（２０１８年度）ちゅうでん教育振興助成
高等専門学校の部（２０１９年度助成）
報告書資料

学校名

活動・研究のテーマ

Ｎｏ ‐ ０６

鈴鹿工業高等専門学校
多様な学生を対象とした STEM 教育のための柔軟性と芸術性を備えたロボット/IoT 試作ツールの実践的研究〈活動・研究の意義および活動報告〉
次世代基盤技術としてロボットや人工知能、IoT が注目され研究開発が活発になされており、この分野で活躍できる優秀な人材の育成が求められている。このため従来の工学教育では Science 自然科学、Technology 技術、Engineering 工学、Mathematics 数学を別々の科目と捉えていたが、今後はこれらの知識や技術を組み合わせた教育（STEM 教育）が必要とされている。STEM 教育を実践するためには誰でも簡単にアクセスでき知識を統合し実験できるツールが必要となる。そこで本研究ではメーカー独自規格に縛られず柔軟に任意の電子素子や駆動機構（モータなど）を組み込み実験が可能であり特別な設備を必要としない電子機械(ロボットや IoT など)試作ツールの開発を行う。また STEM 教育を高専 1 年生(16 歳)から導入し専攻科 2 年生(22 歳)まで展開できるようにユーザーのレベルに合わせて試作ツールの自由度を調整できる機構を開発し、特にセンスのあるユーザーは自発的に発展的な応用学習が可能な教材とする。さらに本研究では工学教育で軽視されてきた芸術性を導入し、学生の深層意識のレベルでの学習効果促進とプロダクトデザインのセンス向上を試みる。
1．柔軟性のある電子機械試作ツールの開発
従来より電子回路の試作ではブレッドボードが共通のツールとして利用されてきた。ブレッドボードの表面には多数の穴が開いておりそこへ電子部品のリード線を差し込むことで任意の回路試作が簡単に可能である。
しかしモータやギアなどの機械要素と接続してロボット等の一つの動作をさせるにはブレッドボードのみでは困難であった。そこで本研究では電子部品と機械要素をメーカー独自の規格に依存せずに簡単に自由に組み合わせ可能な試作ツールを開発した。機械要素の接続は独自にブロックを加工しネジや結束バンドによりブロックに固定する方式を採用した。また
図１．開発した試作ツール
ブレッドボードに製作した電子回路も同様に固定して機械要素と電子回路の接続を行った。結合させた各要素は簡単に取り外しができ再度利用できるようにした。以上の設計思想により再作した試作ツールを図１に示す。ブロックとモータなどの機械要素やブレッドボードなどの電気要素を接続するために独自にアクリル板によるスペーサを設計製作した。
高専には本科 1 年生から専攻科 2 年生までの学生が在籍しており、ものづくりに必要な電子回路や機械要素の知識に大きな差がある。そこで電子機械試作ツールの試作自由度を制限でき、必要に応じて簡単に解除できる機能を検討した。特にブレッドボート上に電子回路を組み立てる際に、高専１年生だと配線が複雑のために組立が困難である。そこで低学年向けには電子回路配線の８割程度を組み立てておき、学生が実習で組み立てる部位をブレッドボード表面穴にマジックでマークしておき実習箇所を明確化した。一方、高学年の学生に対しては部品の全くないブレッドボードを用いて実習することで、回路製作の自由度を確保した。
図２．実習で使用した配色理論教材
以上が試作ツールの自由度制限の一例であるが、モータ駆動回路の全体をパッケージ化して２配線程度で組み立て可能な状態にすれば、小学生等へも応用可能であると考えれらる。
２．工学教育への芸術性の導入方法の検討
プロダクトデザインには機能的な形状だけでなく美しい配色の芸術的センスも必要である。そこで本研究では多様な配色が可能な電子機械試作ツールを開発し試作品の配色を考慮して美しく見える規則性（配色理論）の教育を試みた。まずはカラフルなブロックを用いた試作ツールを用いて、学生へはあらかじめ簡単な配色理論を教えて試作実習を行った。図２に実習で用いた配色理論の教材を示した。

３．柔軟な試作ツールの教育効果の検証
今回開発した試作ツールを鈴鹿高専電気電子工学科３年生の電子回路設計の授業で用いて教育効果の検証を行った。そのために２５セットの試作ツールを本予算により準備した。４０人のクラスで２人で１グループを作り、計２０グループで実習を進めた。また、中学生などへも実施する計画を立てて準備を進めていたが、新型コロナウィルスのために実施できなかった。（来年度実施する予定である。）授業ではマイコンを用いた自動走行ロボットの製作を目標に行った。そのために授業の初めにマイコンの使い方、モータドライバーや赤外線センサの原理、色彩理論などを教えた。その後、実際に LED と可変抵抗器を用いた回路を製作してマイコンの基本的な使い方を学生へ実習させた。
以上の準備をした後に自動走行ロボットの試作を学生へ行わせた：課題１「壁の１０ｃｍ手前で停止する」、課題２「壁の２０ｃｍ手前で右折し３０ｃｍ進んで停止する」。これらの課題を達成するためには、距離センサ（赤外線センサ）からの距離情報（電圧）に対して、停止する命令を出すために閾値電圧をまず距離センサのデータシートより読み取り、さらに実験により最適化する必要がある。
このような実習は通常のブレッドボードのみを用いた自習ではできなかった。本
試作ツールにより効率的に電子回路も含んだロボットの製作ができ、動作パラメータの最適化の経験も可能となった。
図３に自習中の様子を示した。普段の実験自習と異なりカラフルなブロック
図３．試作ツールを用いたを用いているためか、学生はとても楽しそうに取り組んでいた。図４に学生が製授業の様子作したロボットの一例を示した。どれも学生の創意工夫を感じるロボットであった。ロボットの車輪は、２輪のギアボックス（図１参照）と１輪のボールキャスタの全３輪ある。そのために安定に走行させるためには２輪ギアボックスが前方でないといけない。実習の途中で学生が製作しているロボットを確認すると、ギアボックスを前方に設置したロボットは４台、後方設置は１６台であった。このために、学生へは実習中にギアボックスを前方に設置するように指導した。この経験を通して、機能性を考慮したプロダクトデザインの考え方も指導することができた。このような教育が可能なのは本試作ツールの特徴の一つである。また、学生が製作するロボットの多くは図４に示したように「目」のブロックを用いていた。１６台のロボットが「目」のブロックを用いて顔を表現していた。このよ
うなデザイン上の工夫が可能であるから学生がやる気をもって本自習に取り組めたかもしれない。つまり、工学教育実験において生き物（テーマ）を持てる要素が組込まれていると、教育効果が上がるのではないかと推論できるかもしれない。
授業の最後に実習に対するアンケートを行った（表１）。５段階評価でおおむね４以上であったので、教育効果を十分に確認することができた。
「電子回路の実習で学生がデザインを工夫する余地がある点」に関する質問に対しては８０％の学生が４以上の評価をしていた。これまでの学生実験では決められた回路を製作して特性を評価するものが多く、このような工夫の余地を実習で残すことが学習意
図４．学生を製作した欲向上につながるかもしれない。
ロボットの一例
表１．高専３年生を対象とした柔軟な試作ツールを用いた実習の授業後のアンケート集計

４．まとめ
本研究では柔軟な電子機械試作ツールを開発し高専生への授業で教育効果を検証した。ツールに自由度を持たせることで学生の能力に合わせたロボット等の試作製作が可能となった。これにより電子回路設計などの知識が無くても早い時期より試作実験が可能となり簡単に STEM 教育を導入できる。
また、本試作ツールの要素パッケージ化を強く行うことで幼児教育から初等/中等/高等教育の全世代で使える共通の電子機械試作ツールを提案できると考える。本試作ツールを全世代で自由な発想でロボットや IoT デバイスを開発できる次世代教育基盤へ発展させていきたい。