ホチキス先生の「プログラマーと呼ばれたい」

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小学校のカーニバルで「マイコンボードで Lチカ体験コーナー」をする – ブース型の体験コーナーで得たこと

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小学校のカーニバル。子供たちが様々な店を企画してみんなを楽しませる、つまり小学校版の文化祭のようなイベントだ。そこで PTA として「マイコンボードで Lチカ体験」というコーナーを出した。部屋は理科室。実験台に Arduino や Netduino のマイコンボードや部品を並べ、子供たちに体験をしてもらうブース型のコーナーだ。

昨年「青少年のための科学の祭典」で同様の出店をした経験から、このようなスタイルで小学生に体験させるにはどのような工夫が必要なのかということが少しわかった気がする。会議用の長机程度のスペースを使い、椅子をならべて数人を集めてマイコンボードの体験を 10分程度でする、終われば次のグループがどんどんやってきて入れ替わるというスタイルだ。

1.その場でプログラミングは無理

できればその場でプログラミングをし、あるいはコードを書くことはしなくても、できたコードを見せてビルドし配置する、ということを体験させたい。しかしブース型の入れ替え制スタイルで、小学生に対しては無理だ。相手が中学生で、パソコンもマイコンボードの数だけあり、同時に少人数、時間もせめて 20分あればできるかもしれない。したがってその場でプログラミングすることはあきらめ、あらかじめマイコンボードにプログラムを入れておくしかない。したがってイベントの目標は「プログラミングを理解する」のではなく「プログラムによってマイコンボードが動作することを理解する」ことにする。それをどういう形で体験し理解させるかを工夫する。

2.いろいろ用意せず体験は 1種類だけにする

計画の段階では「あれもしたいこれもしたい」と思うので、タイプの異なる実習を何種類も用意しようと思う。興味や関心に応じて選んでやってもらおう、と。しかし完全に個別対応ならうまくいくかもしれないが、5~6名の子供に同時に説明し体験させるには、異なる種類のものを同時に説明するのは無理がある。子供たちをきちんとコントロールできないと事故がおこる可能性もある。体験は 1種類だけにし、応用で見せたいものはすぐできるように用意しておき、見せるだけにする。

3.人数は同時に 10人くらいはできる

きちんと準備ができていれば、小学生なら 10人くらいは同時に対応できることがわかった。同じことをやるなら小学生は友達どうしで見比べながら作業ができる。そのためには机は広いほうがいい。昨年の「青少年のための科学の祭典」では会議用の長机を使ったが、今回は小学校の実験室だったので実験台を使わせてもらった。実験台は奥行きが広いのでマイコンボードや部品を並べても作業に余裕があった。できれば奥行きのある机に輪のようになって座ってするのがいい。

4.直観的に操作できるように準備する

いちいち説明書きを見ながら作業をするのは無理だ。そこで口頭で簡単に説明するだけでいいように、体験は直観的にそうさできるように準備する。回路を作るなら一列に並んだピンに順番にコードを挿していく、3接点のセンサーを使うなら、すだれ型の 3本セットのケーブルを使い、末端には 3ピンのコネクタを取り付けておく、電源のプラスは赤、マイナスは青とブレッドボードの色にあわせておく、などだ。こうしておくと「順番につなぐんだよ」「同じ色をつないでね」「同じ形のところにつないでね」と言うだけでいい。

5.ブレッドボードは難しい

ブレッドボードを小学生に理解させるには、このようなブース型の体験コーナーでは無理だ。まずブレッドボードの内部配線を理解しなければ、どのように回路がつながったのかわからない。実際に小学生にブレッドボードを使わせてみると、LED が光る回路を作ることができても、なぜ光ったかが実感できないでいるようだ。ほとんどの子は光ったことは喜んでも、なんとなく納得しがたい顔をして帰っていく。もし LED を直接光らせる体験をさせたいなら、ブレッドボードは使わずリード線とワニ口クリップを使ったほうがよさそうだ。

6.教材は多めに用意する

きちんと教材を用意しておけば 10人程度は同時に対応できる。スペースに余裕があればもう少し同時に多くに人数でできるかもしれない。そこで教材は想定する数より多めに用意しておくのがいい。また次々にグループがやってきたとき、前のグループでやったものの片付けができていないと待たすことになる。そこで片づけなくても 2回くらいは連続でできるように、同時想定人数の2倍の教材を用意できればさらにいい。

7.電源の管理を工夫する

どのような実習にせよ、マイコンボードや電子回路の実験なら電源を必要とする。回路を組み立てて最後は電源を接続するのだが、AC アダプターを使うのか、乾電池を使うのか、モバイルバッテリーを使うのか。電源ケーブルの引き回しをどうするのか。今回は AC アダプター付きの 7ポート USB ハブを使ったが、USB ケーブルが短くしかも堅かったので使いにくかった。モバイルバッテリーは万一回路が短絡したときに危険かもしれない。電源供給ケーブルのとりまわし、短絡しないケーブル末端の処理、などに配慮する必要がある。小学生には乾電池を使うのがわかりやすく、短絡したときの問題を考えると、内部抵抗の大きなマンガン乾電池を使うことが良いと思われる。

こうした実習は、プランを立ててやってみることで経験が得られ改善の工夫をイメージできる。子供たちは思いもよらない姿を見せてくれる。優れた教員は常に子供たちの様子を観察し、細かな違いを見極める目を持っている。そこで気づいたことを次のプランに組み込んでいく。したがってこうした実践は教える側にとっても貴重な経験である。それにしても小学生に何かを教えるということはエネルギーがいる。やっているときは感じなかったが、2時間ほどの体験コーナーを終えて家に帰ってくると、気が緩んで疲労と睡魔に襲われて夕方まで昼寝をしてしまった。小学校の先生はたいへんだ、ということも実感した。

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ブレッドボードで電子回路の実験をするために乾電池ホルダーのリード線をジャンパワイヤのように端子化する

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ブレッドボードで電子回路の実験をするときに、乾電池ホルダーを使うことがある。市販の工作用乾電池ホルダーはリード線がついているが、末端は処理されていないことが多い。より線をねじったままでブレッドボードに挿すことはできないことはないが、何度も挿したり抜いたりするうちに先端がぼろぼろになってくる。ブレッドボードで使うにはリード線の端をジャンパワイヤのように端子化するといいだろう。

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<Fig.1 : 市販の工作用乾電池ホルダー>

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<Fig.2 : 市販の工作用乾電池ホルダーのリード線はより線で末端は処理されていない>

末端を端子化するために、すずメッキ線を使う。ブレッドボードの電子回路でよく使われるのは、22AWG のものである。AWG はアメリカンワイヤーゲージ、米国ワイヤーゲージ規格のことで、22AWG の太さは直径 0.0253 インチ、約0.644 ミリである。そこで直径 0.6 mm のすずメッキ線を使う。少し大きなホームセンターなどで売っているはずだ。

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<Fig.3 : 直径 0.6 mm のすずメッキ線>

すずメッキ線をリード線の端にはんだ付けするだけでは持ちにくいし、リード線とすずメッキ線の接続部分が折れやすくなる。そこではんだ付けした後、熱収縮チューブをかぶせて保護する。すずメッキ線と熱収縮チューブは適当な長さに切っておく。

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<Fig.4 : すずメッキ線と熱収縮チューブをあらかじめ切っておく>

まずリード線のより線をすずメッキ線の端に巻きつける。

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<Fig.5 : リード線をすずメッキ線の端に巻きつける>

リード線を巻きつけたところをはんだ付けする。少し多めにはんだをのせると持ちやすくなるし熱収縮チューブも抜けにくくなる。

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<Fig.5 : すずメッキ線をはんだ付けした>

はんだ付けした部分に熱収縮チューブをかぶせる。

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<Fig.6 : はんだ付けした部分に熱収縮チューブをかぶせる>

熱収縮チューブを加熱するには、はんだごての軸を使おう。加熱しすぎないように加減して。

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<Fig.7 : 熱収縮チューブをはんだごての軸で加熱する>

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<Fig.8 : 熱収縮チューブを加熱した>

熱収縮チューブを加熱した。はんだ付けの部分やリード線の向きが曲がっていたら真っ直ぐに修正しよう。プラスの赤線とマイナスの黒線の両方を処理する。

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<Fig.9 : 赤と黒のリード線を両方とも端末処理した>

これでブレッドボードで使いやすくなった。

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<Fig.10 : リード線を端末処理した乾電池ボックスをブレッドボードで使う>

秋月電子通商が販売するKm2Net Inc.のディジタルUSBインタフェース Km2Net USB-IO2.0(AKI)を試す

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Km2Net USB-IO2.0(AKI)はKm2Net Inc.のディジタルUSBインタフェースで秋月電子通商が販売している。これは汎用ディジタル入出力12ピンを持ち、USB-2.0接続、動作電力はUSBから供給するので独自電源不要、600milソケット対応なのでブレッドボードでの実験がしやすい、HIDデバイスとして認識されるのでドライバが不要、Visual Studio による VB のサンプルプログラムが添付されている、などの特徴がある。

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<Fig.1 : Km2Net USB-IO2.0(AKI) のパッケージをあけたところ>

パッケージには Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体と、600mil 対応のピンが入っている。使うには工作が必要だ。まずはこれらのピンを Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体にはんだ付けしよう。

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<Fig.2 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体と 600mil 対応のピン>

添付のピンのうち、L字型に曲がったピンは6列だが、Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体には5列のピン穴がある。ペンチかニッパーでピンを1列外そう。

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<Fig.3 : L字型のピンを1列外す>

また Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体には両側にディジタル入出力のピン穴がそれぞれ7列ずつあるので、添付のピンを切り離し7列のピンを2つ作ろう。

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<Fig.4 : 7列のピンを2つ作る>

切り離した7列のピンをブレッドボードに挿してみる。これを本体にはんだ付けするのだが、ピンが曲がってブレッドボードに挿せなくなることも考えられるので、このままはんだ付けすることにする。

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<Fig.4 : 7列のピンをブレッドボードに挿してみる>

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<Fig.5 : ブレッドボードに挿した7列ピンの上に Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体を乗せる>

この状態ではんだ付けをすると、熱でブレッドボードが痛む可能性がある。はんだ付けは手早く、確実にしよう。

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<Fig.6 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体に7列ピンをはんだ付けした>

次に5列のL字型ピンをはんだ付けする。これは基板裏側からのはんだづけになる。

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<Fig.7 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体に5列のL字型ピンをはんだ付けする>

Km2Net USB-IO2.1(AKI) の本体には Visual Studio のサンプルプログラムがついている。言語は Visual Basic だ。本体をブレッドボードに取り付け、J1-0入力に LED を取り付ける。Visual Studio を起動し、サンプルプログラムを動かす。

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<Fig.8 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) のサンプルプログラムを起動する>

「入出力状態」の左端「0」をクリックすると接続した LED が点いたり消えたりする。

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<Fig.9 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) のJ1-0に取り付けた LED が消えている>

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<Fig.10 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) のサンプルプログラムを起動して左端の「0」をクリックして赤色に変える>

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<Fig.11 : Km2Net USB-IO2.1(AKI) のJ1-0に取り付けた LED が点いた>

このように、実に簡単にUSBインタフェースを使えることがわかった。これを使って様々なディジタルデバイスをコンピュータからコントロールできるだろう。