小集団学習を利用 した自律型 ロボッ ト制御の学習

小集団学習を利用 した自律型 ロボッ ト制御の学習

Learning control program using autonomous robots with small group activity

西 ヶ谷浩史 *0紅

林秀治

Hirohumi NISHIGAYA Shtti KUREBAYASHI

abstract

ln this paper,we propose the lё ssons to learn control program using autonomous robots with small group activity for junior high school students̀ We design the lessons of the robot contest that students ettoy learning and make the control program for robots dancing like a synchronized swilnnling.  In taking small group

activity to lessons ofthe control program,students are easy to understand the control

1.は

中学校技術・家庭科 「情報 とコンピュータ」の学習の中で

,プ

,情

,そ

生徒がプログラムの意味や機械の動 きの しくみを理解 しなが ら学習できるとは言い難いИ。特 に

,制

=ハ

=ソ

,こ

,生

,プ

,プ

,ロ

ボッ トの製作 まで興味を持ち取 り組んだ生徒が

,制

,学

,学

,手

,生

個人で製作 したロボットを小集団で演技する制御 プログラムの課題 「シンクロ演技発表会」を 設定 して実践 した。その結果

,プ

,学

,使

,授

,授

,考

*静

 **静

西 ヶ谷浩史・紅林秀治

2.使

2.1使

ロボッ ト制御 と製作にあた り,井上修次氏が開発 した制御用基板□を利用 した。図1に基板 を示す。基板 は

4個

^3個

PIC

,RAMだ

^,フ

EEPROMが

,ホ

EEPROMに

,記

,引

1ス

2バ

^63ス

この基板を使用することで

, 3個

,左

衝突 を検知するスイ ッチのほか,光の反射を検知するセンサースイッチなどを合計

4個

RS‑232Cを

2.2プ ログラミング言語 『ドリ トル」

制御 プログラムを作成 す るための プログラ ミング言語 には ドリ トル国を採用 した。 日本語 を 用 いて記述す ることで学習の敷居 を低 くす ることがで きること

面上 のオ ブジ ェク トを操作 す るモデル を採用 してい ること ,外 部 の ロボ ッ トを制御 で きるこ とが利点で ある。 ドリ トルの 処理系 には通信 ポー トにアクセスす る機能が含 まれてお り ,そ れ を利用 して外部機器 の制御が 行 え る。授業 で使 う際 には ,外 部機器 の使用 に応 じてわか りや すい記述 を可能 にす るオ ブジ ェ ク トを予 め用意す ることで

徒 が入 出力の詳細 に煩 わ され るこ とな く外部機器 の制御 に集 中 で きるよ うに した。図

ドリ トルに よる制御 プログラムを示す。 この プログラムで は, ロ ボ "と い う名前の通信 オ ブジェク トを生成 し ,そ ^{の内部 に 転送命令} "と い う名前で ロボ ッ ト に命令 を送 るメ ソッ ド

ブジ ェク トご とに記憶 す る小 さなプログラム )を 定義 した。 このメ ソ ッ ドは ,通 信 ポー トを開いた後 で実行 され る。転送 され る命令 によ り ,ロ ボ ッ トは次 の よう な プログラムを実行 をす る。

(1):通

信 ポー トを利用 す るためのオ ブジェク トを作成。

(2)

(3) (4) (5) (6)

MYUオ

,ロ

基板の電源スイッチを

ONに

ロボッ トが

,10 

(1秒

)し

「転送命令」が実行され

MYUロ

ロボ

=MYU!『

ロボ :転送命令

=「 !は

「

!10前

ロボ !転送命令。

(1) (2) (3) (4) (5) (6) 図3:ロボットの命令プログラム

3.授

3.1対

静岡大学教育学部附属 島田中学校 の技術・家庭科の必修授業

(2年

120名 )で

, 2年

3年

40時

)を

3軸

2年

, 3年

, 2年

(26時

2年

表 1:授 業内容

時

No 内 容

時 間

１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０

Ｈ ｌ２

︲３

︲４

プログラミング言語 「ドリトル」の基礎

電気工作の基礎技術 「半田付けの しくみ と方法」

モーターヘの配線 とユニバーサルプレー ト 電気回路の基礎 「回路の三要素 と反転回路」

ロボッ トの設計 と製作 基板の取 り付けと配線作業

ロボットカーの製作続 き ロボットの移動部完成

ロボットとコンピュータとの接続 リモー トコン トロールでの動作確認

プログラムを転送 しての動作 「スラローム」

グループで演技をするための構想 グループで準備

シンクロ演技発表会

４ ２ ２ １ １ ２ ２ ２ １ ２ ２ ２ ２ １

西 ヶ谷浩史・紅林秀治

3.2設 定 した課題 と授業

表

授業 内容

12「 グルー プで演技 をす るための構想」

13「 グルー プで準備」で設 定 した課題 の名前 をシ ンクロ演技発表会 とし

^4に 示 すルール を生徒 に提示 した。

シ ンクロ演技発表会 の

ール

・ 生活班 (6人

集 団演技 をす ること。 その際

の ロボ ッ トと動 きが合 ってい るか

また工夫 された演技構成 が されてい るか を考 えるこ と。

・時間 は

り直 しを含 めて60秒 以内。演技 自体 は30秒 以内に納 め

楽 は 自由に自分 た ちで選 んで使用 して も良い。

・ 競技場 の大 きさは ,180c m× ^180c m。

図

題のルール

シ ンクロ演技発表会 に向けて以下 の順序で授業 を行 った。

・ グルー プで演技の構想

人で プログラ ミング

0プ

_{ログラ ミングの評価}

ルー プで合 わせ る

「グループで演技の構想」では ,グ ルー プによる話 し合 いで演技のテーマを考 えさせ た。

その後 テーマを具体化す るために ,ロ ボ ッ トの動 きを図で描 き個 々の ロボ ッ トの動作 を設計 さ せ た。 これ によ り。個々の課題や作業 内容が明確 になるよ うに した。図

徒 が グルー プ で話 し合 い ,各 ロボ ッ トの動作 を記録 したを構想 図であ る。

「個人で プログラミング」では個々に分かれて 自らの課題 のプログラミング作業を行 う。

「プログラミングの評価

ルー プで合 わせ る

で は

々で作 った プログラムをそれぞれ の ロボ ッ トに転送 じグループで動作 を確認す る。 ここで は ,プ ログラ ミングの評価 をグルー プ で行 い

々の プログラムの修正点 を明確 にす る。

4.授 業結果

4.1ロ ボ ッ トの製作

生徒 は

業 時間 内にロボ ッ トを完成 す ることがで きた。図

徒 が製作 した ロボ ッ ト で あ る。

ー タを使用 してい るが

回の課題 では使用 しないが次回 3年 時の課題 のために ギヤボ ックス を設置す るよう指示 した。

●ヽ^￨■   ,1

図 6:生 徒の作品

4.2プ

グループごとの話合いにより,生徒のプログラミングの課題が明確 にな り生徒 は,個々の課 題 に向けて取 り組むことができた。授業中

,コ

,ま

^90度

,そ

,自

進 まないな ど機械的な不 具合 を発見 しその修理 もプログラムで行 う生徒 もいた。

作つたプログラムをグループで評価 し修正する作業 も協同作業で行 うことがで きた。 また,

発表会 もグループごと実施することができた。図 7と 図8は発表会を行 つている時の生徒の様 子である。

図 7:発 表会の様子 1        図 8:発 表会の様子 2

4.3ア ンケー ト結果

全 ての授業 を終 えた後

習 の効果 と効率 を調べ るために

徒 120名 にア ンケー トを行 っ た。質問間内容 を以下 に示す。質問内容 に関 して , 7:強 く思 う , 6:思 う , 5:ど ち らか と 言 えばそ う思 う ,4:ど ち らとも言 えない , 3:ど ち らか と言 えば思わない , 2:思 わないっ

1:全 く思 わない   の 7段 階の尺度 で答 え るよ うに指示 した。以後

肯定 的 な回 答

否定 的な回答 と判断 した。

質 問 内容

質 問 1:授 業 内容 を もっ と知 りたい ,授 業 を続 けたい。

質 問 2:自 分 な りに考 えた ,解 決 で きた。

質 問 3:作 業が思 い どお りにで きた。

質 問 4:授 業 内容 を理解 で きた。

質問

授業 に対 す る意欲 ,質 問

_{授業 で生徒 の思考} ,質 問

ロボ ッ ト製作 とプログラ ミング制作 の両方の作業

問 4で は授業 内容 の理解 に関す るそれぞれの生徒 の 自己評価 を調 べ るために実施 した。質問 1と 質問 4は 効果 を ,質 問

質 問 4は

率 を調べ る指標 とした。

表

,集 計 した結果 で あ る。 この結果か ら ,質 問

授業 内容 を知 りたい ,授 業 を もつ と続 けたい」 とい う設間 に対 しては ,94%生 徒 が肯定 的 に答 えて い る。 また質問 4「 授業 内容 を理 解 で きた」 は ,93%,さ らに質問 2「 自分 な りに考 えた解決で きた」 に関 しては

どち ら も高 い数字 を示 してい る。 これ は ,今 回の課題 が ,今 まで難 しい とされていた制御学習の内容 を容易 に生徒 が理解 しやすい形 に変 えた題材 で あつた ことを示 してい る。 また ,そ の課題 も生

図 7:発 表会の様子

西 ヶ谷浩史・紅林秀治

徒の興味を持続 させ る効果があ り

,そ

表 2:ア ンケー トの結果

7 6 5 4 3 2

質問

1:授

,授

^{0 0 0 0}

質問

2:自

,解

^{0 0}

質問

3:作

³⁹

^{0 0 0}

質問

4:授

^{0 0 0 0}

4.4生

シンクロ演技発表会を終えた後,生徒の授業感想 を取 った。図9に生徒の感想 を示す。

授業 を振 り返 って 「よかつた

,う

,楽

,88人 (73%)の

(1)(2)(3)な

,今

,共

,生

一方,感想の中には

,「

^48人 (40%)の

(4)の

,生

(5)の

,今

制御の課題 を競技ではな く発表会 とい う形式を取 つた ことによ り,生徒感想

(6)(7)の

ように,シンクロ演技発表会は勝ち負けや優劣を競 うコンテス トではな く

,グ

,失

て も満足感を味わ うことができた ことがわかつた。

5.考

生徒 は,質問1「授業内容 をもっ と知 りたい

,授

2「

,解

,肯

表会 を取 り入れたロボット制御の学習は

,課

,質

3「

4「

70%以

,共

り入れた ことによる学習効果であると考えられ る。

制御 プログラムの学習では

,他

しか し,図

^9生

(1)(2)(3)で

,構

想・制作・評価・修正 というプログラミング学習の流れを一人だけで行わず

,構

ループによる意見やア ドバイスが入 るため課題 に対する負荷が軽減 された と考えられる。その 結果

,プ

,高

,感

(7)に

,グ

,本

,そ

,質

2「

,生

,考

といえる。

(1)グ

,そ

,も

(2)自分たち もす ご く大変だったか ら

,他

(3)自分たちが思 っていた ような動 きはあまりで きなかったが

,班

(4)ロボッ トは

,自

,使

(5)一

,グ

, 

(6)今

,プ

,自

,ロ

進まないとかあった けど最後までしっか りとやれて良かったです。

(7)他

,短

図 9:生 徒の感想

6.ま とめ

自律型 ロボ ッ ト制御 の学習 に ,グ ル‐ プ学習 を取 り入れ ることが可能で あることと ,そ の学 習効果 として ,学 習意欲 を高 め ,考 え課題 を解決す る機会 を増やす効果が あった。

ロボ ッ ト制御 を取 り入れ ることで ,プ ログラ ミング学 習 に実物 の動 きに よる体験 に学習効果が あつた国が ,今 回の授業で はそれだ けで な く ,共 同作業 に よる構想 と評価 が さ らに学習の効率 を上 げてい ることがわか った。

自律型ロボッ トの製作 と制御の学習は,生徒 に機械学習 と制御 プログラミング学習を総合的 に学べ る学習であ リロボット学習の基礎 にもなる。 しか し

,そ

, 

西 ヶ谷浩史・紅林秀治

うして も得意な生徒 と不得意な生徒で学習に差が うまれる。その結果

,学

,グ

,コ

筆者 らの実践 した,シンクロ演技発表会以外にも

,様

7.謝

授業実践 にあた り

,静

8.参

[1]紅

^:ロ

.技

^55巻

^1号 ,pp.8‑15,2007

[2]永

,村

, 2000

[3]Shuii Kurebayashi, Toshiyuki Kamada,Susumu Knemune: Lean■

Program with Autonomous Robots.LNCS,Vol.4226,pp.138‑149,2006

[4]渥

,王  

,村

^24回

,pp.17¨

[5]森

,盛

.日

48巻 3号 ,pp.193‐

2006

[6]大

,木

^:も

,pp.209‐

[7]ロボットエ房スタジオ・ ミュウ:http://―

.geoCities.ip/Shuinoue/       .

[8]兼

,久

.情

2003   .

[9]紅

,兼

^:ロ

(SSS2004), pp.21‐ 28, 2004

128