ブロックプログラミングの授業計画：8週間のArduinoロボット講座

ロボットプログラミングとは、ボードが周りの状況を感じ取り、判断し、何かを動かせるようにするプログラムを書くことです。ボタンや光センサーが感じ取り、Arduinoが判断し、LED、ブザー、モーターが反応します。このサイクルを教室で教えるいちばん簡単な方法は、ブロックプログラミングから始め、生徒がロジックを理解したら同じプログラムの実際のコードに進むことです。この記事は、教師、ロボットクラブ、家庭でワークショップを開く保護者のための、すぐに使えるブロックプログラミングの授業計画です。8週間、週1回40分の授業で、毎回BlueGraysの無料ブロックプロジェクトを1つ中心に据えています。

計画の各週には、目標、BlueGraysの無料プロジェクト、その週に生徒が出会う新しいブロック、そして実際のコードでそれに当たるものがあります。そのあとに、24人のクラス向けの教材リスト、分刻みの授業例、評価用のルーブリック、進みの速いグループと遅いグループへの工夫、ハードウェアなしでシミュレーターを使う方法、安全上の注意が続きます。計画はArduino Unoを中心に組み立てており、Raspberry Pi PicoとMicroPythonの週を任意で追加できます。

ロボットプログラミングとは？なぜブロックから始めるのか

ロボット講座と聞くとすぐにロボットカーを思い浮かべがちですが、どのロボットも同じ3つの仕事の上に成り立っています。感じ取る、判断する、動かす、の3つです。ボタンを読むのが「感じ取る」、「ボタンは押されている？」と問うのが「判断する」、LEDを点けたりブザーを鳴らしたりするのが「動かす」です。LEDとボタンでこの3ステップを理解した生徒にとって、同じロジックをモーターや距離センサーに移すのは、ほとんど部品を入れ替えるだけの話です。そのためこの計画はモーターではなくLEDとボタンから始め、最終週にHC-SR04距離センサーでロボットの「目」にたどり着きます。

なぜブロックから始めるのでしょうか。10〜14歳の生徒にとって、最初の授業の最大の敵はセミコロン、波かっこ、大文字と小文字の区別です。生徒はプログラムが何をするかではなく、なぜコードがコンパイルできないのかを考えることになってしまいます。ブロックならこうしたエラーがなくなり、注意がまっすぐロジックに向かいます。ただし、ブロックにとどまることが目的ではありません。現実の世界では、ArduinoはC++で、PicoはMicroPythonでプログラムします。BlueGraysのブロックはまさにこの橋渡しのために作られています。各ブロックは、ボードに書き込まれる実際のコードの1行と1対1で対応しています。生徒はまずブロックを読み、次に同じプログラムのコードを見て、各ブロックを対応する行と結びつけます。すべてのブロックプロジェクトとその仕組みはブロックプログラミングのページで見られます。

8週間のブロックプログラミング授業計画

各授業は40分、2〜3人のグループを想定しています。表のプロジェクトはブロックもコードも含めてすべてBlueGraysで完全に無料なので、生徒にプレミアムは必要ありません。順番には意図があります。まず出力（LED）、次にタイミング、変数、繰り返し、続いて入力（ボタン）と条件、状態の保持、アナログセンサー、配列とループ、最後に音と距離です。毎週、前の週の内容に新しい考え方を1つだけ加えていきます。

計画を進めるときは、授業の最後に生徒が値を1つ変えることをルールにしてください。第1週では、LEDの点滅の100 msの待ち時間を1000 msにするとLEDがゆっくりになるのを見ることで、最初の授業から「プログラムを動かしているのは自分だ」という感覚が得られます。第3週では、LEDの警察車両風点滅の変数delayTimeを60から200に上げると、1つの数値が6つのブロックに一度に影響することがわかります。変数がなぜ存在するのかを説明するいちばんの近道です。第6週では、LDRで作る常夜灯のしきい値50を教室の明るさに合わせて調整することで、センサーの値が環境によって変わることを学べます。第7週では、速度調整できる流れるLEDのために各グループに10 kΩのポテンショメーターを配ってください。LEDの速さを手で変える場面は、たいていその週でいちばん盛り上がる瞬間になります。

24人のクラス向けの教材リスト

24人の生徒を3人ずつに分けると8グループになります。予備1つを含めて9キット用意すれば十分です。2人組にする場合は、数を12グループ分に増やしてください。はんだ付けは一切不要で、どの部品もブレッドボードに差し込むだけです。部品を1つずつ買うより、市販のスターターキットの中身をこのリストと比べてみてください。一般的なキットに何が入っているかはArduinoスターターキットのガイドで紹介しています。

授業例：第5週、ボタンでLEDを切り替える

以下は40分の授業の流れで、同じ骨組みを毎週使い回せます。ウォームアップ、ブロックをみんなで読む、予想、回路、実際のコード、値を1つ変える、まとめの質問、という流れです。例には第5週のプロジェクトボタンでLEDの点灯・消灯を切り替えを使います。「プログラムは何かを覚えておける」という考え方は、ロボットプログラミングの大きな転換点のひとつだからです。

1int ledState = 0;     // LED durumu: 0 = kapalı, 1 = açık / LED state: 0 = off, 1 = on
2int lastButton = 0;   // Önceki buton okuması / Previous button reading
3
4void setup() {
5  pinMode(13, INPUT);   // Buton girişi (harici pull-down) / Button input (external pull-down)
6  pinMode(7, OUTPUT);   // LED çıkışı / LED output
7}
8
9void loop() {
10  int button = digitalRead(13);   // Butonu oku / Read the button
11  if (button != lastButton) {     // Buton durumu değişti / Button state changed
12    if (button == 1) {            // Yalnız basış anında (LOW -> HIGH) / Only at the press (LOW -> HIGH)
13      ledState = !ledState;       // Durumu tersine çevir / Flip the state
14      digitalWrite(7, ledState);
15    }
16    delay(50);                    // Sıçramayı atlamak için kısa bekleme / Short wait to skip the bounce
17    lastButton = button;          // Bu okumayı sakla / Store this reading
18  }
19}
20

ブロックとコードを並べると、対応関係はとてもはっきりしています。「グローバル変数（最初に宣言）」の中にある2つの「宣言：整数（int）」ブロックがコードの最初の2行で、「セットアップ（1回だけ実行）」はsetup()に、「ずっと繰り返す」はloop()になります。「buttonに（ピン13を読み取る）を代入」ブロックはint button = digitalRead(13)の行、「≠」の比較は!=、「ledStateではない」は!ledStateです。予想の段階では、ほとんどのグループが「ボタンを押し続けるとLEDが点滅する」と答えます。ところが試してみると、LEDは1回しか変わりません。外側の「もし」はボタンの状態が変わったときにしか実行されないからです。間違った予想が正される瞬間こそ、授業でいちばん学びの多い1分間です。delay(50)を0にすると、押しても2回反転して何も起きなかったように見えることがあると気づきます。これはボタンのチャタリングを説明する絶好のきっかけになります。ボタンがなぜ10 kΩを通してGNDにつながっているのか気になるグループには、Arduinoに押しボタンをつなぐ方法のガイドを見せてあげてください。

授業でBlueGraysを使う方法

• プロジェクトを開く：生徒は自分のスマートフォンやタブレットでその週のプロジェクトを開きます。プロジェクト一覧の「ブロック」バッジがブロックプロジェクトの目印で、絞り込みでブロックプロジェクトだけを表示することもできます。どのプロジェクトにも部品リストと回路図が付いています。
• 「ブロックで表示」：コード欄でこのスイッチをオンにすると、コードが同じプログラムのブロックに置き換わります。画像をタップすると全画面で開くので、プロジェクターでみんなで読むのに最適です。ブロックはアプリの言語で表示されます。
• 「ブロック解説」：このタブではプログラムをステップごとにたどり、各ステップのブロックとその働きだけを表示します。時間が必要なグループにとっては、指導補助のような役割を果たします。
• 実際のコードに切り替える：スイッチをオフにすると、同じプログラムのコードが表示されます。生徒はそれをArduino IDE（PicoならThonny）にコピーしてボードに書き込みます。
• 「コードガイド」：digitalWrite、if/else、forなどのコマンドの例がここにまとまっていて、どの例もブロックでも見られます。生徒はコマンドを忘れたとき、先生に聞く前にここで確認する習慣が身につきます。
• 「今日のクイズ」：A1〜C2のレベル別に1日5問出題され、週間ランキングとバッジもあります。授業と授業の間に、1日数分の復習として勧めてみてください。

ハードウェアがない？シミュレーターで教える

キットがまだ届いていない場合やオンラインで授業をする場合は、Tinkercad CircuitsやWokwiのようなブラウザで動くシミュレーターがよい代わりになります。どちらにもArduino Uno、ブレッドボード、LED、抵抗、ボタンのほか、さまざまなセンサーがそろっています。画面上で回路を組み、プロジェクトの実際のコードを貼り付けて動かします。流れは同じで、生徒はBlueGraysでブロックを読み、コードをシミュレーターに貼り付け、値を変えて結果を見ます。Tinkercadには独自のブロックエディターもあるので、最初の数週間をすべてそこで進める先生もいます。それでも、本物のLEDが点くのを見たり、ブレッドボードにワイヤーを差したりする体験はやる気を大きく高めます。シミュレーターはハードウェアの代わりではなく、ハードウェアの前段階として使うほうがうまくいきます。準備と最初の回路については、TinkercadでArduinoをシミュレーションとWokwiシミュレーションのガイドを参照してください。

評価：ブロックプログラミング授業のルーブリック

ロボットの授業では、結果と同じくらい過程が大切です。LEDを点けたグループと、なぜ点かないのかを突き止めたグループは、同じことを学んでいる可能性が十分にあります。下のルーブリックは、1回の授業で1つの観点に絞って使うと楽になります。8週間が終わるまでに、6つの観点それぞれについて全生徒を少なくとも1回ずつ観察できれば十分です。まとめの質問の答えも表に反映させます。

進みの速いグループと遅いグループへの工夫

• 速いグループ、追加課題：信号機のコードに4つ目のフェーズ（たとえば赤と黄を同時に点灯。日本の信号機にはない表示です）を加えたり、実際の交差点に合わせてタイミングを計算し直したりします。Arduino IDEで自分でコードを変更し、ブロックは参考として使います。
• 速いグループ、組み合わせ：第8週に、HC-SR04で距離を測定（シリアルモニタ表示）とブザーの使い方を1つのプログラムにまとめ、距離が20 cmを下回るとブザーが鳴る簡単な駐車センサーを作ってみましょう。これは、ブロックを読む段階から自分のコードを書く段階への最初の本格的な一歩です。
• 速いグループ、プラットフォームの切り替え：PicoがあるグループはPicoで外付けLEDを点灯プロジェクトを開き、MicroPython版を第1週のC++のコードと比べます。
• 遅いグループ、組み立て済みの回路：あらかじめ組んだ回路を配るか、回路図を大きく印刷して机に置きます。これらのグループは、ブロックを読むことと予想することに時間を使います。
• 遅いグループ、ステップごとに：「ブロック解説」タブでプログラムをたどらせ、各ステップの最後に何が起きるかを1文で言ってもらいます。その日は値を1つ変えられれば、目標として十分です。
• 組み合わせの工夫：どのグループにも少なくとも1人「読み上げ係」がいるようにします。配線は速いが読むのが遅い生徒と、その逆の生徒を組ませると、2人とも伸びます。

ブロックからテキストへ：いつ、どう移行するか

移行する週は決まっていません。適切なタイミングは、生徒がブロックを見て、実行する前にプログラムが何をするかを言えるようになったときです。この計画では、ほとんどのクラスが第4週か第5週にその段階に達します。とはいえ、コードとの出会いは初日から始まっています。毎回の授業で実際のコードをボードに書き込むので、生徒は第1週からsetup()、loop()、digitalWrite()の行を目にしているからです。移行は「ブロックを見て、コードを書き込む」から「コードを読み、必要ならブロックで確かめる」へと少しずつ進みます。次の手順を踏むと、この移行がスムーズになります。

1. ブロックとコードを並べ、各ブロックに対応する行をみんなで探します（第1〜3週）。
2. ブロックを隠してコードだけを読み、プログラムが何をするかを予想します。そのあと「ブロックで表示」で確かめます（第4〜5週）。
3. コードの中だけで値を変えます。待ち時間、ピン番号、しきい値などです。コンパイルエラーが出たら、最初の行を読みます（第5〜6週）。
4. 新しいコードを1行書きます。たとえば流れるLEDの配列にLEDを1つ追加し、ループの上限を6から7に上げます（第7週）。
5. 2つのプロジェクトを組み合わせて、自分だけの小さなプログラムを作ります。行き詰まったら「コードガイド」の例とブロックを確認します（第8週以降）。

安全のためのヒント

「ブロックからコードへ」シリーズのまとめ

• 第1回：ブロックプログラミングとは？、そしてブロックのプログラムが実際のコードにどう変わるのか。
• 第2回：ブロックプログラミングでLEDを点滅させる：最初のプログラム、ブロックとC++を並べて。
• 第3回：ifブロックとボタン：条件と、それに対応するif/else。
• 第4回：ループと変数：「ずっと繰り返す」とloop()、カウントとfor、配列、カウンター。
• 第5回：ブロックでセンサーを読む、そしてMicroPythonへ：シリアルポート、LDR、HC-SR04、Pico。
• 第6回：この記事。これまで学んだことを、教室で使える8週間のブロックプログラミング授業計画にまとめています。

これでシリーズは完結です。教室で始める前にもう一度ロジックを復習したい場合は、ブロックプログラミングとは？から読み直してください。計画にあるプロジェクトはすべて、BlueGraysアプリで回路図、部品リスト、コード付きで見られます。「ブロックで表示」で同じプログラムのブロック版に、「ブロック解説」でステップごとの解説に切り替えれば、プロジェクターを使って授業を楽に進められます。