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LEGOロボットを用いた問題解決型授業の実践
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LEGOロボットを用いた問題解決型授業の実践
2013年11月21日第25回千葉県私学教育研修集会 -情報科研修会-
!藤吉弘亘 (Hironobu Fujiyoshi) 中部大学工学情報工学科（ロボット理工学科） WEB：http://www.robot-programming.jp/E-mail：[email protected]
現状
• 工学教育において「ものづくり体験を通した創造性の育成」を目指すプロジェクト形式の授業実践の増加 !‒ 山口純一ら，“オブジェクトモデリング(UML)を用いたみ込みソフトウェア開発技術者養成
プログラム”，2004
‒ 富田雅史ら，“IT環境を利用した創造性教育支援システムの開発”，2004
‒ 松尾芳樹，“チームとして創造性を目指すロボコン型授業科目「創造設計二」”，2006
‒ 田村俊夫，“新潟大学における創造工学実習の導入”，2007
‒ 伊藤伸英ら，“茨城大学工学部における“ものづくり” 創造教育の取り組み”，2007
‒ 山中将，“デジタルエンジニアリングを活用した創造工学教育”，2007
現状
• より良い授業実践のためにはPDCAが重要
授業の実践
評価
授業改善への示唆獲得
授業の改善
問題点 創造性育成教育に対する 客観的評価が非常に少ない
問題点
• 学習成果成果の評価の不足 ‒ アンケート調査等による基礎知識の学習の確認のみ !
• 創造性教育において評価したい学習成果 ‒ 学習者の創造性の育成→定義が曖昧で評価が困難
授業デザイン
• ロボット研究者、ソフトウェア工学の研究者、認知科学の研究者で授業をデザイン
ロボット研究者
認知科学研究者ソフトウェア研究者
授業：創成B
・授業の実践
・創造性の評価 （リフレクション）
・プログラミング能力の評価 （UML-B)
■ 授業の実践
授業の構成
• 授業の概要（135分×15回，受講生約130名）
2:創造活動
Phase1.1 基礎学習
Phase1.2 練習課題
Phase2.1 アイデア生成
Phase2.2 ロボット作成
Phase2.3 評価考察
Phase1:導入 3:リフレクション
Phase3.1 プロセス図
Phase3.2 ディスカッション
講義・演習 タイムトライアル 競技
リフレクション
4:創造活動
Phase2.1 アイデア生成
Phase2.2 ロボット作成
Phase2.3 評価考察
5:リフレクション
Phase3.1 プロセス図
Phase3.2 ディスカッション
リフレクションタイムトライアル 競技
授業実践の概要と特徴
• 課題内容 ‒ WRO競技大会（高校生部門）の課題設定を利用 ‒ LEGOロボットの作成とプログラムの開発(NQC) !
• 対象 ‒ 大学学1年生約130名（情報工学科） ‒ 2人１チーム ‒ プログラム初心者，LEGOブロックは経験あり
2010年度の授業における優勝チーム
→WRO2009高校生の課題設定をそのまま利用（コースの再利用）
授業の構成
2:創造活動
Phase1.1 基礎学習
Phase1.2 練習課題
Phase2.1 アイデア生成
Phase2.2 ロボット作成
Phase2.3 評価考察
Phase1:導入 3:リフレクション
Phase3.1 プロセス図
Phase3.2 ディスカッション
講義・演習 タイムトライアル 競技
リフレクション
4:創造活動
Phase2.1 アイデア生成
Phase2.2 ロボット作成
Phase2.3 評価考察
5:リフレクション
Phase3.1 プロセス図
Phase3.2 ディスカッション
リフレクションタイムトライアル 競技
リフレクション
• 自己の行動プロセスを振り返る !‒ リフレクションシートの作成
• アーカイブしたマテリアルを時間軸表示 • ソフトウェアとハードウェアの関連を開示 • 各プロセスにおいて評価と感想 !
‒ ディスカッション • リフレクションシートを基にしたアイディアの再検討
リフレクションシート例
• 自己の行動プロセスを振り返る !‒ リフレクションシートの作成
• アーカイブしたマテリアルを時間軸表示 • ソフトウェアとハードウェアの関連を開示 • 各プロセスにおいて評価と感想 !
‒ ディスカッション • リフレクションシートを基にしたアイディアの再検討
ソフトウェアに関する内容 ハードウェアに関する内容
リフレクションの導入
• 心理学的知見の活用 ‒ リフレクションの導入
• 自己の行動プロセスを振り返る活動 !
‒ 創造活動に有効なメタ認知スキルの取得に効果 • 自己モニタリング • 自己評価 • 自己調整
自分の認知過程をコントロールするためのスキル}
創造活動を支援するWEBシステムの提供
• 活動中のリフレクション
・作成したロボットの形状（静止画像） ・作成したロボットの動き（動画像） ・競技結果（得点） ・プログラム（NQCソースコード） ・作業報告書
活動中のリフレクション
• 定期的に自分のロボット作りのPDSサイクルを記録 • 記録項目
‒ 日時 ‒ PLAN：アイデアの概要（スケッチを含む） ‒ DO：作成したメカニズム・プログラムの概要 ‒ SEE：成功／失敗とその原因 ‒ 気づいたこと、わかったこと
作業報告書の例
• 活動中のリフレクション
UML-B：初心者用UMLの導入
• プログラミングスキルの向上 ‒ UMLモデリングの取得には様々な知識が必要
• システム開発の経験のない学生には困難 !
• 初心者用UML-B(UML for Beginners)の提案 ‒ 初期段階におけるモデリング教育
• モデリングの重要性を認識 • モデリングを行う習慣の体得
UML-Bの構成
• 段階に分けてシステムの要求を抽出，モデル化 ‒ モデリング初心者の理解を支援 !
• 三つの書式 ‒ 機能仕様書 ‒ 詳細仕様書 ‒ 関連記述書
機能仕様書
機能仕様書： 取り組む課題（競技）に関して、必要な機能を考え、機能の内容・必要な情報を整理
学生による記入例
LEGOBook.001 : 2009/9/3(9:34)
9.2 初心者のためのモデリング入門 (UML-B) 149
9.2 初心者のためのモデリング入門 (UML-B)
本書では，初心者用のモデリングテンプレート (UML-B) 137) を用いた方 137) UML-B については，以下に報告があります．「初心者用 UMLの提案とその評価」，情報処理学会研究報告，コンピュータと教育研究会 (金城学院大学)，Vol.2008，No.CE-97，pp.45-52
法でモデリング方法を説明します．UML-Bでは，機能モデル，詳細モデル，
関連モデルの 3種類のモデルを作成します．
I. 機能モデル (図 9.3)
図 9.3 機能モデルの例
機能モデルは，プログラムに必要な機能を抽出して，その内容を整理しま
す．
(1)取り組む課題に関して，必要な機能を考えます．
ライントレース，障害物回避 etc.
(2)機能の内容・必要な情報を整理します．
・機能の内容は，実現したい動作です．動詞で表現します．
回転する，前進する etc. ・必要な情報や量を整理します．名詞で表現します．
時間，光量 etc.
詳細仕様書
詳細仕様書： 機能の実現法を詳細に記述 実現に必要な条件，機能の流れ，使用する情報
学生による記入例
LEGOBook.001 : 2009/9/3(9:34)
150 第 9 章 コース攻略法を考えよう (モデリング入門)
II. 詳細モデル (図 9.4)
図 9.4 詳細モデルの例
詳細モデルは，機能の実現方法を詳細に記述します．実現に必要な条件，機
能の流れ，使用する情報を明確にします．機能モデルで抽出した各機能につ
いて作成します．
III. 関連モデル (図 9.5)
図 9.5 関連モデルの例
関連モデルは，各機能の関連を処理 (動作)の流れにそって記述します．そし
て，詳細モデルに書かれた条件を参考にして，機能間の関連を図で表します．
関連記述書
関連記述書： 各機能の関連を処理（動作）の流れにそって記述 詳細モデルに書かれた条件を参考に機能間の関連を図示
学生による記入例
LEGOBook.001 : 2009/9/3(9:34)
150 第 9 章 コース攻略法を考えよう (モデリング入門)
II. 詳細モデル (図 9.4)
図 9.4 詳細モデルの例
詳細モデルは，機能の実現方法を詳細に記述します．実現に必要な条件，機
能の流れ，使用する情報を明確にします．機能モデルで抽出した各機能につ
いて作成します．
III. 関連モデル (図 9.5)
図 9.5 関連モデルの例
関連モデルは，各機能の関連を処理 (動作)の流れにそって記述します．そし
て，詳細モデルに書かれた条件を参考にして，機能間の関連を図で表します．
■ 創造性教育の評価
創造性教育の実践の評価
• 創造性教育の先行研究ではアンケート主体の主観評価 ‒ 「授業を受けたことが学習者の創造性活動にどのような影響を与えているのか」に関しては検討されていない
!• 本実践における評価
‒ アイディア産出課題による評価 ‒ 社会的スキルの評価 ‒ UML-Bの導入の評価
アイディア産出課題による評価
• デザイン課題による個人別評価（Finkeの発明課題をアレンジ） ‒ 15種類のパーツを組み合わせで新しい作品を作る ‒ テーマ
• 公園遊具 • 家具 • 文房具
!• 授業前・授業後に実施
デザイン課題による個人評価例（公園遊具）
アイディア産出課題による評価項目
• 分析の要素 ‒ アイディアの量：思考の流暢性
• 学習者の考えたアイディアの数 ‒ アイディアの幅：思考の柔軟性
• 学習者の考えた機能のバリエーション （乗る，まわる，ぶら下がる．．．．．）
‒ アイディアの深さ：綿密性 • 一つの機能について考えたアイディア数
（まわる1，まわる2，まわる3．．．．．）
デザイン課題による個人評価（分析結果）
図1 学習者の考案したアイデアの変化
授業を受けていない対照群に対する 同様の比較実験では有為な差はなし
（** p<.01, * p<.05）
＊＊
＊＊
＊
社会的スキルの評価
• Kiss-18による個人別評価（分析の方法） ‒ Kikuchi’s Scale of Social Skills：18 itemsを導入 !‒ 問題解決スキル ‒ トラブル対処スキル ‒ コミュニケーションスキル !
Kiss-18による個人別評価（質問内容）
• PLAN（計画を立てる） ‒ アイディアの検討 ‒ 作業目標・手順の計画
• DO（計画を実行する） ‒ パーツの組み立て ‒ プログラムの作成
• SEE（実行結果を評価する） ‒ ロボットの動作確認 ‒ 問題点の分析
種類 kiss-18質問文問題解決 他人と話していて、あまり会話が途切れないほうですか。問題解決 他人にやってもらいたいことを、うまく指示することができますか。問題解決 他人を助けることを、上手にやれますか。問題解決 相手が怒っているときに、うまくなだめることができますか。問題解決 仕事または学習をするときに、何をどうやったらよいか決められますか。問題解決 仕事または学習する上で、どこに問題があるかすぐにみつけることができますか。トラブル対処 まわりの人たちとの間でトラブルが起きても、それを上手に処理できますか。トラブル対処 こわさや恐ろしさを感じたときに、それをうまく処理できますか。トラブル対処 相手から非難されたときにも、それをうまく片付けることができますか。トラブル対処 あちこちから矛盾した話が伝わってきても、うまく処理できますか。トラブル対処 まわりの人たちが自分とは違った考えをもっていても、うまくやっていけますか。コミュニケーション 知らない人とでも、すぐに会話が始められますか。コミュニケーション 気まずいことがあった相手と、上手に和解できますか。コミュニケーション 他人が話しているところに、気軽に参加できますか。コミュニケーション 自分の感情や気持ちを、素直に表現できますか。コミュニケーション 初対面の人に、自己紹介が上手にできますか。コミュニケーション 何か失敗したときに、すぐに謝ることができますか。コミュニケーション 仕事または学習の目標をたてるのに、あまり困難を感じないほうですか。
Kiss-18による個人別評価
図2 授業前後の社会的スキルの変化
（** p<.01, * p<.05）
＊＊＊ ＊
UML-B導入の評価
• 学習者の感想 • プログラムの関連か分かった気かする. • 機能仕様書を書いてどんなことが必要か書き出せてよかった • 機能をまとめてみると,わからなかったところや，矛 盾しそう
な点を発見できたので，まとめることは結構大 事だということがわかった
• 機能仕様書や詳細仕様書を書いてどのように動くかプログラム設計が少しずつできてきた気がする
• 機能仕様書や詳細仕様書を書くのにてこずった • 先にこういうことを考えないとプログラムなんてできないと,
わかった
■ 学習者の創造性を高めるための工夫
学習者の創造性を高めるための工夫①
• 導入時における発想技法の体験 ‒ おもしろいロボットを考えるコツ
• 常識にとらわれないこと • アイデアを組み合わせること • 身近なものを参考にすること
‒ ペアで協力してロボットを作成するためのコツ • アイデアを共有すること • 積極的に評価すること • 作業の役割を分担すること
学習者の創造性を高めるための工夫①
学生の感想：
• アイデアの考え方，人と違う発想が大切なのだと学び，自分たちが作るロボットにも学んだことを生かしていきたいと思う
• パートナーと協力しながら助け合うことの大切さを学んだ
学習者の創造性を高めるための工夫②
• SNSを利用したコミュニケーション ‒ Edmodoの利用
学習者の創造性を高めるための工夫②
• SNSを利用したコミュニケーション ‒ ロボットの動画紹介 ‒ ロボットに関するクイズ，アンケート ‒ 教員と学生間のコミュニケーションを支援 !
• 今後はさらに… ‒ 学習者間のコミュニケーションツールとしての利用
学習者の創造性を高めるための工夫③
• 動画作成を通じたリフレクション ‒ iMovieを使った動画作成 ‒ YouTubeで公開
‒ http://www.youtube.com/watch?v=Rb1NeMC1mS8 ‒ http://www.youtube.com/watch?v=9Abmltc_PhA
学生の感想：
• 点数が高い人の動画を見て，自分が思いつかないような工夫がしてあってすごいと思った
• 動画作成用に，失敗した（ときの）ムービーをとっておけばよかった
まとめ
• 創造性の育成と目的とした問題解決型授業の実践 ‒ リフレクションの導入 ‒ 初心者用UMLを提案 ‒ デザイン課題による創造性の評価 !
• 現在の取り組み ‒ 実践による効果を小学生・高校生の講座に展開 ‒ 教員免許講習会を通じて教員にも体験して頂き，小中高の教育現場における創造性活動の支援
本実践に関する資料の公開
[WEBサイト]
http://www.robot-programming.jp/
[単行本] 実践ロボットプログラミング LEGO Mindstorms NXTで目指せロボコン! 近代科学社 ISBN-13: 978-4764903784
CU-Robocon大会
CU-Robocon2013（2013年7月27日開催） 参加者数：254名 チーム数：101チーム(34高校）
藤吉研究室 Fujiyoshi Laboratory
!藤吉弘亘（Hironobu Fujiyoshi） 中部大学工学部情報工学科（2014年度よりロボット理工学科）E-Mail: [email protected] URL: http://www.vision.cs.chubu.ac.jp/ TEL:0568-51-9096 FAX:0568-51-1540 〒487-8501 愛知県春日井市松本町1200
基礎的構成能力の評価(デザイン課題)
• 創造性の因子（Guilford, 1956） ①問題に対する感受性：問題点を発見する能力 ②思考の流暢性：生成するアイデアの量 ③思考の柔軟性：異なるアイデアを広範に生成する能力 ④独創性：ユニークな考えを出す能力 ⑤綿密性：具体的に工夫し完成させる能力 ⑥再定義：ものを異なる目的に利用できる能力
創造性とは？
• 創造性を明確に定義（参考：JABEE）
基礎的能力 !
創造力，構想力，問題設定力，継続的に計画し実施する能力
構想したものを図，文章，式，プログラム等で表現する能力!
応用的能力 種々の学問，技術の総合応用能力!
公衆の健康・安全，文化，経済，環境，倫理等の観点から 問題点を認識する能力，それらの問題点等から生じる制約条件下で解を見出す能力!
社会的能力 コミュニケーション能力!
チームワーク力!
創造性の評価
