Arduinoの授業で個に応じた指導：3段階の課題、1つの授業

Arduinoの授業で個に応じた指導をするといっても、3つの別々の授業を準備する必要はありません。クラス全員が同じプロジェクトを作り、そのプロジェクトを3つの段階に分けます。基本段階ではプロジェクトを動かして値を1つ変え、発展段階ではプロジェクトに新しい動作を加え、上級段階ではプログラムの構造そのものを変えます。どの生徒がどの段階から始めるかは、最初の授業で行う10分間の事前診断で決めます。グループも固定せず、授業の場面に合わせて変えます。こうすると、コードを見たことがない生徒は授業の終わりに動く信号機を手にし、ロボットを作ったことがある生徒は同じ信号機をdelay()を使わずに書き直すことに取り組み、しかも2人とも同じ回路について話し合えます。

この記事では、このテンプレートのすべての要素を紹介します。事前診断のための3つの質問と1つのミニ課題、得点を段階に変換する表、BlueGraysの無料プロジェクト4つ分の基本・発展・上級の課題、4つのグループ分けの方法がそれぞれどんなときに役立つか、早く終わる生徒向けの発展課題メニュー、支援が必要な生徒向けの足場かけ（スキャフォールディング）のリスト、全員をそれぞれの段階から評価する考え方、そして1分単位の40分の授業の流れです。例はすべて同じ前提に基づいています。生徒24人のクラス、Arduino Unoのキット12セット、ペア学習、40分の授業です。クラスの運営（キットの箱、ヘルプの順番待ち、片付け）は「大人数のクラスでArduinoを教える」の記事で、毎週のテーマの順番は「8週間のロボットプログラミング授業計画」で紹介しました。ここでは、同じ授業をさまざまなレベルに開く方法だけに絞ります。

Arduinoの授業で個に応じた指導とは何か、何ではないか

個に応じた指導とは、全員が同じ目標に、異なる道筋で、異なる深さまで到達することです。Arduinoの授業での目標は、たいてい1つの考え方です。デジタル出力、タイミング、条件分岐、アナログ入力などです。信号機の授業の目標が「命令の順番と時間がプログラムの動作を決める」という考え方なら、基本段階の生徒はdelay()の値を1つ変えることで、上級段階の生徒はmillis()でタイミングを組み直すことでそれを学びます。どちらも同じ考え方を学んだことになり、一方は表面で、もう一方は深いところで理解しています。個に応じた指導で変えられるのは3つです。課題そのもの（何をするか）、支援（どれだけ手助けがあるか）、成果物（学んだことをどう示すか）です。この記事のテンプレートは、この3つを組み合わせて使います。

次のようなものは個に応じた指導ではありません。早い生徒に同じ作業をもっと多く与えること（LEDを5個ではなく10個点灯させるのは深さではなく、時間がかかるだけの同じ課題です）、遅い生徒をもっと簡単なプロジェクトに回すこと（そうするとクラスで同じ話題を話せなくなります）、1年中、生徒を「できないグループ」「できるグループ」とラベル付けすることです。Arduinoではこのラベルは誤解も招きます。スキルは回路を組む、コードを読む、デバッグするという3つの別々の筋で伸びるからです。ロボットを作ったことがある生徒は目をつぶってでも回路を組めますが、コードを一度も読んだことがないかもしれません。回路を見たことはなくても学校でPythonの授業を受けた生徒は、誰よりも先にifブロックを理解するかもしれません。だからこそ段階は生徒ではなく課題に与えるものであり、生徒はどの授業でも1つ上の段階に進めます。

最初の授業で行う10分間の事前診断

事前診断は成績のためではなく、最初の週の課題を割り振るためのものです。生徒にも最初にそう伝えてください。個人で紙に書いて行うので、ペアで作業する生徒が互いの陰に隠れることを防げます。全体で10分かかり、授業後に24枚の用紙を採点するのにおよそ10分かかります。各項目は0、1、2点で、合計8点満点で評価します。

1. 概念の質問（2分）：「ArduinoにLEDをつなぐとき、なぜ間に抵抗を入れるのですか？」電流を制限するためと答えた生徒は2点、「LEDが壊れないように」のような半分の答えは1点、空欄は0点です。
2. コード読解の質問（2分）：黒板に4行を書きます：digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); delay(1000); 質問：「このコードは何をしますか？delay(1000)の代わりにdelay(200)と書くと何が変わりますか？」両方を正しく説明できれば2点、片方だけなら1点です。
3. 経験の申告（1分）：「これまでに何を作ったことがありますか？」何もなければ0点、ブロックプログラミングやキットの手順どおりのプロジェクトなら1点、自分でコードを書いたり変えたりしたプロジェクトなら2点です。
4. ミニ課題（4分）：2つの間違いがあるLED回路の図を印刷して配ります。LEDが逆向きで、抵抗が抜けています。生徒は間違いを丸で囲み、直し方を書きます。両方見つければ2点、1つなら1点です。
5. 回収（1分）：用紙を回収します。次の授業まで誰にも得点を伝えないでください。段階は最初の授業で、段階カードを使って目立たないように配ります。

紙での診断は、BlueGraysの2つの機能で補えます。1つ目は今日のクイズにあるレベル判定テストです。この15問のテストは、生徒を6つのレベルのどれかに振り分けます（A1はじめの光、A2回路の作り手、B1センサーの探究者、B2プロジェクト開発者、C1システム設計者、C2工房の達人）。大まかな対応として、A1〜A2を基本段階、B1〜B2を発展段階、C1〜C2を上級段階とみなせます。2つ目はプロジェクトさがしの3つ目の質問どのくらい経験がありますか？です。3つの選択肢（初めて作ります、いくつか作ったことがあります、自信があるので挑戦したいです）はほぼそのまま3つの段階に対応し、生徒が自分をどう見ているかがわかります。どちらも最初の授業の前に宿題として出せます。その結果と紙の得点の差から、誰をよく観察すべきかがわかります。レベル判定テストの問題とレベルの仕組みは「今日のクイズ」の記事で詳しく説明しました。

同じプロジェクト、3つの段階：無料プロジェクト4つで作るテンプレート

テンプレートのルールはシンプルです。基本段階はプロジェクトを動かし、値を1つ変えて結果を観察します。たいていの場合、これはプロジェクトのコードを理解タブにある自分で試すの課題です。発展段階はプロジェクトに新しい動作を加えます。ボタン、LED、条件、シリアルモニタへの出力などです。上級段階はプログラムの構造を変えます。delay()の代わりにmillis()を使う、繰り返しの行の代わりに配列とループを使う、2つのしきい値の間で状態を保持する、といったことです。下の4つのプロジェクトは、回路図、コード、ブロック、「コードを理解」まで、BlueGraysで完全に無料です。クラスのどの生徒もプレミアムは必要ありません。

この表は段階カードとして使ってください。各プロジェクトの3枚のカードをA5の紙に印刷し、各ペアには自分の段階のカードを渡しますが、ほかの2枚も机の中央に置いておきます。基本カードを終えたペアは、自由に発展カードを手に取れます。上級カードで苦戦しているペアも、自由に発展カードに戻れます。それは失敗とはみなしません。発展段階の歩行者用ボタンの課題の回路とコードの詳細は「Arduinoで信号機」の記事を、上級段階の土台となる処理を止めないタイミングは「millis()とdelay()の違い」の記事を参照してください。すべての段階は同じ基本回路の上に作られます。そのためクラスでは1つの回路図について話し合え、上級段階の生徒は基本段階の友だちに「ほら、きみが変えたdelay()の行が、こっちにはないんだよ」と言えます。

グループ分けの方法：どれを、いつ使う？

さまざまなレベルの生徒がいるクラスでは、1つのグループ分けの方法だけでは授業全体をまかなえません。柔軟なグループ分けでは、授業の場面に合わせてグループを変えます。新しい概念を紹介するときは混合グループで互いに説明し合い、段階別の課題では同じくらいのレベルのペアが自分のペースで進み、授業の最後にはエキスパートが教室を回ります。下の表は、4つの方法がどこで役立ち、どこで逆効果になるかをまとめたものです。

ペアプログラミングはArduinoの授業にとてもよく合います。作業に2つの手があるからです。1人が回路とArduino IDEを扱っている間、もう1人はスマホでプロジェクトの回路図とコードを開いておきます。ナビゲーターは「赤いLEDの長い足はD2の列に」「loopの最後のdelayを見て」と道案内し、ドライバーがそれを実行します。10分ごとに役割を交代すれば、混合ペアの基本段階の生徒がキーボードに一度も触らずに授業を終えることを防げます。グループは最初の事前診断の後に組みますが、生徒がどの色のカードを手に取っているかを見ながら、2〜3回の授業ごとに組み直してください。1つ上のカードに進んだペアは、次の授業で新しい相手と始められます。

早く終わる生徒のための発展課題メニュー

早く終わった生徒に「友だちを手伝ってあげて」と言うのは簡単ですが、それだけでは発展課題になりません。その生徒も、その授業で何か新しいことを学ぶべきです。発展課題メニューがあれば、生徒は終わった瞬間に何をすればいいかがわかり、先生のところへ来る必要がありません。メニューは黒板の隅か、上級段階のカードの裏に書いておきましょう。

• ヒントなしで「自分で試す」：各プロジェクトのコードを理解タブの最後にある自分で試すの課題を、ヒントと解答を表示のボタンに触らずに解き、自分の解答をアプリの解答と比べます。その後、同じプロジェクトで友だちのための新しい課題を書きます。課題の仕組みは「「コードを理解」のガイド」の記事で説明しました。
• コードガイドのカード：コードガイドのmillis()、配列、tone()などのカードは、上級段階の課題の土台になります。各カードの最後にはミニテストとプロジェクトで確認の欄があり、生徒はその命令を、やさしい順に並んだほかのプロジェクトでも確認できます。ガイドの構成は「コードガイドの記事」にあります。
• プレミアムのプロジェクトへ：無料のプロジェクトを終えた生徒の次のステップは、センサー、ディスプレイ、モーターを使うプレミアムのプロジェクトです。そのために生徒が自分のカードやサブスクリプションを持つ必要はありません。下で説明する教育者向けコードを1つ使えば十分です。
• 自分のプロジェクトを設計する：2つの無料プロジェクトを組み合わせたプロジェクトを設計させます。たとえば信号機とLDRで作る常夜灯を組み合わせると、夜になると黄色が点滅する信号機ができます。生徒はまず紙に目的、部品リスト、ピン表、テスト計画を書き、それから組み立てます。生徒は完成したプロジェクトを、写真とコードを付けて学ぶ > フォーラム > 新しい投稿からチュートリアルのトピックとしてシェアできます。トピックは誰でも見られる公開のもので、クラス専用にはなりません。
• メンター役：エキスパート席に座ることはご褒美ではなく、役割です。メンターは質問と説明をするだけで、配線には触りません。ある授業はメンター役で、次の授業は自分の上級課題で過ごすようにすると、早い生徒は説明することと実際に作ることの両方で成長できます。
• 昇級の目標：今日のクイズでは、生徒の進捗率が100%に達し、そのレベルで十分な数の問題を解くと、昇級試験のロックが解除されます。10問中9問正解すると1つ上のレベルに進みます。学期の初めに「レベルを1つ上げる」という目標を立てると、授業の外でも続く発展課題になります。

数人の早い生徒にプレミアムのプロジェクトを開放するために、クラス全員分のコードを買う必要はありません。プロフィールの教育者向けパッケージ画面には、5個、10個、50個のパックがあり、それぞれ月額と年額を選べます。支払いは1回限りで、自動更新されません。生徒はAppleやGoogleのアカウントにカードを登録せずに、コードを利用画面でコードを入力してプレミアムになります。未使用のコードに有効期限はなく、マイコード画面で誰がどのコードを使ったかを確認できます。年額パッケージのコードは1つにつき6回、月額パッケージのコードは1回の移行権があります。学期の途中で必要な生徒が変わったら、使用済みのコードを取り消し、残りの期間で新しいコードを作れます。10個パックは5個パックより、生徒1人あたりの費用が約20%安くなります。お住まいの国の最新の価格は同じ画面で確認できます。1つだけ、生徒に最初に伝えておいてください。コードを利用した生徒の名前、ユーザー名、メールアドレス、プロフィール写真は、コードを渡した教育者と共有されます。パッケージの詳細は「授業向けのまとめ買いプレミアムコード」の記事で説明しました。

支援が必要な生徒：目標ではなく負担を減らす

支援が必要な生徒のための目的は、もっと簡単なプロジェクトを与えることではありません。同じプロジェクトで同じ考え方にたどり着くまでの道のりから、不要な負担を取り除くことです。回路を見たことがない生徒が、最初の授業でブレッドボードの内部の接続、LEDの向き、Arduino IDEでのポートの選び方、そしてコードを一度に学ぼうとすると、授業が終わったときには何ひとつ身についていません。足場かけとは、こうした負担のいくつかを先生が一時的に引き受けることです。生徒が進むにつれて、足場を1つずつ外していきます。

• 組み立て済みの回路：基本段階のペアには、回路を組み立てた状態で渡すか、ブレッドボードの部分だけができている途中までの回路を渡します。そうすれば最初の15分が配線で終わらず、生徒の力は「どの行が何を変えるのか？」という問いに向かいます。2回目の授業では回路の半分を、3回目では全部を自分で組みます。
• 「ブロックで表示」と「ブロック解説」：プロジェクトページのブロックで表示のスイッチを入れると、同じプログラムがブロックで表示されます。オンの間はコードを理解タブがブロック解説に変わり、プログラムをブロックごとに、ステップごとに説明します。ブロックは読むためのもので、ボードに書き込むのはあくまでプロジェクトの実際のコードですが、「もし value < 50」のブロックを読んだ生徒は、コードの中のif (value < 50)の行を難なく見つけられます。
• ステップカード：回路と課題を5〜6枚のカードに分け、1枚に1つのステップを書きます。「赤いLEDの長い足をD2の列に挿す」「330 Ωの抵抗をLEDの短い足とGNDの列の間に入れる」などです。生徒は終わったらカードを裏返します。カードは進み具合を目に見えるようにし、「次は何をすればいいの？」という質問を減らします。
• 「一緒に作りましょう」モード：アプリの一緒に作りましょうモードは、プロジェクトを4つのステップに分けます。部品を準備、回路を組む、コードを書き込む、動作させてテストです。このモードでは画面が点灯したままになり、生徒は中断したステップから続けられます。スマホを机に置いておく基本段階のペアにとっては、既製のステップカードのように使えます。モードの詳細は「スマホで初めてのArduinoプロジェクトを作る」の記事にあります。
• 短い目標：40分を3つの小さな目標に分けて黒板に書きます。「1．LEDが順番に点灯する」「2．黄色の時間を変えた」「3．自分の変更を1文で説明した」。目標ごとに印をつけた生徒は、授業の終わりに自分が何を達成したかがわかります。
• 「困ったときは」の欄：コードを理解タブの困ったときはの欄には、よくある症状とその解決方法が載っています。基本段階の生徒に、まずそこを見て、次に友だちに聞き、最後に先生のところへ来るように教えることが、自分で問題を解決するための第一歩です。

基本段階のペアにとって、うまくいった授業は次のようなものです。LDRで作る常夜灯のプロジェクトでは回路が組み立て済みで用意され、生徒はブロックを読んで「値が50より小さければLEDが点灯する」と自分の言葉で言い、しきい値を300にして書き込み、LDRを手で覆ってLEDが前より早く点灯することを確かめ、まとめの質問に「しきい値を大きくするほど、少ない暗さでLEDが点灯する」と書きます。これは上級段階のヒステリシスの課題よりずっと少ないコードですが、同じ考え方、つまりプログラムが測定値を数と比べて判断するということにたどり着いています。次のLDRの授業では、同じペアがシリアルモニタで値を読み、自分でしきい値を選べます。こうして自然に発展段階へ進みます。

公平な評価：全員をそれぞれの段階から評価する

個に応じた授業で全員を同じ基準で採点するのは、2つの点で不公平です。基本段階の生徒はmillis()を書くことがないので低い点になり、上級段階の生徒は少しも苦労せずに最高点を取ります。解決策は、評価を2つに分けることです。1つ目は、どの段階でも同じ過程の観点です。予想してテストする、自分のしたことを説明する、間違いを見つける、です。2つ目は、生徒が自分の段階の目標に到達したかどうかと、最初の事前診断からどれだけ伸びたかです。下の表は、同じ観点が各段階で「目標に到達」の水準ではどう見えるかを示しています。詳しい観点、提出シート、ポートフォリオについては「Arduinoプロジェクト評価のルーブリック」の記事を参照してください。

成績のつけ方の例です。100点のうち40点をどの段階でも同じ過程の観点（予想、説明、デバッグ）に、40点を生徒自身の段階の目標に、20点を伸びに割り当てます。伸びの点数では、生徒が学期中に1つ上の段階へ進んだかどうかと、事前診断で弱かった筋（回路、コードの読解、デバッグ）をどれだけ伸ばしたかを見ます。たとえば、事前診断で2点だった生徒が学期の半ばに発展段階のカードを手に取り始めたとします。その生徒は伸びで満点を取ります。一方、事前診断で8点を取り、学期中ずっと苦労せずに上級段階の課題を終えた生徒は、新しいことに挑戦したとき、たとえばメンター役や自分のプロジェクトの設計に取り組んだときにだけ伸びの点数を得られます。学期末には全員が、すべてのプロジェクトの基本段階を自力でできることを共通の土台にしてください。そうすれば、段階が成績の上限にも下限にもなりません。

40分の個に応じた授業の流れ：信号機

下の流れは信号機のプロジェクトを使い、事前診断の後の最初の授業のために作ったものです。事前診断の結果、12ペアのうち5ペアが基本、4ペアが発展、3ペアが上級のカードを受け取ったとします。プロジェクトを読む間は、2つのペアが1つの机に混合で座り（基本のペア1組と、発展または上級のペア1組）、組み立てと段階別の課題では各ペアが自分のキットに戻ります。授業の始まりと終わりは全員共通で、中盤が3つの段階に分かれます。

まとめの質問はどれも1文での答えを求め、次の授業の段階の割り振りを決めます。基本：「delay(2000)の行をdelay(5000)に変えると、どの信号が何秒点灯しますか？」発展：「ちょうど黄色が点灯しているときにボタンを押すと、プログラムはどうなりますか？それはなぜですか？」上級：「delay()を使ったバージョンでは、なぜボタンを押しても反応しないことがあるのですか？」正しく答えた基本段階の生徒は、次の授業で発展カードに挑戦するよう誘います。上級の答えがあいまいなら、その生徒はもう1回の授業、上級カードにとどまります。

• 事前診断の用紙を採点し、各生徒の開始段階を記録済み。
• プロジェクトの3枚の段階カードを印刷し、各机の中央に置けるだけの枚数を用意済み。
• 基本段階のための組み立て済みまたは途中までの回路と、ステップカードを用意済み。
• 発展段階と上級段階のための追加の材料（ボタン、LED、330 Ω、パッシブブザー）をペアごとに取り分け済み。
• 読む場面のための混合の机の組み合わせを書き出し、エキスパート席の上級の生徒2〜3人を決定済み。
• 発展課題メニューを黒板の隅に、短い目標を黒板に書き済み。
• 3つの段階のまとめの質問を別々の紙に用意済み。次の授業の段階の割り振りは、この紙をもとに更新する。

さまざまなレベルの生徒がいるクラスは、うまく組み立てれば問題ではなく資源になります。上級段階の生徒は説明することで理解を深め、基本段階の生徒は同じプロジェクトについて話すことでクラスの一員であり続けます。次の授業を計画するときは、表の4つのプロジェクトのどれかから始めてみてください。どれもBlueGraysアプリで回路図、コード、ブロック、「コードを理解」の欄が無料で使え、段階カードはそこにある「自分で試す」の課題からそのまま作れます。