日本がリードする宇宙開発プロジェクトを高等学校の学びへ

2018年6月、ボストン(アメリカ)においてレゴ エデュケーションシンポジウムが開催されました。世界19ヵ国で行われたLEGO Education Teacher Awardの受賞者である先生方が一堂に会し、ロボットプログラミング教材を活用した各国での取り組みや活動内容を発表されました。

LEGO® Education Teacher Award

LEGO® Education Teacher Awardは小・中・高等学校で行われている、革新的な教育を推進するためのコンテストです。日本の他、アメリカ、イギリス、オーストラリア、ロシア、中国、韓国など19カ国で同コンテストが開催され、各国で選出された先生が米国ボストンに集結し、レゴ®エデュケーションシンポジウムが実施されました。。日本では2018年に初開催され、日本国内の小・中・高等学校の先生からロボットプログラミング教材を用いた授業実践アイディアを募集しました。(応募期間:2018/1/15~2018/3/25)『STEM(Science/科学・Technology/技術・Engineering/工学・Math/数学)教育の実践に重点を置いた理数系人材育成』をテーマとした本コンテストには、日本全国の先生方から創造的で独創的な取り組みの応募がありました。

今回は、日本の受賞者である神奈川大学附属中・高等学校の小林道夫先生にレゴ®エデュケーションシンポジウム会場にてお話を伺いました。

宇宙開発プロジェクトを実現させるためのPBL

小林先生は、宇宙エレベーターをテーマとしたPBL(Project Based Learning)の提案と実践をされています。宇宙エレベーターとは、地球と宇宙をテザーと呼ばれる「ひも」でつなぎ、地球から約36,000km上空にある静止衛星まで人や物資を運ぶ夢の乗り物です。小林先生は、ご自身が担当されている高校2年生の授業で、宇宙開発の現状と課題についての講義を行い、解決策を討議、さらには教育版レゴ®マインドストーム®EV3(以下、マインドストーム)で宇宙エレベーターロボットを制作し昇降実験を行っています。

宇宙エレベーターは日本がリードする壮大な宇宙開発プロジェクトです。この授業は、今後宇宙エレベーター開発の担い手になる世代の生徒たちが、宇宙に対し興味・関心を持つのに大きな意味をがあると言います。また、宇宙エレベーターロボットの開発を通して構造やセンサーの働き、プログラムの重要性を学ぶだけではなく、問題解決のプロセスが見えるところに魅力があるとお話下さいました。更にこの授業はメタ認知(自分の状況に対しての客観的な認識)、学習意欲(やる気)、学習方略(効果的な学習方法)の主体的な学び3要素を含んでいます。

生徒自ら問題解決策を見出す授業

授業では、生徒自身が課題に取り組み問題解決をしていくことが重要視されています。最初に基本を教え、問題解決の中で必要な基礎知識を提供していくことで、最初の基本が活きてくるそうです。実際に目の前でマインドストームが動くことが、生徒たちのモチベーションを上げる効果もあり、授業への取り組み姿勢の変化から、学びの吸収にまで影響を及ぼすのだとお話くださいました。

授業の流れ

【STEP1】宇宙エレベーターロボットの構想

宇宙エレベーターはまだ存在しないので、どのような形でどんな動きをするかを自由に考える。アイディアを絵コンテとして描いてみる。次に、より具体化するために、レゴブロックでどのような形になるか作ってみる。

【STEP2】宇宙エレベーターの製作

  1. アイディアがまとまったら、設計し製作に入る。まずは、モータを回転させてベルトを咬みながら昇る仕組みを考える。次にステーションに接触すると降下する仕組みを考える。
  2. タイヤの組み合わせや大きさ、ベルトの挟み方を変えながら作ってみる。必要パーツを搭載すると、かなりの重量があることに気付く。また、前後左右のバランスを考えて設計しないと、ベルトを大きく揺らしながら昇る事になる。
  3.  組立後、試運転へと移る。ベルトの挟み方や咬む強さを変更すると、摩擦力の大きさが変わり、昇るスピードも変わってくることが分かる。また、降下するときも摩擦力やモーターの回転スピードを調節しないと、落下して壊れてしまう。

【STEP3】プログラミング

ロボットを自律走行させるためのアルゴリズムを考え、フローチャートを作り、iPadやパソコンでプログラムを作成する。タッチセンサーや超音波センサーが反応して降下する仕組みを考え、プログラムを作成する。マインドストーム専用のEV3ソフトウェアを使用し、上昇する速度と下降する速度の調整、センサーが働かなかった場合の処理などを考える。

【STEP4】プレゼンテーション、ポスターセッション

製作した宇宙エレベーターロボットの設計の考え方や作品を発表する。構造や試走の様子をできるだけ分かりやすく伝える。この段階で未解決な問題点やこれまでに解決してきた点について説明する。

授業の様子.jpg(授業の様子)

授業での体験が記憶になる

文部科学省は教育現場での『総合的な学習の時間』の重要性を提示しました。この『総合的な学習の時間』では、実社会・実生活から課題を見出し、試行錯誤を繰り返し、他者と協働しながら、最も良いと思われる答えを見出します。この学習にロボットを活用する意義について、小林先生は「授業の中で生徒自ら『楽しい』や『分かった』を体験することが重要であり、その体験は、授業内容を暗記するよりも何倍も記憶に残り、生徒たちの学ぶ意欲にもつながる」と言います。マインドストームはアイディアを自由自在に表現できるだけでなく、失敗を繰り返しながら学習を進めることができるロボット教材なので、失敗し、原因を探って解決していく探究活動に適しているのでしょう。

工学的アプローチが課題解決のカギを握る

今回、ボストンでのレゴ®エデュケーションシンポジウムに参加され、工学教育の重要性を考えるきっかけになったとお話下さいました。世界各国には様々な課題がありますが、どの分野の課題を解決していくにも『工学的なアプローチ』をしていく必要があることを再認識されたそうです。

新学習指導要領においても、プログラミング教育の重要性が盛り込まれていますが、アルゴリズムや言語の習得に終始せず、問題解決のためのプログラミングを考える事が重要とされています。

小林先生は「自動運転車が普及していく中で、今開発されている車は何ができて、どのようなセンサーが装備されているのか、マインドストームでモデルを作って、交通事故や渋滞などの問題を洗い出し、自動運転車に装備すべきセンサーを考えプログラミングすることによって、自分たちで未来の自動運転車を提案することができます。このような取り組みこそがこれから日本の教育に必要です」とお話されました。

参考:

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