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研究報告


平成9年度国専協主催 四国地区高等専門学校教官研究集会・資料
(1997.9.24-25 於・新居浜工業高等専門学校)


協議題:「単位制及び学年制に関する諸問題について」
研究発表テーマ: 5.学生に目的意識を抱かせる方策
(高松高専制御情報工学科における実践事例報告)

高松工業高等専門学校 制御情報工学科
平岡延章・十河宏行・徳永秀和・由良 諭・川田和男


1. はじめに

 「学生に目的意識を抱かせる」ために,何ができるか? 何をすればよいか?
1)現在の高専制度にこれを妨げるシステム上の要因を見出し,制度そのものの改革 を行なう.そのため,教官研究集会を開き,多いに議論する…….
2)「学生が目的意識を抱かない」主要因は,本当にシステムの不備なのか? 今の システムの枠内で実行できる方策はないのか?
 この報告は,2)の観点から,高松高専制御情報工学科において昨年度開始した新 しい試みについての実践報告である.報告内容は,多いに手前味噌であることをあら かじめお断りしておく.

2. 学生に目的意識を抱かせる方策

 ひとくちに「目的意識を抱かせる」といっても,何に対する「目的意識」と解する かにより,議論の内容・方向は大きく異なることになる.ここでは,対象を限定し「勉 学」あるいは「学習」に対する目的意識に絞り,その方策について議論を進めよう.

1) 学生はなぜ「目的意識」を抱かないか

 (「なぜ目的意識を抱けないか」と表現する方があるいは適切かもしれない.)
  • 授業で学ぶ知識が何の役に立つのか実感としてわからない.
  • 興味をそそるような当面の目標(ゴール)が見えない.
  • 先生が教える授業がほとんどで,自ら「学び,考える」必要性を感じない.
  • あらかじめ正解が用意されており,自分独自の「考え方」を持ち込む隙間がない.
  • 実験・実習では,手順通り作業することを求められ,創意・工夫の余地がない.
  • 評価の「良い」,「悪い」を身にしみて感じる機会がない.
  • などなど・・・・・・.
これらの問題点を簡潔にまとめるなら,学生に対して「知的興味をそそる目標の設 定」,「自主的に学び・考える環境の提供」,「実力を反映したわかりよい評価」がなさ れていない,ということであろう.

2) 目的意識を抱かせるための「目標設定」

 多くの学生は,「自分の所属する学科のカリキュラムを修めることにより,いった い何ができるようになるのだろうか?」という漠然とした疑問を持っている.この疑 問に対して,目に見える形で答えを示すならば,日々の勉学に対する目的は自ずと明 らかになる.それが,学生の持つ学科のイメージに近いものであれば,学習意欲がさ らに促進されることはいうまでもない.

3) 目的意識を抱かせるための「環境の提供」

 教官が設定した目標に向かってチャレンジしようとする学生が居たとして,我々は その意欲に答えるだけの環境を提供しているだろうか?
  • 目的に向かって,議論し作業する空間を準備する.
  • 必要な知識を得るための資料(文献,規格表,カタログ,等)を整備する.
  • 疑問点に答え,適切なアドバイスを与えるスタッフと時間を確保する.
 高専の現状を見るとき,このような環境を,いつでもリアルタイムで提供できる体 制を整えることは,さほどやさしいことではないかもしれない.

4) 目的意識を抱かせるための「実力の評価」

 試験成績(点数や席次)と少し大きな課題に取り組むときの実力が必ずしも一致し ないことは,卒業研究の指導をしていてしばしば感じることである.これは,「正解 を覚える能力」と「考え・理解する能力」との違いのように思われる.我々教官は, 普段学生の理解度(実力)を正しく評価しているのだろうか?
 暗記力と理解力の違いは,ある程度の複雑さを持つ「システム」を作り上げるとき, 顕著に現れる.また,複数のメンバーによる共同作業では協調性やリーダシップも求 められる.しかし,現状ではこのような経験を積む機会は,卒業研究や課外活動を除 き,与えれれていないように思われる(卒業研究も単なる演習にすぎない場合がある). たとえば,チーム単位でシステムの構築に取り組ませると,
  • 総合力に対する評価.
  • 理解度,応用力に対する評価
  • リーダシップ,協調性に対する評価
などが可能となり,公開の発表会や競技会を開催することにより,
  • 考えをまとめる能力に対する評価
  • プレゼンテーション能力に対する評価
などが可能である.いずれの例でも,良い評価を得るには,単なる暗記力ではない真 の実力が要求される.

3. 高松高専制御情報工学科「メカトロニクスシステム設計」

 「創造性を育む教育」,「総合設計」等の呼称で,学生の自主性や目的意識の向上を 目指す創作授業が,いくつかの高専で実施・報告されている[1]−[6].この中から,高 松高専制御情報工学科における「メカトロニクスシステム設計」[5]について紹介する.

1) 目的

 制御情報工学科は,「機械工学」,「電子工学」,「情報工学」を3本柱とする複合学科 である.複合学科の悩みは,授業科目間の連携や関連が十分でなく,学生に対して「単 に雑学をしているに過ぎない」という印象を与えがちなことである.そこで,
  • 3本柱となる各授業科目間の関連を明確にする.
  • 学科として,統一的かつ具体的目標を提示する.
  • 与えられた機能を満たすシステムを構築する全過程を経験する.
  • 広い視野を持ち,かつ得意分野を深める.
  • 学生の創造性を育む.
  • 学生に目的意識を持たせ,自主性を育てる.
  • 小人数のチーム行動により,協調性を養う.
  • チーム制により,実力の伴ったリーダーを育成する.
といった事項を目標に掲げ,若手教官を中心として「メカトロニクスシステム設計」 という総合授業が提案された.

2) 課題設定

 機構・電子回路・プログラミングを総合する課題という観点から,プログラムによ り自動制御を行なうロボットの設計・製作を行なう課題が選ばれた.ロボットを製作 する過程で,メカトロニクスシステムをアイディアの段階から構築し,仕様を満たす ロボットを完成させることを体験できる.
 総合授業は,各分野の授業の学年配当や卒業研究との兼ね合いから,4学年で実施 することとし,製作課題はパソコンベースの自律ロボットとする.しかし,単なる設 計・製作では,「お遊び」に終わる懸念があるため,設計資料の文書化や製作原価の 積算を課題に含め,技術文書の書き方についても指導を行なうことにする.また,わ かりやすい実力評価の機会として,年間2回の口頭発表会と公開の競技会(学生祭で の制御情報工学科専門展示),性能試験会を開催する.

1996年度の課題: “サーチand ムーブ ”
縦横20cmのスタートゾーンに収まる大きさのセンサーベースロボットを設計・製作し, パソコンにより自律制御を行なう.ロボットは,競技場のどこかに置かれたスチール製の空缶 (250ml)を探し,競技場中央のゴール円内に運ぶ作業を行なう.動作の確実性とゴールま での所要時間によりロボットの性能を評価する.
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図1.1996年度の競技場の仕様

1997年度のテーマ:“カップ取ってきまい ”
縦横20cmのスタートゾーンに収まる大きさのセンサーベースロボットを設計・製作し, パソコンにより自律制御を行なう.ロボットは,競技場(80cm×80cm)の3個所に 置いた白5個・黒5個の合計10個のカップから同色のものを3 個探し,車体に積載してスタートゾーンに戻る作業を行なう.動作の確実性とゴールまでの 所要時間によりロボットの性能を評価する.
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図2.1997年度の競技場の仕様


3) 授業形態

 「メカトロニクスシステム設計」は,2単位の座学2科目と3単位の工学実験をあ わせて実施する総合授業である.したがって,時間割に「メカトロニクスシステム設 計」という科目は記載されていない.ここでは,便宜上これら3科目をまとめて「メ カトロニクスシステム設計」と呼んでいる.
 授業は,教室での講義と実験室での作業からなる.講義の内容は,ガイダンス,機 構・回路設計のための実践的知識の提供,作文技術や口頭発表技術の解説等が中心で ある.定期試験では,これらの事項に関連して機構・回路の設計法,技術文書の解釈 や作文が課題となる.
 ロボットの製作は,小人数(標準5名)のチーム単位で行ない,評価はチームに対 してなされる.各チームは,リーダを中心に課題を実現するアイディア創りから最終 報告までを行なう運命共同体となる.チーム構成員は,機械系または電子系のどちら かの担当分野に属し,各系に関する実践的知識を提供する講義を受ける.ロボット製 作作業中,学生は指定された実験室等にいる限り,教官側からその作業内容について 干渉を受けることはない.教官は,学生からの申し出があれば,説明やアドバイスを 行なう.作業に関する評価は,指定された期日に提出される提出物(ロボット,報告 書,図面 など)と発表会等のプレゼンテーションに対して行なう.
 製作に必要な部品の提供,予算管理はすべてチーム単位で行なう.各チームには, あらかじめ予算(使用部品代)が示され,その範囲で設計・製作を行なうことを義務 づける.実験室にストックする標準部品以外の物品についても,予算範囲内であれば, 規格表・カタログ等で調べて購入依頼用紙を提出して入手することができる.学生が, 自分で直接物品を購入することは,原則として認めない.

4) 授業環境

 授業の開始にあたり,以下の作業環境を整備した.多くは,現有設備の流用である が,太字の物品は「メカトロニクスシステム設計」のため新規購入した.
機構製作のための環境
  • 機械工学科実習工場の使用をお願いするとともに,他の授業と競合しないよう 時間割の調整を行なう.
  • 卓上ボール盤(1台),万力(2個),工作台(2台)
  • 手工具(金切りのこ,やすり,パイプカッタ,タップ,シャシパンチ,テーパ リーマ,センタポンチ,ハンマ,ペンチ,ドライバ,6角レンチ,直尺,ノギ ス など)
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図3.実験室の工作台
電子回路製作のための環境
  • プリント基板製作用CAD/CAMシステム(4台)
  • はんだ付け用具(はんだごて,はんだ吸い取り器,拡大鏡 など)
  • 測定機器(オシロスコープ,電子電圧計,X−Yレコーダ,各種電流計・電圧 計,オシロスコープ画面撮影用カメラ(2台) など)
  • 回路試作・動作確認のための用具(ブレッドボード,クリップ付きコード な ど)
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図4.PCB用CAD/CAM
設計・文書化のための環境
  • 機械製図用CADシステム(22台)
  • 文書化用パソコン(7台)
  • レーザプリンタ(4台)
  • 汎用CADソフト(4本)
  • 文書化用ワープロソフト(10本),表計算ソフト(10本)
  • 汎用図・チャート作成用ソフト(6本)
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図5.CAD室
ロボットを制御するための環境
  • ロボット制御用パソコン(10台)
  • パソコン用ディジタルI/Oボード(12個)
  • パソコン用AD/DA/カウンタボード(12個)
  • 電源装置(5V,12V,±15V)
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図6.電子制御実験室
運営のための環境
  • 標準部品の設定,準備と価格決定
  • 標準機械部品(DCモータ,ステッピングモータ,アルミニウム丸棒・パイプ・ 角パイプ・板・Lアングル,真ちゅう丸棒・パイプ・ステンレス丸棒,車輪, 玉軸受,軸受ハウジング,ビス・ナット など) 標準電子部品(トランジスタ,ダイオード,モータドライバIC,LED,反 射型光センサ,ロータリエンコーダ,抵抗器,コンデンサ など)
  • ロボットおよび配布部品収納用コンテナ(各チームに大中小3個を配布)
  • 実務書,規格表,データブック,カタログ等の収集
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図7.標準部品・材料のストック
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図8.標準部品サンプルと資料棚
 実験室は,放課後の作業のため,平日は19時まで開放している.この間の管理 運営のため,作業日誌と居残り届用紙を用意し,担当教官が作業開始前と終了時 に検印をする.

5) 授業計画

 「メカトロニクスシステム設計」の年間授業計画は,およそ以下のとおりで,3回 の報告書提出,2回の口頭発表,ロボットの中間提出,2回の実技発表会,性能試験 が義務づけられている.

準備(年度末)
3学年の2月下旬に「メカトロニクスシステム設計」の概要説明を行ない,担当 分野についての希望をアンケート調査する.
  • アンケートと成績・性格等を考慮して担当教官・3年担任が相談し,製作チーム の割り振りとチームリーダを決める.
ガイダンス(4月)
  • 授業の目的,実施要領の説明
  • チーム構成,チームリーダの発表
  • 製作テーマ,予算の提示
実践知識の講義(4〜5月)
  • 機械系,電子系の担当分野に分かれ,ロボット製作に必要な情報の伝達を行な う.
  • 並行して工学実験の時間に,ロボット製作アイディアをチーム単位で議論する.
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図9.チーム単位でロボットの
アイディアを議論
第1回中間報告書提出(5月末)
  • 記載項目:機能分析表,仕様書,基本計画図,設計書,進捗状況,感想.
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図10.中間報告書ファイル
中間発表会(7月初旬)
  • チーム単位で現状報告を行なう.発表は一人1枚のビラを用意し,チーム全体 でストーリをまとめる.発表時間は,2分×人数+質疑応答5分である.
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図11.中間発表風景
第2回中間報告書提出,ロボット中間提出(9月中旬)
  • 報告書の内容は,第1回と同じ.前回の報告書に書き込まれた添削に沿って修正 し,ロボットの現状にあわせて更新したものを提出する.
  • ロボットのハードウエア(機構,電子回路)をこの時点までに完成させ提出する.
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図12.中間提出時のロボットたち
プレ発表会(10月末)
  • 学生祭で行う実技発表会の予行演習
発表会(11月初旬)
  • 学生祭の学科専門展示として一般に公開するとともに,課題達成までのタイムを 計測する.ホームルーム教室に会場を設営し,中間発表のビラ等を用いてデコレー ションする.発表会は,リーダを中心に運営し,学生が司会進行,計測,記録等を 行なう.教官は,黒子役である.
fig13
図13.公開演技中
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図14.展示室
性能試験(12月初旬)
  • 同一条件の下で各チームのロボットの性能(動作の再現性,ゴールまでの所要時 間など)を計測する(巻末の資料を参照).この時点でロボットの製作を完了し, これ以後の改良作業は認めない.
最終発表会(1月中旬)
  • チーム単位で最終報告を行なう.発表は一人2枚のOHPを用意し,チーム全 体でストーリをまとめる.発表時間は,3分×人数+質疑応答5分である.
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図15.最終発表会風景

最終報告書提出(2月中旬)
  • 過去2回の中間報告書に制御プログラムに関する記述と原価計算を加え,全体 の記述を整えて提出する.最終締め切りまでの間,1週間単位で各項目ごとの 締め切りを設け,文章の添削指導を繰返し行なう.
  • 記載項目:機能分析表,仕様書,基本計画図,設計書,性能試験結果,原価計算, 考察,感想,参考文献,付録.
解体・リサイクル(3月上旬)
  • 写真撮影の後,ロボットを解体し,利用可能な部品は次年度の授業で再利用する.

6) 現時点での自己評価

 「メカトロニクスシステム設計」という呼称で,機械系・電子系・情報系の教科間の 関連性を持たせ,幅広い裾野的知識に加え,一点を深く掘り下げた専門知識を有する 技術者の育成を目的とする統合授業を企画・実施した.
 初年度は,学生も教官も試行錯誤の連続であったが,各チームともよく頑張り,全チー ムが自律動作でゴールに到達するロボットを自力で完成させた.ロボットの製作を通 じ,4年間の授業で学んだ機械・電子・情報・制御にまたがる専門知識を有機的に結 合し応用することを学んだ.また,何もないところからシステムを構築する楽しさ・ 困難さを知ったように思われる.各チームともチーム構成員間の意思疎通には苦労し, 文書化による情報共有の重要性を再確認したようである.原価計算では,製作したロ ボットの原価の大部分を人件費が占め,思いのほか高額となったことに驚いたようで ある.
 昨年度,「メカトロニクスシステム設計」を経験した学生が,いま5年生として卒業 研究に取り組んでいる.2,3の教官の話しでは,今年の5年生の卒研への取り組み はこれまでになく意欲的であると聞く.「メカトロニクスシステム設計」の経験が役 立っているのではないかと想像する.
 以上の結果から,「メカトロニクスシステム設計」は,学生に目的意識を抱かせる ため効果的な授業であり,このような授業が,5年間の教育課程のなかに1つや2つ あってしかるべきであると考える.

7) 謝辞

 「メカトロニクスシステム設計」の実施にあたっては,大阪府立高専システム制御工学科の 諸先生ならびにスタッフの皆様に大変お世話になりました.準備段階で,「システム設計研究」 の資料のみならず,貴重な実施ノウハウをご教授いただきました.改めて,感謝の意を表しま す.
 機械工作については,機械工学科実習工場を利用させていただいており,実習係技官の方々 に工作法のご指導をいただいております.機械工学科技官の方々に,競技場の製作等でお世話 になっております.ご協力にお礼申し上げます.
 物心両面から,本授業の環境整備にご協力いただいた,制御情報工学科の緒先生方に感謝い たします.

4. まとめ

 この報告では,学生が「目的意識」を抱かない原因とそれに対する対策を提起し, 高松高専制御情報工学科における実践事例「メカトロニクスシステム設計」を中心と して,学生に目的意識を持たせる方策について報告した.
 学年制,単位制といった教育システムの根幹に関わる議論も重要であるが,この機 会に「いま何ができるか」を考えることも意義深いのではなかろうか.「メカトロニク スシステム設計」の実践経験から,学生の目的意識を育むには,「教官が教える授業」 から「学生が学ぶ授業」への転換が効果的である.この授業形態の変化に伴い,教官 の役割は「知識を授けること」から「学ぶ環境を与え,整備すること」に重点が移る. まだ,実施後1年半を経たのみで,今後「メカトロニクスシステム設計」をどのよう に展開すべきか模索中の部分もあるが,我々の試みが各校のご参考となれば幸いであ る.

 なお,「メカトロニクスシステム設計」については,高松高専のホームページ
   http://www.takamatsu-nct.ac.jp/hiraoka/mech_sys.html
に紹介記事があります.機会があればご覧ください.

参考文献

  1.  藤澤正一郎 他,阪府高専システム制御工学科におけるロボティクスメカトロニ クス教育,ロボティクス・メカトロニクス'95講演会講演論文集,602(1995).
  2.  川上誠 他,沼津高専の自律知能ロボット開発,ロボティクス・メカトロニクス'95 講演会講演論文集,616(1995).
  3.  岡正人 他,宇部工業高等専門学校機械工学科におけるメカトロニクス教育,ロ ボティクス・メカトロニクス'96講演会講演論文集,391(1996).
  4.  里中直樹 他,大阪府立高専システム制御工学科におけるシステム設計研究につ いて,平成8年度全国大学機械工学研究集会,21(1996)
  5.  平岡延章 他,高松高専制御情報工学科におけるメカトロニクスシステム設計, ロボティクス・メカトロニクス'97講演会講演論文集,743(1997).
  6.  関森大介 他,徳山高専における自発形創造教育システム,ロボティクス・メカ トロニクス'97講演会講演論文集,753(1997).