情報処理学会 インタラクション 2022
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遠隔の初学者と経験者が共同で電子工作を行う
製作ツールの提案
矢作 優知1,a)

松井 克文1,b)

Hautasaari Ari1,c)

韓 燦教1,d)

富木 菜穂1,e)

苗村 健1,f)

概要：電子工作は様々な場所で手軽に楽しめるものづくりだが，特にマイクロコントローラを使う場合はプログラミングと電子回路を統合する必要があり，初学者は様々な困難に直面する．このため経験者と共同で製作する機会を得られることが望ましいが，経験者が常に初学者と同じ空間にいるとは限らない．そこで本研究の目的を，遠隔の初学者と経験者が共同でマイコンを使った作品を製作し，電子工作を効果的に学ぶことができる製作ツールの実現とする．共同製作ツールや電子工作における協調学習の研究を参照
し，カメラ映像の拡大・移動機能と同時操作機能をもち全てのツールを常時一覧可能な製作ツールを提案する．初学者の電子工作能力を実験後に評価したところ，提案ツールを使った初学者の方が高いパフォーマンスを発揮する可能性が示唆された．

1. はじめに提案ツール

メイカームーブメントの広まりによって多様な人々が電子工作に取り組むようになっている．この背景には Ar-duino や Raspberry Pi をはじめとするオープンソースのマイコンボードの普及やオンラインコミュニティなどを通して製作方法や他のメイカーのプロジェクトに関する情報を入手しやすくなったことがある [1]．電子工作は安価な初学者

電子部品とパソコンのみで製作を進めることもでき，大き図 1

な装置や騒音を発生させる機器を使う必要がなく，家庭を含む様々な環境で手軽に楽しめる．
ところが，特にマイクロコントローラ（以下，マイコン）を使った電子工作では，電子回路とプログラミング双経験者

提案ツールを用いた共同電子工作の様子

そこで本研究では，遠隔の初学者と経験者が共同でマイコンを使った作品を共同製作するためのツールを提案する（図 1）．

方の知識を身につけこれら 2 つの領域を組み合わせてものづくりをする必要があるため，初学者は様々な困難に直面する [2]．初学者の製作を支援するため，ヒューマンコンピュータインタラクション（HCI）の領域では様々なインタラクティブツールが提案されてきた（例: [3], [4], [5]）．一方で，電子工作のうち複雑あるいは主観的な部分（例えばプロジェクト範囲の決定やデバッグの過程）の支援など人間による支援が適した場面もあり，対面環境だけでなく遠隔環境でも人間による支援を実現することが望まれる [6]．
1a)b)
c)
d)
e)
f)

東京大学
yahagi@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp
matsui@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp
ari@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp
hanc@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp
tomiki@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp
naemura@hc.ic.i.u-tokyo.ac.jp© 2022 Information Processing Society of Japan

2. 関連研究
電子工作を支援する経験者と初学者の間の同期コミュニ
ケーションを支援するツールの研究としては，RobotAR [7]や Remote Assistance Platform [8] がある．これらは，AR(Augumented Reality) で電子回路上にアノテーション等を表示してコミュニケーションを支援する手法である．また，視線計測装置で計測した初学者と経験者の注視位置を可視化することで電子工作の学習効果が高まることを示した研究もある [9]．これらの研究は物理的な製作物である
電子回路の製作を通して電子工作を学ぶ際に有用な情報提示の方法を示しているが，その有用性は事前に用意された共通の製作課題に実験参加者が取り組む場合において示されている．実際の電子工作では製作者自身の興味に基づい

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た自由な製作が行われる場合もあるが，初学者の自由製作討する．ベースラインの構成はニューヨーク大学の ITPを支援する場合は経験者にも完成形がわからないため，経(Interactive Telecommunications Program) が公開してい験者も初学者とともに製作物に対する理解を深めながら製るフィジカルコンピューティングの遠隔学習ツールに関作を進める．このため，初学者と経験者のインタラクショする資料 [11] を参考に決定した．この資料では，電子工ンだけでなく，経験者と製作物のインタラクションも必要

作の遠隔学習に必要なツールを Video Tools, Text Tools,である．しかし，アノテーションや注視位置の可視化は経Drawing Tools, Connected Tools の 4 種類に分類して紹介

験者-初学者間のインタラクションを支援する手段であり，している．4 つの分類それぞれについて用意するツールを経験者-製作物間の直接的なインタラクションを支援する検討し，図 2 に示す開発環境を構成した．

ものではない．したがって，経験者が積極的に製作物の振Video Tools は回路を映像により共有するためのツール

る舞いを確認したり，製作物を編集したりすることはできである．回路を撮影するカメラとしては，スマートフォン，ない．

USB 顕微鏡，書画カメラなどが活用できる．多くの人が他方で，電子工作における遠隔地の製作物とインタ所持しているスマートフォンをスタンドに取り付けることラクションするためのツールとしては，Heimdall [4] やで，書画カメラのように利用できる [11]．本研究では微細WireOn [5] が提案されている．これらのツールは電圧測定な部品は用いないため，顕微鏡は不要である．

や回路の組み替えなどの機能を備えており遠隔地からのデText Tools はマイコンのプログラムを共有するツールでバッグを可能にする．Heimdall のユーザスタディでは全てある．遠隔地の人と共同で開発する場合は，ネットワークの研究参加者が電子回路のデバッグに成功しており，経験を介してソースコードを共有する仕組みが必要である．そ者による電子工作の遠隔支援の可能性を示している [4]．一こで，リアルタイム共同編集機能 Live Share が利用でき方，これらのツールでは経験者が一人でデバッグする場面

る Visual Studio Code*1 を利用した．

を主に想定しており，初学者と共同製作することを十分にDrawing Tools は回路を図で表してコミュニケーション検討していない．どちらのツールもロボットアームが回路を行うためのツールである．回路図や実体配線図を描画すの周囲を動き回るため初学者が回路に触りにくい．また，るためのツールの利用が勧められているが [11]，本研究でインタフェースを複数人で使う方法は議論していない．

は共同編集可能でシンプルなホワイトボードアプリ*2 を利このように，初学者と経験者のリアルタイム共同製作用することにした．これは短時間の実験中に多くのツールを支援するツールの研究と，遠隔の製作物とのインタラの利用方法を学習することは学習者にとって負荷が高いとクションを支援するツールの研究は別々に行われてきた．

考えたためである．

Virtual Makerspaces という物理的な製作物を遠隔共同製

Connected Tools はコンピュータに接続可能な測定器で作するためのツールが提案されているが，萌芽期の研究である．マイコンを使った電子工作では，デバッグの際にあり評価はまだ十分に行われていない [10]．RobotAR にPWM やシリアル通信の波形を確認する必要があるため，はカメラが走行して回路を観察する視点を変更する機能は本研究では USB オシロスコープを用いることにした．

あるが，電圧測定や製作物の制御はできない [7]．またどち

4 種類の製作用ツールに加えて，本研究では共同ウェブらも，物理的な製作物の共有に力点が置かれておりプログブラウザ*3 も用意した．電子工作する際は電子部品やマイラミングを共同で行う方法の議論は少ない [7], [10]．以上

コンの使い方を知るためにデータシートやリファレンスマのように，経験者と製作物のインタラクションを支援するニュアルを参照する必要がある．また，デバッグ時には検ツールを電子工作のリアルタイム共同製作場面で活用する索エンジンで解決策を探すこともある．これらを共同で行ことの効果に関する研究は不足しているのが現状である．

えるように，スクロールやタブが同期される共同ウェブブ

3. ツールの設計

ラウザを用いた．
以上のツールは全てが一覧できるように配置した．マイ

本研究では遠隔の初学者と経験者の双方が製作物とインコンを使った電子工作ではソフトウェアとハードウェアのタラクションしながら共同で電子工作に取り組み，電子対応づけを把握することが重要であり，学習者は例えば物工作を効果的に学ぶことができる製作ツールを提案する．

理的な製作物，回路図，および画面上のソースコードを見ツールの設計は共同製作ツールや電子工作における協調学

渡したり指でなぞったりしながら対応を理解していく [12]．

習の研究を参照しながら行なった．

このような活動はソフトウェアとハードウェアに関する情報を同時に見渡すことを可能にするツールによって支援で3.1 ベースラインの構成

きる [3]．ノートパソコンに外部ディスプレイを接続し，外まず初めに，既存のツールの組み合わせによって実現可能なベースラインとなる製作ツールの構成について検

*1
*2
*3

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https://code.visualstudio.com
https://witeboard.com
https://www.remotehq.com

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スマートフォン
メイン画面
サブ画面

製作物

USB オシロスコープ

図 4
図 2

ハードウェアツールの構成と机上での配置

テキストエディタ

サブ画面に表示した共同ウェブブラウザ

作者とカメラマンのひとり二役を果たす必要がある状
Zoom

態は初学者にとって過大な負担になる [7]．このため，遠隔地の経験者がカメラを操作可能になっていることが望ましい．
同時にひとりのユーザーしか画面操作できない 画面共有

オシロスコープターミナルの遠隔操作機能ではパソコンのカーソルを遠隔地から操作可能だが，カーソルが 1 つしかないため複数人が同時に操作できない．このため，経験者が編集やツールの操作による支援を行いにくくなり，口頭で指示をする形での支援が多くなってしまうだろう．また，ポ図 3

ベースライン構成におけるメイン画面の表示

インター等を活用すると相手の注意を製作物の注目してほしい箇所に誘導できるが [9]，同時操作ができな部ディスプレイ（以下，メイン画面）にテキストエディタ，い場合はポインティングにより初学者の操作が中断さ回路の映像およびオシロスコープを表示し（図 3），ノーれてしまう．ツールが容易に使用可能なことで経験者

トパソコンの内蔵ディスプレイ（以下，サブ画面）に共同が初学者とのインタラクションに集中できるため [9]，web ブラウザを表示した（図 4）．メイン画面内では図 3 の画面共有へのアノテーション機能のようなモードを切ように 3 つのウィンドウを重複なく並べることで一覧できり替えて使う必要がある機能では不十分だと考えられるようにしている．

る．ソースコードは Visual Studio Code で共同編集がツールを並べたデスクトップ画面はビデオ会議ツール可能だが，画面共有と Visual Studio Code のウィンド（Zoom）の画面共有機能によって遠隔地の経験者と共有すウを切り替える必要があり面倒である．よって，お互る．本研究では画面共有の遠隔操作も有効化することでいの操作に干渉せずに 2 人が同時に操作可能なインタ経験者が初学者のパソコンを操作できるようにした．初フェースが必要である．

学者のパソコンでは Visual Studio Code，オシロスコープ，Zoom がメイン画面に配置され，経験者のパソコンでは Visual Studio Code と Zoom が配置されることになる．
経験者が画面共有のための Zoom に加えて Visual Studio

Code を起動する必要があるのは，同時編集機能である Live
Share を利用するためである．
3.2 ベースライン構成の問題点
以上で述べたベースライン構成には，遠隔の初学者と経験者が共同で電子工作を行うツールとしては 3 つの問題がある．

各ツールのウィンドウが固定されていない 前述の通り，電子工作では物理的な製作物やソースコードなどを見比べながら製作が進められる [12]．ベースラインツー
ルでも全てのツールを見渡しやすいようにウィンドウを配置可能である．しかし，1 つのツールだけを拡大して表示するなど配置を崩してしまうことも想定される．一度配置を崩すと元に戻すには手間がかかるた
め，製作中にソフトウェアとハードウェアを見比べることが少なくなる可能性がある．初学者側の画面の配置が崩されると経験者が確認したい情報が隠される原因にもなる．他方，経験者側の画面で配置が崩される

映像の拡大や移動ができない 電子工作では数 mm 程度のと初学者が抱えている問題に経験者が気づくまでに遅電子部品を使う．このためカメラ映像を拡大しなけれれが生じる原因になる可能性がある．これらのことかば製作物の状況を正確に把握できない．製作物とカメら，ソフトウェアとハードウェアを一覧しやすいようラを近づけることもできるが，そのような初学者が製にツールをデザインすることが望ましい．

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テキストエディタ

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製作物ビューア

3.3.2 同時操作
配線に問題がないことがわかったため，経験者は次にLED を点灯させる個数を保存している変数の値を確認することを提案する．変数の値を出力するコードを適切な位置に挿入する必要があるが，カーソルやハイライトによっオシロスコープて挿入すべき位置を指し示すことで，記述すべき位置をスムーズに伝えることができる．同時操作が可能であるため，ターミナルポインティング操作が初学者がコードを書く操作を妨害することはない．初学者が記述すべきコードがわからない場
合は，経験者が直接コードを書いて伝えることもできる．
図 5

提案ツール

これは口頭でコードを説明するよりもスムーズである．また，初学者がソースコードを記述している作業と並行して，3.3 提案ツールの機能
提案ツールは前述の 3 つの問題点を解決し，遠隔の経験者も製作物とインタラクションしやすいように設計した．

経験者がカメラの注目箇所を問題の LED に移動させる操作ができる．

3.3.3 ツールの一覧表示

提案ツールはテキストエディタ，ターミナル，製作物ビュー

変数の値を出力することで，ボタンを 1 度押しただけでア，オシロスコープの 4 つで構成されている（図 5）．製作複数回押されたと判定されていることが明らかになった．

物ビューアは映像の拡大縮小および移動の機能を備えていそこで経験者はチャタリングが発生しているのではない

る．テキストエディタやターミナルは共同編集可能とし，かと考え，ボタンからの入力信号をオシロスコープで確認

製作物ビューアやオシロスコープは拡大縮小操作やレンすることを提案する．経験者はカメラ映像の上でカーソルジの変更を他の操作と並行して実行可能にすることで，同を動かして配線やピンを指し示しながら，初学者にオシロ時操作を実現する．画面の配置は固定することで，初学者スコープのプローブの接続方法を教える．プローブを繋ぎと経験者が常に全てのツールを一覧できるようにした．プ

終えた初学者は製作物を動作させて波形を確認する．提案

ローブが回路に接続されていないときのオシロスコープ画

ツールではソースコード，ターミナル，回路，オシロスコー面など，使っていない機能を隠すあるいは小さく表示するプが一覧できるため，それら 4 つを見比べながら自分が作方が主に利用しているツールを見やすくなることも考えらり込んだプログラムおよび回路と動作結果の関係を把握すれるが，今回は一覧表示することを優先した．

ることが容易である．

以上のような機能を持った提案ツールを使うことで，どはじめオシロスコープの時間レンジが大きい値になってのような共同電子工作が可能になるだろうか？ 製作物のいたため，ボタンが押されたタイミングで電圧がきれいに「ボタンを押した回数に応じた個数の LED が光る」とい変化しているように見えたが，経験者が時間レンジを小さう機能をデバッグしている場面を想定して，具体的に説明くすることで電圧が振動している様子が観察される．経験する．

者が自らオシロスコープを操作できるため，口頭でボタン一通りの配線とコーディングを終え動作確認をしたとこを押す回数を指示するよりも容易に調整が可能である．経ろ，初学者はボタンを 1 回押しただけで 2 個以上の LED

験者が現象を理解しやすくなるようにツールを操作して支が点灯してしまうというバグに気づく．配線やソースコー援することで，初学者はバグの原因に気づくとともにチャドを確認しても問題がありそうな箇所を見つけられなかっタリング現象を理解できている．バグの原因がわかった初たため，経験者に支援を求める．

学者は，チャタリングの波形とプログラムを見比べながら3.3.1 カメラ映像の拡大や移動解決策を考える．そして，少し時間が経てば信号の値が変

そこで経験者はまず，カメラ映像を拡大してボタンや化しなくなることに注目し，一定時間同じ値が得られるこLED の配線がマイコンに正しく接続されていることを確認とを確認するようプログラムを書き換える．この修正によする．カメラ映像を拡大することで，ブレッドボード上のり，バグは修正された．

どの列に配線が刺さっているかという情報が遠隔地からでも確実に確認できる．これにより，バグがある場合は経験者は見落とさずに発見でき，バグがないときは自信を持っ

4. 実装
4.1 利用するハードウェアツールて次のデバッグ段階に進むことができる．経験者が映像を製作に利用するハードウェアツールは全て既製品を用拡大する様子は初学者に対してもオープンになっているた

いた．用意したハードウェアツールは，ノートパソコン，め，初学者はデバッグ時に経験者がどのような部分に注目

外部ディスプレイ，ワイヤレスキーボード，ワイヤレスマするかを学ぶこともできる．

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ローカル（初学者）PC
クライアントアプリ

WebRTC

映像中継サーバ

WebRTC

スマートフォン

製作物ビューア
ソースコードWebSocket

エディタ

プログラム書込サーバ

ターミナル
オシロスコープ

USB

同期サーバ

ターミナル共有サーバ
HTTP
HTTP

図 6

オシロスコープサーバ

USB
マイクロコントローラ
USB serial
USB オシロスコープ

USB

WebSocket

接続

02

極性・接地

02

- 配線の不足

10- 冗長な配線

10- ショート

10回路が機能する

02WebRTCシステムの構成

マートフォンは画角の異なるカメラを 3 つ搭載している

iPhone 12 Pro を用いた．USB オシロスコープとしては
Digilent 社の Analog Discovery 2*4 を利用した．なお，利用するハードウェアツールはベースライン構成でも同一である．

4.2 システムの構成
システムの構成を図 6 に示す．ツールはクライアントアプリケーションと複数のサーバからなる．クライアン
トアプリケーションは初学者および経験者のノートパソコンで実行されコーディングや回路の確認をするためのインタフェースとなる．クライアントアプリケーション
は JavaScript で Web アプリケーションとして開発した．
サーバは電子回路があるローカルのパソコン（初学者が使うノートパソコン）で実行され，クライアントアプリケーションからのハードウェアへのアクセスやデータの同期を可能にする．スマートフォンからの映像中継は Twilio

Video*5 を用いて開発し，iPhone のマルチカメラを使った拡大・移動機能を実装した．

5. 評価実験
提案ツールがベースライン構成と比較して，電子工作を学びやすいツールになっているか評価した．

5.1 方法
実験には初学者 6 名と経験者 1 名が参加し，経験者が初学者 6 名と 1 人ずつ合計 6 回共同電子工作した．初学者はプログラミング経験があり，マイコン使用経験がない大学生である．経験者は電子工作の授業でティーチング・アシスタントの経験がある大学生から募集した．
実験の所要時間は 3 時間であり，製作時間はそのうちのおよそ 2 時間とした．製作時間の前半 45 分程度でマイコンの基本的な使い方を身につけるチュートリアルを実施し，残りの 1 時間 10 分程度は自由製作の時間とした．自*5回路デザインタスクの評価結果
ベースライン [人]提案ツール [人]

電流の流れ

ウス，スマートフォン，USB オシロスコープである．ス

*4

表 1
回路の特徴

https://digilent.com/reference/
test-and-measurement/analog-discovery-2/start
https://www.twilio.com/video© 2022 Information Processing Society of Japan

由製作のテーマは「インタラクティブ・ギフトボックスのしかけを作ろう」とし，電子工作によりもらった人がびっくりするようなプレゼント箱のしかけを自由に考えて製作するよう求めた．製作に使用したマイコンは Raspberry Pi

Pico である．実験の最後に初学者に評価用のタスクに取り組むよう依頼し，製作終了後の初学者の電子工作能力を評価した．実験条件は Zoom 等のベースライン構成のツールを用いる条件と提案ツールを用いる条件の 2 つとし，各条件に 3 名ずつの初学者が参加した．
電子工作能力の評価には Litts らの手法を用いた [13]．
この手法はプログラムと回路を対応づけながら行う「回路デザインタスク」と「プログラムリーディングタスク」を学習者に課して学習者のパフォーマンスを評価するものであり [13]，マイコンを使った電子工作を対象とする本研究に適している．課題で用いる回路とプログラムは本研究の自由製作に合わせて，Raspberry Pi Pico でボタンや温度センサの入力に応じて LED の光り方を変化させるものにした．初学者が課題に取り組む様子およびデザインした回路を撮影し，デザインした回路の正しさとプログラムについて説明できた度合いを Litts らの基準に基づいてコーディングした [13]．本研究では回路デザインタスクが Litts らのものより複雑であるため，ボタン，温度センサ，LED それぞれの回路に分けてコーディングを行った．

5.2 結果
回路デザインタスクの結果を表 1 に示す．表の数字は回路の各特徴について 3 人中何人の初学者が正しく設計できたかを示している．ただし，電流の流れに関する特徴については不適切な設計をした人数を示している．前述のとおり回路を 3 つの部分に分けてコーディングを行ったが，ここでは紙面の都合ですべての部分を正しく設計できた人数を示す．ベースラインでは全員が回路を正しく設計できなかったように見えるが，LED については正しく設計できた初学者もいる．提案ツール条件の方が回路を正しく設計できた人数が多かった．
プログラムリーディングタスクの結果を表 2 に示す．表の数字は説明の中で 3 人中何人の初学者が各説明項目に触れたかを示している．ベースライン条件の初学者の方がやや多くの項目について言及している．

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表 2 プログラムリーディングタスクの評価結果
説明項目
ベースライン [人]提案ツール [人]ledx.value

32

button.value

22

analog.value

3

3time.sleep

00

変数宣言

33

入出力

32

ループ

10

条件分岐

32

[4]

[5]

5.3 考察
実験参加者数が少なく，初学者の実験開始前の能力に差[6]があった可能性もあるため断言できないが，提案ツールを用いたほうがプログラムと関連づけて回路を設計することを効果的に学習できる可能性が示唆された．プログラム
リーディングタスクは初学者全員にプログラミング経験が[7]あるため評価結果に差がないと予想したが，提案ツールを用いた実験参加者の方がややパフォーマンスが低かった．
その要因としてプログラミングに熟達した学習者は簡潔な説明をすることがあるため，言及したと判定される項目数が少なくなったことが考えられる [13]．

[8]

6. 結論
本研究では遠隔の初学者と経験者が共同で電子工作に取り組み，電子工作を効果的に学ぶための製作ツールとして，カメラ映像の拡大や移動機能と同時操作機能をもち全ての[9]ツールを常時一覧可能なツールを提案した．評価実験では提案ツールと既存のツールを組み合わせて利用した場合を比較した．その結果，提案ツールを使った初学者の方が回路デザインタスクで高いパフォーマンスを示した．今後は実験を通して参加者から得たフィードバックを取り入れ，[10]

あらためてツールの効果を検証していきたい．
謝辞 本研究は東京大学情報学環中山未来ファクトリーからの支援を受けた．
[11]

参考文献
[1]

[2]

[3]

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