プログラミングの重要なプロセス　
設計法をどう学ぶか

大村特任講師は、中学校の技術科で行うプログラミング教育を対象に、プログラムの設計をどう教えるのかを研究しています。問題・課題を発見し、解決のための方法や道筋を考えるプロセスは、他のものづくりと同様、プログラミングでも非常に重要なプロセスです。

大村特任講師はSEとしての経験から、プログラミングの現場で当たり前に使われている設計手法が学校のプログラミング教育に取り入れられていないことに疑問を持ち、研究を始めました。

設計内容の表現には設計対象や説明したい内容に合った多様な方法がありますが、中学校ではそのうちの一つ、システムの処理の流れを表現するアクティビティ図だけしか学ばないケースが多いのが現状です。そこで、工学分野で用いられる設計プロセスを整理し、技術科の指導内容にもマッチしたプログラムの設計法を提案。実際の授業に取り入れてもらい、教育効果を検証しています。

オブジェクト指向設計を取り入れた授業もその一例です。オブジェクト指向設計とは、システムに登場する操作や処理の対象となる要素のすべてを「オブジェクト(もの)」とみなし、オブジェクト同士が相互にやり取りしながら処理を進めていくようにシステムを設計する方法です。大村特任講師は双方向通信を含むプログラミングを体験しながら、オブジェクト指向設計の考え方を学ぶ教育方法を開発。実際に授業で実践し、そのプロセスを分析することで、生徒たちがオブジェクトの概念を理解し、シーケンス図によってシステム内の各要素の相互作用を表現する設計スキルを修得していくことを明らかにしました。

端末に左右されることなく
複雑な処理のプログラムを学ぶ仕組み

また、学校におけるプログラミング教育の環境づくりにも力を入れています。

2019年から始まった国のGIGAスクール構想によって、学校教育における児童生徒1人1台の端末、高速大容量の通信ネットワークの整備が進みました。その一方で技術科教育にかけられる予算は潤沢ではなく、画像処理など複雑な処理ができるハイスペックなコンピュータを学校に導入しにくいという問題もあります。

大村特任講師は、Web API (Application Programming Interface)を使って必要な処理の一部を外部システムに任せるプログラミングを授業に取り入れることをめざしています。APIとは、プログラムの機能を別のプログラムでも使えるようにやり取りする仕組み。これがWeb上で提供されているのがWeb APIです。地図の表示にGoogle Mapの機能を埋め込んでいるWebページをよく見かけますが、あれはWeb APIの働きによるものです。

外部のプログラムを使うことで処理の負荷が軽減され、端末に左右されることなく複雑な処理をさせるプログラミングが可能になります。また、学習者がシステムの各要素の働きや、処理を分散・移譲するメリットをより深く理解できることも期待されます。すでに取り組んでいる大学の授業実践の成果を、今後、中学技術科の授業開発に活用していきたいと考えています。

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問題への取り組み方をプログラムで表現！　
小学生に「コンピュテーショナル・シンキング」を

ほんの少し前まで、新しい技術や文化、価値観を創造していくのに必要なものは、知識でした。けれども、インターネットの普及によっていつでも情報や知識にアクセスできる現代、情報や知識と共に問題解決能力も重要となってきます。この力を育むのが「コンピュテーショナル・シンキング（Computational Thinking）」力の獲得です。

コンピュテーショナル・シンキングとは、問題にどう取り組み、解決に向かわせるのか？という思考プロセスを誰にでもわかるように表現（説明）すること。つまり、問題解決の手順を前もって（＝pro）書いたもの（＝gram）が、プログラムというわけです。石塚教授は、このコンピュテーショナル・シンキングを初等教育から導入するために、小学校と連携して新しい教育方法を開発中です。

また、プログラミング的思考は、コンピュータという機器を使う場面だけで活用するものではありません。その3大原則は「(1)順序」「(2)条件分岐」「(3)反復」です。

たとえば、小学生に「運動会の“プログラム”ってどんなのかな？」と考えてもらい、上から「順番に」書かれたイベントをこなすものだと「順序」への理解を促します。また「雨なら傘をさす、晴れなら帽子をかぶる」で、条件分岐のif構文を説明。反復は、３ケタの足し算を例に、繰り上がりを各桁で「同じ様に繰り返す」と解説します。これが、小学生でもすでに知っていて実行している事例になります。

体を動かして「アンプラグド」を楽しんだ後は
「ゲームアプリ」で頭を使って再確認

小学生にとっては、言葉だけで「(1)順序」「(2)条件分岐」「(3)反復」を理解することは難しいことです。そこで石塚教授が考案した授業は、体と頭の両方を使ってプログラミングを学ぶ、新しい学習スタイルです。

たとえば、低学年では授業の前半は体育館で、実際に決められたルールで体を動かしてみます。床には紙が縦と横に整然と一面に敷きつめられ、そのうちの１枚のみが宝箱です。宝箱に行き着くには、「前」「後」「右」「左」と順番を決めて１ステップずつ進む必要があります。失敗しながらも、自分で体を使って「順序」を理解します。こうした方法を「アンプラグド」といいます。

授業の後半は、アンプラグドで学んだことを、ゲーム感覚でプログラミングを学べるアプリ「コット」で確認します。このアプリは石塚教授とプロのゲームプログラマーとの共同開発で完成したもの。ゲームログを解析することで、さらなる改良も検討中です。この他にも、自作プログラムとセンサーを組み合わせた機器制作の時間もあります。いずれも、児童の反応や先生の意見を取り入れ、より豊かで創造的な授業のあり方を研究中です。

これらの授業がめざすのは、児童が「プログラムを書くこと」ではなく「書いたプログラムを説明できること」。それが未来のイノベーションに必要なコンピューテーショナル・シンキングだからです。

未来に続く創造的な授業。新鮮で楽しい石塚教授の授業に魅了され、「サインして！」と帽子を差し出す児童もいるとか。

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