今回の授業の組み立てについて、技術科の渡邉隆昌先生にご説明いただきました。

中学校の技術・家庭科で行うプログラミングは、計測・制御、つまりものを動かすためのプログラミングが中心です。そのため本校では特にアセンブリ言語を重視しており、最初に論理回路を深く学んでいます。具体的には、まずディジタルIC実験ボードを使って、いわゆる「0・1の世界観」による二進数演算の仕組みと、配線がどのようにつながるかを学びます。その後、4bitコンピュータのプログラムを作ります。ここで行うのはLEDの点滅、7セグメントによる数字の表示、ブザー音など単純な動作の組み合わせですが、実は活動そのものの難易度としては相当高いものです。本校の生徒は、基本的にこういった手応えのある問題にチャレンジするのが好きなので、頑張って食いついてきます。

このように初めにアセンブリ言語と4bitコンピュータのプログラミングを学んでから高級言語によるプログラミングを学ぶというのが本校のカリキュラムの特徴です。

高校の情報科でもand/or/notなど論理回路の基本的な部分には触れますが、流れとしてアセンブリまで詳しく学ぶことはできません。その意味で、よりハードに近い論理回路からスタートしているのが、技術科としての特徴を生かしていると思います。さらに、論理回路を順序立てて考えていくことは、プログラミングの1行ごとの意味を考え、「言語」として理解することにつながります。

技術科の中の流れで言えば、中学2年の3学期にダイオードを使って半導体の仕組みを学んでいます。これは技術科の4領域では「エネルギー変換」で扱う内容です。これが3年生の論理回路につながっていきます。

一方、他教科との連携で言えば、中学2年の2学期に物理で電気を学んでおり、これが今お話しした半導体の内容と関連していますが、物理では理論的な部分を、技術科ではより実用的な部分を担う、という形で棲み分けています。このことは先生同士で特に申し合わせているわけではありませんが、生徒たち自身はわかっているようです。いわば阿吽の呼吸といったところです。

1週間後、VBを使う2回目の授業がライントレースカーを用いた計測・制御のプログラミングです。この授業でも制御する環境としてはMicrosoft Imagineを用い、Visual Basicで制御モジュールを操ります。

ここで使うライントレースカーは、単に車を動かすだけでなく、制御モジュールの内部構造がどのような仕掛けになっていて、どのようにプログラミングされてきたかをより深く学ぶために、同校の先生方が外部の企業やアドバイザーと協力して、約10年をかけて開発してきたものです。昨年度の「テーマ学習」では10人で行っていたものを、今回はクラス全員が一斉に行います。

最初に「知識編」としてVB、Microsoft Imagine、Visual Studioなど開発環境と、今回使うライントレースカー(WR-LTC2M)の構造について説明されました。特にライントレースカーについては、センサ、アクチュエータ、インタフェース、LED、可変抵抗器などの各部位の役割を丁寧に説明し、車の動きに対してどこが・どのような役割をするのかを確認した上でプログラミングに入っていました。

その後、VS、VBを立ち上げてプログラミングに入ります。前回同様、「フォーム」「プロパティ」「ツールボックス」だけを開いてプログラムを記述していきますが、授業全体を通して「前回と同じように」ということを意識させる言葉かけがされていました。

今回の授業は、「順次」「反復・分岐」を順番に経験しながらライントレースカーの動きを制御する流れとなっています。

ツールボックスから制御モジュールのアイテムを選択し、フォームに貼り付け、ボタンで「前進」を作ってプログラム画面にコードを打ち込んでいきます。

前進では、下記のプログラムの右モータをOn、左モータをOnにします。

　Ltc1.RightMotorOn()

　Ltc1.LeftMotorOn()

同様にして、「停止」も作ります(→右モータ、左モータともにOff)。しかし電源を入れてもそのままでは動きません。左右のモータの( )に速度を指定する数値(0～255)を入れなければならないことを示して、プログラムの単語や記号一つひとつがどのような意味を持ち、それらを組み合わせた命令が機器の動きにどのように反映されるかを確認します。

このあと「右折・左折」「速度を変える」は、サンプルプログラムをコピペしたものを使い、自分たちでコードのどこを変えればよいかを考えて改変していきます。さらに、「後進」や「回転」も前進や左折・右折のプログラムから工夫して作ります。

先生からは随時ヒントが与えられますが、生徒たちの作業を見ていると手当たり次第にいじるのではなく、プログラムのどこを変えたらよいかという点についてある程度目処を立てて変えてみる、ということがうかがわれました。

次の課題は「黒のラインまで進む」で、ここからは分岐や反復が入って来ます。

ここでもまず「黒まで前進」のボタンを作り、黒と白を判断する閾値を指定するプログラムを設定して、センサが黒のラインを感知したらそこで車を止めるプログラムを作っていきます。

※右センサーが黒と判断した場合、左右モータを止める。

　それ以外は前進する。10秒間動作する。

この授業も生徒が一人1台のライントレースカーを使って行います。以前は二人で1台で行っていましたが、学習に対しての責任が生れるという点で、やはり一人1台の方がよいとのことです。活動の中でも、理解や興味に合わせて(時に失敗しながら)どんどん工夫を加えていく生徒もおり、学びを深めるという点で確かにこの方が有効であることが感じられました。

これは、先に述べたように、トラブルが発生したりわからないところが出てきたりした場合にも、生徒が先生に頼らずまず自分で、それから周りに訊いて解決するという姿勢が身に付いているからこそ、できることでもあるのでしょう。先生ご自身も改良を加える中で、生徒が失敗しやすいポイントを判断できるようになられたそうです。

プログラミングはほとんど未経験でありながら、2週連続で総和の計算とライントレースカーという、全く違う素材を使ってプログラミングをするのはたいへんではないかと思われましたが、生徒たちは思い思いのやり方で楽しみながら取り組んでいました。生徒たちに話を聞きました。

「4bitコンピュータ→フローチャート→プログラミングと進んできましたが、プログラミングはif、then、else…という『言語』なので、分岐を入れるとどう進むかなど、フローチャートで書いていたものを言葉に置き換えるとこうなるんだな、ということがよくわかりました」(プログラミング未経験)。

「今までプログラミングは難しそうだと思って敬遠していましたが、明確な論理があることがわかり、勝手な思い込みだったことがわかりました。プログラムに使う英単語は限られているし、これがもし英語であれば一つの単語にいろいろな意味があるけど、プログラミングの時は一対一対応なので、覚えてしまえばむしろ簡単だと思いました」(プログラミング未経験)。

「今まで4bitコンピュータでは、できることが限られていて、その中で何とかやりたいことをやるという感じだったけど、VBを使うことで、やれることが一気に広がった感じがして気持ちよかったです。逆に、VBから始めていたら、機能が多すぎて使いこなせなかったかもしれません。4bitコンピュータを経験していたことで、どこまで単純化させればいいかという勘がつかめたように思います」(Scratchの経験あり)。

「小学生の時にScratchをやったことがありましたが、その時は絵を動かしたり、ゲームを作ったり

しただけで、何が・どのようにつながっているというところまでは考えていませんでした。プログラムを言語で書くことでつながりがよくわかり、Scratchがどのようにアレンジされていたかが見えてきました」(Scratchの経験あり)。

御校のように学力の高い生徒にプログラミングを教えるとき、どのような工夫をなさっていますか。

プログラミングはある意味限界がありませんから、授業の中で扱うのであれば、先に進むことよりも、どのタイミングで工夫させるかということを、いかにうまく配置していくか考えるのが工夫のしどころだと思います。

今回の計算のプログラミングの内容であれば、生徒が「もっとできるかもしれない」と感じるのは、ある意味当然かもしれません。実際、計算のプログラミングはHello worldの次に易しいので、2つ3つのテキストボックスを使った記述の方法を理解できれば、ほとんどの計算のパターンを作るのは可能です。しかし、授業の中でそこまでやってしまう必要はなく、できる子はそのあと自分でどんどんやればよいのです。

また、本校の生徒はモノを制御するということに興味や関心はあっても、実際の経験がないためにわからない、ということがよくあります。ですから、授業ではきっかけを作ってあげればよいと思います。わずか2時間での経験であっても、やったことは大きな違いとなると思います。

ただ、本校は高校から入学してくる生徒もいます。彼らはこのような経験をしてきていませんので、高校入学時にある程度調整することは必要です。これについては、高校の情報科のカリキュラムの見直しに合わせて進めています。

今後小学校でプログラミングを学んだ生徒が入ってくるとき、中学校・高校のプログラミングではどのような配慮が必要でしょうか。

ブロックプログラミングもコードを書くのも、パッケージになってカバーがかけられているのか、中身が見えているのかだけの違いで、プログラミングとしての考え方は同じです。ただ、今後小学校でプログラミングを学んでくるようになると、中学校・高校ではこのパッケージをいかに紐解いて中身を見せてあげるかが重要になってくるのではないかと思います。micro:bitも、ブロックプログラミングだけでなく、MakeCodeエディターを用いてJavaScriptに変換できるようになっていますから、小学校でブロックプログラミングをやってきたのであれば、中学校ではJavaScript（コード）という使い分けも可能ですよね。

このライントレースの開発を最初に始めた10年前は、プログラミングと言えばブロックプログラミングかCかの選択肢しかありませんでした。中学生にCは難しいので、VBを使って彼らのレベルに合わせたものを自分たちで作りました。現在は、GUI(Graphical User Interface)側の裾野が大きく広がっていますが、VBを使うことには自分なりのこだわりを持っています。

4bitコンピュータとVBを学ぶ手順は実はほぼ同じで、簡単なプログラムを少し書き換える、つまりどこのアドレスにあるものをどのように改変するか、という形で学んでいきます。この点は、生徒たちは意識していないかもしれませんが、ブラックボックスの内部の仕組みをどのように考えるかという経験は必ず生きて来ます。

4bitコンピュータは、単純なだけにできることが限られているので、自分が作りたい動きを表すためには、持ち駒をどのように使ったらよいかを順序立てて考え抜く必要があります。思考としては相当ハイレベルです。VBは4bitに比べるとできることがたくさんありますが、4bitで苦労したからこそ、あのようにスムーズに取り組めると思います。最初からVBでやっていたら、かえって使いこなせなかったでしょう。

この技術科の授業が終わった後のコンピュータ室では、生徒たちが部活の資料作りをしたり、他教科でパソコンを使う作業の続きをしたり、「工芸」の授業のCADを使った作品の仕上げをしたり、とそれぞれの課題に取り組んでいました。学年ごとのレベル差が大きい中学・高校時代に、異なる学年の活動を自然に垣間見ることができる場を設けることは、技術面でもモチベーションを上げる意味でも重要であることを感じました。

今回の授業は、2学期の期末試験の直前の時期でした。それでも昼休みの教室の生徒たちは、寸暇を惜しんで勉強するというよりは、文庫本に読み耽ったり、カードゲームをしたり、黒板を全面使ってハイレベルなクイズを出し合ったりしていました。渡邉先生がおっしゃった「教養主義」は、授業以外の場面でも垣間見られました。

自分たちで学ぶことができる生徒たちに、プログラミングという絶好の思考の訓練となる場をどのように与えていくか、その授業をどのように設計していくかというたいへん貴重な事例を見ることができました。