2014年[ 科学教育振興助成 ] 成果報告
RaspberryPi を活用したﾈｯﾄﾜｰｸ実習教材の製作
概要
１．はじめに
本校でのｺﾝﾋﾟｭｰﾀ教育は、アプリケーションの利用や統合環境下でのﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ学習といったｺﾝﾋﾟｭｰﾀの操作が主体となっている。また、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御にはｺﾝﾋﾟｭｰﾀの故障等が懸念されるため、Arduino等のAVRマイコンを利用している。そのため生徒にとってｺﾝﾋﾟｭｰﾀはブラックボックス的な存在である。安価で頑強で楽しくﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞができるｺﾝﾋﾟｭｰﾀを活用し、OSのｲﾝｽﾄｰﾙ、ﾈｯﾄﾜｰｸの設定、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御、Webアプリ制作等の実習を行うことは、生徒にｺﾝﾋﾟｭｰﾀの仕組みや動作原理を効率的に理解させることができる。
また、現在スマートフォン用のアプリ市場の急速な拡大により、日本ではIT技術者の不足が深刻な問題となっている。高校生の段階から、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの仕組みや動作原理を理解させることは、今後益々発展するIT技術にも対応できる技術者の育成へと繋がる。
そこで、基本的なｺﾝﾋﾟｭｰﾀ科学の教育を促進することを意図し、英国のラズベリーパイ財団によって開発された名刺ｻｲｽﾞのﾊﾟｿｺﾝ、RaspberryPiを活用した実習教材を作成することにした。教材は生徒が興味関心を抱くよう、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御にスマートフォンやタブレットを用いたものにした。さらにﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ演習を行うことによって、論理的思考や言語能力を育成させることとした。
２．研究内容
(1)RaspberryPi1)
RaspberryPiは、手のひらにのる程の大きさですが、デスクトップ環境も用意されていてﾊﾟｿｺﾝ同様に動作します。「GPIO」という電子回路を制御できるインターフェースも搭載されており、RaspberryPi上で作成したプログラムで簡単に機器を制御できる。
RaspberryPiは工作だけでなく、入門用ﾊﾟｿｺﾝや省電力ｻｰﾊﾞとしても活用可能です。さらにﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ学習用環境「Scratch」が用意されていて、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ教育用ﾊﾟｿｺﾝとしても利用できる。本研究ではRaspberryPi(ModelB)を12台購入し初期設定(OSのｲﾝｽﾄｰﾙ)、ﾈｯﾄﾜｰｸ設定等を施し、さらに制御用基板の製作にも取り組んだ。
(2)OSのｲﾝｽﾄｰﾙとﾈｯﾄﾜｰｸ設定
OSはﾗｽﾞﾍﾞﾘ-財団のWebｻｲﾄよりLinux系のRaspbianﾀﾞｳﾝﾛｰﾄﾞしSDｶｰﾄﾞに保存し使用した。
RaspberryPiはSDｶｰﾄﾞがﾊﾟｿｺﾝのﾊｰﾄﾞﾃﾞｨｽｸの役割を果たす。ﾃｷｽﾄｴﾃﾞｨﾀでﾌｧｲﾙ(interfaces)を変更することによりﾈｯﾄﾜｰｸの設定ができる。ﾈｯﾄﾜｰｸ設定後、WindowsﾊﾟｿｺﾝからSSHを利用してRaspberryPiを動作させることにより、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの遠隔操作技術を学ぶことができる。
(3)制御基板の製作
制御基板はNC工作機械を使い製作した。出力装置としてLEDを８個、入力装置として押しﾎﾞﾀﾝｽｲｯﾁを４個使用した。
(4)Scratchによるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習
Scratchはあらかじめ用意されたグラフィカルなアイテムをマウスで配置するだけでﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを作成できるﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ言語です。
ScratchはRaspberryPiに標準搭載されているのですぐに利用でき、さらにRaspberryPiのGPIOの操作もできるため、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ初心者がﾊｰﾄﾞｳｪｱを制御するには最適なﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ言語です。
Scratchによるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習では、２，３，４ﾋﾟﾝを出力用でLEDと接続、２５，８，７ﾋﾟﾝを入力用で押しﾎﾞﾀﾝｽｲｯﾁと接続する。押しボタンの入力に反応してLEDを点灯するような制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗ
ﾑが作成できる。
(5)C言語によるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習 3)
GordonHenderson氏によって開発されたRaspberryPi用｢GPIO｣のライブラリを使うことによって、C言語で｢GPIO｣を制御することができる。
Scratchと同じ動作をする制御プログラムをC言語で作成させる。
ScratchとC言語を対比して制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを学習させることは、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御技術に関して生徒の興味関心を抱かす効果が期待できる。
(6)ﾈｯﾄﾜｰｸを利用したﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習
スマートフォンやタブレットから制御基板のLEDを点灯させるサンプルﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをJavaScriptで作成した。スマートフォン等のブラウザから、RaspberryPiのWebｻｰﾊﾞにアクセス・ログインすることにより、RaspberryPiの｢GPIO｣に接続されたLEDを簡単に制御できる。
(7)Webｶﾒﾗを利用した実習
Webｶﾒﾗを接続し、LEDの状態を確認しながら遠隔操作できるようなシステムを構築した。
(8)制御実習装置の製作
Arduinoを用いて制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを学習する装置を製作した。入力ｽｲｯﾁ３種類(ﾎﾞﾀﾝ，ﾄｸﾞﾙ，ﾌｫﾄｾﾝ
ｻ)、出力装置として７SegﾒﾝﾄLED、直流ﾓｰﾀ、ｽﾃｯﾋﾟﾝｸﾞﾓｰﾀをアセンブルした。この装置は制御実習だけでなく、ものづくり競技会(電子回路の部)への練習用としても使用できる。
３．まとめ
教育用として開発されたRaspberryPiを利用し、OSのｲﾝｽﾄｰﾙからﾊｰﾄﾞｳｪｱの遠隔制御まで、情報技術について幅広く学べる教材を製作した。製作にあたり、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ初心者の制御実習への動機付けとしてScratchﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを使用した。ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞの作業は基本的に問題解決のﾌﾟﾛｾｽである。ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞに興味を持ち、能動的に学習することによって、自然と問題解決能力が身に着く。工業技術者にとってﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑｽｷﾙは語学力と同じように大切な技術だと思う。
今回製作した教材はﾊｰﾄﾞｳｪｱ技術、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ技術、電子回路技術など様々な工業技術の基礎を学ぶことができる。今回の教材を来年度から実習に取り入れ、生徒に工業技術の面白さを実習や体験を通して実感させ、学習意欲を喚起させることによって進路実現へ繋げていきたい。
本校でのｺﾝﾋﾟｭｰﾀ教育は、アプリケーションの利用や統合環境下でのﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ学習といったｺﾝﾋﾟｭｰﾀの操作が主体となっている。また、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御にはｺﾝﾋﾟｭｰﾀの故障等が懸念されるため、Arduino等のAVRマイコンを利用している。そのため生徒にとってｺﾝﾋﾟｭｰﾀはブラックボックス的な存在である。安価で頑強で楽しくﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞができるｺﾝﾋﾟｭｰﾀを活用し、OSのｲﾝｽﾄｰﾙ、ﾈｯﾄﾜｰｸの設定、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御、Webアプリ制作等の実習を行うことは、生徒にｺﾝﾋﾟｭｰﾀの仕組みや動作原理を効率的に理解させることができる。
また、現在スマートフォン用のアプリ市場の急速な拡大により、日本ではIT技術者の不足が深刻な問題となっている。高校生の段階から、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの仕組みや動作原理を理解させることは、今後益々発展するIT技術にも対応できる技術者の育成へと繋がる。
そこで、基本的なｺﾝﾋﾟｭｰﾀ科学の教育を促進することを意図し、英国のラズベリーパイ財団によって開発された名刺ｻｲｽﾞのﾊﾟｿｺﾝ、RaspberryPiを活用した実習教材を作成することにした。教材は生徒が興味関心を抱くよう、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御にスマートフォンやタブレットを用いたものにした。さらにﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ演習を行うことによって、論理的思考や言語能力を育成させることとした。
２．研究内容
(1)RaspberryPi1)
RaspberryPiは、手のひらにのる程の大きさですが、デスクトップ環境も用意されていてﾊﾟｿｺﾝ同様に動作します。「GPIO」という電子回路を制御できるインターフェースも搭載されており、RaspberryPi上で作成したプログラムで簡単に機器を制御できる。
RaspberryPiは工作だけでなく、入門用ﾊﾟｿｺﾝや省電力ｻｰﾊﾞとしても活用可能です。さらにﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ学習用環境「Scratch」が用意されていて、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ教育用ﾊﾟｿｺﾝとしても利用できる。本研究ではRaspberryPi(ModelB)を12台購入し初期設定(OSのｲﾝｽﾄｰﾙ)、ﾈｯﾄﾜｰｸ設定等を施し、さらに制御用基板の製作にも取り組んだ。
(2)OSのｲﾝｽﾄｰﾙとﾈｯﾄﾜｰｸ設定
OSはﾗｽﾞﾍﾞﾘ-財団のWebｻｲﾄよりLinux系のRaspbianﾀﾞｳﾝﾛｰﾄﾞしSDｶｰﾄﾞに保存し使用した。
RaspberryPiはSDｶｰﾄﾞがﾊﾟｿｺﾝのﾊｰﾄﾞﾃﾞｨｽｸの役割を果たす。ﾃｷｽﾄｴﾃﾞｨﾀでﾌｧｲﾙ(interfaces)を変更することによりﾈｯﾄﾜｰｸの設定ができる。ﾈｯﾄﾜｰｸ設定後、WindowsﾊﾟｿｺﾝからSSHを利用してRaspberryPiを動作させることにより、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの遠隔操作技術を学ぶことができる。
(3)制御基板の製作
制御基板はNC工作機械を使い製作した。出力装置としてLEDを８個、入力装置として押しﾎﾞﾀﾝｽｲｯﾁを４個使用した。
(4)Scratchによるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習
Scratchはあらかじめ用意されたグラフィカルなアイテムをマウスで配置するだけでﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを作成できるﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ言語です。
ScratchはRaspberryPiに標準搭載されているのですぐに利用でき、さらにRaspberryPiのGPIOの操作もできるため、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞ初心者がﾊｰﾄﾞｳｪｱを制御するには最適なﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ言語です。
Scratchによるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習では、２，３，４ﾋﾟﾝを出力用でLEDと接続、２５，８，７ﾋﾟﾝを入力用で押しﾎﾞﾀﾝｽｲｯﾁと接続する。押しボタンの入力に反応してLEDを点灯するような制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗ
ﾑが作成できる。
(5)C言語によるﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習 3)
GordonHenderson氏によって開発されたRaspberryPi用｢GPIO｣のライブラリを使うことによって、C言語で｢GPIO｣を制御することができる。
Scratchと同じ動作をする制御プログラムをC言語で作成させる。
ScratchとC言語を対比して制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを学習させることは、ﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御技術に関して生徒の興味関心を抱かす効果が期待できる。
(6)ﾈｯﾄﾜｰｸを利用したﾊｰﾄﾞｳｪｱ制御実習
スマートフォンやタブレットから制御基板のLEDを点灯させるサンプルﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをJavaScriptで作成した。スマートフォン等のブラウザから、RaspberryPiのWebｻｰﾊﾞにアクセス・ログインすることにより、RaspberryPiの｢GPIO｣に接続されたLEDを簡単に制御できる。
(7)Webｶﾒﾗを利用した実習
Webｶﾒﾗを接続し、LEDの状態を確認しながら遠隔操作できるようなシステムを構築した。
(8)制御実習装置の製作
Arduinoを用いて制御ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを学習する装置を製作した。入力ｽｲｯﾁ３種類(ﾎﾞﾀﾝ，ﾄｸﾞﾙ，ﾌｫﾄｾﾝ
ｻ)、出力装置として７SegﾒﾝﾄLED、直流ﾓｰﾀ、ｽﾃｯﾋﾟﾝｸﾞﾓｰﾀをアセンブルした。この装置は制御実習だけでなく、ものづくり競技会(電子回路の部)への練習用としても使用できる。
３．まとめ
教育用として開発されたRaspberryPiを利用し、OSのｲﾝｽﾄｰﾙからﾊｰﾄﾞｳｪｱの遠隔制御まで、情報技術について幅広く学べる教材を製作した。製作にあたり、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ初心者の制御実習への動機付けとしてScratchﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを使用した。ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞの作業は基本的に問題解決のﾌﾟﾛｾｽである。ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾐﾝｸﾞに興味を持ち、能動的に学習することによって、自然と問題解決能力が身に着く。工業技術者にとってﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑｽｷﾙは語学力と同じように大切な技術だと思う。
今回製作した教材はﾊｰﾄﾞｳｪｱ技術、ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ技術、電子回路技術など様々な工業技術の基礎を学ぶことができる。今回の教材を来年度から実習に取り入れ、生徒に工業技術の面白さを実習や体験を通して実感させ、学習意欲を喚起させることによって進路実現へ繋げていきたい。