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CARAMEL：電子ブロックと投影型 AR を用いて電気の基礎を学ぶインタラクティブ理科教材の研究
渡邉竜†1

大島登志一†1

概要：本研究では，電子ブロック式のユーザインタフェースと机上への投影を組み合わせることで，ユーザが電子回路を組んで，その電流や電圧の挙動を視覚的に学べる教材として MR 型電子ブロック『CARAMEL』の開発を行った．この教材では，回路内での電圧の変化や電流の量，方向といった実際には見ることができない現象を可視化することにより，理解を促進させる教材の実現を目的としている．ユーザは，市販のレゴブロックに電子部品を組み込んだブロックを並べることで実際に電子回路を組むことができる．さらに，組んだ電子回路と同期して電流と電圧の挙動をシミュレーションし，ブロックの上にその状況を投影する．

1.

はじめにをシミュレーションし，電圧は色で表現し，電流はパーテ
ィクルの移動方向と移動量により電流の向きと量を表現す

本研究では，電子ブロック式のユーザインタフェースとる．そして，ブロックの上にその状況を投影する．本研究机上への投影を組み合わせることで，ユーザが電子回路をでは，本システムを用いることでユーザは回路と電流・電組んで，その電流や電圧の挙動を視覚的に学べる教材の試

圧の規則性を体感的に理解することを目指している．

作に取り組んでいる．近年，STEAM 教育に代表されるように科学教育を重視する動きにある．その中で，ICT やデジタルテクノロジーがとりわけ注目されているが，アナログの電子技術がこれらの技術の基礎として非常に重要である．
平成 29 年に告示された学習指導要領[1]には以下のような目標及び内容が挙げられている．
「回路を作り，回路の電流や電圧の測定する実験を行い，回路の各点を流れる電流や各部に加わる電圧についての規則性を見いだして理解すること」
しかし，電流や電圧，抵抗の諸概念の理解，規則性の理解

図 1が困難であることが様々な先行研究にたびたび指摘されてCARAMEL のユーザ視点の様子きた．その原因の 1 つとして，電流や電圧が目に見えない

2.

電気分野の学習に関する課題

物理的概念であるために生徒が直感的に理解しにくいと考2.1

電気分野の学習の実態

え，電流や電圧のイメージづくりに関する研究がいくつも

平成 15 年度小・中学校教育課程実施状況調査[4]では，なされている[2][3]．そこで，本研究でも，回路内での電圧教師と生徒に対して，各科目や単元に対する理解の難易度の変化や電流の量，方向といった実際には見ることができや，興味の有無，好き嫌いが調査した．その結果，「電流（静ないものを可視化することにより，理解を促進させる教材

電気の性質，直列回路や並列回路，電流や電圧，電気抵抗の実現を目的とした．など）」に対して，苦手意識を持つ生徒や嫌いな分野と感じ

そこで，本研究では，MR 型電子ブロック『CARAMEL』ている生徒が理科の分野の中で多いことが明らかになった．

を開発した．図 1 には，電子ブロック式のユーザインタフ

古屋らは，電気回路の学習が終了した中学 3 年生が内容ェースと机上への投影を組み合わせた様子を示す．
これは，をどのように把握しているかを調査している[5]．この研究

電子ブロック型インタフェースによって並列回路を組んででは，直列回路，並列回路での電流について，抵抗 1 つのおり，同じ電子回路のシミュレーションによって得られた単純回路との比較で予想すると，抵抗が増えると電流が減電流，電圧の動きが電子回路に投影されている．

るといった予想ではなく，単純回路と同じ量の電流が流れユーザは，市販のレゴブロックに電子部品を組み込んだると予想する生徒が多いことを明らかにしている．こうしブロックを並べることで実際に電子回路を組むことができた誤った考え方を「交通流モデル」と呼んでいる．さらに，る．さらに，組んだ電子回路と同期して電流と電圧の挙動

この研究では，オームの法則を使うと電流の計算は正しく†1 立命館大学 映像学部
College of Image Arts and Sciences, Ritsumeikan University© 2022 Information Processing Society of Japan394

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求めることができることがわかっていながらも，科学的に者が自身の内面に電気回路の物理量を「水流モデル」の物

正しい知識と回路のイメージが矛盾していることに気付い理量に置き換えてメンタルモデルを構成し，且つそれを外ていない生徒がほとんどであることを指摘している．

化できれば，回路を流れる電流や各区間に加わる電圧へのまた，古屋らでは，課題を生徒に課し，電流の流れ方の認識について調査を行い，電流の流れ方の誤ったイメージを持つ傾向が中学 2 年生から中学校 3 年生になるときに急激に増加していることを明らかにしている[6]．これは，中理解を促すことが分かった」
これによれば，可視化による表現が電気分野の学習を促す可能性を示している．
電子回路シミュレーションと電気ブロック

2.3

学 2 年生の理科で電気回路を学ぶ時期と重なっており，「回定松らの研究は，電圧を高さで表現した電子回路シミュ

路に対する知識， 例えばキルヒホッフの第 1 法則やオーレータと電子ブロックと連動させている[7]．この研究では，ムの法則に関する知識は中学 3 年生以降増えているが，こ回路シミュレータ上で回路図や各素子の電圧を表現し，そうした知識が，回路を適切にとらえることにつながっていれをディスプレイ上に表示している．また，電子ブロックない」ことが課題として挙げられている．

を Arduino で PC と有線で接続している．この研究では，課題としてインタフェースの改良や回路の無線化などを挙げている．図 7 は， 定松らが開発した電子ブロックとシミュレーションの様子を示しているものである[7]．
本研究でのシステム要件

2.4以上の従来研究から，電気回路の学習に対して苦手意識を持つ生徒がほかの分野とくらべて多くいることが推測される．また，オームの法則の理解はできているが電気回路内での電流・電圧の挙動といった現象の理解とは一致しない傾向がある．さらに，電流や電圧を視覚的に表現するこ
図 2

生徒に出された課題の例[7]とで理解の助けになることも明らかになっている．
そこで，本研究では，以下を要件として開発を行った．
A) 電流や電圧を視覚的に表現されている
B) 視覚表現がオームの法則などと矛盾がないことC) ユーザが自然とシミュレーション結果と回路を対応付けられること

3.

MR 型電子ブロック CARAMELのデザイン

3.1
図 3
2.2

課題の選択肢の例[7]システム構成図 4 には，システムの全体像を示す．

電気回路の水流や粒子を使った教材研究

電気回路での電流や電圧の諸概念の理解が難しいため，電流や電圧を可視化することで理解を促そうとするアプローチが試みられている．
本間では，ゲル粒子をパイプの中に循環させ，パイプの太さによって抵抗を表している装置を用いた実験授業を行っている[2]．この装置はゲル粒子が単位時間にどれほど通過したかを生徒が見ることで確認もでき，個数をリアルタイムに計算することで電流を視覚的にとらえることを可能
図 4にし，学習効果が上がることを明らかにした．
倉信らでは，ポンプと 2 つの水槽，水槽と水槽をつなぐ桶からなるモデルを開発している[3]．このモデルでは，桶CARAMEL の全体像

CARAMEL は，以下のような４つの要素によって構成している．の中を通る水の単位時間の量を電流として表現するといっ① ユーザが直接操作する電子ブロック

たように水の流れによって電流，電圧，電気抵抗を表現し② 電子ブロックの回路の状態を認識するモジュールた．その研究のまとめでは，以下のように結んでいる．

③ 認識した電子回路のシミュレーション「自作した「水流モデル」を用いた授業によって，学習© 2022 Information Processing Society of Japan④ シミュレーション結果を投影するプロジェクタ

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ユーザは手元で電子ブロックを組むことができる．そこで組んだ回路状態を認識し，開発した回路シミュレータによって実際に組んだ電子ブロック回路と同じ回路のシミュレーションを行う．このシミュレーションで求めた各点の電流の量と向き，各部の電圧が色やパーティクルで表現し，電子ブロックに投影するシステムとしている．

図 7

4.

CARAMEL の回路部分の様子

電子ブロックの試作電子ブロックは，LEGO デュプロを元に制作している．
熊谷の研究[10]において，「LEGO ブロックの特徴は，多様な大きさ／形状があるにも関わらず，接合部の構造が一定
図 5

機能ブロック図であるため，あらゆるブロック同士を接合できる点にある．」という理由から LEGO ブロックの構造が採用されている．
電子ブロックを制作するにあたってこのあらゆるブロック同士を接合できる特性は，重要な点である．そのため本研究で採用することにした．
また，採用した LEGO デュプロは，通常の LEGO ブロックに比べて縦横高さが 2 倍と大きく，シミュレーションを投影する際に電流・電圧を表すオブジェクトのサイズも大きくすることができる．それによって，電子回路の状態がどのようになっているかをユーザが確認しやすくなる．さらに，ブロックが大きいことで素子を封入するための空間などに余裕ができるようになる．これらの理由から，本研

図 6 評価実験時のシステム構成図
本研究は，CARAMEL を利用し，ユーザが中学 2 年生の究で開発する電子ブロック部分には LEGO デュプロを採用した．

学習範囲である「電流とその利用」において回路の概念か本システムでは，2 種類の電子ブロックを制作した．電ら始まり，電流と電圧，およびオームの法則までのイメー子回路の素子を取り換えられる汎用的な電子ブロックと特ジが体感的に形成されることを目標とする．中学理科教科

定の素子としての機能しか持たない電子ブロックの 2 種類

書[8][9]によると，中学 2 年生が習う基本的な回路は，電球である．汎用的な電子ブロックは，電子ブロック制作中に１つを光らせる回路や直列回路，並列回路といった回路と容易に電子ブロックの素子を変えるために制作した[11]．

なっている．そのため，本システムで扱う素子は，電球，現在の CARAMEL には，抵抗，電球，LED，電池，導線，抵抗，LED を扱うことにした． また，ユーザに諸概念の理といった機能を固定した電子ブロックを実装している．こ解を促すためにワークブックを用意する．ワークブックにれらのブロックの内部には，抵抗用ブロックであれば抵抗登場する回路や学習の流れについても，中学理科教科書をが，導線用のブロックであれば，導線の両端と銅箔テープ参考にしている．

をはんだで付け合わせ銅箔テープ部分をブロック底の辺がCARAMEL は，電子ブロックを用いて任意の回路を作ることができる．そして，シミュレーションについても電子通電するように貼り，導線部分はブロック内部の天井に沿わせるように配置している（図 8）．

ブロックを使って作成できる回路はすべてシミュレーション可能となっている．

© 2022 Information Processing Society of Japan396

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割と基本的に相違ないが，GND ブロックと電圧源ブロック
は，回路方程式を立式する際に回路状態の起点の役目も担っている．
導線ブロック

抵抗ブロック

電池ブロックLED ブロック

また，ユーザはブロックをグリッド上に自由に設置できるようにしている．グリッドの範囲は，プログラム上任意に変更することができるが基本的には 8x8 のグリッドでシミュレーションを行う．
範囲制限を上記のようにしたのは，

図 8 電子ブロックの内部構造の例

投影する際に大きすぎるのは不適であることと，中学 2 年

そして，機能が固定されているためにブロック１つ１つ生の履修範囲の回路を電子ブロックによって組むのに十分がどのような部品なのか回路図と照らし合わせて電子ブロな広さとなるためである．ブロックを用いずにシミュレーック回路を組むことができるようにするために，図 9 に示タとして活用する際などは，より大きなグリッドを設定すすように，ブロックに，それぞれの素子の電気用図記号をることで制作可能な回路の幅を広げることも可能である

印刷したシールを貼りつけている．さらに，LEGO デュプ

5.2

シミュレータの実装

ロだとプロジェクタで投影した際の色が見えづらい問題が回路解析の方法は，節点解析や修正節点解析法，閉路解ある．そこで，シールの記号部分を黒色でその他の背景部析法といったように種類があり，詳しいアルゴリズムは、分を白色にすることで電流や電圧のシミュレーションを投「電子回路シミュレーション」や城所の研究によって知る影する際のスクリーンとしての役割も担い，この問題も解ことができる[12] [13]．今日では，修正節点法が回路解析に消している．

利用されていることは広く知られており，節点解析法と違い電源圧も素子として直接扱うことができる．中学 2 年の学習で触れる回路は電池がほとんどであり，電圧源を扱えることが望ましい．そのため，本シミュレータでもこの解析手法に従って実装を行っている．
5.3シミュレーションの表現

本シミュレーションでは，電流や電圧を数値の情報として提示するのではなく，色や動き，密度といった視覚的な表現で提示している．こうすることで，ユーザは，電気回
図 9 ブロックの外観

図 10 投影の様子

路で電流や電圧がどのように変わっていっているのかの理解を促そうとしている．

5.

電子回路シミュレータ

5.1

シミュレータの概要

電流の表現は，移動するパーティクルで表している．パーティクルは，電池の+極から-極へと移動している．そして，電流の大きさは，単位時間にブロックの中を通過する

CARAMEL で実装した回路シミュレータは，電子ブロッパーティクルの量によって表現している．電流の流れる方

クを用いて組んだ電気回路と連動してシミュレーションを

向は，ブロックごとにデータを保持しているため，パーテできることが特徴である．一方で，電子ブロックがなくてィクルの移動方向が決定できる．枝分かれになるところでも GUI でシミュレーションを行えるように実装している．

は，電流の大きさによってパーティクルの移動方向が分け

この機能によって，電子ブロックが手元にない状態や，電られて密度が変わるようになっている．また、回路全体に子ブロックでは作成することができない回路の学習でも，流れる電流の大きさが変わったときは，パーティクルの移PC があれば，電子ブロックを用いた体験と似たユーザイン動速度を変更する．このように実装することで，電流の大タフェースを用いた学習を行える．

きさに従ってパーティクルの密度や速さが変わり結果的に本システムで対象としているのが中学 2 年生であり，交流回路や時間変化によって各部に流れる電流や電圧が変化する回路は習わない．そのため，本シミュレータでは，現状，直流回路の解析を実装している．

単位時間にブロックを通過する量が変わるようになっている．
また，電圧は，色によって表現している．回路全体で最も電圧が大きいときの色と回路全体で最も電圧が小さいとユーザが設置できるブロックは，中学 2 年生の扱う素子きの色が決められている．電圧の値によって最小値の時のの抵抗ブロック，電池ブロック，電球ブロック，LED ブロ

色と最大値の時の色で線形補間を行って色を決定する．抵

ックとそれらの素子を繋ぐための導線ブロック 4 種がある．

抗ブロックや電源ブロックといった電圧が変わる部分では，また，ユーザが任意の点を GND にすることができる GND

パーティクルの色は，離散的に変わるのではなく，連続的ブロックもある．各種ブロックの役割は実際の回路での役に変化するようにしている（図 11）© 2022 Information Processing Society of Japan397

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IPSJ Interaction 2022a)b)

色の移り変わり図 11

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抵抗内でのパーティクル表現

電圧の表現

回路シミュレーションの表示方法は，さまざまな種類が

図 13

電子ブロック回路の状態認識の処理の流れある．パーティクルのみの表示，パーティクルとブロック提案する手法は，図 13 のような流れで電子ブロック回電圧の色が表示されているブロックとの表示，パーティク路の状態認識をしている．単体のブロックを識別するため

ルと回路図が表示されているブロックとの表示といった表の回路の試作品が図 14 である．この回路は，ブロックの示方法が可能である[11]．

設置した方向と種類のデジタル信号をシリアル出力するよ

本シミュレータで行ったシミュレーションの例を以下うになっている．ここで、出力される信号をスイッチングに提示する（図 12）．これらのように，中学 2 年生の範囲回路で制御し，Arduino に送信している．Arduino で受け取で習う電気回路のシミュレーションが行えることがわかる．

った信号を処理し，ブロックのデータ配列を作り，シリアまた，電圧の表示色は自由に変更できる．

ル通信でインタフェース用プログラムに送信している．イ
ンタフェース用プログラムは，Arduino とシミュレータをつなぐためのプログラムでインタフェース部分のみで構成されている．そのため，インタフェースの変更は，用意となっている．

a)b)

未接続状態の回路

単純な回路

図 14

ブロックの識別回路の試作品

このように，行うことで電子ブロック回路の状態認識は可能となる．しかし，実装する回路の数が膨大なため官僚
c)

並列回路

d)

図 12

シミュレーションの例

直列+並列の回路に時間を要することになる．そこで OpenCV ベースの AR
マーカ「ArUco」[14][15]を用いた電子ブロック回路の状態認識方法も実装した．この方法での実装は，評価実験や6.

電子ブロック回路の状態認識

SIGGRAPH ASIA での展示で実際に運用した．

LEGO デュプロを基に作られた電子ブロックで組んだ電子回路と電子回路シミュレーションが連動するために，電子ブロックがどのように配置されているのかの識別をしなければならない．そこで、本研究では，電子回路を用いた回路の識別方法を提案する．電子回路を用いるのは，ブロックにシミュレーションを投影するためプロジェクションの光などに認識方法が影響を受けない方法であることが望ましかったためである．
図 15

AR マーカの識別のフロー

この識別方法の処理の流れは，図 15 のようになる．大きなマーカによって，ブロックの置く範囲を指定しカメラ映像をトリミング，射影変換を行う．その加工された画像© 2022 Information Processing Society of Japan398

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からブロックそれぞれのマーカを認識し，ブロックのデーで改善点が見つかった．また，回路状態の認識方法は，ARタ配列を作成する．そして、シミュレータで回路の状態がマーカの方法でも運用ができることは確認できているもの更新されると計算しなおされる．の，投影像との干渉や照明の影響が大きく，ユーザ体験の7.

実験とその考察質を下げていることもわかった．
今後は，電子回路による回路状態の認識方法を実装し，CARAMEL を用いて電気回路を学習することでどの程度ユーザ体験の底上げを行う必要がある．また，電流や電圧の効果があるのかを検証するために，立命館大学映像学部の表現方法についても再度検討を行い改善していく必要が映像学科に所属する男女 18 人を対象に評価実験を行った．

ある．これらの改善を行うことで CARAMEL の学習の現場

当該学部は，文理融合型であることから，必ずしも理科系での運用を視野に入れた 使いやすさやわかりやすさを目の分野が得意ではない学生の割合が多いと推測される．本指していく．

実験では，体験の前後で電流や電圧が電気回路内でどのように変化するのかを図示する課題に取り組んでもらった．

謝辞

実験を通して，CARAMEL は電流が抵抗で消費されるや電ものです．

本研究は，JSPS 科研費 21K12004 の助成を受けた圧の変化が導線の枝分かれの部分で起こるといった誤った概念ではなく，電流は抵抗器の両端で同じ量であること，電圧の変化は抵抗で起こることといった正しい概念が得られていることを一定程度観測することができた．
また，SIGGRAPH ASIA 2021 においても展示を行い，一般ユーザを対象とした運用実験も行った．ここでは，200 名以上の体験者があった．電子ブロックは小さな子供向けのレゴデュプロを用いていることもあり，子供の興味を惹く様子も見られた．
両方の実験を通して，電子ブロックによって実際に電子回路を組むことができ，そのシミュレーションが視覚的な表現として提示されていることには，おおむね良好な反応が得られた．しかし，現状の電流や電圧の表現方法では，電流・電圧の細かな変化を感じることは難しく，概念の細かな部分の理解を促すことは難しいことがわかった．
また，
AR マーカで回路状態を認識していることで生じている不安定さや回路の更新までのラグは，ユーザ体験に大きな影響を与えていることがわかった．

図 16 SIGGRAPH ASIA 2021 でのデモ展示の様子

8.

まとめ

本研究で開発した MR 型電子ブロックが電子回路の目で見ることはできない電流や電圧の概念理解を促進させる効

参考文献
文部科学省. (2008). 中学校学習指導要領解説理科編.
本間翔志. & 定本嘉郎. (2010). 小学校の電流学習における粒子水流模型を用いた授業実践. 物理教育, 58(3), 143-146.
[3] 倉信充人, 栢野彰秀, & 塚田真也. (2015). 自作 「水流モデル」 による中学校理科 「電流」 単元の授業実践. 島根大学教育臨床総合研究, 14, 141-155.
[4] 国立教育政策研究所教育課程研究センター.(2005). 平成 15
年度小・中学校教育課程実施状況調査.
[5] 古屋光一. & 戸北凱惟. (2000). 電磁気学の概念形成を支援するための指導方略に関する実践的研究: 子どもの知識の豊富化と再構造化を通して. 科学教育研究, 24(4), 202-216.
[6] 古屋光一. & 戸北凱惟. (2001). 並列・直列回路における電流の流れ方の認識に関する実態調査: 誤概念としての交通流モデルが高学年ほど増加していくことについて. 科学教育研究, 25(2), 90-101.
[7] 定松澄. 梅田貴士. & 前原俊信. (2015, August). B9b-1 電気回路シミュレータと連動した電子ブロック教材の開発 (原著講演 (B9b), 大会テーマ 「物理教育で大学と小・中・高校教育をどうつなぐか」). In 物理教育学会年会物理教育研究大会
予稿集 32 (2015) (pp. 117-118). 日本物理教育学会.
[8] 大矢禎一. (2021). 未来へひろがるサイエンス 2.(啓林館)[9] 岡村定矩.(2012). 新しい科学.(東京書籍)[10] 熊谷明音. 沖真帆. & 塚田浩二. (2015). LEGOrics: 外観を保ちつつ電気的に拡張した LEGO ブロックの提案. インタラ
クション, 2015, 598-601.
[11] 渡邉竜, & 大島登志一. (2021). 電子ブロックと投影型 ARを用いた 「電流・電圧」 分野のインタラクティブ理科教
材の研究. エンタテインメントコンピューティングシンポジ
ウム論文集, 2021, 381-384.
[12] 牛田明夫. & 田中衞. (2002). 電子回路シミュレーション. (コロナ社)[13] 城所仁. (2014). パワーエレクトロニクスを対象としたリアルタイム・シミュレータに関する研究 (Doctoral dissertation, 崇城大学).
[14] Garrido-Jurado, S., Munoz-Salinas, R., Madrid-Cuevas, F. J., &Medina-Carnicer, R. (2016). Generation of fiducial marker
dictionaries using mixed integer linear programming. PatternRecognition, 51, 481-491.
[15] Romero-Ramirez, F. J., Muñoz-Salinas, R., & Medina-Carnicer, R.
(2018). Speeded up detection of squared fiducial markers. Imageand vision Computing, 76, 38-47.

[1]
[2]

果が一定程度あることが評価実験を通してみることができた． 一方で，インタフェースの使い勝手や視覚表現の部分© 2022 Information Processing Society of Japan399