北海道地区

教育システム情報学会 2020年度学生研究発表会

中学校新学習指導要領における双方向コミュニケーションを伴うプログラミング学習が可能なスマートハウス型教材の開発
Development of Smart House-Type Educational Materials for Programming
Learning with Interactive Communication in New Curriculum Guidelines forJunior High School
嶋村 拓海*1, 千田 和範*1
Takumi SHIMAMURA*1, Kazunori CHIDA*1*1
釧路工業高等専門学校*1
National Institute of Technology, Kushiro College
Email: p160106@kushiro.kosen-ac.jp
あらまし：2021 年度から中学校でそれぞれ新学習指導要領が全面実施される.その大きな変更点として「ネットワークを利用した双方向性のあるコンテンツのプログラミングによる問題の解決」「計測・制御のプログラミングによる問題の解決」へと改定されることになる.そこで本研究では,非言語型プログラミングを元に新学習指導要領に対応する「ネットワーク」「双方向性」を満たす導入用教材の開発を行う.
キーワード：中学校，ネットワークプログラミング，双方向性，IoT, ビジュアルプログラミング，QR

1.

はじめに暖房がついています2021 年度から中学校で新学習指導要領が実施される(1)．この要領の技術分野（計測と制御）では「「ネットワークを利用した双方向性のあるコンテンツのプログラミングによる問題の解決」「計測・制御のプログラミングによる問題の解決」へと改定される.
このためプログラミング課題を新しく検討する必要があるが，プログラミング言語を用いた課題解決では言語習得の難易度の高さが挙げられる.これにより,本来の目的である問題解決力の育成より言語理解の説明に授業時間を費やさねばならなくなる.
そこで本研究では,プログラミング言語の理解を必要としない非言語型プログラミングによる教材の開発,新学習指導要領に対応する「ネットワーク」「双方向性」を満たす導入用教材の開発を行う.．

2.

照明

Wi-Fiネットワーク

暖房器具操作／モニタ
掃除ロボット図 1 スマートハウスモデル

Firebase

プログラム
コード群

コード
送出要求

Programコード無線送信

制御統括ユニット
プログラム作成ユニットA
Programコード送信

スマートハウス型教材

2.1 教材コンセプト
中学生の中にはプログラミングに不慣れな生徒や,苦手意識を持つ生徒が存在する可能性がある.これは完成形が見えていないため必要な機能の分析ができないことにあると考えられる．特にネットワークなどを実現するには初心者には難しい．そこで中学生でも比較的イメージしやすいと考えられるスマー
トフォンなどを用いて家電製品を遠隔操作する図１の様なスマートハウスをモデルとする．
これらの家電の制御には QR コードをベースとした非言語型プログラミングを行うためのフローチャ
ートブロックによって行う(2)．
2.2 スマートハウスモデルの概要
スマートハウスには照明，暖房，掃除ロボットの模型が配置されており，学習者はこれらの模型の動作・停止の制御をプログラムによって実現できる．

プログラム作成ユニットB

機器制御
状態表示
モニタ

動作状態

スマートハウス

図 2 スマートハウスモデルの制御構造

また，各模型の動作・停止状態の問合わせとその結果の表示を，ネットワークを介して行うことにより双方性のあるコンテンツとして実現する．これらの構造を図 2 に示す．次節よりフローチャートブロッ
クおよび各ユニットについて説明する．
2.3 スマートハウス用フローチャートブロック
スマートハウスモデルは照明 3 箇所，暖房 1 箇所，掃除ロボット１つの制御機器がある．よってそれぞれの機器の動作，停止の命令ブロックが必要になる．
あわせて状態の継続を設定する時間設定ブロックも用意する．ただし条件分岐についてはプログラムが複雑になるのを防ぐため，例えば「○○が動作しているか」といった稼働状態を問合せるブロックに限

21

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表１．フローチャートブロックの要素
機能ブロック

対象ブロック時間ブロック

動作開始
動作停止
時間待機
状態確認（分岐）
状態表示（モニタ）プログラム終了

照明１
照明２
照明３
暖房
掃除ロボット

５秒
１５秒
３０秒
６０秒

機能ブロック

状態提示モニタ

照明×３

スマートハウスモデル

掃除ロボット

暖房器

対象ブロックプログラム作成ユニット+ QRコードリーダー

順
次構
造

制御統括ユニット（Raspberry Pi）

図 4 開発したスマートハウス型教材

図 3 フローチャートブロックの一例

定する．またモニタに状態を表示するためのブロックも用意した．これらをまとめたものを表１に示す．
また実際に用意したブロックの一部を図３に示す．
１命令は機能ブロックと対象または時間ブロックによって構成される．なお分岐を表す状態確認ブロッ
クは偽の場合，その次のブロックをスキップする．
また状態表示ブロックは表示モニタに指定された文字列を表示する．これらのブロックを縦方向に接続することで順次処理を行っている．

Firebaseの管理画面のため，実際にフローチャートブロックを用いてプログラミングを行い，すべての機器が命令通りに動作することを確認した．なお図５はその時の状況で，左は Firebase のプログラム格納状態．右は動作状態をモニタに表示を示している．

2.4 プログラム作成ユニット
プログラム作成ユニットは学習者が組み立てたフローチャートブロックに貼付けられた QR コードを基に制御命令となる文字列を生成する．例えば「照明１を動作開始」は“L1_ON”となる．生成した制御
命 令 は Google 社 の ク ラ ウ ド サ ー バ ー で あ る
Firebase(Realtime Database)に蓄積する．Firebase には読書用の Python API が用意されているため，自分でネットワーク通信機能を作らなくても簡単にネットワークを実現できる．またユニットの数を増やすことも簡単に行える利点がある．なお QR コードの読取りには FKsystem 社製 A-860U を RaspberryPi3B+4.に接続して用いている．
2.5 制御統括ユニット
制御統括ユニットでのプログラム処理のため，RaspberryPi3B+を用いた．またスマートハウスモデ
ルの照明には白色 LED，暖房には明滅型暖房色 LED，掃除ロボットは床下に取り付けた RC サーボによって磁石を旋回させている．これらの機器は制御統括ユニットに有線接続されており，プログラムに従って，点灯・消灯，稼働・停止などを行う．なお制御統括ユニットは一定間隔で Firebase にリクエストを送り制御プログラムを受信し受信した命令を一つずつ処理する機能を持つ．

3.

モニタでの状態表示

図 5 Firebase および状態表示モニタの動作状況

スマートハウス教材を用いた動作検証
スマートハウス型教材である．ここでは動作確認

22

まとめ

本研究では,QR コードを入力媒体とした新学習指導要領に対応する中学生向け「計測と制御」の導入用教材の開発を行った.
そして QR コードを用いて実機での制御を行い,「ネットワーク」「双方向性」の要素として Firebaseを介した各ユニット間の情報に関する送受信機能の実装,複数端末による連携でのプログラミング学習を実装できた.
今後は中学校の出前授業などで実施し，そこで得られる教材の評価を基に改善を行っていく．またアンケートを基に機能の追加や指導方法の検討も行っていく．
参考文献(1) 文部科学省編,“【技術・家庭編】中学校学習指導要領
解説”,https://www.mext.go.jp/component/a_
menu/education/micro_detail/__icsFiles/afieldfile/2019/03/18/1387018_009.pdf，p.56, (2021 年 2 月 5 日確認)
(2) 千田和範他:“タンジブル型プログラミングツールを用いた中学生向け協働学習型機器制御アルゴリズム
実習システムの開発”,教育システム情報学会第 45 回
全国大会論文集, pp.81-82（2020）