Problem Based Learning with LEGO Mindstorms
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LEGOロボットを用いた問題解決型授業の実践
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Semelhante a Problem Based Learning with LEGO Mindstorms
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Mais de Hironobu Fujiyoshi
Problem Based Learning with LEGO Mindstorms
- 1. LEGOロボットを用いた問題解決型授業の実践 2013年11月21日 第25回千葉県私学教育研修集会 -情報科研修会- ! 藤吉弘亘 (Hironobu Fujiyoshi) 中部大学工学情報工学科（ロボット理工学科） WEB：http://www.robot-programming.jp/ E-mail：hf@cs.chubu.ac.jp
- 2. 現状 • 工学教育において「ものづくり体験を通した創造性の育成」 を目指すプロジェクト形式の授業実践の増加 ! ‒ 山口純一ら， オブジェクトモデリング(UML)を用いたみ込みソフトウェア開発技術者養成 プログラム ，2004 ‒ 富田雅史ら， IT環境を利用した創造性教育支援システムの開発 ，2004 ‒ 松尾芳樹， チームとして創造性を目指すロボコン型授業科目「創造設計二」 ，2006 ‒ 田村俊夫， 新潟大学における創造工学実習の導入 ，2007 ‒ 伊藤伸英ら， 茨城大学工学部における ものづくり 創造教育の取り組み ，2007 ‒ 山中将， デジタルエンジニアリングを活用した創造工学教育 ，2007
- 4. 問題点 • 学習成果成果の評価の不足 ‒ アンケート調査等による基礎知識の学習の確認のみ ! • 創造性教育において評価したい学習成果 ‒ 学習者の創造性の育成 →定義が曖昧で評価が困難
- 6. ■ 授業の実践
- 8. 授業実践の概要と特徴 • 課題内容 ‒ WRO競技大会（高校生部門）の課題設定を利用 ‒ LEGOロボットの作成とプログラムの開発(NQC) ! • 対象 ‒ 大学学1年生約130名（情報工学科） ‒ 2人１チーム ‒ プログラム初心者，LEGOブロックは経験あり
- 11. リフレクション • 自己の行動プロセスを振り返る ! ‒ リフレクションシートの作成 • アーカイブしたマテリアルを時間軸表示 • ソフトウェアとハードウェアの関連を開示 • 各プロセスにおいて評価と感想 ! ‒ ディスカッション • リフレクションシートを基にしたアイディアの再検討
- 12. リフレクションシート例 • 自己の行動プロセスを振り返る ! ‒ リフレクションシートの作成 • アーカイブしたマテリアルを時間軸表示 • ソフトウェアとハードウェアの関連を開示 • 各プロセスにおいて評価と感想 ! ‒ ディスカッション • リフレクションシートを基にしたアイディアの再検討 ソフトウェアに関する内容 ハードウェアに関する内容
- 13. リフレクションの導入 • 心理学的知見の活用 ‒ リフレクションの導入 • 自己の行動プロセスを振り返る活動 ! ‒ 創造活動に有効なメタ認知スキルの取得に効果 • 自己モニタリング • 自己評価 • 自己調整 } 自分の認知過程をコントロール するためのスキル
- 15. 活動中のリフレクション • 定期的に自分のロボット作りのPDSサイクルを記録 • 記録項目 ‒ 日時 ‒ PLAN：アイデアの概要（スケッチを含む） ‒ DO：作成したメカニズム・プログラムの概要 ‒ SEE：成功／失敗とその原因 ‒ 気づいたこと、わかったこと
- 17. UML-B：初心者用UMLの導入 • プログラミングスキルの向上 ‒ UMLモデリングの取得には様々な知識が必要 • システム開発の経験のない学生には困難 ! • 初心者用UML-B(UML for Beginners)の提案 ‒ 初期段階におけるモデリング教育 • モデリングの重要性を認識 • モデリングを行う習慣の体得
- 18. UML-Bの構成 • 段階に分けてシステムの要求を抽出，モデル化 ‒ モデリング初心者の理解を支援 ! • 三つの書式 ‒ 機能仕様書 ‒ 詳細仕様書 ‒ 関連記述書
- 19. 9.2 初心者のためのモデリング入門 (UML-B) 機能仕様書 を用いた方 本書では，初心者用のモデリングテンプレート (UML-B) 137) 法でモデリング方法を説明します．UML-B では，機能モデル，詳細モデル， 関連モデルの 3 種類のモデルを作成します． I. 機能モデル (図 9.3) UML-B について は，以下に報告がありま す． 「初心者用 UML の提案 とその評価」 ，情報処理学 会研究報告， コンピュータ と教育研究会 (金城学院大 学)，Vol.2008，No.CE97，pp.45-52 137) 学生による記入例 図 9.3 機能モデルの例 機能モデルは，プログラムに必要な機能を抽出して，その内容を整理しま す． 機能仕様書： etc. ライントレース，障害物回避 取り組む課題（競技）に関して、必要な機能を考え、 (2) 機能の内容・必要な情報を整理します． 機能の内容・必要な情報を整理 ・機能の内容は，実現したい動作です．動詞で表現します． (1) 取り組む課題に関して，必要な機能を考えます． etc. 回転する，前進する ・必要な情報や量を整理します．名詞で表現します． etc. 時間，光量
- 20. 9/3(9:34) 詳細仕様書 コース攻略法を考えよう (モデリング入門) II. 詳細モデル (図 9.4) 図 9.4 詳細モデルの例 詳細モデルは，機能の実現方法を詳細に記述します．実現に必要な条件，機 学生による記入例 能の流れ，使用する情報を明確にします．機能モデルで抽出した各機能につ いて作成します． 詳細仕様書： III. 関連モデル (図 9.5) 機能の実現法を詳細に記述 実現に必要な条件，機能の流れ，使用する情報
- 21. 図 9.4 詳細モデルの例 詳細モデルは，機能の実現方法を詳細に記述します．実現に必要な条件，機 関連記述書 能の流れ，使用する情報を明確にします．機能モデルで抽出した各機能につ いて作成します． III. 関連モデル (図 9.5) 図 9.5 関連モデルの例 学生による記入例 関連モデルは，各機能の関連を処理 (動作) の流れにそって記述します． そし て，詳細モデルに書かれた条件を参考にして，機能間の関連を図で表します． 関連記述書： 各機能の関連を処理（動作）の流れにそって記述 詳細モデルに書かれた条件を参考に機能間の関連を図示
- 22. ■ 創造性教育の評価
- 23. 創造性教育の実践の評価 • 創造性教育の先行研究ではアンケート主体の主観評価 ‒ 「授業を受けたことが学習者の創造性活動にどのような 影響を与えているのか」に関しては検討されていない ! • 本実践における評価 ‒ アイディア産出課題による評価 ‒ 社会的スキルの評価 ‒ UML-Bの導入の評価
- 24. アイディア産出課題による評価 • デザイン課題による個人別評価（Finkeの発明課題をアレンジ） ‒ 15種類のパーツを組み合わせで新しい作品を作る ‒ テーマ • 公園遊具 • 家具 • 文房具 ! • 授業前・授業後に実施
- 26. アイディア産出課題による評価項目 • 分析の要素 ‒ アイディアの量：思考の流暢性 • 学習者の考えたアイディアの数 ‒ アイディアの幅：思考の柔軟性 • 学習者の考えた機能のバリエーション （乗る，まわる，ぶら下がる．．．．．） ‒ アイディアの深さ：綿密性 • 一つの機能について考えたアイディア数 （まわる1，まわる2，まわる3．．．．．）
- 27. デザイン課題による個人評価（分析結果） （** p<.01, * p<.05） ＊＊ ＊＊ ＊ 図1 学習者の考案したアイデアの変化 授業を受けていない対照群に対する 同様の比較実験では有為な差はなし
- 28. 社会的スキルの評価 • Kiss-18による個人別評価（分析の方法） ‒ Kikuchi s Scale of Social Skills：18 itemsを導入 ! ‒ 問題解決スキル ‒ トラブル対処スキル ‒ コミュニケーションスキル !
- 29. Kiss-18による個人別評価（質問内容） 種類 問題解決 kiss-18質問文 • PLAN（計画を立てる） 他人と話していて、あまり会話が途切れないほうですか。 問題解決 他人にやってもらいたいことを、うまく指示することができますか。 ‒ アイディアの検討 他人を助けることを、上手にやれますか。 問題解決 相手が怒っているときに、うまくなだめることができますか。 ‒ 作業目標・手順の計画 問題解決 問題解決 問題解決 仕事または学習をするときに、何をどうやったらよいか決められますか。 仕事または学習する上で、どこに問題があるかすぐにみつけることができますか。 • DO（計画を実行する） トラブル対処 トラブル対処 トラブル対処 トラブル対処 まわりの人たちとの間でトラブルが起きても、それを上手に処理できますか。 ‒ パーツの組み立て こわさや恐ろしさを感じたときに、それをうまく処理できますか。 相手から非難されたときにも、それをうまく片付けることができますか。 ‒ プログラムの作成 あちこちから矛盾した話が伝わってきても、うまく処理できますか。 トラブル対処 まわりの人たちが自分とは違った考えをもっていても、うまくやっていけますか。 • SEE（実行結果を評価する） コミュニケーション 知らない人とでも、すぐに会話が始められますか。 気まずいことがあった相手と、上手に和解できますか。 ‒ ロボットの動作確認 コミュニケーション コミュニケーション 他人が話しているところに、気軽に参加できますか。 自分の感情や気持ちを、素直に表現できますか。 ‒ 問題点の分析 コミュニケーション コミュニケーション 初対面の人に、自己紹介が上手にできますか。 コミュニケーション 何か失敗したときに、すぐに謝ることができますか。 コミュニケーション 仕事または学習の目標をたてるのに、あまり困難を感じないほうですか。
- 30. Kiss-18による個人別評価 （** p<.01, * p<.05） ＊ ＊ ＊＊ 図2 授業前後の社会的スキルの変化
- 31. UML-B導入の評価 • 学習者の感想 • プログラムの関連か分かった気かする. • 機能仕様書を書いてどんなことが必要か書き出せてよかった • 機能をまとめてみると,わからなかったところや，矛 盾しそう な点を発見できたので，まとめることは結構大 事だというこ とがわかった • 機能仕様書や詳細仕様書を書いてどのように動くかプログラム 設計が少しずつできてきた気がする • 機能仕様書や詳細仕様書を書くのにてこずった • 先にこういうことを考えないとプログラムなんてできないと, わかった
- 33. 学習者の創造性を高めるための工夫① • 導入時における発想技法の体験 ‒ おもしろいロボットを考えるコツ • 常識にとらわれないこと • アイデアを組み合わせること • 身近なものを参考にすること ‒ ペアで協力してロボットを作成するためのコツ • アイデアを共有すること • 積極的に評価すること • 作業の役割を分担すること
- 36. 学習者の創造性を高めるための工夫② • SNSを利用したコミュニケーション ‒ ロボットの動画紹介 ‒ ロボットに関するクイズ，アンケート ‒ 教員と学生間のコミュニケーションを支援 ! • 今後はさらに… ‒ 学習者間のコミュニケーションツールとしての利用
- 37. 学習者の創造性を高めるための工夫③ • 動画作成を通じたリフレクション ‒ iMovieを使った動画作成 ‒ YouTubeで公開 ‒ http://www.youtube.com/watch?v=Rb1NeMC1mS8 ‒ http://www.youtube.com/watch?v=9Abmltc_PhA 学生の感想： • 点数が高い人の動画を見て，自分が思いつかないような工夫がしてあって すごいと思った • 動画作成用に，失敗した（ときの）ムービーをとっておけばよかった
- 39. まとめ • 創造性の育成と目的とした問題解決型授業の実践 ‒ リフレクションの導入 ‒ 初心者用UMLを提案 ‒ デザイン課題による創造性の評価 ! • 現在の取り組み ‒ 実践による効果を小学生・高校生の講座に展開 ‒ 教員免許講習会を通じて教員にも体験して頂き，小中高 の教育現場における創造性活動の支援
- 40. 本実践に関する資料の公開 [単行本] 実践ロボットプログラミング LEGO Mindstorms NXTで目指せロボコン! [WEBサイト] 近代科学社 ISBN-13: 978-4764903784 http://www.robot-programming.jp/
- 42. 藤吉研究室 Fujiyoshi Laboratory ! 藤吉弘亘（Hironobu Fujiyoshi） 中部大学工学部情報工学科（2014年度よりロボット理工学科） E-Mail: hf@cs.cchubu.ac.jp URL: http://www.vision.cs.chubu.ac.jp/ TEL:0568-51-9096 FAX:0568-51-1540 〒487-8501 愛知県春日井市松本町1200
- 44. 創造性とは？ • 創造性を明確に定義（参考：JABEE） 基礎的能力 創造力，構想力，問題設定力，継続的に計画し実施する能力 ! 構想したものを図，文章，式，プログラム等で表現する能力! 応用的能力 種々の学問，技術の総合応用能力! 公衆の健康・安全，文化，経済，環境，倫理等の観点から 問題点を認識する能力，それらの問題点等から生じる制約 条件下で解を見出す能力! 社会的能力 コミュニケーション能力! チームワーク力!
- 45. 創造性の評価