<論文>初心者を対象としたC言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究―フローチャートとPADの学生に対する学習支援の効果比較―

全文

(1)初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究. 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究－フローチャートと PAD の学生に対する学習支援の効果比較－教育デザインコース技術領域李. 月厚木市立荻野中学校尾崎誠教育学研究科但馬文昭. １．はじめに 2020 年から実施される新学習指導要領では，小学校でもプログラミング教育が始まることとなり，中学校，高. としてPADのみを使用してその学習効果を示した研究がある（小宅，2016）が，フローチャートなど他のツールと比較して学習効果を明らかにする報告はなされていない。. 校でもプログラミング教育の重要性が高まっている。中. そこで，本論文では，中学校のプログラミング教育におけ. 学校ではこれまでもプログラミング教育が行われてきた. るアルゴリズムの学習支援ツールとして，アクティビティ図. が，新学習指導要領では，課題の解決策を構想する際には，. のような統一モデリング言語等の導入にあたり，教員養成系. 自分の考えを整理し，よりよい発想を生み出せるよう，アク. 大学１年次生を対象とするプログラミング学習の授業にお. ティビティ図のような統一モデリング言語等を適切に用い. いて，フローチャートとPAD を用いた実験授業を行い，両. ることが盛り込まれた（文部科学省，2017）。これにより，. 者の学習支援効果を比較してPADのプログラミング学習支. プログラミング学習では，問題解決のためのアルゴリズ. 援効果を調べることを目的とした。. ムの作成技術を習得することに重点がおかれることとなった。. ２．フローチャートとPAD について. 石田ら（2000）は，初心者が効率の良いアルゴリズム技術. アルゴリズムやプログラムの処理の構造を図で表現する. を習得するのは多くの場合難しいと指摘している。斐品ら. 方法にはいくつかあるが，フローチャートは比較的多く使用. （2004）は，アルゴリズムの理解よりもプログラミング. されており，これまでの技術分野のプログラミング学習でも. 言語の構文に学習者の興味・関心・注意が偏ってしまう. 利用されてきた。PAD はプログラミング学習ではそれほど. という傾向があるという河村（1997）の指摘を受けて，. 使用されてはいないが，アルゴリズムの構造を理解しやすく. プログラミング言語の１次元的な文的記述方法では，ア. 表現できる（斐品ら，2004）。. ルゴリズムの２次元的構造を表現することは困難であることを指摘している。. 図１にプログラミングの順次と分岐の機能を例にフローチャートとPAD の表現を比較して示す。フローチャートは. アルゴリズムを２次元的な図式表象で表現する方法とし. 矢印で処理の流れを示し，PAD は上から下へ延びる線で処. ては，流れ図（フローチャート）や構造化チャートなどが一. 理の流れを表わす。分岐については，フローチャートではひ. 般的に利用されている（斐品ら，2004）。フローチャートに. し形で，左右下方向への分岐を表現する。PAD では凹五角. ついてはいくつかの欠点が指摘されている（Shneiderman,. 形で上下２つに分岐し，分岐後は左から右へと処理が流れる。. 1977）にもかかわらず，学校教育においても比較的よく利用. 図からわかるように，フローチャートでは矢印により任意の. されているようである。構造化チャートについては，国際規. 方向に処理の流れを表現するため，アルゴリズム表現が複雑. 格などに基づくものなど数多く提案されているが，処理の流. になりやすい。PAD では左から右へ行くほど分岐が深くな. れの基本線を上から下へ，アルゴリズムの構造を左から右へ. り，分岐後の処理を抜けると上から下に延びる処理の流れの. というシンプルな２次元的表現が可能な PAD（Problem. 線に戻るので，分岐と処理のアルゴリズムが２次元的に表現. Analysis Diagram）が初心者にとって取り組みやすいと考. されていて分かりやすい。. えられるが，学校教育ではほとんどなじみがないと思われる。 PAD については，構造化プログラミング学習の支援ツール. このようなことを念頭において，以下では実験授業の計画を示す。教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 81.

(2) 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究 PAD. フローチャート. 処理 1. 処理 1. 処理 2. 処理 2. 順次. 条件. Yes. No 分岐. No 処理 3. 処理 1. 条件. 処理 1. 処理 2. 条件条件. Yes. 処理 3. 処理 2. 処理 4. 処理 4 図１フローチャートと PAD の比較３．実験授業３．１プログラミング学習言語等について. 場所：横浜国立大学のコンピュータ教室. ブラウザ上で C 言語プログラミング学習が可能なサイト PAIZA.IO(2019)を利用する。C 言語は，スマートフ. １回目の授業では，事前アンケートを実施し，C 言語. ォン等でのアプリ開発でよく利用されている JAVA の. プログラミングの基礎を学習した。２回目では，C 言語. 元になった言語で，構造化プログラミング言語の一つで. プログラミングの基礎の続きを学習した後，プログラミ. ある。 PAD はこのような構造化プログラミング言語によ. ング課題とそのルゴリズムをフローチャートまたは. る構造化プログラム作成技法を実践しやすくするための. PAD で表した図とともに配布し（付録１），学生にフロ. 思考の道具として開発された（二村, 1986）。. ーチャートまたは PAD のいずれかを一方を選択させて. 以下に示す第１次，第２次の実験授業を実施するにあたり，被験者となる学生には，実験授業の趣旨とプログラミング課. 課題の解答を作成させた。また，課題の提示と解答プログラムの回収は授業支援システムにより行った。. 題の解答が正答か否かを成績評価に反映しないこと等を説. 表１に事前アンケート結果を示す。フローチャートについ. 明した。また，実験授業での課題の解答の説明も後日実施す. ては半数以上が多少の知見をもっているが，PAD について. ることも説明した。. はほとんどもっていないという結果であった。. ３．２第１次の実験授業（１）実験授業の方法. 表１フローチャートとPADについての事前知識（人）. 実験授業は2017年12月，横浜国立大学教育学部の「コ. フローチャート. PAD. ンピューティング」で，同じ受講者を対象に以下の日時. よく知っている. 1. 0. で２回実施した。. 聞いたことがある. 20. 2. 全く知らない. 15. 34. 36. 36. 対象：横浜国立大学教育学部１年次生の36人日時：１回目 2017年12月14日２時限目. 計. ２回目 2017年12月21日２時限目教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 82.

(3) 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究表２学生のプログラムの評価結果（人）フローチャート. PAD. プログラム未完成. 6. 0. 文法エラー. 12. 0. 2. 0. 11. 5. 計. 31. 5. 正答率（％）. 35. 100. 実行時のエラーはないが，正答ではない正答である. 対象：横浜国立大学教育学部１年次生の38人日時：１回目 2018年11月22日２時限目２回目 2018年11月29日２時限目場所：横浜国立大学のコンピュータ教室１回目の授業時に事前アンケートにより学生のフローチャートまたは PAD の事前知識とプログラミング経験について調査した。その結果を表３及び表４に示す。表より，フローチャートについては８名が多少知識をもっているが，多くは知識がないことがわかった。PAD については全員が全く知らないことがわかった。プログラミング経験については，. 課題については，反復はアルゴリズムが複雑になるため，短時間の学習には不向きと判断し，順次と分岐だけで構成できる内容のものとした。（２）実験授業の結果と考察実験授業終了時に被験者の学生から回収したプログラムをPAIZA.IO 上で評価した。その結果を表２に示す。表よりフローチャートを選んだ学生は 31 人に対して， PAD を選択した学生は 5 人であることがわかる。プログラムの評価は「プログラム未完成」，「文法エラーがあり，実行できない」，「実行時のエラーはないが，結果が正しくない」，「実行でき，結果が正しい」の４基準で評価した。「実行時のエラーはないが,結果が正しくない」はプログラムを入力した後，画面上にエラーが出ないが，実行した結果が正しくない場合を表す。正答は「実行でき，結果が正しい」のみとなる。. 12 名がもっている程度で，C 言語プログラミングについてはほぼ全員が全くないことがわかった。これらの結果を踏まえて，プログラミングの実験授業においてフローチャートと PAD のいずれか一方を使ってプログラムを作成する課題に取り組むグループ分けを行った。その結果を表５に示す。これより，ほぼ均質なグループ分けができていると判断される。１回目の授業では，事前アンケート実施後は，グループ分けをしないで，フローチャートとPAD の両方を提示してプログラミングの基礎を学習した。２回目の実験授業では，フローチャートグループと PAD グループとの間で情報交換が行われないよう，座席の配置も２グループに分けてプログラム作成課題を実施した。表３フローチャートと PAD についての事前知識（人） PAD. フローチャート. フローチャートを選んだ学生が多かったが，正答プロある. 0. 0. 39%であったが，PAD は 5 人で 100%であった。このこ. 少しある. 8. 0. とから，PAD は馴染みがないためか，選択する者は少な. あまりない. 8. 0. 全くない. 22. 38. 38. 38. グラムを作成できた者は，フローチャートでは12 人で，. かったものの，プログラミング学習支援効果がフローチ. 計. ャートに比べ，高い可能性を得た。ただし，もともとプログラミング学習に対する高い興味関心を持っている学生が PAD を選択した可能性が考えられるため，この結. 表４プログラミング経験（人）. 果のみで， PAD の学習支援効果が高いと断定することは. プログラミング学 C 言語プログラミ. 難しいと考えられる。. 習経験. ング学習経験. ある. 2. 0. ３．３第２次の実験授業. 少しある. 10. 0. （１）実験授業の方法. あまりない. 5. 6. 全くない. 21. 32. 38. 38. 実験授業は2018年11月，横浜国立大学教育学部の「コンピューティング」で，同じ受講者を対象に以下の日時. 計. で２回実施した。教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 83.

(4) 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究表５フローチャートとPAD のグループ分け（人）. 15. プログラミフローチャートの事フローチ PAD. ○ PAD. ング経験. 前知識. □ フローチャート. ある. 全くない. 1. 1. 少しある. 少しある. 2. 3. 少しある. あまりない. 2. 2. 少しある. 全くない. 1. 0. あまりない. 少しある. 1. 0. あまりない. あまりない. 2. 0. あまりない. 全くない. 0. 2. 全くない. 少しある. 1. 1. 全くない. あまりない. 0. 2. 全くない. 全くない. 9. 8. 19. 19. 計. 累積正答者数（人）. ャート 10. 5. 0 0. 20 経過時間（分）. 40. 図２累積正答者数と経過時間との関係図２に累積正答者数と経過時間との関係を示す。これ. 実験授業の進め方については１回目の授業は第１次実験授業とほとんど同じである。２回目の授業では第１次実験授業の場合と同じ課題（付録１）について，フローチャートグ. は，授業支援システムによる回収結果から受講者の解答プログラムの提出時刻を調べ，解答開始時刻からの経過時間ごとに累積正答者数を集計して作成した。これよ. ループには付録１のフローチャート図を，PAD グループに. り，解答開始後，20 分程度まではフローチャートによる. は同PAD 図を配布して実施した。. 正答者数が優位であるが 20 分過ぎからは PAD による正答者数が大きく伸びている。解答開始後しばらくは，フ. （２）実験授業の結果と考察. ローチャートの知識のあるプログラミング経験者が正答プ. 学生が作成したプログラムを回収し，第１次の実験授業と同様の方法で評価した結果を表６に示す。これより，正答率はフローチャートが 53％，PAD が 79％で，PAD の方が高く，第１次の結果と概ね同様の結果が得られた。また，フローチャートの方が文法エラーや，実行結果が. ログラムを作成できているが，その後は，プログラミング経験のない者がPAD に基づいてアルゴリズムを理解し，正答プログラムを作成することで，正答者数を押し上げていることが，事前アンケート結果を対応させることにより説明できる。. 正しくない学生が多く，正しいアルゴリズムでプログラ. 表７事後アンケート結果と正答者数. ムを作成するための学習支援効果が低い可能性が考えらの方が，学習支援効果があるとは断定できない。大変役に立. 表６学生のプログラムの評価結果（人）. った. フローチャート. PAD. プログラム未完成. 1. 0. 少し役に立. 文法エラー. 4. 2. った. 4. 2. 10. 15. 全く役に立. 計. 19. 19. たない. 正答率（％）. 53. 79. 計. 実行時のエラーはないが，正答ではない正答である. PAD. フローチャート. れる。しかし，χ二乗検定の結果からは，必ずしも PAD. あまり役に立たない. 回答者. 正答者. 回答者. 正答者. （人）. （人）. （人）. （人）. 9. 7. 7. 7. 7. 3. 6. 5. 2. 0. 4. 2. 1. 0. 2. 1. 19. 10. 19. 15. 教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 84.

(5) 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究このような正答者数の逆転現象について，統計的には被験. ミング学習支援効果が高い可能性が示された。. 者数が少なく有意な結果が得られたとは言えないものの，. （３）第２次実験授業において，プログラミング課題解. PAD はフローチャートに比べてアルゴリズム構造の見える. 答開始後 15 分程度までは，プログラミング経験のある. 化（二村，1986）における優位性を持っている可能性が示さ. 学生がフローチャートに基づいて正答プログラムを提出. れたと考えられる。. し，PAD の学生の正答者数を上回った。その後は，プロ. 表７に事後アンケート結果と正答者数を並べて示す。これ. グラミング経験がない学生が PAD に基づいた正答プロ. より，フローチャートでは「大変役に立った」としたものが. グラムを提出し，正答者数がフローチャートに基づく学. 全員正答できていないが，PAD では全員正答できているこ. 生を上回る結果となり，統計的には断定できないものの，. とがわかる。このことは，学生がPAD に基づいてプログラ. プログラミング経験がない学生に対して PAD の学習支. ムのアルゴリズムを理解し，正しいプログラムを作成する支. 援効果が優位な可能性が示された。. 援効果を示しているが，フローチャートでは，アルゴリズム. これらの結果を踏まえ，フローチャートやPAD 等の学習. を正しく理解することが困難で正しいプログラムを作成す. 支援効果について被験者数を増やすなど，より信頼性の高い. る支援効果が不十分であることを示していると考えられる。. 調査が期待され，今後の課題としたい。. ただ，「あまり役に立たない」と「全く役に立たない」を合わせた人数がフローチャートでは３人，PAD では６人で. 参考文献. あることから，PAD の方が理解に時間がかかり，理解が不. 石田真樹，桑田正行（2000）：C 言語プログラミングの学習. 十分な場合にはプログラミング学習支援効果が小さいと考. 支援に関する研究－PADエディタを用いたアルゴリズム学. えられる。. 習支援システムの構築，情報処理学会研究報告コンピュータと教育，2000-CE-058，41-48．. ４．まとめプログラミング学習初心者を対象に構造化プログラミング言語の一つである C 言語を取り上げ，プログラミング課題解決のためのアルゴリズムをフローチャートまたは. 河村一樹（1997）：構造化プログラミングエディタ PADET/BL の開発と教育での適用，教育システム情報学会誌，14，4, 151-160．小宅直樹，鈴木裕利（2016）：初心者プログラミング. PAD で表現して学生に提示し，実験授業を通じて両者の. 教育における PAD の導入とその効果，電子情報通信. プログラミング学習支援効果を比較した。その結果は以. 学会技術研究報告，116，85，59-64.. 下のようにまとめられる。（１）第１次実験授業では，フローチャートの事前知識. 文部科学省（2017）：中学校学習指導要領解説－技術・家庭編．. が 20％程度で，PAD についてはほとんどいない学生に. 二村良彦（1986）：PAD の開発, 日立評論, 7-11．. 対し，フローチャートまたは PAD のいずれかを学生に. 斐品正照，徳岡健一（2004）：構造化チャートを用いた. 選択させてプログラミング課題を実施したところ，PAD. アルゴリズム学習支援システム，情報処理学会論文誌，. を選択した学生は 5 名で，フローチャートより少ないも. 45，10, 2454-2467．. のの全員正答プログラムを作成できた。. Shneiderman B., Mayer R., McKey D. and Heller P. (1977):. （２）第２次実験授業では，事前アンケートにより，ほ. Experimental investigation of the utility of the detailed. ぼ均質なグループ分けをして実施した結果， PAD グルー. flowcharts in programing," Comm. ACM, 20, 6, 373-381.. プの学生の正答率は 79％で，フローチャートは 53％と. PAIZA.IO(2019): https://paiza.io/ja.. なり，統計的には断定できないものの，PAD のプログラ. 教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 85.

(6) 初心者を対象とした C 言語プログラミング教育における学習法改善のための基礎的研究. 付録１課題と解答例下のフローチャートまたは PAD のいずれか一方を参考にして，３つの変数 a，b，c を整数として定義し，変数に相異なる任意の整数を代入する。それらの変数の値の中で中間の大きさの値を選択し，表示するプログラムを作成しなさい。. 開始. int a,b,c,m,w. int a,b,c,m,w. a=87 b=32 c=54. a=87 b=32 c=54 w=a a=b b=w. Yes a<b. w=a a=b b=w. a<b. No b>c No. m=b. Yes. b>c. Yes. m=b. a>c No m=a. m=a printf("中間の値は%d です。",m). m=c. printf("中間の値は%d です。",m) フローチャート. m=c a>c. PAD. #include <stdio.h> int main(void){ int a,b,c,m,w; a=87; b=32; c=54; if(a<b){ w=a; a=b; b=w; } if(b>c){ m=b; } else{ if(a>c){ m=c; } else{ m=a;. }. } printf("中間の値は%d です。",m);. } 解答例教育デザイン研究第 11 号（2020 年 1 月）. 86.

(7)