オブジェクト指向プログラミング教育のためのProcessingを用いた教材開発

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オブジェクト指向プログラミング教育のための 3URFHVVLQJ を用いた教材開発

岩佐英彦

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Development of teaching materials using Processing for Object Oriented 

Programming Education

Hidehiko Iwasa

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This paper describes a new approach to teach object-oriented programming methodologies for 3rd _{and 4}th _grade

students in information and control system course of KINDAI technical college. To teach object-oriented methodologies, it is important to let student understand a concept of object-oriented, but it is relatively difficult because Java, a popular object-oriented programming language, is lack of ability to visualize objects earned from a class as drawings. In this paper, I introduce our approach to use Processing, a Java-based programming language that facilitates drawings, to let student understand concept of object-oriented. I also introduce some examples of program, that help student understand object-oriented techniques in step by step manner.

Keyword Object-oriented programming, Java, Processing, class, inheritance, and polymorphism

１．背景と目的

 本校_{*制御情報コースでは、平成 30 年度より本科 3 年生} と_{4 年生における必修科目であるプログラミング言語 I、} II で学習するプログラミング言語を、従来の C 言語から Java 言語へと変更した。その第一の理由は、ソフトウェア 産業界におけるプログラミング言語のシェアは _{Java 言語} が他の言語を圧倒していることにある。第二の理由として は、_{C 言語ではオブジェクト指向プログラミングを実践す} ることが困難であるのに対して、_{Java 言語はオブジェクト} 指向プログラミング言語であり、カプセル化、継承、ポリ モーフィズムといったオブジェクト指向プログラミング のための多くの概念を、プログラミングを通じて自然に学 ぶことができる点にある。_{Ruby や Python のような比較的} 新しいプログラミング言語の大半はオブジェクト指向言 語であり、これから産業界で活躍できる _{IT 技術者の育成} を考えた場合、_{Java 言語を学ぶメリットは大きいと考える。}  オブジェクト指向言語を学習する際には、クラスとオブ ジェクト、継承、ポリモーフィズムについて理解すること が非常に重要となる。そしてこの概念を理解した上で、オ ブジェクト指向設計に基づいたソフトウェア開発を行う ことによって、はじめて複数のプログラマによる大規模な 開発を行いながら、再利用性と保守性の高さを兼ね備えた ソフトウェアを生産していくことが可能となる。  このようにオブジェクト指向はソフトウェア開発のた めに必ず習得しておかなければならない概念であるが、一 方で、プログラミング言語の初学者にとってオブジェクト 指向を理解することは容易なことではない。オブジェクト 指向理解の鍵となる「クラスとオブジェクトの関係」を理 解するためには、「クラスとは設計図のようなものであり、 オブジェクトとは設計図に基づいて実際に作りだされた モノだと思えばよい」という感覚を身に着けることが大切 である。しかし、_{Java 言語によるプログラミングの初期段} 階においては、画面に表示できるのが数字や文字などのテ キスト情報に限られるため、その範囲でプログラムをさせ ながら、上述の感覚を身に着けさせることには限界がある。  そこで本校の制御情報コースでは、_{Java 言語をベースと} した言語である_{Processing を活用し、オブジェクト指向の} 概念を学生たちが理解するための一助となるような教材 の開発を行っている。_{Processing は文法がほぼ Java 言語と} 近畿大学工業高等専門学校 総合システム工学科 制御情報コース

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同一でありながら、四角形、三角形、円などの図形を描画 させることが非常に簡単な言語であり、_{CG やアートの分} 野において普及が進んでいる。 本稿では、制御情報コース_{4 年生の必修科目であるプロ} グラミング言語_{II におけるクラスとオブジェクト、継承、} ポリモーフィズムの理解のための教材を具体的に示し、そ の有効性を検証する。

２．本教材がカバーするオブジェクト指向の概念

と従来教材の課題

２．１ オブジェクトとクラス  オブジェクト指向プログラミングにおいては、実行され るプログラムにおいて、特定のデータや処理をグループ化 して独立した単位となるオブジェクトと、そのオブジェク トを生成する際の設計図の役割を果たすクラスについて 理解することが重要である。  _{Java 言語を用いたオブジェクトとクラスのプログラム} の例として、サイコロというクラスから具体的な二つの異 なるサイコロをオブジェクトとして生成するプログラム が用いられる。サイコロというクラスには、「サイコロに は１から６の整数値を保持するための変数（データ）と、 １から６の整数値をランダムに求めるメソッド（処理）が 備わっている」ことが記述されていて、このクラスから２ つのサイコロがオブジェクトとして生成されると、それぞ れのサイコロの目が独立してランダムに決定される。  この例を本校の_{4 年生に対して、オブジェクト指向プロ} グラミングの導入部分で提示した場合、過半数の学生は興 味を示さない。その主な理由の一つは、最終的に画面に表 示されるのが２つのサイコロの目を表す数字に過ぎない 点にある。 ではサイコロの数を _{100 個に増やせばよいかというと} むしろ逆効果である。この程度のことであれば、わざわざ クラスを作成してオブジェクトを生成するプログラムを 書かなくても、_{for 文を使ってランダムな数字を 100 回生} 成させるほうが合理的であると考える学生が多いためか、 あまりメリットを感じてもらえないので、教材開発におい ては、簡単なプログラムの例を用いつつも、学生が具体的 にイメージを持ちやすく、なおかつオブジェクトやクラス を使用するメリットを感じられる題材が必要となる。 ２．２ 継承 継承とは、２つのクラス間に親子関係を定義することを 認めることによって、親クラスを継承した子クラスから生 成されたオブジェクトは、自動的に、親クラスの有するデ ータや処理を有することができるというオブジェクト指 向の概念である。_{Java 言語においては継承の機能が実現さ} れており、大規模なソフトウェア開発においては必要不可 欠な機能となっている。 一方で、初学者が例題として用いるようなプログラムに おいて、継承の機能のメリットを実感させることが難しく 学習上の課題である。 ２．３ ポリモーフィズム ポリモーフィズムはオブジェクト指向に含まれる諸概 念のなかで最も理解するのが難しいといわれており、オブ ジェクト指向プログラミング習得における一つの関所の ような存在である。 ポリモーフィズムとは、一つの親クラスが複数の子クラ スを有する場合において、プログラムが実行されるまでは あるオブジェクトがどの子クラスのオブジェクトとして 生成されるかが決まっていないような場合に威力を発揮 するテクニックである。 まず、各子クラスで独自に実行したいメソッド（処理） を、親クラスのメソッドをオーバーライドする形で定義す る。そして、オブジェクトが生成された後に、そのオブジ ェクトの親クラスのメソッドを呼び出したにもかかわら ず、そのオブジェクトがどの子クラスのインスタンスであ るかに応じて、実行されるメソッドが自動的に切り替えら れるのがポリモーフィズムである。 このように、ポリモーフィズムとは_{if 文や switch 文の} ような分岐型の制御構造を一切使用することなく、オブジ ェクトが生成された文脈に応じて実行されるメソッドを 変更できる仕組みであるということができるが、オブジェ クト、クラス、継承などの諸概念の直感的な理解ができて いない学生に対して、ポリモーフィズムの概念を伝えるこ とは非常に困難なのが現状である。 ２．４ 本学習教材がカバーしない概念 オブジェクト、クラス、継承、ポリモーフィズム以外の オブジェクト指向の概念として重要なものにカプセル化 （データ隠蔽）がある。データ隠蔽は、大規模なソフトウ ェア開発において、各オブジェクトが管理しているデータ へのアクセスをゲッター、セッターと呼ばれるメソッドに 限定することによって、意図しないデータ変更を防いだり、 データ型やデータ構造の仕様変更に伴うクラスの変化に 対する外部プログラムの保守性を高めたりするために必 要な機能であるが、他の概念と比較して理解がしやすく、 Java 言語のみを用いた学習でも十分に習得が可能なため に本学習教材の範囲には含めない。

３．3URFHVVLQJ を用いたオブジェクト指向学習の

ための教材開発

３．１ 教材開発の基本コンセプト 3URFHVVLQJ は -DYD 言語をベースとしたプログラミング 言語であり、一部の例外的な部分を除いて、ほとんど -DYD

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言 語 と 同 じ 文 法 で 記 述 す る こ と が で き る 。 一 方 で 、 3URFHVVLQJ には -DYD 言語の初学者には困難な図形の描画 を非常に簡単に行うことができる。例えば、円を描画した ければ、_{ellipse(x, y, w, h);のように、円の中心} 座標_{(x, y)と円の幅 w と高さ h を指定すれば円が描かれ} る。 この 3URFHVVLQJ の図形描画機能を活用することによっ て、画面内を動き回る円や四角形のような具体的に視認で きるオブジェクトの設計図をクラスで定義し、それらの図 形を描画するためのパラメータ（座標やサイズなどのデー タ）を変更しながら多数のオブジェクトを生成することに よって、オブジェクト指向概念の理解と、オブジェクト指 向技術を利用するメリットを感じさせることを基本コン セプトとする。 ３．２ クラスとオブジェクト 3URFHVVLQJ で簡単に描画できる円と矩形を用いて、 &LUFOH クラスと 5HFW クラスの  種類を定義した。それぞ れには、円の中心、矩形の左上の角を表す座標と、サイズ がパラメータとして与えられている。また、定義された平 面内で壁面に当たると反発して動き続ける処理を PRYH と いう名前のメソッドを用いて作成した。3URFHVVLQJを用 いて実際に作成された  つのクラスを図１に示す。図中で は、&LUFOH クラスに関するプログラムの部分を水色、5HFW クラスに関する部分をピンク色、２つのクラスに共通する 部分を黄色で示している。 ３．２ 継承  図  に示した &LUFOH クラスと 5HFW クラスのプログラム を見比べると、座標やサイズといった変数は共通化できる ことが容易にわかる。また、PRYH メソッドについても、 図形の移動に関するプログラムは同一であり、異なるのは 図形が壁に当たって向きを変える部分であることがわか る。  そこで、&LUFOH と 5HFW の親クラスとして 6KDSH クラス を定義し、&LUFOH と 5HFW では 6KDSH クラスを親クラス VXSHUとして継承することによって、２つのクラスの重 複部分を一か所に集約する。これによって、例えば図形を 動かすアルゴリズムを変更する場合には親クラスのプロ グラムだけを修正すればよく、オブジェクト指向のメリッ トの一つである保守性、拡張性が高まることを学生に容易 に理解させることが可能となる。継承の機能を用いて図  のプログラムを書き換えたものを図  に示す。 ３．３ ポリモーフィズム  図２のプログラムを見ると、PRYHメソッドの呼び出し の際に、各オブジェクトが &LUFOH クラスか 5HFW クラスか によって個別に呼び出しが行われていることがわかる。本 プログラムのようにあらかじめ作成されるオブジェクト の子クラスがわかっている場合にはこれで問題ないが、も し生成されるオブジェクトのクラスが実行時まで不明の 場合には、このような実装をすることはできず、オブジェ クトのクラスを何らかの形で管理する必要がある。  ポリモーフィズムを用いると、そのようなオブジェクト の所属クラスの管理を行うことなく、親クラスのメソッド として PRYH を呼び出すだけで、各オブジェクトが属して いる子クラスの PRYH メソッドを呼び出すことが可能とな る。ポリモーフィズムの技法を用いて図  のプログラムを 書き換えたものを図  に示す。また、図 、図 、図  の プログラムが実行された際の画面例を図  に示す。３つの プログラムは全く同じように動作する。  図 ：クラスの継承関係 

４．考察

 本稿では、3URFHVVLQJ という図形等を容易に描画する ことができる -DYD 言語の言語仕様に基づいたプログラミ ング言語を利用することによって、-DYD 言語だけでは比 較的困難であったオブジェクト指向に関する諸概念を、本 校の学生たちにとってもわかりやすく学習させるための 教材について述べた。  第  章において示した通り、3URFHVVLQJ を用いて「円」 や「矩形」のような目に見える形でオブジェクトを生成し、 それらのパラメータの共通化や、メソッドの呼び出しの共 通化というわかりやすい課題を提示しながら学習を進め ることによって、-DYD 言語だけでは理解が困難であった 継承やポリモーフィズムのような概念が、自然と理解でき るようになることを示した。  今後は、3URFHVVLQJ の  次元 &* 作成の機能などを活用 して、学生にとってさらに魅力的な教材開発を行っていく 予定である。

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 図 ：クラスを使用したプログラムの例   図 ：継承を使用したプログラムの例   図 ：ポリモーフィズム多態性を用いたプログラムの例  図5：３つのプログラムの実行画面 

参考文献

1) 岩佐英彦、Processing を用いたオブジェクト指向プログ ラミング授業の実践、平成_{30 年度全国高等学校情報処理} 教育研究会全国大会（ポスター発表）、_{2018 年 8 月}