自律ロボット探査機を作る

準備

• こちらの先生向け資料をお読みください。
• 必要に応じて、EV3 ラボソフトウェアまたは EV3 プログラミングアプリに入っている導入用資料を使いながらレッスンを計画します。これにより、生徒が教育版レゴ_^® マインドストーム_^® EV3に慣れることができます。

興味付け (30分)

• 「ディスカッションを活性化させる」セクションのアイデアを参考に、生徒の学習への関心を喚起します。
• プロジェクトの説明。
• 生徒にペアを組ませます。
• 生徒にブレインストーミングの時間を与えます。

探求 (30分)

• プロトタイプを複数製作するよう指示します。
• 本体とプログラミングの両方の面で複数のアイデアを試すよう促します。

• 各ペアに2つのアイデアを制作させ、動作をテストさせます。

説明 (60分)

• 生徒に2つのモデルの動作をテストし、優れた方を選ぶよう指示します。
• 構造とプログラミングの両方の面で複数のアイデアを試すよう促します。
• 各ペアがプロジェクトの仕上げをし、作業プロセスを記録するのに必要な資料をまとめる時間を設けます。

仕上げ (60分) - 生徒が最終レポートを作成する時間を設けます。

• 各ペアがクラスの前で成果を発表する発表タイムを設けます。

評価

• それぞれの生徒に取り組みを評価して伝えます。
• 評価の際は、以下に提示するルーブリックを参考にすると良いでしょう。

科学ミッションのために開発される探査機には、ある共通の機能があります。何らかの情報を収集して科学研究基地に送信する機能です。様々な条件やニーズに合わせて、これまでに何種類もの通信システムが発明されています。

活発なブレインストーミングになるよう促します。

生徒に以下の質問について考えてもらいましょう：

• ロボット探査機とは何ですか？また、どこで使われますか？
• ロボットの動作をコントロールするにはどのような駆動メカニズムを使えばよいでしょう？
• どうすればロボットが進行中にデータを収集できるでしょうか？
• どうすればロボットが科学研究基地と通信できるでしょうか？

ブレインストーミングで思いついた全てのアイデアと、最初のプロトタイプに選んだアイデア、選んだ理由を記録するよう促します。このプロジェクトでアイデアの有効性をどのように評価するのかを考え、記録してもらいます。こうすることで、見直しや修正を行う際にアイデアを評価し、効果的に問題を解決できるかどうかを判断する評価基準として使うことができます。

国語の発展課題

オプション 1
言語能力を発達させるために、生徒に以下のタスクに取り組んでもらいます：

• 文章やスケッチ、写真などを使って設計プロセスの概要をまとめ、最終レポートを作成する。
• 最初のアイデアから完成モデルまで、設計プロセスを解説するビデオを作成する。
• 自分たちのプログラムについてのプレゼンテーションを作成する。
• 自分たちのプロジェクトを、同じようなシステムを使った実社会での実用例と比較しながら、制作したモデルをもとに開発できる新しい発明品を発表するプレゼンテーションを作成する。

オプション 2
このレッスンでは、自分の位置を報告する自律探査ロボットを制作しました。
言語能力を発達させるために、生徒に以下のタスクに取り組んでもらいます：

• 自律探査ロボットが地球上の遠く離れた地点にいると仮定し、位置情報を送信する必要性を評価する。
• 位置情報の送信が必要なシナリオを描写し、このデータ送信によって起こる可能性のあるリスクの評価と、リスクを最小限に抑えることができると思われる複数の通信方法を比較するレポートを書く。
• これらのリスクを悪化させる可能性のある外部要因について議論する。
• 数字や表を使って自論の根拠を示しながら、外部要因をコントロールする方法を考案する。
• 提示した証拠に基づいて、位置情報の送信に伴う全体的なリスクについて結論を導き出す。

数学の発展課題

このレッスンでは、コース上の自分の位置を報告する自律探査ロボットを制作しました。自律走行システムの中には、機械学習アルゴリズムを用いて、現在位置を示す座標と目印までの距離、目的地への推定到着時間、現在位置とバッテリー残量に基づいたタスク遂行の可能性を通信を行うものもあります。
数学スキルの向上を取り入れ、機械学習アルゴリズムで使用される相関分析を詳しく取り上げたい場合は、以下の課題に取り組ませてください：

• データを収集し、ロボットの位置データを目的地への推定到着時間に関連づける回帰関数を作成して、線形（一次）回帰を確認する。
• 自律探査ロボットが現在位置と推定到着時間を送信できるよう、ロボットのプログラムに線形回帰を組み入れる。

生徒が下のリンクからいくつか例を選び、組み立てる時間を設けてください。選んだシステムの仕組みについて考えるよう促し、課題設定に対する解決策にどのように生かせるか、ブレインストーミングをしてもらいます。
Ｌモーターと車輪
キャタピラ
カラーセンサー1
カラーセンサー2
ジャイロセンサー
タッチセンサー
超音波センサー

この学習におけるルーブリックの例
次のルーブリックを参考に、評価規準や判定基準を作成しましょう。

1. 課題を部分的にこなした。
2. 課題を十分にこなした。
3. 期待を上回る達成度であった。

以下の成功基準を使用して、生徒の進度を評価します。

• 生徒は、問題の重要な要素を見出すことができる。
• 生徒は、自主的に、実用的で独創的な解決方法を開発している。
• 生徒は、自分のアイディアをはっきりとわかりやすく伝えることができる。

自己評価
生徒たちが十分な性能データを収集できたら、それぞれの解決方法について考察するよう促します。次のような質問をするとよいでしょう：

• あなたの解決方法は課題設定の条件を満たしていますか？
• ロボットの動作をさらに正確にすることはできますか？
• クラスメートはどのような方法で問題を解決しましたか？解決方法を改善する方法を2つ考えて記録するよう促してください。

生徒間のフィードバック
フィードバックの時間を設け、各グループに、自分たちのプロジェクトとほかのグループのプロジェクトを評価してもらいます。相互評価は建設的なフィードバックをするスキルだけでなく、物事を分析するスキルや、自分の意見の根拠として客観的なデータを使う力を育てるのに役立ちます。

この授業を楽しむことができた生徒は、以下の進路について興味がある可能性があります。

• 起業家
• システム建築エンジニア