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オープンキャンパス体験授業におけるマイコンでつくる 電子オルゴール
オープンキャンパス体験授業におけるマイコンでつくる 電子オルゴール教材 A Study on the Embedded Music Box at the College's Open Day for New Students 菊池達也、大村光德、福良博史 KIKUCHI Tatsuya, OMURA Kotoku, FUKURA Hirofumi １．はじめに そのことは電子情報技術科だけなく他科の紹 2009 年 4 月から新科・電子情報技術科の１ 介でも同じである。そこで、東京校では受験 期生の授業がスタートした。前年の 2008 年度 生を対象にしたオープンキャンパスを年６回 は新科のデビュー広報活動の年になった。電 開催し、体験授業を通して各科の教育内容と 子情報技術科の学生の仕上がり像は、これか キャンパスライフを紹介している。 らのユビキタス社会において組込み技術で活 オープンキャンパスの体験授業は、受験生 躍する実践技術者である。電子情報技術科の と担当科の教員が接する良い機会であるが、 教育内容は、従来の電子技術科のハードウェ 時間が約 90 分と短い。限られた時間の中で、 ア（H）と情報技術科のソフトウェア（S）を ハードウェアとソフトウェアが融合した組込 単に半々で足し算したものではない（式１）。 み技術を体験させ、興味・関心を引き出し、 ハードウェア（H） 、ソフトウェア（S）、通信 達成感を満足させ、楽しく有意義な時間とし （C）の各分野が組込みシステムで有機的に結 て記憶させ、受験と入学の行動につながるよ 合する技術領域を教育訓練の要としている うにしなければならい。工業高校の生徒でマ 1 （式２） 。 H S + 2 2 イコンの授業を経験した者はごく一部である。 多くの受験生は、プログラミングやマイコン （１） などの専門的な知識を持ち合わせてはいない。 「組込み」という用語も聞いたことがない。 ( H ∨ S ∨ C ) ∧ 組込みシステム（２） 「難しいことをやさしく教える」ことができ るかが、体験授業の成功を左右すると認識し た。 しかし、電子情報技術科の科名から、受験 担当教員で相談した結果、過去のイベント 生が教育内容を（式１）と思い込んだ場合、 で製作した電子ピアノにヒントを得て、電子 入学後に期待した内容と指導内容にミスマッ オルゴールに決めた[2],[3]。 チを生じてしまう。入学案内のパンフレット Ｃ言語を用いて開発したソフトウェアは、 には、新科の教育内容を図や写真を利用して 再生プログラム部と曲部の２つに分かれてい 紹介しているが、見開きの 2 ページだけでは る。曲の部分については、音符の要素である 専門的な知識を持たない入学希望者（多くは 音の高さ、音の長さ、音階を 1 つの関数で扱 高校生）に理解させるには充分とは言えない。 えるようにした。この関数を関数ｇと名付け、 関数ｇの知識だけを指導すれば、高校生にも 1 p,q を命題とするとき、命題「p あるいは q」を p ∨q と書き、命題「p かつ q」を p∧q と書く[1]。 曲の部分についてプログラミングは可能と思 われた。教員側が作成した再生プログラムと － 42 － 参加者が入力した曲をリンクさせて、マイコ 表 １ ンに書き込めば完成するようにした。 ・半導体プロセス CMOS ・動作速度 20MHz(Max) プログラミングのコード作成による「ものづ ・動作電圧 2.0V～5.5V くり」を体得してもらい、組込み製品をつく ・フラッシュメモリ 2048 ワード りあげるプロセスの全体像としてのイメージ ・SRAM 128 バイト ・EEPROM 256 バイト ・I/O 4 ポート ・10bit A/D 4 チャンネル このことにより、Ｃ言語の知識がなくても、 を受験生に理解してもらえることを狙いとし た。 PIC12F683 の仕様 ２．電子オルゴール教材の工夫した点 （ａ）部品コストとパフォーマンスを両立さ せた回路設計 体験授業に参加した高校生には、曲を入力 した電子オルゴールをプレゼントしている。 参加者が、後日、自分の電子オルゴールを家 庭や学校で話題にすると、口コミで当校のこ とが広報されるのではないかとの期待がある。 参加者全員にプレゼントするために、電子オ ルゴールのコストを意識して設計した。組込 み マ イ コ ン に は 、 150 円 程 度 の 安 価 な Microchip 社の PIC12F683（8bit コア）を採 用した。電子オルゴールの部品点数は、ケー スを含めて 12 点で構成するように設計した。 音量を固定にした場合には、10 点で構成でき る。なお、スピーカーについては、コストを 下げるために祝電などで使われるスピーカー のコーン部がプラスチック製のものを検討し たが、低音域が再生されないため音質が硬い 印象であった。また、制作した開発ツールに （ｂ）東京校の電子 CAD システムを利用した オリジナルの基板設計 電子オルゴールの回路とプリント配線板の 設計については、当校の電子 CAD システムを 利用して開発した。試作の段階では、ミッツ 社のプリント基板加工機を使用して、プリン ト配線板を製作し、電子部品を半田付けして 電子オルゴールの動作を確認した。前述した ように、電子オルゴールは広報ツールとして の役目を持たせるので、プリント配線板に大 学名を明記することにした。しかし、当校に はプリント配線板にシルク文字を印刷する機 械がない。そのため、プリント基板製造工場 に発注して、図 １のように、東京校の名前お よび部品の配置もきれいに印刷した基板を用 いている。なお、この電子オルゴールは電子 CAD システムの入門的課題として、電子情報 技術科の学生の教育に役立っている。 入力した曲をパソコン上で再生する機能があ るが、パソコンで再生する音と比較して音質 がかなり劣化していることが判明した。そこ で、コストはかかるがコーン部が紙でできた 小型スピーカーを採用することで、パソコン との音質の差異を小さく改善した。 － 43 － 図 １ 電子オルゴールのプリント配線板の写真 （ｃ）わかりやすい開発ツール「かんたん? 表 ２ オルゴール」のオリジナル設計 音階と引数３の関係 音 マイコンの開発ツール（ソフトウェア）の 階 引数３ ド do1 多くは、技術者向けに作られているので、高 ド＃ dos 校生が短時間で操作を習得するのには無理が レ re ある。そこで、体験授業のために専用の開発 レ＃ res ツールを Visual Basic 2008[4]を利用して制 ミ mi 作し、「かんたん？オルゴール」と名付けた。 ファ fa ファ＃ fas ソ so ソ＃ sos ラ ra ゴールの曲のプログラミングに必要な機能を ラ＃ ras 右側のサイドメニューに表示させるなど、高 シ si 校生でも操作できるように工夫した。 ド do2 本ツールには、次のような工夫を施した。 ① 操作しやすい作曲ソフトウェア メニューは平易な言葉で表現し、電子オル ② 作曲用 C 言語プリプロセッサ ｇ関数は次のような引数を与える。 参加者は関数ｇの簡単な規則を覚えるだけ ｇ（ 引数１｜引数２｜引数３）； で、楽譜から音符をひろって、プログラムが ｜は OR 演算子である。 できるように工夫した。関数ｇ自身は C 言語 引数１には、オクターブを設定する。この の関数なので、参加者に本物の言語に触れる 電子オルゴールでは、２オクターブまで設定 ように工夫した。なお、GUI などでより簡単 できる。通常のオクターブを使う場合は t1、 に入力できる方法もある。しかし、限定的で その上のオクターブを使うときは t2 と設定 はあるが、本物の言語に触れさせることにこ する。 だわり、作曲用 C 言語プリプロセッサとした。 引数２には、音の長さを設定する。設置値 は n1 から n7 まである。最小単位の n1 は８分 音符を表し、n2 から n7 は８分音符の整数倍 の長さとなる。 － 44 － 引数３には、音階を設定する。関係を表 ２ ③ エラー箇所を表示する機能 に示す。また、1 オクターブには下のドと上 Visual C++[4]や GNU の GCC[5]などの C コ のドがあり、両者を区別するために do1、do2 ンパイラでは、シンタックス・エラーを該当 とした。なお、引数３を指定しない場合は、 するプログラムリストの行番号とエラーやワ 引数２指定された音の長さ分の休止符となる。 ーニングの分類番号を表示するが、受験生な なお、図 ２の楽譜をｇ関数で記述した例を どの初心者には分かりづらい。そこで、図 ４ に示すタイプミスなどの文法エラーを、画面 図 ３に示す。 上で赤字に変えて教示する「チェック」機能 を設定した。本機能は、後述のアンケート調 査で、高い評価を得ている。 ④ 試聴機能の追加 図 ２ 入力した曲をパソコン上で、試聴する「メ ドレミの音階 ロディをきいてみる」機能を設定した。一般 g(t1|n2|do1); //ド 的にプログラムはタイピングするだけで完成 g(t1|n2|re); //レ するものではなく、パフォーマンスの追及や g(t1|n2|mi); //ミ 細かい仕様を満足するためにチューニングす g(t1|n2|fa); //ファ るプロセスを経て完成するものである。この g(t1|n2|so); //ソ プロセスがプログラミングの醍醐味である。 g(t1|n2|ra); //ラ 本開発ツールを使用して、入力したプログラ g(t1|n2|si); //シ ムを試聴しながら曲を完成させるプロセスは、 g(t2|n2|do1); //ド 醍醐味を体験させる効果がある。 図 ３ 図２のｇ関数記述 図 ４ かんたん？オルゴールのエラー表示例 － 45 － ゴール」である。C コンパイラについては、 ３．教材の構成 当校の筆者らが制作した教材は、図 ５に示 フリーウェア SDCC[6]を活用し、PIC マイコン す電子オルゴール本体のハードウェアと電子 にプログラムを書き込む PIC プログラマー オルゴール専用の開発環境「かんたん？オル [7]は、秋月電子通商の市販品を利用した。 Windows パソコン環境（XP/Vista） ����かんたん？オルゴール� ①曲のプログラム 作成 フリーのＣコンパイラ SDCC（Small Device C Compiler） 市販品（秋月電子通商） PIC マイコン ライティングソフト 市販品（秋月電子通商） PIC マイコン プログラマー ��� ②プログラムをマイコン に書込む ��オルゴール ③マイコンを実装して、 完成！ 図 ５ かんたん？オルゴール教材の構成 － 46 － 電子や情報をあわせた広い範囲の中に興味が ４．アンケートの結果 2010 年 6 月 27 日にオープンキャンパスを ある人が多いことが判明した。 実施し、電子情報技術科の体験授業に参加し た 11 名に、アンケート調査を行った。調査の （ｂ）体験授業の受講前におけるパソコンや 内容として、(ａ)電子情報技術科への志望の 組込み技術に関する質問 動機、 （ｂ）体験授業を受ける前のパソコンや 表 ４の質問項目を提示して、参加者から得 組込み技術に関する質問、 （ｃ）体験授業への た回答を 3 段階に分類した。参加者の多くは、 質問、（ｄ）体験授業の感想について述べる。 パソコンに興味を持っているが、入学後の専 門となる「組込み技術」の用語や内容につい ては知識がないことが判明した。 (ａ)電子情報技術科への志望動機 表 ３の志望動機のコメントからは、ハード とソフトの融合分野（組込み）より、電気・ 表 ３ 電子情報技術科への志望動機 ・ 電子技術に興味があった。 ・ PC や情報技術に対して興味があった。 ・ ハードウェア、ソフトウェア情報技術をもっと詳しく勉強するため。 ・ 半田付けの作業やプログラミングの作業をやりたいと思ったから。 ・ パソコンのプログラミングやソフトウェアを作るのに興味があり、物を作ったりするの が好きなので、いろんな技術を学びたいと思い志願しました。 ・ 身近にあるパソコンや携帯などを使っているけど、中身がどうなっているのか、どんな ソフトウェアを使っているのか分らない部分の方が多いので、自分で作ってみたり、触っ てみたりして、その内容をわかる事ができたらいいなと思い志望しました。 ・ プログラミングに興味があったから。パソコンをさわるのが好きだから。 ・ 就職後に使える技術を学びたい。また、プログラムを作成したり、ものを組み立てる仕 事がやりたい。 ・ 電気やパソコンを使うことが好きで、（自分の能力を）伸ばしたいと思ったから。 表 ４ パソコンや組込み技術に関する質問 質 問 項 目 肯定 (人数) どちらともいえ ない(人数) 否定 (人数) 未記入 (人数) 1. 音楽は好きですか？ ８ 0 ３ 0 2. パソコンは好きですか？ 10 1 0 0 3. キーボードやマウスなどのパソコンの操作 には慣れていますか？ 5 2 4 0 4. プログラミングの経験はありますか？ 2 0 9 0 5. 「組込み技術」を聞いたことがありますか？ 1 0 10 0 6. 組込み技術の内容（概要）を知っていました か？ 1 1 9 0 － 47 － ルゴール」によるプログラム（関数ｇの入力） （ｃ）体験授業への質問 表 ５の結果から、電子オルゴールの製作手 作成は容易でしたか？」に否定的な回答が１ 順が分かりやすく、開発環境である「かんた 件あったが、その人は体験授業の感想で、「パ ん？オルゴール」の操作性や各種機能が役に ソコンは好き（興味がある）だが、操作が良 立っていることがわかる。また、組込み技術 く分からない。」と回答している。また、質問 への理解と興味、そして、電子情報技術科の 11 から質問 21 まで、未記入の人が１名いる 教育内容の理解につながったと思われる。総 が、その部分の設問が 2 ページ目（裏面）に じて、体験授業が楽しいと感じてくれた参加 あったことに気がつかなかったと思われる。 者が多かった。なお、質問 8「「かんたん？オ 表 ５ 体験授業への質問 肯定 (人数) どちらともいえ ない(人数) 否定 (人数) 未記入 (人数) 10 0 1 0 11 0 0 0 11 0 0 0 7. 関数ｇの文法は理解できましたか？ 8 2 1 0 8. 「かんたん？オルゴール」によるプログラム（関 数ｇの入力）作成は容易でしたか？ 9 1 1 0 9. 「チェック」機能は、役に立ちましたか？ 11 0 0 0 11 0 0 0 10 0 0 1 9 1 0 1 9 1 0 1 10 0 0 1 8 2 0 1 17. 組込み技術に興味を持てましたか？ 10 0 0 1 18. 体験授業を通して、電子情報技術科での組 込み技術を中心に勉強することが分りましたか？ 10 0 0 1 19. 体験授業は楽しかったですか？ 8 1 0 2 21. 体験授業は疲れましたか？ 1 2 7 1 質 問 項 目 1. 先生による電子オルゴールの説明は分りやす かったですか？ 2. 電子オルゴールの説明資料は分りやすかった ですか？ 6. 電子オルゴールの製作手順については理解 できましたか？ 10. 「メロディをきいてみる」機能は、役に立ちまし たか？ 11. 曲を試聴することは、プログラムの誤りを見 つけたり、仕上がり具合を確認することに有効だ と思いますか？ 12. 「プログラムをマイコンに入れる」の機能の操 作はやさしいですか？ 13. 「かんたん？オルゴール」の操作方法を理解 できましたか？ 15. 電子オルゴールの製作に、学習意欲を感じ ました？ 16. 組込み技術の内容（概要）を理解できました か － 48 － なお、一部の参加者から楽譜を読むことが苦 （ｄ）体験授業の感想 表 ６に示す体験授業の感想には、好意的な 内容が多い。また、今回の電子オルゴールの 体験授業を通じて、作り手の存在を認識した 手との意見があったので、楽譜にドレミを付 けるなどの工夫が必要である。 図 ６はオープンキャンパスの授業風景で、 意見もあった。開発環境「かんたん？オルゴ 付録の図 �はオープンキャンパスの授業を ール」への提案など積極的な意見もあった。 見学した新聞社の記事である。 表 ６ 体験授業の感想 ・ 組込みシステムは聞いたことがありましたが、実際に作ったことがないので自分にとって良 い体験になりました。うまく、電子オルゴールができてよかったです。 ・ はんだ付けの作業が理解しやすく良かった。プログラミングで、曲の音程を合わせるのが難 しかった。 ・ 先生方がやさしく、ていねいに教えてくれたので、とても分りやすく楽しかったです。この 体験授業を受けて、さらに興味が出てきました。もっといろいろな技術を学びたいです。 ・ 一回作り上げた曲を保存せずに消してしまい大変な思いをした。自分が触っている物は、誰 かが作り簡単にしたものなので、作る側としては、その事も考慮して作るとなると、大変な事 だと思います。でも、皆に分ってもらう為には、まず自分が理解しないといけないので、その 事を活かしていけたらいいと思います。 ・ 楽譜がまったく読めないし、分らなかったので、苦労しましたが、楽しく体験授業を受ける ことができました。 ・ パソコンは好き（興味がある）だが、操作が良く分からない。 ・ 「かんたん?オルゴール」の入力上で右クリックが使えなくて少し不便だった。試聴機能に 途中から再生できるような機能があったほうが便利である。 ・ 分りやすい説明で、楽しかった。ショートカットキーは普段は使ってはいないが、覚えると 便利そうだと思う。もっと色々なことについて知りたくなった。 ・ （組込み技術を）仕事にするのは大変そうだけど、社会に出てからすごく役に立つだろうと 思った。とても面白かったです。ありがとうございました。 図 ６ オープンキャンパスの授業風景 － 49 － 謝 ５．おわりに 辞 職業大東京校では、2009 年度の新科・電子 本教材の開発とオープンキャンパスの運 情報技術科の開設に伴い、2008 年度からオー 営にご尽力を頂いた安原雅彦氏、小野泰二 プンキャンパスを開催して受験生に体験授業 氏、武田康嘉氏（現：栃木職業能力開発促 を実施してきた。電子情報技術科の仕上がり 進センター）はじめ東京校教職員各位と協 像は、ユビキタス社会において組込み技術で 力してくれた学生諸君に厚く御礼を申し上 活躍する実践技術者である。しかし、高校生 げる。 には「組込み」や「ユビキタス」などの専門 用語の意味が分かる者が少なく、理解できな 参考文献 ことから受験を敬遠される心配があった。 [1] クリストファー・クラファム, “数学 用語小辞典,”講談社,1996. [2] 福良博史，小野泰二，菊池達也，大村 光德,“ 組込みプログラミングの体験 学習への取組み,”職業能力開発総合 大 学 校 東 京 校 紀 要 , 第 23 号,pp.103-107, 2008. [3] 福良博史，小野泰二，菊池達也，大村 光德, 安原雅彦,“組込み系のものづ くり体験学習への取組み,” 第 16 回 職業能力開発研究発表講演会予稿 集,pp.93-94, 2008. [4] Visual Studio, http://www.microsoft.com/japan/ms dn/vstudio/ [5] GCC, the GNU Compiler Collection, http://gcc.gnu.org/ [6] SDCC - Small Device C Compiler, http://sdcc.sourceforge.net/ [7] AKI-PICプログラマー, http://akizukidenshi.com/catalog/ g/gK-02018/ そこで、オープンキャンパスの体験授業で は、組込み技術を楽しく学べるように、電子 オルゴール教材を開発した。参加者 11 名への アンケート調査結果、受講前に「組込み技術」 について概要を知っていた者は 1 名しかいな かったが、体験授業を経験したことにより、 組込み技術の内容（概要）を理解できた者が 8 名、組込み技術に興味を持てた者が 10 名、 電子情報技術科での組込み技術を中心に勉強 することが分かった者が 10 名、体験授業を楽 しく感じた者が 8 名と、組込み技術や電子情 報技術科への理解が深まったことが明らかに なった。 今後は、表 ６で指摘された「かんたん?オ ルゴール」の改良と学生募集等を通じて、組 込み技術の重要性を啓蒙していきたい。 － 50 － 付 録 図 ７ 大学祭のイベントとして、一般向けに開催した体験授業への取材記事 － 51 －