分担

ンサー利用で、プログラミングを殆どしない学習の中で、舞台装置のみを担当し、ほぼプログラミ者が現れたグループが生じたとはいえ、メンバーングは行わない学習者が発生したのである。これは舞台装置の作成を含め、グループの協調活動とは授業の到達目標として想定していなかった事態して作業に取り組んでおり、本授業の到達目標(3)である。さらに、舞台の再現性が高くなく、授業の「グループでの学習活動を通し、円滑で効果的時の発表会では成功せず、リベンジを求めるグルな協調活動を行うスキルを獲得する。」は達成してープが続出することとなった。次章で、これらのいるものと考える。

状況への対応を検討する。

今後の実践では、特に、問題解決における調整方針として、舞台装置の改良ではなく、プログラ

3 学習者への調査結果と考察ムの調整を目標とするように指導することを検討している。例えば、図 6 中央の図奥にある迷路を

3.1 学習者への調査結果
著者らは、学習者に対し、授業終了時にプログロボットが脱出する際、壁が垂直でないと正常にラミングロボットについてのアンケート調査を実動作しないプログラムに対し、その解決を舞台装施している。表 2 は、ロボットの動作をプログラ

置の壁を垂直に修正することではなく、ロボットムすることについての結果を抜粋し、まとめたも側のプログラムを修正し、90 度から多少ずれてものである。2022 年度の評価者数が少ないのは、前動作するように解決することが望まれる。一方で、章に記載した授業後のリベンジが非常に多く、授常に 90 度とは言わないまでも、90 度に近い形で、業時に調査時間を設けられなかった影響が一因で舞台装置の再現性を確保できるように素材や内容ある。の検討することも必要と考え、検討を進めている。

表 2 には、「ロボットの動作をプログラムするこ3.2 課題解決に向けた機能的・構成的な改善とはと面白いと思う」「プログラミングに対する興学習者全員に対し、協調学習でプログラミング味が増したと思う」「もっと複雑なプログラムを作能力の育成と深化を目指すため、各人のプログラりたいと思う」への殆どの回答が肯定的であるこミングのログ蓄積を図ることとした。具体的には、とが示されている。「はじめに」で述べたように、ロボットへのプログラムを入力の際に、個人 PC

本授業には様々な知識レベルを持つ学習者で構成上で用いていたシステムを改修し、プログラムをされている。このような集団に対し、グループで入力し、ロボットへ送信する際（図 7 上図の「send」の協調学習で、ロボットプログラミングに対するボタンを押下した際）に、PC の特定ディレクトリ興味関心を深化させたことがわかる。それはまた、にプログラムを機械語及びアセンブリ言語で蓄積コロナ禍でのオンラインを用いての協調学習でもする機能を付与した。日付のディレクトリ内に時設問
ロボットの動作をプログラムすることは面白いと思う
プログラミン
グに対する興味が増したと思う
もっと複雑なプログラムを作りたいと思う

表 2 学習者へのアンケート調査結果（興味・関心の年度比較）
選択肢／年度
181920①
20②
21①
21②
センサー
強くそう思う
1059613
11
そう思う
614
9
7
6
1
あまり思わない101
20
1
全く思わない000000
強くそう思う
103
7
7
10
9
そう思う
714
12
58
3
あまり思わない0203
1
1
全く思わない000000
強くそう思う86
56118
そう思う71112963
あまり思わない
122022
全く思わない100000571

22センサー
750072306510

間・分・秒が記載されたファイルが格納されていく。毎回の授業終了時に、PC 内にある日付フォルダ内のデータを全てアップロードさせることを想定している。これは教授者、学習者の双方にメリットがある。教授者は学習者の細やかなプログラ
ム作成状況の把握が可能になるとともに、ロボットへのプログラム送付変遷を理解することができる。どの段階でどのように困っているかの質問対応にも乗りやすい。
また、学習者は、ロボットの動作がうまくいかない場合に、時刻を確認してプログラムを戻すことができるようになる。これまでは、意識的にプログラムを確保しなければ、なくなってしまっていた途中プログラムを自動保持できることのメリットは学習者にとっても大きいと考えている。
図 7 に改善したロボットへのプログラム転送画

図 7 プログラム転送画面とログ蓄積画面

面とログ蓄積をあげた。これについては、授業前半の個別学習時から実施する予定である。
次に、発表における再現性を向上させるため、ロボットの微妙なずれをセンサーにより補正する方法をより詳細に示すことを検討している。2023
年度の授業では、個人での個別学習とグループでの協調学習の間にペア学習を入れ、その際に、センサーを用いた位置補正や動きを指定させる課題設定を検討している（図 8 参照）。学習者が実際に利用できる様々なプログラム例を実行し、何ができるかを意識させることで、問題解決の際には、プログラムの修正を主に検討させることを目指す。
図 8 アキュムレータを用いたセンサー利用プログ

4 まとめ
本稿では、著者らが継続的に行っているプログ

ラム例（黒い横線を 3 つ超えた際に右折する）

ラミングロボットを用いた授業実践について報告

学習者へのプログラミング支援を検討していくこ

した。大学の一般教育として実施する本授業では、とが必要であろう。また、センサーを用いたペア

様々な知識レベルにある学習者が受講するが、学習を授業の中間期に取り入れ、具体的な課題を2018 年度以降、学習者は、グループによる協調学協力して解決させる等、スモールステップの課題習には肯定的で、本ロボットプログラムに対し、解決を重ね、プログラムによる課題解決の実現可高い興味関心を持っていることが示されている。

能性を理解させることが必要であると考える。こ

今後、初等中等教育段階でのプログラミングの知のような授業実践とツールの工夫で、学習者のプ識レベルの幅が広がるとしても、本ロボットを用ログラミング能力の育成と深化をはかることを目いて、適切な個別学習と協調学習を構成して授業指していく。

が実施できると考えている。
但し、協調学習におけるグループメンバーへの付記

作業分担には、教授者が注意を払う必要がある。

本稿は、参考文献[7]の研究会報告を元に、各種各学習者がどの程度のプログラミング能力を有し結果と追加検討を加え、まとめ直したものである。ているかを個別学習時から、蓄積ログで確認し、

572

参考文献
[1] 文部科学省、平成 29・30・31 年改訂学習指導要領（本文，解 説），
http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/13
84661.htm(2023 年 10 月 9 日確認)
[2] みんなのコード、2022 年度プログラミング教
育・高校「情報Ⅰ」実施実態報告書 子ども・保護者の意識調査 単純掲載結果、p.9、2023 年 8 月、https://speakerdeck.com/codeforeveryone/progra
mming-education-report2022-parents(2023 年 9月 26 日確認)．
[3] 布施泉、野口孝文、梶原秀一、千田和範、稲守栄、“ロボット教材を用いた個別学習を連携した協調学習”、教育システム情報学会研究会報告、vol34、no.2、pp.89-95 、2019．
[4] 布施泉、野口孝文、梶原秀一、千田和範、稲守栄、“プログラミングロボットを活用したハイブリッド型授業における協調学習の実践

573と評価”、教育システム情報学会研究会報告、vol36、no.2、pp.31-38、2021．
[5] 野口孝文、梶原秀一、千田和範、稲守栄、“計測制御教育のための教材ロボットの開発”、
教育システム情報学会研究報告、Vol.27、No.6、pp.217-220、2013．
[6] T. Noguchi, H. Kajiwara, K. Chida and S.
Inamori, “ Development of a Programming
Teaching1-Aid Robot with Intuitive Motion
Instruction Set ” , Journal of Robotics andMechatronics,
Vol.29
No.6,
pp.980-991,
December 20, 2017．
[7] 布施泉、野口孝文、“プログラミングロボッ
トを用いたグループ作品制作におけるメンバーの役割分担の現状と課題”、教育システム
情報学会研究会報告、vol38、no.2、pp.19-23、2023．