プログラムによる計測・制御における「計測」学習の実験授業と評価
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(2) 10.166…. Va. ⑤デジタル出力. －. 10.166…＞8. ①アナログ入力. +. 1XXX＝8～16. ④比較器. Vb. 1. ②比較の際. ③D/A. 0. に基準とな. 変換器. 0. る値を与え. 0. る部分. 図１ 逐次比較型 A/D 変換器（4bit）の概略[6]. や考え方を理解することは決して難しいもの. ２.１ 学習指導要領に基づいた指導事項. ではない． 「測る」という行為において人間と. 技術・家庭科 技術分野 D 情報に関する技. コンピュータには差異はなく，それは「数あ. 術（３）プログラムによる計測・制御 「ア. て」といった簡単なゲームによって説明でき. コンピュータを利用した計測・制御の基本的. る．この「数あて」を通して計測の仕組みを. な仕組みを知ること．」より，生徒が計測の正. 理解することができれば，プログラミング学. しい意味を理解し，計測の仕組みを学習した. 習において正しい思考・判断ができるだろう．. うえでそのメカニズムは我々人間が行う「測. 以上の点を踏まえ，本研究では「計測」学習. る」という行為と差異はないと理解させる．. の問題点を改善することでこれからの情報の 技術をよりよい学びに発展させることを目的. ２.２「計測」の仕組み. とした「今まで触れられてこなかった計測学. 計測の本質となるのは A/D 変換である．. 習」の授業実践に試みた．具体的には，JIS 定. A/D 変換とは，アナログ信号をデジタル信号. 義に基づいた計測の意味と仕組みを理解させ. に変換することである[5]． 様々な A/D 変換の. るために考案した「数あて学習法」による指. 方式があるなかで，本研究では最も一般的な. 導である．この指導を含めた授業計画を行う. 「逐次比較型」と呼ばれる変換方式をもとに. とともに，実際に中学校で実験授業を行い，. 図 1 により計測の仕組みを説明する．. 実施するアンケート結果等から実験授業の評. ①ではセンサから得られた情報（温度，圧. 価・分析することを目的とした．. 力など）を電圧として入力する．②では①で 出力された値と比較する際に基準となる値 （ものさしの役割）を D/A 変換器に送る．③. ２．授業の構成 2.
(3) 1～15 のある数値 X を当てよ. 回答③ 8. ヒント：11 より小さい. ヒント：8 より大きい. 回答① 6. 回答④ 10. 正解. 回答④ 12. ヒント：6 より大きい. ヒント：12 より小さい. 回答②. 回答⑤ 11. ヒント：13 より小さい. 図２ 数あて学習法の流れ では②で与えられたデジタルな値を①の値と. ③回答者が 1～15 のうち１つ数字を答える. 比較するため，アナログな情報＝電圧に変換. ④出題者は回答が答えより大きいか小さいか. している．④では①と③の値を比較している．. を伝える. ⑤は比較の結果を踏まえて①の値をデジタル. ⑤当たるまで③④を繰り返す. な情報として出力するのである．この仕組み. 「数あて」を効率化させたものが一般的な. は，人がものさしを使って線の長さを測るこ. A/D 変換である逐次比較型 A/D 変換の仕組. とと差異はない．. みと全く同じである理由を図３に示す． ２分法を用いて 1～15 までの値で必ず４回. ２.３授業における指導の方法 生徒に指導する場合は，より理解し易い内 容で指導する必要がある．そこで提案するの が「数あて学習法」を利用した指導である．. X. この「数あて学習法」は，設定した数を予 想して当てていく簡単なゲームであるが，こ の「数あて」を効率化させたものが一般的な A/D 変換である逐次比較型 A/D 変換の仕組 みと全く同じである．これを用いて指導を行 う． （図２）. 23. 数あて学習法のルールは以下の通りである． ①出題者と回答者に分かれる. 2 進数 1 図３. ②出題者は 1～15 の値を決めておく 3. 23 + 22. 0. 23 + 21. 1. 23 + 21 + +20. 0 ＝10. 数あてと計測の関係性.
(4) で数値を確定することができる．これは数あ. 測・制御が簡単そう，やや簡単そうと答えた. てゲームの必勝法（効率化したもの）となん. 生徒は１割程度であったが，授業後は３割程. ら変わりはなく，逐次比較型 A/D 変換の仕組. 度に向上した．向上はしたものの，いまだに. みと同じである．. 難しそうだと答える生徒が多く，課題が残る. この「数あて学習法」は計測の意味とデジ. 結果となった．. タル・アナログの学習をしたのちに行う．指. 質問３では，面白そう，やや面白そうと答. 導上は「計測とは測る対象（アナログ）と基. えた生徒が 88％から 85％になり，計測・制. ジタル）で表すこと」として指導するので，. 御に対する関心はあまり変化していないとい. 準となる量（ものさし）を比較し，数値（デ. える．分からなかったことを理解したために. 「数あて学習法」はこの概念的な考え方を生. 興味が薄れた可能性もあるので，次のステッ. 徒に定着させる目的も備える．. プに移れるような発展的な課題を示す必要が あったかもしれない．計測学習が計測・制御. ３．授業実践. 全体と結びつかなかった生徒が多かった可能. ３.１ 授業の対象. 性もあり，計測・制御全体に発展できるよう. 横浜国立大学教育人間科学部附属横浜中学. な問いや課題を示すべきだった．. 校において，第３学年（１学級 45 名，３クラ. 質問４では，人とコンピュータの「測る」. ス計 135 名）を対象に技術・家庭科〈技術分. が別物だと思うと回答した生徒が 20％か. 野〉の授業実践を行った．授業時間は１単位. ら４％に減少し，差があると思った生徒も. 時間 45 分である．. 45％から 31％に減少した．あまり差はない と思うと回答した生徒が 27％から 57％に 向上したことから，全体を通して差がない. ３.２ 分析方法. 授業を受ける生徒に対し，授業前，授業. 方向へ変化していったことがわかり，良い. 後にアンケート調査を実施し，回答の割合. 結果が出たといえる．. を調べることにより学習目標を達成したか. 質問５では， 事前アンケートではアナログ・. どうか分析し，実験授業の有効性を判断す. デジタルに対して間違ったイメージをもつ生. る．. 徒が多かったが，96％の生徒がアナログ・デ ジタルについて理解していると答え，授業後. ４．結果と考察. はほとんどの生徒が理解することができたと. 事前， 事後アンケートの結果を表１ （次頁）. いえる．. に示す．質問項目は実際に質問した内容を簡. 授業で扱ったワークシートからも生徒の理. 略化させたものである．. 解の様子が見て取れた． 数あての仕組みを 「範. 質問１では，授業前から 68％もの生徒は. 囲を狭くしていく」 「半分にしていく」という. 身の回りの機器に対しに関心があることが. 解釈ができている生徒がほとんどだった．樹. わかった．授業後はその関心がさらに向上. 形図から数あてを効率化させて値を絞ってい. し，８割以上の生徒が計測を行う機器に対. くといった図を描いている生徒もおり，多く. して関心を持つことができた．. の生徒が数あてと計測の関係性を理解できて. 質問２では，授業前はプログラムによる計. いると思われる． 4.
(5) 表 1 アンケート結果 事前アンケート結果. 事後アンケート結果. 質 項. 身の回りにある情報を読み取る機器 授業を終えて，身の回りにある機器の計. 問 目. に興味があるか. 測の仕組みに興味がわいたか. 1. 結. 1.よくある(17％). 1.わいた(25％). 果. 2.少しある(51％). 2.少しわいた(57％). 3.あまりない(28％). 3.あまりわかなかった(16％). 4.ほとんどない(4％). 4.わかなかった(2％). 質 項. プログラムによる計測・制御と聞い 授業を終えて，プログラムによる計測・. 問 目. てどのようなイメージがあるか. 制御に対する印象はどうなったか. 2. 結. 1.簡単そう(4％). 1.簡単そう(6％). 果. 2.やや簡単そう(7％). 2.やや簡単そう(25％). 3.ややむずかしそう(55％). 3.ややむずかしそう(56％). 4.難しそう(34％). 4.難しそう(13％). 質 項. プログラムによる計測・制御と聞い 授業を終えて，プログラムによる計測・. 問 目. てどのようなイメージがあるか. 制御に対する印象はどうなったか. 3. 結. 1.面白そう(50%). 1.面白そう(31%). 果. 2.やや面白そう(38%). 2.やや面白そう(54%). 3.あまり面白くなさそう(11%). 3.あまり面白くなさそう(11%). 4.面白くなさそう(1%). 4.面白くなさそう(4%). 質 項. 「コンピュータが測る」場合と「人 「コンピュータが測る」場合と「人間が. 問 目. 間が測る」場合において仕組み，考 測る」場合において仕組み，考え方は違. 4. え方は違うものだと思いますか？. うものだと思いますか？. 結. 1.全く別物だと思う(20%). 1.全く別物だと思う(4%). 果. 2.差があると思う(45%). 2.差があると思う(31%). 3.少し差があると思う(27%). 3.少し差があると思う(57%). 4.差はないと思う(8%). 4.差はないと思う(8%). 質 項. 「アナログ」と「デジタル」と聞い 「アナログ」と「デジタル」の意味につ. 問 目. て思い浮かぶ言葉をあげよ. いて理解できたか. 5. 結. 記述の例. 1.理解できた(51%). 果. アナログ：古い，ブラウン管，時計， 2.やや理解できた(45%) 3.あまり理解できなかった(3%). 黒電話，和式トイレ，手動 など. デジタル：新しい，薄型テレビ，時 4.理解できなかった(1%) 計，スマホ，電気，洋式トイレ，自 動 など. 5.
(6) 他にも，人が「はかる」こととコンピュー. 徒が減少したことが分かった．さらに計測の. タが計測することの違いを比較するといっ. 意味や仕組みについて理解を深めることが. た記述を行った．共通点では，基準となる. できた生徒の数が大幅に増加した．つまり，. 値と比較すること，考え方は人とコンピュ. 「数あて学習法」を含めた今回の実験授業は. ータのでは変わらないなどの記述がみら. 計測を理解するための学習法として期待で. れ，授業の効果があったと思われる．異な. きるといっていいだろう．. る点では，電気信号を用いること，人間に は測れない，測りにくいものを測れるなど. ［参考文献］. の記述があり，多くの生徒が学習内容を理. [1]技術・家庭 技術分野 P225 開隆堂 2016. 解できていた．. [2]技術・家庭 技術分野 P236 東京書籍， 2016 [3]JIS 計測用語. ５．結言. http://kikakurui.com/z8/Z8103-. 「数あて学習法」を含めた「今まで触れら. 2000-01.html. れてこなかった計測学習」を考案し，で生徒 がよりプログラムによる計測・制御を理解し. [4]谷腰欣司：新時代のメカトロニクスを拓く. てこれからの学習を発展させることを目的. センサーのしくみ－基礎知識の習得から. として実験授業を実施した．授業を評価する. 回路設計の実務まで－，電波新聞社，P12-. ために生徒に対して授業のアンケート調査. 25，2004 [5]鳥居孝夫：計測と信号処理，コロナ社 ，. を実施し，その結果を分析した．. P2-7，1997. アンケート調査の結果やワークシートの 記述から，本研究で行った実験授業によって. [6]但馬文昭，峯岸努，松延秋廣: DA・AD 変. 生徒の計測に対する関心が向上し，プログラ. 換処理過程の視覚化教具の開発と実験授. ムによる計測・制御が難しそうだと答える生. 業の試み，科学教育学会，P227-233，1997. 6.
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