中学校「技術・家庭科」への制御教育導入のための機構-制御組合せ教材の開発

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(1)中学校｢技術･家庭科+-の制御教育導入のための機構一利御組合せ教材の開発林 of Mechanism. =Development. 隆雄**. 秀昭*･八高. for Technical. Hideaki. Control. -. Educational. Combined. Education. in. Junior High. HAYASHI. and. Takao. -. Materials. School”. YoKOU. ABSTRACT In order technical. introduce. education,. combinati10n of. to. feedback. microcomputer of programming,. an. two. types. control. control. rotation. control and. using the. microcomputer. of educational. Of sequential and. on. education. LOGO. awakening. motion･ in. were. materials. link mechanism･. and. control. Both. japanese,. The. materials wbicb. were. into the program. developed･ other were. is the. One. is the combination. designed. for. キーワード:制御教育,技術科家庭科,機構一利御組合せ教育,技術教育,情報基礎じめに. 機械の運動を取り扱う機構学は古くて新しい学問である｡江戸時代のからくり人形から現在のハイテク製品に至るまで,多くの機械に無くてはならない重要な機械要素であるo 機構には直線運動や回転運動などの単純な運動が多いが,それらを組合せ制御することにょって,かなり複雑な運動も可能になる｡現代社会においては,単純な機構がコンピュータによる制御装置と結び付いて,重要な役割を演ずる場合が多くなってきた｡そこで本研究では,機構学習を手がかりにして,中学校の技術教育-の制御学習を導入する場合の教材開発例を報告する｡ 2.機械領域への制御教育の可能性表1は中学校の教科書に見られる制御教育の実例である｡現在,技術科では木材加工, 機械,電気,金属加工および栽培の5分野からなり平成5年度から新たに情報が加わろうとしている｡しかし,制御に関する記述はこの中の電気や機械に1-2例見られる程度で *横浜国立大学教育学部現職敏男内地留学生 *. *横浜国立大学教育学部. the. effec.tive in the reduction. of students'interest･. 1.は. of. 現:長野県岡谷市立北部中学校.

(2) 264. 林. 秀昭･八高. 隆雄. あるoまた,内容的にも構成要素の一部として定値制御を行っているに過ぎない｡ここでは教育としての制御ではなく,制御機能をもった1個の部品として取り扱われている｡表1現行の技術･家庭科における制御題材 (1)電気サーモスタットのしくみ(電気1.自動温度調節の仕組み) 自動制御定性的シーケンス制御機械 (2)気化器のフロート弁のしくみ(機械2.ガソリンエンジン) 自動制御定量的フィードバック制御 (3)ガソリンエンジンの回転数制御機構(機械2.ガソリンエンジン) 自動制御. 定量的. フィードバック制御. 一方,中学校の機械領域は機構と内燃機関に関する学習が中心であり,機構に関する学習では,図1に示すような,回転運動から始まろ一連の学習展開が見られる｡ここで扱う回転は連続的な一方向であり,時間によって回転方向を変化させたり,ステッビングさせることはない｡また回転速度は主に歯車,ベルト車,等によって機械的に変化させることを目的としている｡さらに,回転運動を基にして往復運軌揺動運動等の学習も組み立てられているo主な機構の学習が回転運動を中心にしていることから,回転運動の方向や回転時間に制御学習を組み合わせることにより,現在扱っている機構の学習を祖なうことなく制御学習も取入れられる可能性がある｡回転運動一回転運動. 回転運動を伝える機構. ･E冨芸子車平歯車. ラックとピニオン. 回転方向回転速度回転軸の方向滑り立日. 垂歯卓ウォームとウォームチェーンとチキーン. 歯車歯車. リンク装置 +4節リンク装置てこクランク機構両てこ機構平行クランク機構両クランク機構往復スライダークランク機構揺動スライダークラン.ク機構. 回転運動-揺動運動揺動運動一括動運動揺動運動-揺動運動回転運動-回転運動回転運動-直線往復運動回転運動一括動運動. カム装置偏心カム直動カム. 回転運動-揺動運動回転運動一直線往復運動直線往復運動-直線往復運動. 図1教科書に見る機構学習の内容1).

(3) 265. 中学校｢技術･家庭科+-の制御教育導入のための機構. 従来,機構の学習用教材は,リンクやカム機構を扱ったものがほとんどであった｡それは,回転運動や直線運動のような単純運動に比べて意外性が子供達の興味を引くためであろう｡制御教育を機構学習に組み入れる効果は,回転運動や直線運動のような単純運動に時間的な意外性を与え,より興味あるものに変える役割も期待できる｡ 3.教材の概要. 教材の基本構成は,. 16ビットのコンピュータ(日本電気製9801VMを使用)によって機. 構内に組み込まれたモータの動きを制御することにした｡機構学習のリンク機構と回転運動ならびに制御学習のシシーケンス制御とフィードバック制御の学習を目的として,次に示す2種類の教材を開発した｡なお,インターフェース,リレー回路盤およびプログラム環境は両者で同じものを使用した.また,制御学習をできるだけ単純化する目的で,制御はリレーをon/offさせる方式を採用した｡インターフェースではコンピュータからの8ビットの出力によって,リレーをon/offさせ,モータが正転,逆転,停止の動作ができるようにした｡ (1)機構展開彼のシーケンス制御教材機構展開板としてリンク機構にシーケンス制御を組合わせた教材の例を図2に示す｡機構学習用の展開板*上にリンク機構とモータを組み込んである｡リンク機構の動きを生徒に分かりやすくするため,田宮模型製のウォームギヤボックスHEによってモータの回転を減速した｡ ●●●■●●●●●●●●●●●●●●Jr8●●■●●●●●●. ooo●oo●●●●●●●卓●●○●●●●○●○●●○● ●●●○●●●●○●●●●●●●●●●●●e●●●●●● -●●ooooo●○●●○●. ;::::スライダー.-..｡.=..'=｡= ○●●○● ＋r●I＋Jt4tt4＋t＋t4■●●4P ●_I_I_L●▲●.●_I..I.●_●. ｡;::;:クランク榊;;;:;o.}･A:･F:･!:･!:･E:･!: ‖婚｡oA甲 ○●●●●●●Q●●●●●●●. =-. L*. モータ. .･;.…;;LBg:.;;■;;;-:Ll;;■::.I.'…L'.}導 ●●oo●○●oooo●●ooo●○●●●●○●●●●. ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●･●●●●●●. ●●●○●oooo●○●●●●●00●000●○●●00 ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●○●. ●ooo●●oo●●.BOO●●●●00●●●○●●○●○● ○･○●●●●●●○●●●●●●●●●●●●○●●●●○● ○●●○●○●○●●○●●○●oo●○●●○●○●00● l■l▼rlTf41fIJI-t▼Tl1.11I■-1▼▼-1I.,.I.■l,I.ll.1▼,l”T■l▼lllP. ■■■■■■▲■■■一■一■1-..一一一-一一-▲-■一一1--lA-I----■-▲■-■▲■■■■■LLd4. 図2. 機構展開板のシーケンス制御教材(スライダークランク機構). (2)動くおもちゃのフィードバック制御教材動くおもちゃとして2台のモータの回転運動にフィードバック制御を組み込んだ教材の例を図3に示す｡この教材では左右の車輪にそれぞれ独立したモータと減速ギヤボックスが組み込まれている｡車の先端に取り付けた棒は内部のマイクロスイッチと接続し,この事が障害物に接触した場合にこのスイッチが作動するようになっている｡なを,車の移動方向およびマイクロスイッチの作動によってどの様な反応をするかは,利用者のプログラ *この板にねじでモータやリンク､カムなどを取り付けて機構学習を行う｡.

(4) 266. 林. 秀昭･八高. 隆雄. マイクロスイッチ. モ-タ 4J. ::Z. I. ●. ●. ●. ●. ●. ■. ●. ●. ■. L'.. ■￣■l. f:i. ●■●■■●. '･.. ㌫三':. こた. I.. ● ●. ■. ●. ■1■. ●●. ■. ■■. ●. ● ●. ●●●●. ●一 ●. : ::'ヽ. ●●. ●●. ●. 臥:::. ヽl●●■●. ■● ▲. ■. ■FI l. ●▲. ● ●. ●. ▼■■ヽ ● ● ●. ■■●●▼lヽ 44t. B. -p. 図3. ■■■●▼ヽ. 動くおもちゃ. L41t41. ミングによって設定できる｡ 4.コンピュータとの凄統部インターフェースではⅠ/0ポートからリレースイッチを-てモータを制御し,入力はマイクロスイッチからポートCによりコンピュータに入るようにした｡これらの各部分は多くの研究者によってほぼ確立されているので,新たに回路の設計は行わずに,それらの回路を組み合わせて利用することにした｡図4にインターフェース都全体の構造図を示す｡. 8回紬トーbス. ホ○-tA. りし-I. 制御盤 Jl.J)1JLJ. 3)tlDl-?. IJOホ‖-ト‖ ホ○-トB ‖一夕. r8255). リし-1 リし-2 ● ■. ■. ●. りし-8. (未使用) C. 入力コント□-JLI. 図4. インターフェースの構造図. 回路盤. スイ＋}チ1 スイッチ2. スイ＋}チ8. (1) Ⅰ/0ポート2). コンピュータと外部入出力を制御する8255のLSIブロック図を図5に示す｡このLSIに B, Cの3つの8ビットパラレルⅠ/0ポートがあり,合計24ビットの入出力が可能. はA,. である｡このILSIを使用することによりコンピュータのCPUは,出力に割り当てられた端子に対して任意の組合わせで高(2.OV以上),也(0.8V以下)の電圧を出力することができる｡また,入力に割り当てられた端子から高,低の電圧を入力することもできる｡プログラミングに当たっては,最初,初期設定としてポート入出力の指定を行う｡ここではポ.

(5) 2 6･7. 中学校｢技術･家庭科+-の制御教育導入のための機構. 1ループ A. ∼. グループ ▲ ze-I I i. パ. I. 入出力 P￠l一戸￠†. 上世( 4). データ. r-タ/1ス. l. 紬). ▲. Dl-07. PA. ボート▲. ダJ>-プ #. 入出力 F>Ao-. ス. I(ッ7T. グループ B ボ.I- 1 C. 入出力 PQ8 Pe7 -. T位( 4). 好. 9'IL'-1. 守訂. l)-ド. Ao･. ライl. AI. *. グループ. B. N. 入tbカ印●-. PB7. B ボー18. ♯. ＋. (l〉. RESET. 召す. 図5. 8255のブロック図. Bを出力用,ポートCを入力用として.その結果,出力は16ビット,入力は8ピ. -トA,. ットとなった｡ (2)リレースイッチ回路3). 8255Ⅰ/0ポートから出力される8ビット分のデータをそれぞれ8つのリレーの開閉動作に変換する(図6)｡リレーはモータの正転,逆転,停止の動作が行えるように, 鞍点で, 2つのリレーを組み合わせて使用した｡この接続方法を図7に示す｡. 1回路2. (3)入力回路4). 図8にコンピュータに接続する入力回路配線図を示す.こe)回路は,スイッチの開閉に伴うチャタリング防止機能を備えている｡また,. 8回路のマイクロスイッチからの入力が. できる｡. 5.プログラム環境 (1)初期設定インターフェース′のA,. Bポートを出力に,. Cポートを入力にするためのプログラム上. の設定が必要である｡実際には出力命令は｢OUT+を,入力冷食は｢IN+を使用し,インターフェースの8255のコントロールレジスタ(8255のレジスタアドレスを表2に示す)に対して目的のコントロールコマンドを表3に示す数値で指定した｡ (2)出力の設定 A,. Bポートの端子より7)レ｢スイッチのon/offを行う.今回の制御ではAポートの. みを使用した｡ Aポートの端子に接続された8つのリレーは,コンビュ十夕上のプログラムの｢OUT+命令の最後の数値によって任意のスイッチの開閉状態を作り出す｡.

(6) 268. 林. 秀昭･八高. 隆雄. リレー制御盤. =●=Ⅰ. Tr. R. PaO. ● ●. リレーl. lJL,-I. I)レ-2. リレー2. I ●. Tr. ∩. Pl. 亘葡 l. コンto11タリし-3. IJOホ†しト. -i. Tr. R. Pa7. 逮. リしI-4. I) L/-8. 塑. ･一夕. ”. l. 刀. ･TE-･タ. DC3V ＋. .蔓. I. 垂. ●*-. ●. 卸町 ●●l. 図6. 塑. ●. 図7. リレー制御盤の回路図. モータとリレー制御盤の接続. R スイ＋}チ1. ＋5V. 匪知. lc. 8255 P亡0. 7414 ,R. 表2. 8255のレジスタアドレス. レ. ジ. ス. タ. スイ oJ･$2. 16進数10進数. ト. A. DO. 208. ト. B. D2. 210. ト. C. D4. 212. コントロールレジスタ D6. 214. 求求ポ. -. -. -. i三重図8. 陸>. 8255 P. 7414. 入力回路. (3)入力の設定 Cポートに接続しているマイクロスイッチの状態をプログラム上で見る場合に使用する｡命令は｢IN+を使い,知りたいポート番号(この場合は212)を後ろに付ける｡. Cポートは. スイッチを8つ接続することができるので,この禽令によって応答する数値がスイッチの状態を示す｡表4にその対応表を示す｡. cl.

(7) 269. 中学校｢技術･家庭科+-の制御教育導入のための機構. 表3. 8255のコントロールコマンド (出-出力,入-入力) コ. マ. 出出出出. 出出出出. 出. 入入入入. 出出出入入入入入入入入. 出出出出入入入入. 表4 lo逸数. 2進数. (o-3ビット) 16進数10進数. 出出. 出. 80. 128. 入. 81. 129. 入入出. 出. 82. 130. 入出入. 83. 131. 88. 136. 89. 137. 出. 8A. 138. 入. 8B. 139. 出出出. 90. 144. 91. 145. 92. 146. 入. 93. 147. 出出出. 98. 152. 99. 153. 9A. 154. 入. 9B. 155. 出入入. 出出 A 入. 出出入入. Cポートのスイッチの状態スイ. ッ. チの状態. 全部のスイッチがOFF. 0. 00000000. 1. 00000001. 2. 00000010. 3. 00000011. 4. 00000100. 5. 00000101. lのスイッチはON,他はOFF 2のスイッチはON,他はOFF 1, 2のスイッチはON,他はOFF 3のスイッチはON,他はOFF 3, 1のスイッチはON他はOFF. 255. 11111111. 全部のスイッチがON. 2進数に表した場合, 0はOFF, に対応する｡数で表す｡. ド. ン. (4-7ビット)小【r 求_トAだニト,?ポートB空ニケ.L? L'. 8つの位の数がそれぞれ8つのスイッチ 1はONを意味し,実際にはこれを10進. 6.駆動操作. 上記の2つの教具について日本語LOGO(ロゴライター,. Ver.1.1,ロゴジャパン社製). を用いて駆動実験を行った｡制御の学習で拭インタフェイスとコンピュータとの信号のやり取りから,プログラムの中に利用者にとって,制御の学習よりもプログラムの学習でっまずく場合が多い｡そこで操作環境を利用者に合わせて設定する命令(プロシイジャー) を,表5のように作成した｡.

(8) 270. 林表5. 秀昭･八高. 隆雄. (1)モータの状態を作る余命命令. プロシイジャー. みぎへまわれ. ･モータの正転. TOみぎへまわれ .OUT2081. ENP ひだりへまわれ. ･モータの逆転. TOひだりへまわれ .OUT2083 END. ていし. ･モータの停止. TOていし .OUT2083 END. (2)マイクロスイッチの状態を知る禽令スイッチ TOスイッチ .IN212 END. 命令. もし. スイッチ[(1)][(2)]. スイッチの状態がONのときには(1)の内容のプログラムを実行しもしOFFのときには(2)の内容を行うための分噸二のための命令文である｡. 丁.おわり. に. 従来から行われている技術家庭科の機械領域の機構学習に制御学習を合わせて取り入れるための教材開発を行ったo. 2つの異なる学習内容を一緒にすることは,ともすれば余計に難しくなる可能性がある｡しかし,機構の学習では単純な回転や直線運動よりも複雑なリンクやカムの運動の方が生徒の興味を引くことが以前から指摘されていた｡今回開発した教材は,プログラム言語として日本語LOGOを用いることによって,プログラミングに起因するトラブルを除くことができ,また制御によって運動の意外性を引き出すことによつて,それぞれを個別に学習させる場合に比べてより生徒に興味を抱かせる可能性がある｡参考文献 1)新しい技術･家庭科(下),開隆堂(1990),. P.8. 2)例えば,斉藤浩之:PC工作入門,日本ソフトバンク, 3)例えば,仲井秀一:Ⅰ/0,. γol.. No.ll. 4)例えば,長野県高等学校情報処理研究会;. (1986), P.29. (1986), P.158 --ドゥェアと計算機制御,. (1985),. P.305.

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