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プログラミングと現実世界を結ぶ：小学校でのフィジカルコンピューティング実践ガイド

小学校におけるSTEAM教育の実践において、プログラミング教育は重要な要素の一つです。児童はプログラミングを通して論理的思考力や問題解決能力を育んでいきますが、画面上の操作だけでなく、現実世界と結びついた学びは、より探究心や創造性を刺激します。ここでは、プログラミングで現実世界を「動かす」「光らせる」「音を鳴らす」といった、フィジカルコンピューティングの概念と小学校での実践についてご紹介します。

フィジカルコンピューティングとは

フィジカルコンピューティングとは、コンピュータープログラムを使って物理的な世界とインタラクションを行う技術や考え方です。具体的には、センサー（入力）で現実世界の情報を取得し、コンピューター（処理）でその情報に基づいた判断や計算を行い、モーターやLED、スピーカーなど（出力）を使って現実世界に働きかけます。

小学校の文脈では、例えば次のような活動が挙げられます。

• ボタンを押したらLEDが光る、音が鳴る仕組みを作る。
• 明るさをセンサーで測り、暗くなったら自動でライトがつくようにする。
• 温度センサーで計測した温度を画面に表示したり、特定の温度になったらファンを回したりする。
• 距離センサーを使って、物に近づいたら警告音を鳴らす。
• 傾きセンサーを使って、箱を傾けたら中のものが動くゲームを作る。

これらの活動を通して、児童はプログラミングだけでなく、電気や電子回路の基本的な仕組み、物理法則、そしてそれらを組み合わせて自分のアイデアを形にする工学的な思考を自然と学ぶことができます。

小学校でのフィジカルコンピューティング実践のメリット

フィジカルコンピューティングを小学校のSTEAM教育に取り入れることには、様々なメリットがあります。

• 学習への動機付け: 画面の中だけでなく、実際に物が動いたり光ったりする体験は、児童の好奇心を強く刺激します。「どうすればこれが動くのだろう？」「もっと速く動かすにはどうすればいいだろう？」といった問いが生まれ、主体的な学びにつながります。
• 抽象的な概念の具体化: プログラミングの概念（順次処理、繰り返し、条件分岐など）が、現実世界の動きと結びつくことで、より具体的に理解できるようになります。「この条件が満たされたらこの動きをする」ということが、目で見て、手で触れて確認できるため、抽象的なプログラミングコードの意味を実感として捉えやすくなります。
• 創造性・問題解決能力の育成: 自分のアイデアを実現するために、どのようなセンサーが必要か、どのように配線するか、どのようにプログラムするかを考え、試行錯誤する過程は、創造性と問題解決能力を育みます。予期しない動きをしたら、その原因を探り、プログラムや回路を修正するといった経験は、粘り強さや論理的な思考力を養います。
• 教科横断的な学び: フィジカルコンピューティングは、理科（電気、光、音、力学）、算数（角度、距離、時間、データ処理）、図工（デザイン、構造）、音楽（音の表現）、総合的な学習の時間など、様々な教科と連携させやすい性質を持っています。例えば、理科で学んだ電気回路の知識を活かして光る仕組みを作り、図工でその外側をデザインするといった、教科の壁を越えた学びを展開できます。

小学校でフィジカルコンピューティングを始めるためのポイント

フィジカルコンピューティングと聞くと難しく感じるかもしれませんが、小学校でも十分に実践できるツールや教材が豊富にあります。

1. 扱いやすい教材の選定:

   • 小学校での導入においては、安全性が高く、子どもでも扱いやすいマイコンボード（例：micro:bit、M5Stack Atom Liteなど）や、接続が簡単なモジュール（例：Groveシステム、micro:bit用拡張ボードなど）を選ぶのが良いでしょう。はんだ付けが不要なものや、センサー・出力装置があらかじめ搭載されているものは、低学年からでも取り組みやすいです。
   • プログラミング環境も、Scratchのようなビジュアルプログラミングに対応しているものを選ぶと、プログラミング初心者でもスムーズに始められます。

2. 具体的な授業アイデアの設定:

   • 最初は、単純な「入力→出力」の仕組みから始めましょう。「ボタンを押したらLEDが光る」など、目標を小さく設定することで、児童は達成感を得やすくなります。
   • 徐々にセンサーの種類を増やしたり、複数の入出力デバイスを組み合わせたり、条件分岐や繰り返しなどのプログラミング要素を複雑にしていくと良いでしょう。
   • 単なる操作だけでなく、「どんな時に役立つかな？」「もっと便利にするにはどうすれば良いかな？」と問いかけ、課題解決やものづくりと結びつける視点を大切にします。例えば、「暗い時に自動でつく防犯ライト」や「声の大きさに反応して動く飾り」など、生活や探究のテーマと関連付けると、より深い学びに繋がります。

3. 安全面の配慮:

   • 電気を使うため、ショートさせない、むやみに触らないといった基本的な安全指導を徹底します。低電圧で動作する教材を選ぶことで、安全性を高めることができます。
   • 教材の正しい使い方を事前に教員自身が理解しておくことが重要です。

4. 評価の視点:

   • 完成したものの動作だけでなく、児童がどのようなアイデアを考え、どのようにプログラムや回路を工夫したのか、問題に直面したときにどのように解決しようとしたのか、といったプロセスを評価します。
   • 友達と協力して取り組んだ様子や、作品について自分の言葉で説明する力なども評価の対象となり得ます。

まとめ

フィジカルコンピューティングは、プログラミング教育に具体的な操作と現実世界との繋がりをもたらし、小学校におけるSTEAM教育をより豊かにする可能性を秘めています。センサーで情報を集め、プログラムで考え、モーターやLEDで表現するという一連の活動は、児童の探究心、創造性、論理的思考力、問題解決能力といった、これからの時代に求められる資質・能力を育むことに大きく貢献します。身近なものや比較的安価な教材を活用しながら、ぜひ小学校でのフィジカルコンピューティング実践に挑戦してみてください。