Google Colaboratory の概要とAI機能

Google Colaboratoryを使用したプログラムの実行方法と、AIによるコード生成機能の活用方法を学ぶ。
Google Colaboratoryのノートブック画面。コードセルと実行結果が表示されている。
図：Google Colaboratoryのノートブック画面

【学習内容の構成】

  1. 環境準備：Googleアカウントでのログインとノートブックの作成
  2. 基本操作：コードセルへのプログラム入力と実行、結果の確認
  3. AIコード生成：日本語での指示によるコード生成と修正依頼

前提：Webブラウザの基本操作、Googleアカウント

スライド資料: [PDF], [パワーポイント]

YouTube動画：https://youtu.be/GjK1poGuUNY

【目次】

  1. 前提
  2. Google Colaboratoryの概要
  3. 環境準備
  4. 画面の構成
  5. プログラムの実行
  6. AIによるコード生成
  7. トラブルシューティング
  8. 要点
  9. 発展的な機能
  10. まとめ

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1. 前提

Google Colaboratoryを使用し、AIによるコード生成機能の活用方法を学ぶ。具体的には以下の3点を習得する。

前提として、Webブラウザの基本操作ができること、およびGoogleアカウントを持っていることを前提とする。

ここでは、プログラミングの基本サイクル（入力→実行→結果確認）を体験し、AIを活用したコード作成を実践する。

【前提知識】

次の点を押さえる。

AIコード生成機能の提供状況と画面表記（ボタン名や入力欄の文言）は、Google側の更新により変更される場合がある。本章の表記と画面が異なるときは、画面の表示に従う。

2. Google Colaboratoryの概要

Google Colaboratoryは、Webブラウザからアクセスできるプログラミング環境である。プログラムはGoogleのサーバ上で実行されるため、Windowsのパソコンに別途プログラミング環境を用意しなくても利用できる。Colabの概要をより詳しく知りたい場合は、Google Colaboratoryとはを参照のこと。

2.1 ノートブックとは

ノートブックとは、プログラムと実行結果を一つのファイルにまとめて保存できる形式のファイルである。記述したプログラムをファイル内で実行できる。作成したノートブックはGoogle Driveに保存できる。

ノートブックの構成。1つのファイルの中にプログラムと実行結果がまとまっている。
図：ノートブックは、プログラムと実行結果を1つのファイルにまとめて保存できる

2.2 セルの種類

ノートブックは以下の2種類のセルで構成される。

3. 環境準備

3.1 Google Colaboratoryを開く

  1. Webブラウザのアドレスバーに以下のURLを入力する 
    https://colab.research.google.com
  2. ダイアログ（ノートブックを選ぶ画面）が表示された場合は「ノートブックを新規作成」を選ぶ。表示されない場合は「ファイル」メニューから「ドライブの新しいノートブック」を選択する
    「ファイル」メニューを開き、「ドライブの新しいノートブック」を選択している画面。
    図：「ファイル」メニューから「ドライブの新しいノートブック」を選択する
  3. ログインを求められた場合は、Googleアカウントでログインする（詳細は3.2）

ノートブックの作成や基本的なセル操作の詳細は、ノートブックの作成と基本操作で説明している。

3.2 Googleアカウントでのログイン

ノートブックの作成・保存・実行にはGoogleアカウントでのログインが必要である。アカウントが必要となる範囲の詳細は、Google ColaboratoryとGoogleアカウントで説明している。ログインを求められる場面は次の2つである。

いずれの場合も、Googleアカウントでログインする。

「Googleへのログインが必要」というメッセージが表示された画面。
図：ログインが必要と表示された場合の画面

4. 画面の構成

Google Colaboratoryの画面は、以下の要素で構成される。

コードセル、左側の三角形の実行ボタン、セル下部の出力エリアの位置を示した画面。
図：画面の構成（コードセル・実行ボタン・出力エリア）

5. プログラムの実行

5.1 プログラミングの基本サイクル

プログラミングは以下のサイクルの繰り返しで進める。

入力 → 実行 → 結果を確認する

演習1．プログラムを実行する

手順

  1. コードセルに以下のプログラムを入力する 
    print("Hello")
  2. 以下のいずれかの方法で実行する
    • 方法1：三角形の実行ボタンをクリックする
    • 方法2：Shiftキーを押しながらEnterキーを押す
  3. セルの下に Hello と表示されれば成功である
    print("Hello")を実行し、出力エリアにHelloと表示された画面。
    図：実行結果として「Hello」が表示された状態

ヒント

print は、かっこ内の文字列を出力エリアに表示する。文字列は "（ダブルクォート）で囲む。セルの実行方法の詳細はプログラムの実行を参照のこと。

考察ポイント

入力したプログラムと出力された文字列の対応を確認する。"Hello" を別の文字列に変えると、出力がどう変わるか。

5.2 コメント

#（シャープ）で始まる行は「コメント」と呼ばれる。

# これはコメント
print("これは実行される")

コメントには以下の特徴がある。

AIが生成したコード（6章）にもコメントが含まれることが多い。コメントを読むと、その行が何をしているかを把握できる。

6. AIによるコード生成

利用上の前提：AIコード生成は、ログイン済みのGoogleアカウントで利用する。生成されたコードは正しいとは限らないため、実行前に内容を確認し、実行後に結果が意図どおりかを検証する。提供状況や画面表記が本章と異なる場合は、画面の表示に従う。

6.1 AIにコード生成を依頼する方法

画面下部の「何を構築しますか」という入力欄に日本語で処理を記述し、送信ボタンを押すと、AIがコードを生成する。

基本的な流れ

  1. 「何を構築しますか」の入力欄に日本語で指示を入力する
  2. 送信ボタンを押す
  3. AIが新しいコードセルを生成する（生成されたセルの位置を確認する）
  4. 生成されたコードの内容を確認する
  5. 実行して結果を確認する。複数のセルがある場合は、一番上のセルから順に実行する

6.2 コードの修正を依頼する

生成されたコードを確認した後、画面下部の入力欄から修正を依頼できる。修正依頼を送信すると、AIが新しいコードセルを生成する。生成されたセルを実行して結果を確認する。コードを実行してエラーが出た場合は、エラーの内容を入力欄に伝えて修正を依頼する。

6.3 Geminiとの対話による支援

Google ColaboratoryにはGeminiによる対話型のアシスタントが組み込まれている。画面下部中央のGeminiボタンを押すと対話画面（チャット）が開き、これを画面右側のパネルに移して使うこともできる。このアシスタントは現在開いているノートブックのセルの内容と実行結果を把握したうえで応答するため、コードのコピー＆ペーストをせずに相談できる。対話画面では、処理の相談、コードの生成・修正、エラーの解説などを日本語で依頼できる。

コードセルを選択すると、セル右上に「AI機能」ボタンが表示され、次の操作を選べる。

コードの実行時にエラーが出ると、セルの下部に「エラーを説明」ボタンが表示される。これを押すと、エラーの内容が対話画面に渡され、原因の説明と修正案が示される。

Geminiがコードセルを修正すると、追加・削除された箇所がセル上に表示され、対話画面で「承認して実行」「承認」「キャンセル」のいずれかを選べる。修正後のコードは内容を確認してから実行する。

演習2．数字の表示

手順

  1. 画面下部の入力欄に以下を入力し、送信ボタンを押す 
    1から10までの数字を表示
  2. 生成された新しいコードセルの内容を確認する
    「1から10までの数字を表示」という指示に対してAIが生成したコードセル。
    図：AIが生成したコードセル
  3. 実行する。1から10が表示されれば成功である
    生成されたコードを実行し、1から10までの数字が出力された画面。
    図：実行結果（1から10までの数字が表示された状態）

ヒント

表示が意図どおりでない場合は、6.2の手順で修正を依頼する。

考察ポイント

入力した日本語の指示と、生成されたコードの対応を確認する。指示の表現を変えると、生成されるコードがどう変わるか。

演習3．円グラフの表示

手順

  1. 画面下部の入力欄に以下を入力し、送信ボタンを押す 
    円グラフを描画して
  2. 生成された新しいコードセルの内容を確認する
  3. 実行する。円グラフが表示されれば成功である
    AIが生成したコードを実行し、円グラフが描画された画面。
    図：実行結果（円グラフが表示された状態）

ヒント

表示が意図どおりでない場合は、6.2の手順で修正を依頼する。グラフに日本語ラベルを使う場合は、日本語フォントの設定が必要になる。

考察ポイント

演習2の数字の表示と比べ、グラフの描画ではどのような部品（データと描画の指示）がコードに含まれるか。

演習4．自由に試す

手順

  1. 以下のいずれかを画面下部の入力欄に入力し、送信ボタンを押す
    難易度指示内容
    簡単九九の表を表示して
    中級サイコロを10回振った結果を表示して
    挑戦面白いゲーム
  2. 生成された新しいコードセルの内容を確認する
  3. 実行する
演習4の実行例その1。AIが生成したコードと実行結果の画面。
図：演習4の実行例（その1）
演習4の実行例その2。AIが生成したコードと実行結果の画面。
図：演習4の実行例（その2）
演習4の実行例その3。AIが生成したコードと実行結果の画面。
図：演習4の実行例（その3）

ヒント

指示が抽象的なほど、生成されるコードはAIの判断に委ねられる。表示が意図どおりでない場合は、6.2の手順で修正を依頼する。

考察ポイント

難易度の異なる指示で、生成されるコードの分量や構造がどう変わるか。指示が具体的な場合と抽象的な場合で、結果のばらつきにどのような違いがあるか。

7. トラブルシューティング

7.1 実行が止まり再開しない場合

実行が止まり再開しない場合は、以下の手順でアクティブなセッションを終了し、最初から実行をやり直す。詳しい手順はセッション管理でも説明している。

  1. メニューで「ランタイム」→「セッションの管理」と操作する
  2. アクティブなセッションの一覧が表示されるので、「終了」をクリックして、すべてのアクティブなセッションを終了する
  3. 最初から実行をやり直す。セッションを終了してもセルは残るが、変数などの実行状態はリセットされるため、一番上のセルから順に実行し直す

7.2 AIが生成したコードがエラーになる場合

  1. 出力エリアに表示されたエラーメッセージを確認する（どのセル・どの行で問題が起きたかが示される）
  2. 6.2の手順で、エラーの内容を入力欄に伝えて修正を依頼する。セル下部の「エラーを説明」ボタン（6.3）から、エラーの内容を対話画面に渡すこともできる
  3. 修正後のコードを確認し、再度実行して結果を確認する

8. 要点

8.1 基本事項

8.2 基本操作

9. 発展的な機能

Google Colaboratoryには以下の機能もある。使用にはGoogleアカウントが必要である。

9.1 ファイルのアップロード

画面左側の「ファイル」アイコンをクリックすると、ファイルパネルが表示される。このパネルにファイルをドラッグ＆ドロップすると、アップロードできる。ファイルアップロードの詳細は画面操作によるファイルアップロードを参照のこと。

画面左側のファイルアイコンを開いたファイルパネルに、ファイルをドラッグ＆ドロップしている画面。
図：ファイルパネルにドラッグ＆ドロップしてアップロードする

10. まとめ

本章で実施したことは以下のとおり。

  1. Googleアカウントでログインした
  2. Google Colaboratoryでプログラムを実行した
  3. AIによるコード生成を実施した

10.1 Google Colaboratoryの機能体系

Google Colaboratoryの機能は、以下の3つに分類できる。

基本プログラミング

AI支援

高度な操作