－全学年で実施できるフィジカルプログラミング教材の検討－
髙瀬和也・塩田真吾 抄録 小学校におけるプログラミング教育の必修化を踏まえ，Scratch や VISCUIT といったプログラミング教材を活用した実践が 行われている。しかし，初めてプログラミングを扱う学校や教員にとっては，操作方法や指導方法が理解しやすく，スムーズに 授業へ導入できるプログラミング教材を検討することが大きな課題になると言える。また，活用事例や先行研究を分析していく と，個人作業が中心となりグループ学習に応用しづらい点や人数分・グループ分のタブレットやキットなどの学習環境を整える コストがかかる点が，プログラミング教育の導入における課題として指摘されている。そこで本研究では，小学校のどの学年で も容易に扱えるフィジカルプログラミング教材を開発し，実践を行った。児童や教員へのアンケート調査の結果，当教材が小学 校におけるプログラミング教育の導入教材として有効であることが示唆された。 ◎キーワード 小学校，プログラミング教育，フィジカルプログラミング教材，導入教材Development and Evaluation of Introductory Teaching Materials for Elementary School Programming Kazuya Takase, Shingo Shiota
Abstract
Teaching materials for programming，such as Scratch and VISCUIT，have been utilized for elementary school programming. However， such teaching materials present difficulties in comprehension for many teachers in using the materials in their instruction. Previous research pointed out that these materials had difficulty in applying to group learning and costed to prepare learning environments such as tablets and kits. In this work，we developed some teaching courses to solve these issues by using a new physical programing teaching material. These teaching courses are designed for all grades in elementally school with easy and intuitive operation. Using these introductory materials，we conducted an experiment and questionnaire survey at elementary schools. The results of the questionnaire survey administered to the students at the elementary school showed that it was effective for the children and teachers to use the materials.
Keywords: Elementary School，Programming Education，Physical Programming Teaching Tool，Introductory Material
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小学校におけるプログラミング教育の現状
と課題
2020年度より，小学校におけるプログラミング教育 が必修化される。小学校の教員にとっては，低中学年か らの外国語活動導入や特別の教科道徳の設置に加え，プ ログラミング教育が必修化されることで，教育カリキュ ラムの立案や教材研究をどのように進めていくかが急務 となっている。 文部科学省（2018)[1]の「小学校プログラミング教育 の手引（第二版）」は，小学校におけるプログラミング 教育で育む資質・能力について，①身近な生活でコンピ ュータが利用されていることや，問題の解決には必要な 手順があることに気付くこと（知識及び技能），②発達 の段階に即して，「プログラミング的思考」を育成する こと（思考力，判断力，表現力等），③発達の段階に即 して，コンピュータの働きを，よりよい人生や社会づく りに生かそうとする態度を涵養すること（学びに向かう 力，人間性等）の 3 点に整理している。ここでは，プロ グラミングの本質とも言える問題解決への手順を思考す ることだけでなく，身近な生活にコンピュータやプログ ラミングが役立っていることの理解やプログラミングを 通じた社会づくりを担える力の醸成が目指されているこ とがわかる。 これらの教育目標に基づき，先行研究においては様々 な教材を活用した実践が行われている。豊田（2018)[2] は，現在主に活用されているプログラミング教材を，① ソフトウェアのみ，②電子キットとの併用利用，③アン プラグドに分類している。 ま ず，① ソ フ ト ウ ェ ア の み の 教 材 に 分 類 さ れ る Scratchや VISCUIT などは，PC やタブレットによって ソフトウェアを起動し，画面上でキャラクターやイラス トを動かす形式の教材（以下，ヴィジュアルプログラミ ング教材と呼ぶ）であり，無料で活用できるものが多い ことから，国内におけるプログラミング教材の主流とな っている。ヴィジュアルプログラミング教材は既に多く の実践例があり，田中ら（2018)[3]が小学校で，木下ら （2018)[4]が中学校でそれぞれ実践を行っている。しか し，こうしたヴィジュアルプログラミング教材は，コン ピュータやタブレットなどを用いて，実際のプログラミ 連絡先（Contact）：[email protected]ングを疑似体験することができる一方で，PC やタブレ ットの操作能力を学習の前提としていることから，児童 間による学習進度の差がうまれやすく，体験したことの ない教員にとっては指導が難しく，導入教材としては難 易度が高いという指摘もある。Stritzke ら（2015)[5]は， 「Scratch などのプログラミング学習ツールは個人の学 習を基本としており，グループ学習に用いる場合は入力 デバイスの使用を交代で行うなどの工夫が必要となる」 と述べており，対話的な学習の行いにくさや個人作業中 心の授業形態といった点に問題があると指摘している。 また，成富（2018)[6]は，既存の教材について「グ ループでどのようにしながら目標物までたどり着くかを 話し合い，一番早いプログラミング方法でゴールに辿り 着けるか，競い合う，発表する」ことを導入しやすい ツールのポイントとして挙げている。特に小学校の段階 では，プログラミングが初学となる児童もいるため，個 人で学習するだけでなく，グループで互いに教え合うこ とで学習することも重要となる。つまり，話し合いやグ ループワークといった活動をいかにプログラミング教育 の授業に導入していくかも課題であると言える。 次に，②電子キットとの併用利用の教材に分類される 教 材 と し て は，MESH や Raspberry Pi，マ イ ン ド ス トーム EV3 や Pepper などが挙げられている。こうした 電子キットと併用する形式の教材は，礒川ら（2018)[7] などが実践しており，教材の種類も多い。ただ，こうし た教材は人数分・グループ分のタブレットやキットなど が必要となり，学習環境を整備するコストもかかってし まうことが考えられる。また，比較的高価な教材が多い ことから，すべての学校ですぐにこうした教材を活用す る環境を整えることは難しいと言える。 最後に，③に分類されるアンプラグド教材としては， 米 ThinkFun 社の Robot Turtles や Liukas（2015)[8]著
の『ルビィのぼうけん』などが活用されており，ソフト ウェアやハードウェアを使わず，ボードゲームや読書に よってプログラミングの基礎を養うことができる。アン プラグド教材は児童にとっても教員にとっても容易に活 用できるが，文部科学省（2018)[1]ではプログラミング 的思考を「コンピュータを動作させることに即して考 え」るとしており，アンプラグド教材のみでプログラミ ング教育の導入を行うことは難しいと言える。 現在活用されている 3 種類のプログラミング教材の現 状を踏まえると，小学校におけるプログラミング教育の 導入にあたっては，①グループ学習に応用しやすい教 材，②環境を整える必要がなくどの学校にも導入しやす い教材が求められると言える。 他方で，プログラミング教育を指導する教員の視点か らみた問題もある。黒田ら（2017)[9]の国公立小学校教 員を対象とした調査によれば，「プログラミング教育に 関する知識・理解が不足している」と回答した割合が全 体の 92.0%，「コンピュータなどの情報機器の扱い方に 慣れていない」と回答した割合が全体の 35.8% であっ た。また，先述の豊田（2018)[2]は，「プログラミング 教育については，大部分の教員は自ら関連の授業を受け たことがない（中略）指導者の立場として習得すること は非常に困難である」と述べていることから，多くの教 員はプログラミング教育の実施に不安を抱え，専門性の 習得も不十分であることが明らかになった。プログラミ ング教育に関する知識・理解が不足している大部分の教 員にとっては，2020 年度の必修化に向けて，プログラ ミング教育のねらいや目指すべき資質・能力の理解だけ でなく，教材の研究や授業の構成といった技能面の習得 も急務である。 こうした教員の抱えるプログラミング教育への不安感 を踏まえると，プログラミング教育に対する苦手意識が 大きい教員ほど，まずは操作性が容易な教材から導入す べきであろう。初めからヴィジュアルプログラミング教 材を導入してしまうと，指導にあたってはソフトウェア の仕組みだけでなくデバイスの操作方法なども知る必要 があり，現場の教員にとっては敷居の高いものになって しまう。教員にとって操作が難しければ，必然的に児童 にも教えづらく，児童の側も使い方の理解が進みづらく なるという影響が出かねないと考える。このように，小 学校のプログラミング教育においては，先述の①，②の 課題に加え，③操作性が高く，活用容易性に優れた教材 を導入していくかという点も課題であると言える。 こうした課題がある一方で，PETS や Cubetto をはじ めとした，PC やタブレットを使わずにロボット等の ハードウェアを直接操作し，物理的にプログラミングす る形式の教材もある。こうした PC やタブレットなどの 端末を用いずに，ブロックやパーツなどを組み立てる物 理的なプログラミング教材（以下，本稿ではフィジカル プログラミング教材と呼ぶ）は，ヴィジュアルプログラ ミング教材と比較して児童にとっても教員にとっても操 作性が高く，活用容易性に優れており，かつ環境整備の 面からも導入しやすいことが考えられる。これに加え， 本研究ではカード教材を活用することにより，本来はコ ンピュータ上で行うプログラミングの過程をカードによ って可視化することができる。これは，コンピュータを 用いずとも児童がプログラミングを行えることから，先 述の 3 種類の教材にとどまらない第四のアプローチとし
て捉えることができる。 そこで本研究では，①グループワーク学習に応用で き，②授業のための環境整備にコストがかかり過ぎず， ③児童や教員にとって操作しやすく活用容易性に優れ た，小学校におけるプログラミング教育の導入教材とし て，どの学年でも容易に活用・学習することができるフ ィジカルプログラミング教材を開発し，実践を行った。
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フィジカルプログラミング教材の開発およ
び実践
前章で述べた課題を踏まえ，本研究では Mattel Inc. が開発したプログラミング知育玩具のコード・A・ピ ラー（Fig. 1）を活用した。本教材は，胴体部分の各 パーツを組み合わせ，ロボット全体が動く仕様となって いる。直進や右左折，繰り返しなどの各パーツは，PC やタブレットを用いず，USB 端子によって接続でき， それらをつなげた順番通りに指示が実行されるという仕 組みになっているため，児童や教員にとって比較的に操 作性が高い教材と言える。本教材を活用した授業では， 児童に特定のコースを提示し，スタートからゴールまで 辿り着くためにどのパーツを組み合わせればよいかを考 えさせる。ここで，グループでの話し合いをより活性化 させるべく，プログラミングカードを開発した（Fig. 2）。本教材は，本体のパーツの数と同じ種類・枚数分を 1セットとし，このカード教材を併用することによっ て，グループワークでの話し合いに活用でき，コード・ A・ピラー本体もクラスに 1 台導入するだけで授業が実 施可能となる。 授業の流れとしては，まず教師がコード・A・ピラー の使い方を児童に説明する。この時，直進パーツ 1 つで どの程度進むか，右左折パーツ 1 つでどの程度曲がるか も説明する。次に，児童を 3～5 名一組のグループにし， 1グループに一組のプログラミングカードを配布する。 児童に特定のコースを提示し，スタートからゴールまで 辿り着くにはどのパーツをどの順番で組み合わせればよ いかを，プログラミングカードで考えさせる。その後， 考えたアイデアをグループごとに発表させ，それをもと にコード・A・ピラーのパーツを組み合わせ，実際の コースを走らせる。最後に，難易度を上げた別のコース を提示し，同様の流れでアイデアを考えさせ，実践す る。 本研究では，これらの教材を活用し，静岡県内の 4 小 学校において 2 年生～6 年生（2 年生 100 名，3 年生 86 名，4 年生 28 名，5 年生 23 名，6 年生 21 名，計 258 名）を対象に実践を行った。なお，コースは基本・初 級・中級・上級の 4 種を開発し，2 年生（以下，低学年 とする）の授業では基本・初級コースを，3・4 年生 （以下，中学年）の授業では初級・中級コースを，5・6 年生（以下，高学年）の授業では中級・上級コースを実 施した。これらのコースは，児童の発達段階を踏まえ， ①基本から上級に上がるにつれてゴールするために必要 なパーツの種類が増えることで順次処理を行う回数も増 えること，②特に中・上級コースでは繰り返しのパーツ を用いることで順次処理と繰り返しを実行させることが できるという 2 点を開発の要点とした。 Fig. 1 コード・A・ピラー出所：フィッシャープライス HP「Think & Learn プログラミングロボ コード・A・ピラー」
Fig. 2 プログラミングカード（一部） Table 1 授業の流れ 時間 形態 学習内容 5分 全体 1.「コード・A・ピラー」とは？ ・コード・A・ピラーの使い方や動き方の紹介。 10分 GW 2.指示通りに動かし，ゴールを目指そう（思考編） ・コード・A・ピラー用のコースを提示する。 ・グループにプログラミングカード 1 組を配り， カードを使ってパーツの組合せを考える。 10分 全体 3.・1 グループずつ，実際のコースで実践する。指示通りに動かし，ゴールを目指そう（試行編） 10分 ＋ 10 分 GW 全体 4.次のレベルに挑戦しよう（思考編＋試行編） ・難易度を上げたコースを提示する。 ・2.-3.と同様の流れで進行する。 ※ GW はグループワーク
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評価
開発した教材や授業に関する児童の意識を調査するべ く，事後アンケートを実施した。質問項目は主に「授業 に積極的に参加できたか」や「コード・A・ピラーを動 かすことは簡単であったか」などの 5 設問を参加，議 論，思考，容易，意欲の項目として位置づけ，選択肢 「とてもあてはまる」「少しあてはまる」…「まったくあ てはまらない」の 5 件法で回答させたものを 5～1 点に 得点化した。得られた有効回答数（n = 258，低学年 100名，中学年 114 名，高学年 44 名）について，回答 状況を整理して可視化した（Fig. 4）。 上記の結果より，参加，議論，思考，意欲の項目につ いて「とても・少しあてはまる」と回答した割合は 80～90% 台を推移しており，どの学年での実践において もある程度の積極的な参加や思考への態度が期待でき る。特に，先に課題①として挙げたグループワーク学習 への応用という観点から「議論」の項目を見ると，どの 学年でも授業内で児童が十分に議論できたことが推察で きる。 また，容易の項目への回答については一元配置分散分 析を行い，低・中・高学年の間でどのような差があるか を比較した（Fig. 5）。平均値としては，2 年生が 3.95， 中学年が 3.19，高学年が 2.70 となっており，2 年生から 中学年，2 年生から高学年の間で，有意水準 1% の差が 認められた。教材のコースについては，基本から上級ま で段階的に難易度が上がるよう設計したため，この結果 から学年が上がるにつれコースの難易度も上がっている ことが推測できる。 さらに，事後アンケートにおいて，自由記述欄に授業 の感想を記述させた。これらについて，低学年，中学 年，高学年ごとに KH Coder を使用したテキストマイニ ングによる共起ネットワークの構築[10]を行い，児童に よる授業への評価を質的に分析した（Fig. 6―8）。 Fig. 6では，「ピラー（コード・A・ピラー 略称）」と 「楽しい」「考える」などが比較的強い共起関係にあるこ とから，プログラミングを考えることに楽しさを見出し ていることが推察できる。 Fig. 3 難易度別のコース設定 Fig. 4 高学年におけるアンケート結果 Fig. 5 低・中・高学年における「容易」項目の平均値の比較 Fig. 6 低学年による自由記述の共起ネットワーク分析（最小出 現回数 10）Fig. 8では，課題①として挙げたグループ学習への応 用の観点から見ると，「グループ」「考える」「協力」が 共起関係にあることから，高学年で本教材を活用すると よりグループ学習が充実することがうかがえる。 Fig. 7,8 においては，「プログラミング」の出現回数 が相対的に多く，「パーツ」「考える」といった語と関連 しており，さらに，どの学年においても「プログラミン グ」が「パーツ」「組み合わせる」といった語と関連し ている。すなわち，コンピュータで行う実際のプログラ ミングをパーツやカードの組み合わせによって代替し， コンピュータの活用なしに実現することができたと言え よう。 こうした結果より，本教材はコンピュータを用いる代 わりにカードやパーツを組み合わせることでプログラミ ングを可視化するという観点から，①ソフトウェアの み，②電子キットとの併用利用，③アンプラグドの 3 種 類の教材にとどまらない第四のアプローチとしての機能 を備え得るものであることがうかがえる。 他方，本研究では，プログラミング教育を指導する教 員の視点からも当教材の有効性を評価するため，全国の 小学校 14 校に教材を配布し，教員 17 名が児童 472 名 （1～6 年生，特別支援学級を含む）を対象として授業を 行った。授業を行った教員を対象として，教材の評価や 児童の様子に関するアンケート調査を行った（Fig. 9）。 これによると，17 名中 16 名の教員が「導入教材とし ての妥当性」や「指導の容易性」に肯定的な回答をして おり，教員にとっても当教材の活用のしやすさが評価さ れた。課題として先述した，②授業のための環境整備の コスト，③児童や教員にとって操作しやすく活用容易性 に優れた教材という観点を踏まえると，本教材は教員に とって操作性が高く活用容易性に優れ，導入教材として も妥当であり，これらの課題を解決し得るものとして期 待できると言える。 また，17 名中 6 名の教員が特別支援学級において授 業を行っており，通常学級だけではなく特別支援学級に おいても活用することが可能であると判断できる。 以上の結果より，本研究で開発した小学生向けフィジ カルプログラミング教材は，授業への積極的参加や議論 の活発化を促し得るものであり，小学校におけるプログ ラミング教育の導入教材として有効であると言える。 今後の研究課題としては，今回実施できなかった小学 校 1 年生の児童に向けての実践を行い，当教材への評価 をさらに詳しく分析していきたい。 付記 本研究は，静岡大学教育学部とマテル・インターナシ ョナル株式会社との共同研究の成果を示したものであ る。詳細は下記 URL を参照のこと。 http://mattel.co.jp/toys/fisher_price/ 参考文献 [1］ 文部科学省，「小学校プログラミング教育の手引（第二版）」， 2018． Fig. 7 中学年による自由記述の共起ネットワーク分析（最小出 現回数 10） Fig. 8 高学年による自由記述の共起ネットワーク分析（最小出 現回数 5） Fig. 9 教員へのアンケート結果
http://www.mext.go.jp/component/a_menu/education/micro _detail/__icsFiles/afieldfile/2018/11/06/1403162_02_1.pdf （最終アクセス：2019 年 2 月 28 日） [2］ 豊田充崇，「小学校プログラミング授業の推進における実践 上の課題」，『和歌山大学教職大学院紀要 : 学校教育実践研 究』，2，2018，pp.83-90. [3］ 田中良研・伊達寛幸・中田充，「小学校 2 学年におけるプロ グラミング教育の実践 : スクラッチ Jr を活用したアニメー ション物語の作成」，『教育実践総合センター研究紀要』，46， 2018，pp.157-166. [4］ 木下崇・鎌田敏之・本多満正，「Scratch の Mesh 機能を用い た双方向性のプログラミング教材の開発―中学校技術科のネ ットワークを用いたコンテンツ制作の導入として-」，『愛知 教育大学技術教育研究』，6，2018，pp.7-12. [5］ Dennis Stritzke・前田佑太・岡本浩行，「フィジカルプログ ラミングを用いた初心者向けプログラミング学習システムの 開発」，『情報処理学会論文誌教育とコンピュータ（TCE）』， 1，4，2015，pp.93-100. [6］ 成富慶子，「プログラミング教育導入の考察 : 2020 年新学習 指導要領における情報教育」，『千葉敬愛短期大学紀要』，40， 2018，pp.267-273. [7］ 礒川祐地・佐藤和紀・萩原丈博・竹内慎一・堀田龍也「小学 校プログラミング学習における低学年と高学年の学習進度の 差異に関する要因の検討」，『日本教育工学会研究報告集』， 18，5，pp.159-166. [8］ L. Liukas，「Hello Ruby」，2015. http://www.helloruby.com/（最終アクセス：2019 年 2 月 28 日） [9］ 黒田昌克・森山潤，「小学校段階におけるプログラミング教 育の実践に向けた教員の課題意識と研修ニーズとの関連性」， 『日本教育工学会論文誌』，41，2018，pp.169-172. [10］ここでは，名詞・形容動詞・動詞・形容詞を抽出し分析し た。共起が高いほど色が濃く表示され，出現回数が多いほど 図形が大きく表示される。 2019.2.28受理 2019.4.24 掲載決定 著者略歴 髙瀬和也（たかせ かずや） ◎現在の所属：静岡大学大学院教育学研究科 ◎専門分野：安全人間工学，教育工学 塩田真吾（しおた しんご） ◎現在の所属：静岡大学教育学部 ◎専門分野：教育工学，授業デザイン ◎主な著書：塩田真吾・髙瀬和也・酒井郷平・小林渓太・藪内祥司，「当 事者意識を促す中学生向け情報セキュリティ教材の開発と評価-『あやし さ』を判断させるカード教材の開発-」，コンピュータ利用教育学会『コ ンピュータ & エデュケーション』Vol.44，pp.85-90，2018．
