大学の一般情報教育におけるコンピュータの構成と仕組みに関する学習手法の一提案とその試行
泉 1), 岡部 成玄 1)

布施1) 北海道大学
ifuse@iic.hokudai.ac.jp
概要：本稿では，大学の一般情報教育において，コンピュータの構成としくみの理解を目指して行った学習手法を 2 例紹介し，その試行実践の結果について報告する。一つは，文系学生を対象とした概念の例示化を用いた学習手法案，もう一つは理系学生を対象とした NAND ゲートを実際に用い，論理回路を実際に組み立て確認する学習手法案である。いずれも学習者の反応はよい。本試行実践を踏まえ，学習手法を洗練化することにより，より効果的な学習が見込めると考える。

はじめにセキュリティに関する適切な知識と態度を身に着情報技術の進展の中，学習者はスマートフォンけることを求めている。2015 年度は，情報倫理ビを始めとした情報通信機器を日常的に利用していデオを活用した情報倫理教育を最終 15 回以外のるものの，その構成や仕組みを理解しようと試み14 回にわたって少しずつ取り上げた。さらに情報ることは少なく，ブラックボックスのままでの利学 I では，音・画像のデジタル表現や HTML 文書用であることさえ意識する学習者は一般に少ないの作成，公開鍵暗号や IP アドレスの確認といったと思われる。今後の初等中等教育における情報教

情報科学に関する基礎知識や仕組みの確認，グル育の新学習指導要領の検討に際しては，情報の科ープでの議論や教材作成，相互評価といった協調学的理解に関する学習に力を入れることが想定さ的学習を絡めて授業を構成している。2 単位の授れているが，初等中等教育から高等教育あるいは業としては，かなりの内容と量であり，これ以上生涯教育に至るまで，万人が学ぶべき一般情報教の学習項目を組み込むことは現時点では難しい。

育の内容について，発達段階を踏まえ系統的に検授業体制としては，20 名程度の少人数教育を確保討することが必要な時期に来ていると考える。

するために，授業者・授業補助者（TA 等）を多数

1

本論文では，コンピュータの基本的な構成やし（延べ人数 130－140 名）活用し，評価基準などくみの原理の理解に関し，高等教育における一般の統一化を図って授業を運営している。また，毎情報教育として，どのような学習範囲と深さ，位年の学習者のスキルや情報に関わる知識や意識の置づけで学ぶのが適当であるか，そのために適切状況を確認し，次年度に向けた内容の検討を行っな学習手法を含めて検討することを目的とする。ている。その際には，上記授業者・授業補助者がまた，そのために行った試行的な実践について，確実に理解・授業展開できるものとして，学習内内容と結果ならびに考察について報告する。

容と教材および教育に際する手法を提示・確認す北海道大学では，現在，一般情報教育科目を 2ることが必要となる。そのため，著者らは，TA を科目開講しており，1 年前期に必修として開講す履修者とする大学院共通科目「情報学教育特論」

る情報学 I（実習中心）と，1 年後期に選択としてを開講し，当該授業の中で，情報学 I の履修者の開講する情報学 II（座学中心）から構成されてい状況を授業補助者である TA に確認し，課題内容る。前期の情報学 I では，2600 名の入学生を 20の妥当性を評価する機会を確保している。

名程度の少人数に分け，統一カリキュラムで教育一方，後期開講の情報学 II は座学の授業であり，を行っている。全学生必修の教育として，情報社

通常は前期に情報学 I を履修・習得している学生会における情報の管理の重要性をはじめ，被害者を対象とする。共通教科書を用いることは決まっにも加害者にもならないために，情報倫理，情報ているものの，毎時間の統一カリキュラムが定められているわけではなく，担当教員の裁量は情報表１に提示した上記以外の用語は，そもそも「知学 I と比して広い。情報科学および情報社会に関らない」との回答割合が高いものが多いことがわする，より深い知識の理解を求め，より高度な情かる。本状況においては，大学の授業の中で，コ報活用能力の育成をはかる科目であり，文系，理ンピュータの構成と仕組みを取り上げる際には，系等学習者の特性に応じた手法を工夫する余地が高等学校まででは学んでこなかったものとして，ある。

用語を含めた基礎的なところからの説明が必要で2015 年度現在，大学では，高等学校で，旧カあることがわかる。

リキュラムの「情報 A」「情報 B」「情報 C」のいずれかは履修した学生が入学しているが，2016 年

表1

情報に関わる用語の認識度合い（複数回度からは，新カリキュラム「情報の科学」「社会と答あり）の結果（2013 年度入学生文系 67 名）情報」の履修者が初めて入学してくる。高等学校

用語

知 っ

大学入

大学入

知 らのカリキュラム変更で，学習者の基礎的知識や意て い

学前に学 後 ,ない識等に違いが生じるか否かは，大学における一般る

学校で学校で学んだ

学んだ

情報教育の授業構成を検討するにあたり，影響をもたらす。本報告は，コンピュータ構成と仕組み

中央処理装置

20％

9%

1％

70％という学習項目において，旧カリキュラムの学習

CPU

55％

9%

7％

29％

者の知識や意識，興味の状況を確認し，現状での主記憶装置

17％

8％

5％

71％

効果的な学習手法について検討を進めることで，

メモリ

77％

9％

4％

10％

次年度以降との変化を見極め，さらに効果的な学

オペレーティ

22％

5%9％64％習手法を検討することも想定している。

ングシステム
OS

65％

4％

6％

25％

機械語

9％

9％

8%

74％

集積回路

36％

20％

4％

39％

半加算回路

2％

2％

2％

96％

2013 年度後期の情報学 II の授業（10 月 8 日実

論理回路

8％

3％2％88％施）で，文系学生 67 名に対し，情報関連の用語の論理演算

6％

6％3％85％認識度合いを確認した。全体で 150 程度の用語を符号化

11％2％

33％55％取り上げたが，本報告の学習項目に関係した結果

標本化

16％

11％

61％

11％の一部を表１に示す。各用語に対して，日常生活

量子化

8％

10％

63％

19％で知っている，学校で学んだ（大学入学前，大学

二進法

31％

50％

10％

10％

2 コンピュータの構成としくみに関する基礎知識と学習手法の検討
2.1 用語調査入学後），知らない，の 4 択から，複数回答ありとして回答を求めた調査結果である。理系学生 50名程度についても同様に調査を行ったが，全体の傾向は概ね同様である。

2.2 概念の例示化を用いた学習手法案
表 1 では掲載していないが，「検索エンジン」「OR 検索」「AND 検索」との検索関連用語に関

表 1 で， CPU，メモリ，OS という用語は，7しても同時に調査した。総じて学習者の認知度は割から 9 割が「知っている」もしくは「学校で学高く，知らないとの回答割合は，それぞれ 4%，んだ」と答え，比較的認知度が高いものの，CPU16%，14%にすぎない。現状では，ある学習内容に対応する日本語である「中央処理装置」や，OSを理解させるために，当該内容を調査させる課題をあらわす「オペレーティングシステム」についを課した場合，学習者はインターネット上にあるては 7 割程度が「知らない」と答えており，CPU情報を検索してピックアップし，まとめることをや OS といった名前を聞いたことがある，という日常的に行っている。学習者にとってはそれが当程度の認識であると思われる。学校教育で扱われたり前のことであり，引用を適切にすることを注ることが少ない項目であろうことがうかがわれる。

意する必要があることを認識している程度に見受

一方，二進法は大学前に，標本化と量子化は大学けられる。しかし，そのような切り貼りレポートで，授業時に取り上げられていることがわかる。

では，当該学習項目に対し，自らが内容を理解し知識を構築するといった構成主義的要素が入って中で，学習者の認識を深めることを想定し，PBLいないため，知識として身につかないことが往々的に取り組んでいるものの中で紹介されたものでにして起こる。さらには，検索でヒットした情報ある[1][2]。本実践では，高麗大学で提案された既の信頼性を吟味することさえしていない学習者は，存の例示表現の教材を確認し，評価することを通漫然と誤った認識のレポートを提出するにとどまして，キャッシュメモリについて学ぶことを課しることとなる。そこで本節では，単に調べるだけた。当該教材がどの程度キャッシュメモリの本来の学習ではなく，その概念の例示化と当該例示化の概念をうまく表現しているかを評価するには，への評価を行うことで知識構築を促す試みを行っキャッシュメモリを単に検索してコピペしたようた。具体的には，コンピュータの構成の項目で，な作業だけでは回答ができない。内容を理解した

キャッシュメモリの役割の理解を主眼に以下の手上で，何が例示として端的に表現されており，何順で授業実践を行った。

が例示により表現されなくなったか誤解されうるか，あるいはかえって理解を難しくするか等を見

科目：2013 年度後期

情報学 II

極める必要がある。このような評価活動も，結果

日時：2014 年 1 月 21 日～1 月 28 日

として，元の概念を深く理解することに資すると対象：文系 1 年生 20 名（表 1 とは異なるクラス）考える。

実践手順
1) 1 月 21 日の授業では，コンピュータの構成と2.3 論理回路を実際に組み立てる学習手法案しくみを取り上げた。授業スライドで，キャ前節では，文系の学習者に対し，概念の例示化ッシュメモリに関する説明を行った上で，教を課す課題，もしく概念の例示化を行った教材評

科書該当箇所の確認と，韓国高麗大学で開発価を行う学習手法を示した。本節では，論理回路された授業教材を提示し，当該教材に関し，を紙ベースで確認したあとに，ブレッドボードと工夫されている点や問題点等を含め，当該教CMOS の NAND ゲートを利用した実体験型の学材の評価を行うことを翌週までの課題として習手法について報告する。2014 年度の理系の学習課した。

者を対象とし，以下の手順で行った。

2) 1)の課題では，学習者が，まずは各自でキャッシュメモリについて，インターネットを含む文献を調べた上で，1)で提示された高麗大学の開発教材が本来の概念をどの程度うまく表現しているか，わかりやすいか，有用かに科目：2014 年度後期

情報学 II

日時：2014 年 10 月 24 日～11 月 7 日
対象：理系 20 名

ついて，5 件法で評価する。その上で，加点のテーマ：論理演算と論理回路自由課題として，当該教材の改善教材や学習実践手順

者自身の独自教材について検討した。

1) 10 月 24 日：コンピュータの歴史およびブレッ
ド ボ ー ド の 基 本 的な 利 用方 法 は ， 前 回 授業

高麗大学の開発教材では，コンピュータのキャ(10/17)で行った。24 日は，コンピュータにおッシュメモリの概念を，ハンバーガー作りのレシける論理演算と論理回路との対応関係，2 進数ピとして例示して説明を行っている。実際に存在（補数含む）に関する説明を行った。論理演算する装置やしくみ等について，その概念を上手にと論理回路に関しては，用紙に各自が記入しな例示して表現することは，思いのほか難しいものがら理解する方式を取った。当該用紙には，2である。学習活動の中で，他者に教えることによ入力 1 出力時の 16 種類の論理表現の中で，8り学びを深化させる活動は一般的に行われている

種の論理演算をベン図に示す例，半加算回路のと思われるが，説明として，例示という独自表現

論理回路において，実際の信号の流れを 4 種類を課すことは，単に事実関係を説明する以上に難の 2 入力値（00→0+0=00(2)，10→1+0=01(2)，しく，また他者に誤解を生じさせる弱点も持ちう

01→0+1=01(2)，11→1+1=10(2)）それぞれにおる 。 本 教 材 は ， 高 麗 大 学 の KimJamee 氏 やいて，各論理ゲートを経由した際の値を逐次書

JangYunjae 氏らが，教師の卵である学習者に対き出し，その変化を追うことにより，本回路が，し，教材開発としての例示表現を試行錯誤させる

結果として 1 ビット同士の足し算の結果をもたらすことを確認させた。順序回路としては，OR

3 実践結果と考察

ゲートで原始的な記憶が表現可能であること

前章における 2 種の実践結果を示す。

を示した上で，フリップフロップ回路の内容を3.1 概念の例示化を用いた実践結果と考察

示し，セット，リセット，保持の状態を表現していることを確認させた。
2)10 月 31 日：NAND ゲートを用いた実習を行っ

先に例示した教材が，キャッシュメモリの本来の概念をどの程度うまく表現しているか，わかりやすいか，有用かの評価結果を表２に示す。

た。ブレッドボードに NAND ゲートを装着した簡易装置を一人一台配布し，NAND だけで，NOT・AND・OR を表現することを確認させることで NAND の万能性を示す（図１参照）。電

表２ キャッシュメモリの教材評価結果（20 名。
わかりやすさと有用性については１名未記入）
評価源として，それぞれ単三電池 2 個を用意し，出力値は，LED の点灯の有無により確認することとした。

概念の表

わ か り

現程度やすさ有用性5（高）02441586345721311（低）011

表２より，当該概念をどの程度うまく表現できているかの評価は，一見，概ねよいようにみえる。
学習者には，課題として，評価値だけでなく，その評価をつけた説明を記載させているが，特に悪い評価である 2 および 3 をつけた２名の説明を以下に抜粋する。
「例えは悪くないと思うが、如何せん食べ物を例にとっているので、複数回同じ材料を使うという点がひっかかって、理解の妨げになると思う。
（略）」「中央処理装置がキャッシュメモリとも主記憶とも直接やり取りできるということを表せている。これは考えてみると意外に難しかった。ただし、キャッシュメモリと違って食材は使えばなくなる（略）」。いずれも，当該例示で食材を使うことによる，わかりにくさと妥当性の問
図１ NAND を用いた NOT 表現。LED 点灯有無で 1/0 を表現する。図では入力 1 で LED は消灯しており(出力 0)，NOT を表している。

題を指摘していることがわかる。この両名は，後日行った小テストにおける加算回路関係の設問をすべて正しく答えられていた学習者である。表２の評価は，単に例示教材の評価値を提示したもの

3)11 月 7 日：前の週に，実際の回路で行ったことであるが，実際は，評価値とその説明を合わせてを，再び紙上にて確認する。論理表現上の式変換把握することにより，学習者がどの程度の認識をが，前週の NAND 回路の実験で行った内容と本持って評価値を出したか，つまり，学習者が当該質的に同等であることを理解させることが目的

学習項目をどの程度理解しているかを識別できるである。特に，NAND や NOR の万能性と，XOR可能性があることがわかる。また，他者の教材をの表現を例にとり，論理表現が一意的でないこと評価することで，当該学習項目を深く理解するとを確認させた。

ともに，その例示の不完全さを解消するために独自教材を考察することで，さらに認識を深めることが可能であろう。特に前者の学習者は，独自の例示として，手紙の内容を，必ず単語カードを見解されたようである。「NAND をたくさん使うこて書く例を挙げ，よく使う単語カードを手元に置とで、すべてを表現できることを理解した。難し

き，キャッシュメモリとする例を示した。単語カ

かったけど、パズルのようでおもしろかった。

ードは食べ物とは異なり，何度でも用いることが（略）」「回路の中を自分で理解しながら NAND、できる。

XOR などを使ったり、半加算回路を作ったりする

また，別の学習者は，「難しい物事を簡単に説の は と て も 難 し い が 面 白 い と 思 っ た 。（ 略 ）」明するにはそのことについての深い知識だけでな「NAND はすべての表現ができるものであるとく独創性や考える力が不可欠なので、キャッシュいうことがわかった。でもなんで使った回路がそメモリの概念を、ハンバーガーという身近な例にのことを表しているかがいまいちわからなかった置き換えて考えようとしているのは評価できる。」

ので家で復習します。
（略）」「どれが０か１か、よとコメントしており，情報科学に関する題材を例く分からなかった。（略）」など，面白かったと答示により説明するような本実践の意義そのものにえた学習者を含め，いずれも難しかったようではついても評価していた。

ある。実際の回路に触ることが初めての学習者が授業終了後に，例示による概念理解の学習に関殆どであり，接続等に関し，よりわかりやすい説し，アンケートを行ったところ，７５％の学習者明資料を補足する必要があった。補足資料を用意が回答し，このような例示を用いた学習を行うこすることにより，「どのように接続すると 0 や 1とにより，当該概念の理解に役立つと答えた学習に対応するか」といった疑問は，容易に解消させ者は約 7 割，当該概念に興味を持つと答えた学習ることができると考えられる。また，やりがいは者は 9 割に近く，極めて高いことが確認された。

かなり高かったものの，「うまくいった時はもちろこれらの結果から，概念の例示化を考えることんうれしかったのですが、失敗した際どこが間違による学習手法は，正しく手続きを踏むことで高えているのか考察することが大変でした。」といっい効果が期待されると考える。但し，繰り返しにた感想もあるため，一人一台ではなく，二人で一なるが，その例示がどのような誤解を生む可能性台にするか，二名で確認しあうことを手順としてがあるかを学習者間で相互評価をさせる等の手順求めることが必要と考えられる。また，グループを踏むことは不可欠であろう。例示に対する他者活動として，各自が NOT／AND／OR のどれかをの認識を確認し，誤った理解にならないように気確認し，それらを合わせることで，半加算回路をを付ける必要がある。また，偏った理解にならな表現させるような構成も可能である。このようないためにも，例示化の学習手法だけではなく，例グループ活動の方が，学習者にとってわかりやす示化によって学習者の興味を引きだした後に，実かったかもしれない。本試行では，90 分の時間で際の実習などで，元の概念そのものを確認するよは XOR まで到達できた学習者は結果として少なうな授業構成が必要であると考える。

かった。
NAND ゲートを用いた実験から 4 週間後に小3.2 論理回路を実際に組み立てる学習手法の実
践結果
2.2 による実践において，紙ベースの論理演算の授業を終えた後に，当該用紙を提出させて確認したところ，「論理演算というものを初めて知り、とてもおもしろいと思った。」といった感想を複数確認した。また，実際に NAND ゲートでの実験後には，白紙の用紙に自由に意見感想を記入させた
ところ，以下のように，概ね良好なコメントが多かった。但し，難しい，つなぎ方がわからないといったコメントも含まれており，この部分は改善が必要である。実際の NAND ゲートの実践により，NAND が万能であることは学習者全体に，概ね理テストを行い，NOR の万能性について出題した。
授業時では NAND の話のみで実践を行っており，比較的，高次の理解を求める内容であると考える。
内容は(1)NOR ゲートから NOT を作るためには，どのように接続するとよいか，(2)その理由，(3)ORを NOR ゲートで表現するにはどうすればよいか，という３問である。関連する 3 回の授業にいずれも出席し，かつ小テストに出席した学生は 17 名であるが，うち 7 名はこれらの NOR に関する設問については，すべて間違えて回答した。この間違えた学習者についての NAND ゲートの実践授業後の感想を確認したところ，上記の 0/1 がわからない，あいまいな部分がある，等，きちんと理解をしていない感想を書いている場合が殆どであった。一方，NOR でも基本的な問いに正解した学習ような学習手法で行うことが効果的かを確認する

者は, 「なんとなく仕組みはわかりました。でもために，2 つの学習手法案を示した。現状においちょっと複雑で自分では思いつかないなと思いまて，学習者は，コンピュータの構成や仕組みにつした。さらに、回路に実際につないでやるのはといて，きちんとした理解をしないままに大学に入ても難しかったです。」「高校では原理しかやらな学してくるため，より基礎的な知識から学習内容かった回路を実際に触ることができて難しかったを構成することが必要である。

が面白かった。以前より興味が増した。」など，授コンピュータを単なるブラックボックスでは業時に仕組みについては理解していた学習者であなく，仕組みの概要をきちんと理解させることは，ることがわかった。従って，上述したように，よ単なる知識教育にとどまらず，情報社会に参画すり詳細な補足資料を提示し，またグループ活動とる際に基本技術を踏まえた基礎的な発想力を生むして，論理ゲートを組み合わせて回路を実現する原動力としても役立つものであると考える。本論といった活動を行うことにより，学習効果の向上

文では，文系学生を対象とした概念の例示化を用が見込めると考える。上記の点を改善し，2015 年いる手法，理系学生を対象とした NAND ゲートを度も再実験を行う予定である。

用いた論理回路の理解に関する学習手法を示した。

また，本試行では，紙媒体，論理ゲートを用いともに学習者の反応はよい。より学習手法を洗練た実験，紙媒体といった手順で授業をデザインし化することにより，学習者の興味関心を引いた形たが，実際に試行した結果，NAND の万能性や，で学習活動を行うことができるものと考える。手表現が一意的でないことを机上で予め示し，学習法の洗練化を検討し，授業補助者による効果的な者に確認させた上で，実験を行った方が効果的で授業実践も可能になるように，今後，学習プランある可能性があると考える。例えば，NAND ゲーと詳細な実施手順についても検討を進めたいと考トを用いた実験では，AND2 個，NOT1 個，OR1えている。

個により，XOR を表現させることを行い，それにより，半加算回路を理解させることを行ったが，事前に，XOR の表現が，4 個の NAND でも表現できることを確認させておけば，上記のグループ

参考文献[1] 金子美，JangYunjae，李元揆，私信．

ワークとして，異なる表現であっても，同じ結果[2] 布施泉，岡部成玄，金子美，”教材開発によとなることを実際の機器からの出力で確認できてる学習者の理解向上を目指したコンピューいたと思われる。論理表現において，このようなタ科学の学習手法”，2014PC Conference,別の可能性を考察することは，より深い認識をさ

pp.146-pp.147(2014)．

せることに役立つと考える。

4 まとめ
本論文では，大学における一般情報教育として，コンピュータの構成と仕組みの学習内容を，どの