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（PDF）

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 2009 年 4 月から新科・電子情報技術科の１ 期生の授業がスタートした。前年の 2008 年度 は新科のデビュー広報活動の年になった。電 子情報技術科の学生の仕上がり像は、これか らのユビキタス社会において組込み技術で活 躍する実践技術者である。電子情報技術科の 教育内容は、従来の電子技術科のハードウェ ア（H）と情報技術科のソフトウェア（S）を 単に半々で足し算したものではない（式１）。 ハードウェア（H）、ソフトウェア（S）、通信 （C）の各分野が組込みシステムで有機的に結 合する技術領域を教育訓練の要としている （式２）1_。

2

2

S

H +

_（１）

組込みシステム

∧

∨

∨

)

(

H

S

C

（２） しかし、電子情報技術科の科名から、受験 生が教育内容を（式１）と思い込んだ場合、 入学後に期待した内容と指導内容にミスマッ チを生じてしまう。入学案内のパンフレット には、新科の教育内容を図や写真を利用して 紹介しているが、見開きの 2 ページだけでは 専門的な知識を持たない入学希望者（多くは 高校生）に理解させるには充分とは言えない。 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]。 そのことは電子情報技術科だけなく他科の紹 介でも同じである。そこで、東京校では受験 生を対象にしたオープンキャンパスを年６回 開催し、体験授業を通して各科の教育内容と キャンパスライフを紹介している。 オープンキャンパスの体験授業は、受験生 と担当科の教員が接する良い機会であるが、 時間が約 90 分と短い。限られた時間の中で、 ハードウェアとソフトウェアが融合した組込 み技術を体験させ、興味・関心を引き出し、 達成感を満足させ、楽しく有意義な時間とし て記憶させ、受験と入学の行動につながるよ うにしなければならい。工業高校の生徒でマ 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 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。 「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。 担当教員で相談した結果、過去のイベント で製作した電子ピアノにヒントを得て、電子 オルゴールに決めた[2],[3]。 Ｃ言語を用いて開発したソフトウェアは、 再生プログラム部と曲部の２つに分かれてい る。曲の部分については、音符の要素である 音の高さ、音の長さ、音階を 1 つの関数で扱 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 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

参加者が入力した曲をリンクさせて、マイコ ンに書き込めば完成するようにした。 このことにより、Ｃ言語の知識がなくても、 プログラミングのコード作成による「ものづ くり」を体得してもらい、組込み製品をつく りあげるプロセスの全体像としてのイメージ を受験生に理解してもらえることを狙いとし た。 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 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。 表 １ PIC12F683 の仕様 ・半導体プロセス CMOS ・動作速度 20MHz(Max) ・動作電圧 2.0V～5.5V ・フラッシュメモリ 2048 ワード ・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 （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。

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? オルゴール」のオリジナル設計 マイコンの開発ツール（ソフトウェア）の 多くは、技術者向けに作られているので、高 校生が短時間で操作を習得するのには無理が ある。そこで、体験授業のために専用の開発 ツールを Visual Basic 2008[4]を利用して制 作し、「かんたん？オルゴール」と名付けた。 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 ゴールの曲のプログラミングに必要な機能を 右側のサイドメニューに表示させるなど、高 校生でも操作できるように工夫した。 ② 作曲用 C 言語プリプロセッサ 参加者は関数ｇの簡単な規則を覚えるだけ で、楽譜から音符をひろって、プログラムが できるように工夫した。関数ｇ自身は C 言語 の関数なので、参加者に本物の言語に触れる ように工夫した。なお、GUI などでより簡単 に入力できる方法もある。しかし、限定的で はあるが、本物の言語に触れさせることにこ だわり、作曲用 C 言語プリプロセッサとした。 表 ２ 音階と引数３の関係 音 階 引数３ ド do1 ド＃ dos レ re レ＃ res ミ mi ファ fa ファ＃ fas ソ so ソ＃ sos ラ ra ラ＃ ras シ si ド do2 ｇ関数は次のような引数を与える。 ｇ（ 引数１｜引数２｜引数３）； ｜は OR 演算子である。 引数１には、オクターブを設定する。この 電子オルゴールでは、２オクターブまで設定 できる。通常のオクターブを使う場合は t1、 その上のオクターブを使うときは t2 と設定 する。 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。

引数３には、音階を設定する。関係を表 ２ に示す。また、1 オクターブには下のドと上 のドがあり、両者を区別するために do1、do2 とした。なお、引数３を指定しない場合は、 引数２指定された音の長さ分の休止符となる。 なお、図 ２の楽譜をｇ関数で記述した例を 図 ３に示す。 図 ２ ドレミの音階 g(t1|n2|do1); //ド g(t1|n2|re); //レ g(t1|n2|mi); //ミ g(t1|n2|fa); //ファ g(t1|n2|so); //ソ g(t1|n2|ra); //ラ g(t1|n2|si); //シ g(t2|n2|do1); //ド 図 ３ 図２のｇ関数記述 ③ エラー箇所を表示する機能 Visual C++[4]や GNU の GCC[5]などの C コ ンパイラでは、シンタックス・エラーを該当 するプログラムリストの行番号とエラーやワ ーニングの分類番号を表示するが、受験生な 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 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 入力した曲をパソコン上で、試聴する「メ ロディをきいてみる」機能を設定した。一般 的にプログラムはタイピングするだけで完成 するものではなく、パフォーマンスの追及や 細かい仕様を満足するためにチューニングす るプロセスを経て完成するものである。この プロセスがプログラミングの醍醐味である。 本開発ツールを使用して、入力したプログラ ムを試聴しながら曲を完成させるプロセスは、 醍醐味を体験させる効果がある。 図 ４ かんたん？オルゴールのエラー表示例

３．教材の構成 当校の筆者らが制作した教材は、図 ５に示 す電子オルゴール本体のハードウェアと電子 オルゴール専用の開発環境「かんたん？オル ゴール」である。C コンパイラについては、 フリーウェア SDCC[6]を活用し、PIC マイコン にプログラムを書き込む PIC プログラマー [7]は、秋月電子通商の市販品を利用した。 図 ５ かんたん？オルゴール教材の構成

Windows パソコン環境（XP/Vista）

����かんたん？オルゴール�

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

��� ��オルゴール

①曲のプログラム

作成

②プログラムをマイコン

に書込む

③マイコンを実装して、

完成！

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 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 内容として、(ａ)電子情報技術科への志望の 動機、（ｂ）体験授業を受ける前のパソコンや 組込み技術に関する質問、（ｃ）体験授業への 質問、（ｄ）体験授業の感想について述べる。 (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・ 電子や情報をあわせた広い範囲の中に興味が ある人が多いことが判明した。 （ｂ）体験授業の受講前におけるパソコンや 組込み技術に関する質問 表 ４の質問項目を提示して、参加者から得 た回答を 3 段階に分類した。参加者の多くは、 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。 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

（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 順が分かりやすく、開発環境である「かんた ん？オルゴール」の操作性や各種機能が役に 立っていることがわかる。また、組込み技術 への理解と興味、そして、電子情報技術科の 教育内容の理解につながったと思われる。総 じて、体験授業が楽しいと感じてくれた参加 者が多かった。なお、質問 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？」に否定的な回答が１ 件あったが、その人は体験授業の感想で、「パ ソコンは好き（興味がある）だが、操作が良 く分からない。」と回答している。また、質問 11 から質問 21 まで、未記入の人が１名いる が、その部分の設問が 2 ページ目（裏面）に あったことに気がつかなかったと思われる。 表 ５ 体験授業への質問 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. 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？ 10 0 1 0 2. 電子オルゴールの説明資料は分りやすかった ですか？ 11 0 0 0 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？ 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 10. 「メロディをきいてみる」機能は、役に立ちまし たか？ 11 0 0 0 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？ 10 0 0 1 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？ 9 1 0 1 13. 「かんたん？オルゴール」の操作方法を理解 できましたか？ 9 1 0 1 15. 電子オルゴールの製作に、学習意欲を感じ ました？ 10 0 0 1 16. 組込み技術の内容（概要）を理解できました か 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

（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 意見もあった。開発環境「かんたん？オルゴ ール」への提案など積極的な意見もあった。 なお、一部の参加者から楽譜を読むことが苦 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、 付録の図 �はオープンキャンパスの授業を 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

５．おわりに 職業大東京校では、2009 年度の新科・電子 情報技術科の開設に伴い、2008 年度からオー プンキャンパスを開催して受験生に体験授業 を実施してきた。電子情報技術科の仕上がり 像は、ユビキタス社会において組込み技術で 活躍する実践技術者である。しかし、高校生 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 ことから受験を敬遠される心配があった。 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。 謝 辞 本教材の開発とオープンキャンパスの運 営にご尽力を頂いた安原雅彦氏、小野泰二 氏、武田康嘉氏（現：栃木職業能力開発促 進センター）はじめ東京校教職員各位と協 力してくれた学生諸君に厚く御礼を申し上 げる。 参考文献 [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/

付 録