プログラミングのできない学者や有識者がプログラミング教育をねじ曲げる – プログラミングの「プ」の字もなかった教科「情報」迷走の轍をふまないために – プログラミング教育の体系化が緊急課題

念のため、本文はあくまでも現場の一教員による私見であることを断っておく。

2003年から教科「情報」が高等学校ではじまったとき「教科『情報』はコンピュータを教える教科ではない」と声高に叫ばれ、そこで台頭してきたのは「なになに情報教育学会」といった新興のステークホルダーである。それは、長年日本のコンピュータ教育をけん引してきた情報処理学会とは異にした流れの、教育学や認知科学分野の学者や有識者によるものだった。当時の雰囲気は「情報処理は情報教育学の単なる一分野にすぎない」といった論調が主流であった。おそらくボタンの掛け違いはここに始まった。このために情報教育はコンピュータやインターネットを正面からとりあげず、普遍的なメディア論やプレゼンテーションやディベート、調べ学習、問題解決学習、共同学習、さらには道徳のような「情報モラル」に偏り、プログラミングの「プ」の字もなく始まった。

2003年にはじまり15年間の迷走を続けた教科「情報」は、ようやく小学校のプログラミング教育をきっかけに本来の目標に立ち戻ろうとしている。だが問題は、教科「情報」がはじまったときと似た現象、つまりプログラミングのできない学者や有識者がプログラミング教育のステークホルダーに居座り続けようとしていることだ。そのため、たとえば文部科学省の調査研究協力者会議「小学校段階における論理的思考力や創造性、問題解決能力等の育成とプログラミング教育に関する有識者会議」では2016年6月16日に出した「小学校段階におけるプログラミング教育の在り方について（議論の取りまとめ）」にわざわざ「コーディング（プログラミング言語を用いた記述方法）を覚えることがプログラミング教育の目的であるとの誤解が広がりつつあるのではないかとの指摘もある」「時代を超えて普遍的に求められる力としての『プログラミング的思考』などを育むことであり、コーディングを覚えることが目的ではない。」などと書かれている。

めまいがするほどだ。コーディングを覚えずに時代を超えて普遍的に求められる「プログラミング的思考」など身につくなどと本気で思っているのだろうか。

この現状は、おそらく、いわば「外国に行ったことのない学者や有識者が国際理解教育を作ろうとしている」くらいの状況である。

その一方で、主として小学校の現場では、先駆的な教員によって自主的にプログラミング教育の実践が始まっている。子どもたちに扱いやすい教材、わかりやすいカリキュラム、実習をしやすい環境構築を模索している。インターネットを通じた実践交流も活発に行われている。もはや緊急の課題は、初等中等教育を通じたプログラミング教育の体系化である。「プログラミング教育はプログラミングを教えるものではない」などと禅問答をしている場合ではないのだ。

小学校では流れ図に示される構造化、つまり順次構造、反復構造、条件分岐でいいとして、ブロック型プログラミングから始めることがいいだろう。簡単なマイコンボードを使った計測や制御も取り入れるべきだ。ではその次はどうか。中学校では何をするのか、高等学校では何をするのか。

まず何よりもオブジェクト指向を取り上げるべきだ。オブジェクト指向がわからなければ現代プログラミングを理解したことにならない。かく言う私もオブジェクト指向を理解するには時間がかかった。「オブ脳」という言葉があるように、オブジェクト指向は言葉で説明されて理解できるものではなく、例えれば自転車に乗れるようになるようなものだ。子どもが自転車に乗れるようになる瞬間、それは突然やってくる。なんどもなんども失敗を繰り返し、ほんの数センチでさえ動いて倒れる様子を見ていると、はたして本当に乗れる日が来るのだろうかと心配になるが、乗れるようになるのは突然である。そして一度乗れるようになれば、あたりまえのようにすいすいとこげるようになる。

オブジェクト指向を理解するにはオブジェクト指向プログラミングをしなければならない。自分でコードを書き、動かしてはじめてオブジェクト指向は理解できる。「オブジェクト指向はカプセル化、継承、ポリモーフィズム」と暗記するだけでは何の意味もない。なぜプログラミングはオブジェクト指向になったのか、オブジェクト指向の何がいいのか、どこでどうオブジェクト指向を利用すればいいのか、を理解しなければ意味がない。それには言語として C# (C Sharp) がいいと断言できる。かつて BASIC が初心者にとって学びやすい言語であったのと同じくらい C# はオブジェクト指向を学ぶ初心者にとって学びやすい。言語仕様が正確であり、JIS や ISO にも規定されている。ポインタやガーベージコレクションを意識する必要もない。書法は簡潔で美しい。Visual Studio という優れた開発環境もある。

すぐれた自転車教室にはノウハウがあり、一日やれば必ず乗れるようになるプログラムがある。それと同じように、オブジェクト指向も優れたカリキュラムがあれば誰でも理解できるようになる。中学校段階なら必ず理解できる。オブジェクト指向とともに理解しなければならないことは、イベントドリブンである。サーバーサイドプログラミングも中学校では身につけさせたい。Webサービスのインタフェースなどは中学生段階でも理解できるだろう。

コンピュータの抽象化、クラウドコンピューティングは高等学校の内容になるだろう。機械学習や AI、データ処理を通じてイベントドリブンからデータドリブンのプログラミングを学ぶ必要がある。マイコンボードをネットワークにつなぎセンサのデータを集めるIoTからデータベースを学ぶ必要もあるだろう。近い将来クラウドコンピューティングは革命的に転換しそうなので、関数型プログラミングやサーバーレスといった技術がテーマになるだろう。

数年後には小学校でプログラミングの基礎を身につけた子どもたちが中学校へ、そして高等学校へ進学してくる。必要なことはプログラミングのできる学者や有識者が情報教育をけん引し、プログラミング教育を体系化することだ。現場の教員も口を開けて待つのではなく、自己研鑽と教材研究にいますぐ取り組むべきである。

2018年1月12日

松本 吉生（まつもとよしお）
Microsoft MVP Data Platform

1961年京都に生まれ、神戸で幼少期を過ごす。大学で応用化学を学んだのち、理科教諭として高等学校に勤務する。教育の情報化が進む中で校内ネットワークの構築運用に従事し、兵庫県立明石高等学校で文部科学省の「光ファイバー網による学校ネットワーク活用方法研究開発事業」に携わる。兵庫県立西宮香風高等学校では多部制単位制の複雑な教育システムを管理する学籍管理データベースシステムをSQL ServerとInfoPath、AccessなどのOfficeソフトウエアによるOBA開発で構築・運用する。現在は兵庫県立神戸工業高等学校でC#プログラミング、IoTなどのコンピュータ教育を行う。2004年からマイクロソフトMVP（Microsoft Most Valuable Professional）を受賞し、現在14回目の連続受賞。2016年にマイクロソフト認定教育者（Microsoft Innovative Educator Experts : MIEE）を受賞し、現在3回目の連続受賞。

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IoT開発のためのマイコンボードについて考える – その必要な特性は何か – Raspberry Pi と Arduino

現在、様々なマイコンボードが開発され生産、販売されており、それらは様々な用途に利用されているが、IoT 開発におけるマイコンボードに必要な特性は何だろう。

どこかに統計データがあるかもしれないが、現時点、2017年12月25日において、俺の日常的な感覚からすれば世界で最も利用されているマイコンボードは Raspberry Pi と Arduino だ。

Raspberry Pi の特徴は高性能であるということに尽きる。Raspberry Pi に最適化された　OS Raspbianをインストールしてキーボードとモニタを繋げば普通の Linux PC として機能する。高機能であることの裏返しとして、OS をインストールしなければならない手間と価格が高いデメリットがある。たとえば Amazon で Raspberry Pi 3 Model B V1.2 国内正規代理店品の価格は 5,578 円だ。もうひとつ、Raspberry Pi の使いにくさとして A/D コンバータを持っていないことがある。アナログセンサを Raspberry Pi で使うには A/D コンバータを別途取り付けなければならない。ただし I2C などディジタル通信によるセンサも充実してきたので、これからはアナログ入力処理の必要は少なくなるかもしれない。ただマイコンボードや制御の学習のためにはアナログ入力処理ができたほうがいいだろう。

Arduino の特徴はオープンソースハードウエアであることだろう。回路設計が公開されており、だれでも電子部品を組み合わせて同じものを作ることができる。このために中国製を中心とする膨大なクローンが市場にあふれている。現在 Arduino を代表するモデル Arduino UNO R3 は Amazon で 999 円で手に入る。中国系のサイトでは 300 円だ。また互換品も多い。小型で Wi-Fi モジュールを搭載した WeMos D1 mini は俺のお気に入りだが、中国系サイトで 310 円から 350 円くらいだ。さらに Arduino UNO R3 は D/A コンバータを搭載しておりアナログ入力を処理できる。

データ処理はクラウドで行う時代になり、マイコンボードでは高度な処理を必要としない。したがって IoT でのマイコンボードの役割は、センサからデータを受け取りインターネットに送信することになるだろう。そのためにはセンサの値を読む I/O とともに、ネットワーク通信機能が必須になる。現時点では Wi-Fi が扱いやすいだろう。安定して動作すること、安価であることも重要だ。できるだけ多くのセンサを設置し、継続して大量のデータを収集することがビッグデータの時代には必要だ。壊れやすかったり単価が高ければ数多く設置することが難しい。そのためには高機能であることよりもシンプルな設計が望ましい。

もしマイコンボードにデータベースの機能を持たせたり、Web サービスなど高度な役割を持たせたいなら Raspberry Pi だろう。しかし単純にデータ収集を行うためなら Arduino だろう。ただ Arduino では通信処理において実装が難しいものもある。今一歩 Arduino が進化し、CPU や ストレージなどの機能が高くなれば IoT における主役として確固たる位置につけるはずだ。それを期待している。

2017年7月18日

松本 吉生（まつもとよしお）
Microsoft MVP Data Platform

1961年京都に生まれ、神戸で幼少期を過ごす。大学で応用化学を学んだのち、理科教諭として高等学校に勤務する。教育の情報化が進む中で校内ネットワークの構築運用に従事し、兵庫県立明石高等学校で文部科学省の「光ファイバー網による学校ネットワーク活用方法研究開発事業」に携わる。兵庫県立西宮香風高等学校では多部制単位制の複雑な教育システムを管理する学籍管理データベースシステムをSQL ServerとInfoPath、AccessなどのOfficeソフトウエアによるOBA開発で構築・運用する。現在は兵庫県立神戸工業高等学校でC#プログラミング、IoTなどのコンピュータ教育を行う。2004年からマイクロソフトMVP（Microsoft Most Valuable Professional）を受賞し、現在14回目の連続受賞。2016年にマイクロソフト認定教育者（Microsoft Innovative Educator Experts : MIEE）を受賞。

Windows XP で Arduino IDE 1.8.2 をインストールして ESP8266 Community ボードパッケージを適用し、nodeMCU Amica にスケッチを書きこもうとするとエラーがおこる – bits フォルダに cxxabi_tweaks.h ライブラリを配置すると解消する。

Windows XP Service Pack 2 のノートパソコンを使って Arduino の開発環境を整えようとしている。Arduino IDE はバージョン 1.8.2 を使い、インストールする。この状態で、オリジナルの Arduino UNO は開発することができ、また CH340 や CP210 の USB シリアル変換ドライバを適用すれば Arduino UNO のクローンも開発することができる。しかし、ボードマネージャを使って ESP8266 ボードパッケージをインストールしても、nodeMCU Amica や nodeMCU LoLin にスケッチを書きこもうとするとエラーが出て書き込めない。

このときのエラーは、以下のようなものになっている。

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Arduino：1.8.2 (Windows XP), ボード：”NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module), 80 MHz, 115200, 4M (3M SPIFFS)”

In file included from C:\Documents and Settings\user\Local Settings\Application Data\Arduino15\packages\esp8266\hardware\esp8266\2.3.0\cores\esp8266\abi.cpp:23:0:

c:\documents and settings\user\local settings\application data\arduino15\packages\esp8266\tools\xtensa-lx106-elf-gcc\1.20.0-26-gb404fb9-2\xtensa-lx106-elf\include\c++\4.8.2\cxxabi.h:50:32: fatal error: bits/cxxabi_tweaks.h: No such file or directory

#include <bits/cxxabi_tweaks.h>

^

compilation terminated.

exit status 1
ボードNodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)に対するコンパイル時にエラーが発生しました。

「ファイル」メニューの「環境設定」から
「より詳細な情報を表示する：コンパイル」を有効にすると
より詳しい情報が表示されます。

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このエラーからは、必要なライブラリがないことでコンパイルエラーになっていることがわかる。実際にフォルダを開くと、確かに必要なライブラリがない。

そこで、この「bits」フォルダに「cxxabi_tweaks.h」ライブラリをコピーする。「cxxabi_tweaks.h」ライブラリは、GitHub などから入手する。

Arduino IDE を再起動し、Blink のスケッチを書きこむとうまくいった。

2017年6月14日

松本 吉生（まつもとよしお）
Microsoft MVP Data Platform

1961年京都に生まれ、神戸で幼少期を過ごす。大学で応用化学を学んだのち、理科教諭として高等学校に勤務する。教育の情報化が進む中で校内ネットワークの構築運用に従事し、兵庫県立明石高等学校で文部科学省の「光ファイバー網による学校ネットワーク活用方法研究開発事業」に携わる。兵庫県立西宮香風高等学校では多部制単位制の複雑な教育システムを管理する学籍管理データベースシステムをSQL ServerとInfoPath、AccessなどのOfficeソフトウエアによるOBA開発で構築・運用する。現在は兵庫県立神戸工業高等学校でC#プログラミング、IoTなどのコンピュータ教育を行う。2004年からマイクロソフトMVP（Microsoft Most Valuable Professional）を受賞し、現在14回目の連続受賞。2016年にマイクロソフト認定教育者（Microsoft Innovative Educator Experts : MIEE）を受賞。

ESP8266 Wi-Fi SoC を搭載した nodeMCU には大きさ、形が異なるいくつかのタイプがある。一見同じもののように見える 2つのタイプを比べてみる。

いわゆる nodeMCU と呼ばれるマイコンボードは、オンボードに ESP8266 の Wi-Fi モジュールを搭載しており、IoTデバイスとして安価で使いやすいものだ。IoT ではマイコンボードをネットワークにつなぐことに大きな意味があるのだが、他の多くの安価なマイコンボードではネットワーク関連のデバイスはオプションパーツ扱いになっていることが多い。パーツがオプションであるということは、自由度がある代わりに本体とパーツ、間のインタフェースと、トラブルシュートに要する項目が増える問題がある。その点、オンボードでネットワークモジュールを搭載しているマイコンボードでは、それらを考慮する必要がないので開発が楽だ。しかも nodeMCU は極めて安価である。

nodeMCU は日本の Amazon でも買うことができるが、大きさや形が異なるいくつかのタイプがある。このうち、よく似ていて一見すると同じもののように見える 2つのタイプを比べよう。

こうして横に並べて比べると違いがわかるが、ネットで注文するときなどは、よく見ないと違いがわからない。まず全体の大きさが違うのだが、これらを別々のページで見たときには、大きさではわかりにくいだろう。そこで比べるには、搭載している部品の配置に注目するといい。わかりやすいのは USB コネクタの近くにある、おそらく USB シリアルインタフェースチップだと思われる黒い IC チップだ。写真の右側、「LoLin」と呼ばれる nodeMCU では横長のチップが搭載されているが、左側の「Amica」と呼ばれる nodeMCU では正方形の小さめのチップが搭載されている。あと違いが目に付くのは、左の「Amica」のきれいに整列したチップ抵抗だと思われる部品、あるいはチップコンデンサと思われるオレンジ色の大きめの部品あたりだろう。

裏から見れば違いはよくわかる。写真の右側には、おそらく雲をイメージしてデザインしたシンボルマークと「NODEMCU Amica」の名前がある。右側は「LoLin」と書かれている。

さて、この 2タイプの nodeMCU だが、プロトタイピングにおいて大きさの違いが使い勝手に影響するところは、一般的な長潟のブレッドボードを使うときに、大きい方の「LoLin」ではピンの穴を全部覆ってしまい、信号を取り出せなくなるところだ。これに対して小さい方の「Amica」では、かろうじて 1ラインは信号を取り出せるように残っている。

もし「LoLin」を長潟のブレッドボードで使いたいなら、2枚ならべて使うことになるだろう。

2017年4月28日

松本 吉生（まつもとよしお）
Microsoft MVP Data Platform

1961年京都に生まれ、神戸で幼少期を過ごす。大学で応用化学を学んだのち、理科教諭として高等学校に勤務する。教育の情報化が進む中で校内ネットワークの構築運用に従事し、兵庫県立明石高等学校で文部科学省の「光ファイバー網による学校ネットワーク活用方法研究開発事業」に携わる。兵庫県立西宮香風高等学校では多部制単位制の複雑な教育システムを管理する学籍管理データベースシステムをSQL ServerとInfoPath、AccessなどのOfficeソフトウエアによるOBA開発で構築・運用する。現在は兵庫県立神戸工業高等学校でC#プログラミング、IoTなどのコンピュータ教育を行う。2004年からマイクロソフトMVP（Microsoft Most Valuable Professional）を受賞し、現在14回目の連続受賞。2016年にマイクロソフト認定教育者（Microsoft Innovative Educator Experts : MIEE）を受賞。

小学校でマイコンボードの体験会をする。いわゆるLチカの発展形。

明日は小学校で子供たちにマイコンボードの体験コーナーをする。短い時間で低学年から高学年までの子供たちに楽しさを伝えるために工夫をする。いわゆる「Lチカ」をベースに。

たとえば小学校の高学年、5年生と6年生対象なら、パソコンを使って簡単なプログラミングをすることができるかもしれない。それにしてもある程度のまとまった時間が必要だし、パソコンなど機材を準備しなければならない。

10分程度の短い時間で、小学校1年生から6年生までの幅広い子供たちにマイコンボードや電子工作の楽しさを伝えるにはどうすればいいか。そこにはいろんな工夫の余地がある。

子供たちの輝く瞳を見たい。だから教育は面白い。

2016年10月1日のアドミンティーチャーズのラボワークでは、ESP8266 WiFi モジュールを搭載した Arduino WeMos D1 を 2台使い、一方を WiFi アクセスポイント、もう一方を WiFi クライアントとして接続し、Web サービスでデータ通信をする。

アドミンティーチャーズのラボワークでは、8月と9月にESP8266 WiFi モジュールを搭載した Arduino WeMos D1 を使って通信を試した。WeMos D1 は安価で手に入れやすいマイコンボードで、実習教材にも適していると思われる。しかしまとまった解説やサンプルスケッチがなかなか見当たらない。多く見られるのは WiFi クライアントにしてアクセスポイントに接続し、Web サービスを実装するというものだが、WiFi クライアントにすることや Web クライアントを実装する事例は少ない。試行錯誤が必要だったが、うまく通信できるようになった。

今回の「ラボワーク」では 2台の WeMos D1 を使う。一方の WeMod D1 を WiFi アクセスポイントの設定にし、Web サービスを実装する。Web サービスでは、アナログ I/O ポート A0 に接続したボリュームの電圧を Web ページに表示するようにしておく。もう一方の WeMos D1 は WiFi クライアントの設定をし、起動したら WiFi アクセスポイントにした WeMos D1 に接続するようにし、Web クライアントを実装して Web ページを取得し、HTML テキストからボリュームの値を取り出して Multifunction Shield の 7セグメント LED に表示する。

マイコンボードが互いに WiFi 接続できれば応用範囲が広がるだろう。また Web サービスや Web クライアントを実装することで、Web サービスの仕組みも理解できる。

アドミンティーチャーズのラボワークは、会の性質上「情報教育に関心のある方」としているが、必ずしも学校関係者に限定しているわけではないので、興味のある方はぜひ来てほしい。またノートパソコンの Arduino 開発環境は、当日ラボワークで設定することもできるし、ノートパソコンがなくても実習を楽しめるし、ゆるやかな体験、交流の場なので、気軽に手ぶらで来てもらってかまわない。

アドミンティーチャーズ Web サイト
https://adminteachers.wordpress.com/

アドミンティーチャーズのラボワーク LW04 「W5100 イーサネットシールドを使ったWebサービスのプログラミング」の報告

今年2月から毎月第一土曜日と決めて神戸三ノ宮の会議室で行っているマイコンボード勉強会「ラボワーク」。5月は「W5100 イーサネットシールドを使ったWebサービスのプログラミング」をテーマにした。

このイーサネットシールドは Arduino の事実上のデファクトスタンダードなイーサネットシールドで、Wiznet の W5100 チップが使われている。Arduino IDE 開発環境で標準でライブラリが用意されているのでプログラミングもしやすい。

このイーサネットシールドを使って Web サービスを実装するには次のようにする。

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void setup() {
  Ethernet.begin(mac,ip);
  server.begin();
}

void loop() {
  EthernetClient client = server.available();
}

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たったこれだけで Web サービスが動く。あとは受け取ったデータを解析し、適切な HTML テキストをクライアントに返すだけだ。

クライアントに対してテキストを送り返すには次の一行でいい。

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  client.println("This is my web");

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ただこれを単に void loop() に書くだけでは、ひたすら際限なく同じテキストをクライアントに送り続けることになる。そこでクライアントから接続要求があったときに、テキストを一回だけ送るという処理が必要になる。

たとえば次のスケッチは接続要求のキャラクタを文字列につなぎ、文字列に「GET」があれば HTML のリクエストだと判断し、一回だけテキストを返してサービスを終了する。

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void loop() {
  EthernetClient client = server.available();
    if(client.connected() == 1){
    c = client.read();
    stc.concat(c);
    if(client.available() == 0){
      Serial.println(stc);
    }
  }
  if(stc.indexOf("GET") != -1 && client.available() == 0){
    client.println("This is my web");
    client.stop();
    stc = "";
  }
}

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これでクライアントから接続すると「This is my web」の文字がブラウザに表示される。正しい HTML 文ではないが、表示されるはずだ。

クライアントからの要求が POST メソッドだったときは、受け取ったテキストを解析して必要な処理をさせることができる。たとえば HTML 文にチェックボックスとボタンを用意して、8 x8 マトリックス LED をコントロールするようなこともできる。

しかし、メモリの制約だと思われるが、あまり長い HTML テキストを送ることや POST メソッドも長いメッセージを受け取ることができない。そこで、HTML テキストは SD カードに保存しておき逐次読みだして送信することを考えなければいけない。また POST メソッドも不要なテキストを削除して処理する必要がある。

イーサネットシールドになぜ SD カードスロットが付いているのかが疑問だったが、実用的な Web サービスを構築するには長い HTML テキストを処理する必要があるからだ、ということがよくわかった。

Arduino と Web サービスは今後も「ラボワーク」でとりあげることにする。無線ネットワークもやってみたい。わかったことの詳細は、また別途項を改めて報告したい。