情報処理学会 インタラクション 2014
IPSJ Interaction 2014

A2-3
2014/2/27

Arduino とセンサーを教材とした
HCI デバイス製作演習の実践	  	  菅谷みどり†1	 
人と人工物の多様なインタラクションを学ぶためには, 多様な入力情報を実際に試し, その経験をもとに新しいインタラクションを検討することが重要である. しかし, 情報系学科では, 十分なハードウエ
アの専門教育がなされていない事も多く,標準デバイスのみでインタラクションの実習を行うことで発想が制限される問題がある. 本研究では, Arduino をベースとした演習により, 初学者が多様な入力情報を用いた HCI デバイス開発に取り組むものとした. 論文では, 授業の概要と成果について紹介する.

Sensor Education on Arduino Brings Ideas of Interaction
Midori Sugaya †1
In order to learn a variety of interaction of artifacts and human, that you try actually a variety of input information, to consider
new interaction on the basis of the experience is important. However, in the information systems department, enough hard thatthe professional education of software has not been too many, there is a problem in that the idea is limited by performing thepractice of interaction with only standard device called a mouse and keyboard. In this study, the exercise, which is based on
Arduino, it is assumed that tackle the HCI device development beginner using a variety of input information.	 

1. は じ め にスを開発できると考えた.実践では, センサー値の観察を	  	 基礎演習に据えることで, 多様なセンサーを使いこなして	  ヒューマンコンピュータインタラクション(HCI)の専門インターフェイスを開発するアイデアを得られたことは,家教育の必要性が認識されてから久しい. 高等教育機関に大きな知見であった. 本発表では, 演習のカリキュラムおおける HCI 教育では, コミュニケーションの基礎理論や,よび, 製作物, そこから得られた課題について述べる.

認知心理学, デザインなどの社会科学系の関連分野, 情報	  本節の構成は以下の通りである.2 節で授業の構成, 3 節理論などの理論的な知識の獲得のみならず, 実際に製作をにて製作の成果, 4 節にてまとめを示す.

通じた実践が重要である[1]. 実際に, 各所で様々な実践授業が試みられている[1-3]. しかし, 情報系や文系学科の学

2. Arduino マ イ コ ン を 用 い た 演 習

生ではハードウエアの実践知識の不足により,デバイスの2.1 授 業 の 目 的製作が PC に付属のキーボードとマウスを入力デバイスと	  授業では, 入力デバイスにとらわれない新しいインタラしたインタラクションに制限されることが多い. 人と人工クティブデバイスを製作することを目的とした. 近年では,物とのインタラクションの自由な発想の制限を取り外すこ

Kinect など高度なセンサーも普及しているが, 製作物がデとが新しい HCI デバイスの製作には重要である.

バイスの機能に依存する傾向がある. そこで, 本演習では	  本研究では, ハードウエアの専門科目を十分に学んでいさまざまなセンサーなどのデバイスを拡張できる汎用性や,ない学生でも電子回路を利用し, 多様なインタラクション基礎的な技術の取得を目指し, マイコンベースをベースとデバイスを製作する技術を取得するための演習を提案する.

しつつ, かつハードウエア初学者にも敷居が低い Arduino

演習では, マイコンとして Arduino [2] という初学者向け[2] マイコン(ATMega315)を選択した. 演習で利用した機のマイコンを用いる事で, ハードウエアの専門知識がない材を図 1 に示した.

学生のマイコン利用の敷居をさげる. また, 入力, 出力デバイスとしてセンサーを利用するために, 実際にセンサーや計測を含む実習と, LED などの出力デバイスの点滅をソフトウエアにより様々に変更する演習を行う. こうした基礎的な技術を理解することで, 学生達は, これらの入出力を組み合わせた様々なアイデアのインタラクティブデバイ
†1 芝浦工業大学 情報工学科
Shibaura Institute of Technology, Information Science and Engineering	  	 	  	 © 2014 Information Processing Society of Japan

図 1	  授業で利用した Arduino UNO とキット221

いて紹介する.
表 1 授業の構成
第１回

マイコンボード演習 I.Arduino マイコンの開発環境のセットアップ.プログラミング API の解説, PC とマイコンボードを接続し, LED を点灯させる.LED の点滅に関する演習(表 2) に取り組む.

第２回

マイコンボード演習 II, Arduino マイコン上で様々なセンサーを動作させ, 演習(表 3)に取り組む.

第３回

マイコンボード+コンピュータグラフィックス演習,Arduino 上のセンサー入力と, コンピュータグラフィッ
クスを連携させる演習に取り組む.

第 ４ ,5回

キーボード, マウス以外の入力デバイスをもとに,Arduino を用いた HCI デバイスを開発する.

表 2 LED 演習の内容
演習 1

Traffic Light: Delay を変更し, 点滅の結果を考察

演習 2

Advertising LED : 複数の LED を効果的に点滅させる

演習 3

Nixie tube: 7 セグ LED, カソードコモン, アノードコモ
ンの違いを体験し理解する

演習 4

Arduino 上にさらに 74HC595 マイコンを増設し, I/O を増やして利用する方法を学ぶ.

表 3 センサー実習にて利用するセンサーと演習課題
演習 1

ブザー: 課題のプログラムと異なる, 様々な音を出す.

演習 2

傾きセンサー：センサーから取得できるアナログ値と,角度を比較し, その関係をグラフに示して考察する.

演習 3

可変抵抗器：Delay の値を変更し, その影響を考察する.

演習 4

光センサー：光源が異なる２カ所程度の場所で, センサの値を読み取り, 比較して考察する.

演習 5

温度センサー：室温, 体温など異なる温度を計測し, その差を比較して考察する.

3.2 入 力 機 構 の 多 様 性	  演習の目的である多様な入力による HCI デバイスの開発については, 結果的に 11 つの班全てが実現した.以下に製作物の一部を示す.
-

mini ピアノ：指を穴の上に乗せると, 光センサーのアナログ値が変化し, ブザーから音が出る.指を乗せる鍵盤によって異なる音が出る.表示によって鳴らしている音階が代わる.

-

ヒカリのリコーダー：光センサーを用いて組み合わせによって, 音と光を出し演奏する.

-

ひやひや爆弾：7 セグ LED の数値でカウントダウンをしている間に, 複数ある可変抵抗をまわして, 爆発を防ぐ.間違った可変抵抗を選択すると, 爆発音が発生する.

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持ち去り警告君: 置き引きや持ち去りに対抗するための仕組
み.スイッチ, 光センサーを入力とし, ブザー, LED を出力とし, 置き引きなどが発生したらブザーで知らせる.

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かしむらがチャ：ガチャのように, 可変抵抗のつまみをまわ
すと, 画面上のガチャが音をたてて, かしむらというおもちゃが出る. レインボーかしむらを仕込み面白みを出した.	  図 1 に,	 成果発表時の様子(左)と,	 実際に製作されたmini ピアノの製作物でデモを行っている様子を示した.	 
また,	 図 2 では,	 ひやひや爆弾の右についている,	 つまみをまわして,	 爆弾が爆発して救急車の音がブザーで鳴った

2.2 演 習 の 構 成 と 内 容時の様子(左)	 と,	 マイコンとセンサーで実装した爆弾の中身を示した.	 	 	  演習は, 学生が実際に手を動かすこと, 基礎的な LED 出力と, センサー入力の値についての理解を深めることを目的とし, 段階的にこれらを実践する構成とした. 演習は２名ずつ 10 班に分かれて行った.全ての学生が機器に実際にふれてプログラミングを行い, 演習の構成を表 1 にまとめた.また, 演習１回目, ２回目で行った LED, センサーそれぞれの演習の概要を表 2,3 にまとめた. 表に示したように,

図 1	  授業の様子 (左), 製作物（mini ピアノ）(右)

基礎的な開発環境, プログラミング API の解説はその都度,テキストを用いて行った.	  １回目の LED 演習の際には, デジタル I/O を利用し, ２回目のセンサー演習では, アナログ I/O を利用した.アナロ
グ I/O の場合には, センサーにより, アナログポートから読み出した値が変化するため, それをシリアルコンソールでモニタリングし, さらに, グラフにまとめて考察する課題とした.また, PWM 制御などにより, アナログ値が変化する様子を観察し, 入力と出力の関係を理解するように促した.

図 2	  ひやひや爆弾の外観 (左),Arduino を用いた中身 (右)3.3 実 施 結 果	  今回, 取り組みを行った 11 班の製作物のうち, キーボードの入力を利用した班はゼロであった. 画面上のProcessing と連携したのは 5 班, 残りの班はセンサーを利用して実現した. この事から, キーボード/ディスプレィにこ

3. HCI デ バ イ ス 製 作 の 成 果

だわらない様々な入出力の HCI デバイスの製作を促す演習

3.1 演 習 の 実 践という当初の目的は達成されたと考えられる.	  前節で設計した演習授業を, 芝浦工業大学の工学部, 情	  また, 実習のうち 1. ハードウエア, 2. ソフトウエア, 3.

報工学科の演習授業で実施した. 本説では, その内容につハードとソフトウエアの双方, という三つの選択肢から,最も楽しかったのはどの実習であったかを聞いたところ,© 2014 Information Processing Society of Japan222

1 のハードウエア実習, と答えた学生が 7 名, 2 のソフトウエア(プログラミング)と答えた学生が 2 名,3. のハードウエ
アとソフトウエアの双方を組み合わせる部分が楽しかったと答えた学生が 11 名となり, コンピュータとハードウエ
アの入出力を組み合わせたデバイスの開発により, これらの連携技術に興味を持った学生が最も多かった結果となった. この事から, さまざまな入出力を拡張する HCI デバイスの製作に必要な技術要素についても, 偏りなく理解し,使いこなすことについて興味を持ってもらえることが分かった.
3.4 課 題	  ただし, 演習授業では, 楽しむことを優先したことや,専門知識がなくてもアプローチできる技術のみの講義をすることにとどめたことから, より専門的な課題について知りたい場合に, 十分に対応できない問題があった. 例えば,学生からは, センサー種類を増やす要望や, I/O を多数利用したいといった要望も出されたが, 拡張シールドの利用による I/O 拡張は演習授業の時間の延長化などにもつながるため, 指導はしなかった. これらは, 今後より深い知識を演習内で与えるか, 継続講座で対応するかなど,検討が必要である. また, 製作動機の多くが”やってみたい, 面白そう”であり, ユーサビリティの考慮が不十分であった. 今後は, 授業内にこうしたユーザビリティの考慮を促すことや,検討方法などを示すといった対応も検討する必要がある.

4. ま と め	  今回の演習の大きな知見は, 様々な入出力の実現技術を学ぶことで, 学生は柔軟に新しい HCI デバイスを発想できた事である.今後は, 課題を検討し改善に取り組みたい.

参考文献
1) 中野有紀子, 塚原渉, 中川正樹, 黒須正明, 欧米における HCI
教育の動向, 情報処理, 48 巻, 11 号, pp. 1242 – 1250. 2007.
2) Arduino, http://arduino.cc/
3) Processing, http://processing.org/
4) Chan, MyaeThu,劉, 中村亮太,西田知博,松浦敏雄,計測と制御のしくみを学ぶための Arduino シミュレータとプログラミング学習
環境, 情報学 10(1), pp.1-10, 2013.
5) 森崎 巧一, 比気 千晶, 大海 悠太, 橋口 宏衛, 橋本 誠, 上村眞, 田丸 直幸, センサーと Processing を利用した情報デザイン教
育のための教材の開発, 大妻女子大学紀要. 社会情報系, 社会情
報学研究 19, 93-100, 2010.

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