大分工業高等専門学校紀要

第 53 号(平成 28 年 11 月)

ものづくり体験講座のためのGPS時計製作教材の開発と新規公開講座実施報告永田玲央1・木村健一1・山本佳奈1・宮﨑健志1・佐藤未都1

1技術部

本校では，小中学校の夏休み期間を中心に様々な公開講座を実施している．その中で，筆者は「ものづくり体験講座」として，情報工学科教員と共同で「ラジオを作ろう」という公開講座を10年以上にわたって実施している．しかし，この「ラジオを作ろう」に必要なパーツが，年々入手困難になってきている．
そこで平成27年度から，筆者は新たな「ものづくり体験講座」を実施するための研究を行っており，本紀要でその成果を報告する．
平成28年度は，研究成果をもとに新規に2件の「ものづくり体験講座」を実施したので，この件についても報告する．

キーワード : Arduino，GPS，ものづくり，公開講座

１．はじめに
現在，筆者は，本校の公開講座として本校情報工学科 岡教授，丸木教授と共同で「ラジオを作ろう」という「ものづくり体験講座」を10年以上実施している．この講座では，理屈以前に「ものづくりの楽しさ」，「科学技術のすばらしさ」を体験することを目的としている．実際，自分で作ったラジオを試聴しているときの受講生は，充実した表情をしており，講座として十分な効果を上げているといえる．
しかし，近年ではラジオ製作のためのパーツが入手困難になってきており，この講座がいつまで実施できるかは不透明である．そこで，今後も「ものづくりの楽しさ」，「科学技術のすばらしさ」を体験できるような「ものづくり体験講座」を新たに開講することができないかと考えた．
以上の理由から，本研究では，以下の2点について考察・検討することを目的とした．
Ⅰ．GPS時計製作教材の開発
Ⅱ．Iの教材を用いて小中学生向け，一般向け公開講座の開講
GPSは，カーナビゲーションシステムや携帯電話など身の回りの機器に使用されており，非常に身近なものである．
このGPSを用いた時計の製作は，「ものづくりの楽しさ」「科学技術のすばらしさ」を体験するのに最適な教材であるといえる．GPS時計を制御するためのマイコンとして，Arduinoを利用した．
一方で，受講生が公開講座を受講するにあたり，その内容だけでなく受講料の額も受講するかどうかを決める重要な判断材料となる．そこで，特に小中学生向けの講座については，なるべく受講料を抑えるように教材の開発を行った．
以上の研究成果をもとに，今年度は新たな「ものづくり体験講座」を2件実施したので，これについても報告する．

２．GPS時計の製作(1) Arduino
Arduinoは，プロセッサや入出力ポート等が実装されたマイコンボードとその統合開発環境のことである 1)．統合開発環境は無償で提供されており，Arduinoで動作させるプログラムを作成したり，作成したプログラムをマイコンボードに書き込んだり，シリアル通信によってPCとの通信も可能である．Arduinoには，LCDやGPSモジュール用のライブラリ等が充実しており，初心者にも比較的容易にプログラミングが行える．
(2) GPS
本研究で開発する教材では，GPSを利用する．GPS衛星
は非常に安定した原子時計を搭載し，高精度の時刻信号を乗せた電波を送信している2)．本研究で使用するGPSモジ
ュールは，複数のGPSから受信した時刻信号を利用して時刻や位置情報等を計算し，NMEAフォーマットとして出力する．
(3) ブレッドボードでの試作
まず，Arduinoを用いたGPS時計の回路をブレッドボー
ド上で実現した．その後，GPSモジュールからNMEAフォーマットとして出力される情報を解析して日付・時刻情報を取り出し，LCD上に表示するプログラムを作成した．そのプログラムをArduinoに書き込んで実行している様子が図-1である．ここで製作したGPS時計の材料費は約8,000円である．このため，公開講座受講料は最低でも8,000円となるが，小中学生向けの公開講座の受講料としてはかなり高額である．そこで，小中学生向けの講座で使用するマイコンは，Arduinoの代わりにArduino互換機を製作して使用することとした．
Arduino互換機を用いたGPS時計をブレッドボード上で実現し，動作確認を行っている様子を図 -2に示す．
Arduino互換機は，GPS時計を動作させるのに必要最低限の機能しか有していない．互換機には，ライタが付属していないので，プログラムを一度書き込むと受講生がプログラムを変更することはできない．しかし，材料費は約4,000円とすることができた．
(4) 基板を用いた製作
次に，ユニバーサル基板，パーツを用いてはんだづけによるGPS時計の製作を行った．図-3に小中学生向け公開講座で製作する基板を，図-4に一般向け公開講座で製作する― 57―

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図-1

図-2

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Arduino を用いた GPS 時計

図-4 一般向け公開講座で製作する基板（上：表面 下：裏面）

Arduino 互換機を用いた GPS 時計

基板を示す．どちらの基板もLCD周辺（図中赤丸部分）に配線が集中しており，はんだづけに慣れていない人にとって難易度が高い．
また，小中学生向けの基板では，マイコンもはんだづけするため，より難易度を高めている．
(5) 基板加工機を用いた基板製作
ユニバーサル基板を用いてGPS時計の製作を行う場合，はんだづけだけでなく配線にも気を配る必要がある．これが，難易度を高めている原因の1つだと考えた．そこで，基板加工機を用いて，GPS時計の回路基板を製作することとした．図-5に小中学生向け公開講座の回路基板を，図-6に一般向け公開講座の回路基板を示す．このように，回路基板を製作することで，受講生は配線を気にすることなくはんだづけに集中することができる．さらに，製作の難易度も下がると考えた．
(6) 製作時間の比較
実際に，筆者が2-(4)節の基板と2-(5)節の基板を用いてGPS時計の製作を行い，その製作時間を計った．その結果を表-1に示す．表-1を見ると，基板加工機によって基板を加工したことによって，製作時間が大幅に減尐していることがわかる．

図-3 小中学生向け公開講座で製作する基板（上：表面 下：裏面）

表-1 製作時間の比較（分）2-(4)節の基板
2-(5)節の基板
10060
小中学生向け基板
9040
一般向け基板― 58―

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III. 現在地の位置情報を表示する（図-9）
機能Iでは，GPS信号から日付と時刻を求めた後，ツェラーの公式を用いて曜日を求めるようにした．
日本標準時は，協定世界時を9時間進めた時刻（東経135度分の時差）と定められている 3)．現在地の時刻が必ずしも日本標準時と一致するとは限らない．そこで，機能IIとして，位置情報から現在地の時刻を求め，日本標準時とともにLCDに表示するようにした．
機能IIIでは，現在地の位置情報として緯度・経度を表示させるようにした．3つの機能は，図-7の赤丸で示したタクトスイッチを押すたびに切り替わる．

３．結果
図-5 小中学生向け公開講座の回路基板（裏）図-7

本研究において，GPS時計の製作を行ったところ，Arduinoを用いた場合，Arduino互換機を用いた場合のどちらも製作することができた．実際の製作では，基板加工機を用いて回路基板を製作したことで，GPS時計製作の時間を短縮することができた．また，配線を気にする必要がなくなったため，より容易に製作することが可能となった．
GPS時計の機能としては，ただ日付と時刻を表示するだけでなく，曜日を表示させることで，より実用的なものとした．さらに，「現在地の時刻の表示」，「位置情報の表示」の2つの機能を搭載した．
受講料については，一般向け公開講座は8,000円ほどで実施可能である．一方，小中学生向け公開講座の受講料は，Arduino互換機を用いることで，約4,000円で実施可能である．決して安価というわけではないが，それでも一般向け公開講座の受講料よりも低く抑えることができた．
実際の公開講座での製作時間は，ハードウエア製作に約2 時間，ソフトウエア作成に 4 時間程度を見積もっている．
一般向けの公開講座では，この時間配分で 1〜2 日ほどの日程で行いたいと考えている．
一方で，小中学生向けの公開講座において，内容的・時間的にソフトウエア作成を行うことは困難である．そこで，小中学生向けの公開講座では，あらかじめソフトウエアをArduino 互換機に書き込んでおき，ハードウエア製作のみを行うこととした．そうすることで，受講生の拘束時間を短くでき，公開講座も 1 日あれば十分に実施できる．
次章以降では，新規に実施した2件の公開講座について報告する．

GPS 時計：機能 I

図-6 一般向け公開講座の回路基板（裏）

図-8

図-9

GPS 時計：機能 II

４．公開講座の実施

GPS 時計：機能 III(7) GPS時計の機能本研究で公開講座向けに製作したGPS時計には，以下の3つの機能をもたせた．
I.
日付・曜日・時刻を表示する（図-7）II.
日本標準時と現在地の時刻を表示する（図-8）

今年度は，前章までの研究成果をもとに，新規 に 「 GPS時計を作ろう」，「 大人のためのものづくり講座」という 2件の公開講座を実施し

― 59―

図-11

GPS 電波を受信中

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た．
(1) GPS時計を作ろうa) 日程「GPS 時計を作ろう」は，下記の要領で実施した．本講座の詳細な日程を表-2 に示す．
日時：8 月 23 日（火）9:30～15:00
場所：本校電気工作室
定員：15 名対象：小中学生
受講料：4,100 円（保険料込）
担当講師：技術職員 5 名
表-2
9:30～10:00
イ ントロ ダクション
パーツの確認「GPS 時計を作ろう」日程詳細
10:00～14:00
14:00～15:00
GPS 時計の製作（はんだ 動作確認等づけ）
12:00～13:00 は昼休憩b) 実施概要
本講座は，募集定員を 15 名として募集を行った．受講料は，一般向けの講座に比べて抑えることができた．しかし，それでも本校が実施する他の講座に比べてやや高額だ
った．そのため，受講生数が定員の半分程度になれば十分だと考えていた．しかし，予想に反して 15 名の応募があり，最終的に受講生数 14 名で講座を実施することができた．
本講座では，ソフトウエア作成の省略，基板加工機による回路基板の製作を行うことで，講座としての難易度を下げた．その効果もあって，終了予定時刻よりも 60 分ほど早く終了することができた．特に，回路基板を製作したことで，受講生のはんだづけのミスを見つけやすく，指導やフォローをスムーズに行うことができた．図-10 に実際の講座風景を示す．このように，受講生を 4 人 1 テーブルとし，4 テーブルを用意した．そして，担当講師が周回しながら，必要に応じて受講生への指導を行った．

図-10 講座風景

GPS 時計が完成すると，受講生は図-11 に示すように自分で製作した GPS 時計を屋外に持ち出して，GPS 電波の受信を行った．電波が受信できて日付等が表示されたり，位置情報が表示されたりすると，受講生のからは歓声が上がった．
c) アンケート結果（抜粋）
本講座終了後，受講生に対して講座に関するアンケートを行った．その中で，満足度に関するアンケートの結果を図-12 に示す．このグラフをみると，約 90％の受講生が本講座に満足していることがわかる．この結果から，本講座
は「ものづくりの楽しさ」，「科学技術のすばらしさ」を体験する講座として十分な成果を上げているといえる．
この項目以外にも複数の項目があるが，その中で「来年も大分高専の公開講座に参加したいと思いますか？」，「大分高専への興味が増しましたか？」という項目がある．これらの項目についても，約 90％の受講生が「参加したい」，「興味が増した」と回答していた．この結果から，本講座が「ものづくりの楽しさを体験する講座」としてだけでなく，本校への興味をもつきっかけとなっていることがわかった．

図-12 本講座の満足度(2) 大 人 のためのものづくり講座a) 日程「大人のためのものづくり講座」は，下記の要領で実施した．
本講座の詳細な日程を表-3 に示す．
日時：9 月 5
図-13 講座風景（基板製作）
日（月）〜9月 7 日（水）18:00～20:00
場所：ホルトホール大分 サテライトキャンパス
定員：15 名
対象：一般受講料：無料
担当講師：技術職員 5 名― 60―

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表-3 「大人のためのものづくり講座」日程詳細
9月5日（月）9月6日（火）
9月7日（水）
18:00～20:00
18:00～20:00
18:00～20:00
Arduino や GPS Arduino IDE の プ ロ グ ラ ム 作 成の簡単な説明
説明および動作確認
基板製作（パーツ プ ロ グ ラ ム 作 成の確認，はんだづ （時刻情報取得，LCD表示等）
け）
b) 実施概要
本講座は，大分県委託事業の1つである「おおいたプロモーションプログラム2016」という支援事業の一環として実施した．
「おおいたプロモーションプログラム2016」とは，大分の「まち」及び「職場」の認知度と特色を強め，それらが持続的に発展する環境をつくる人づくりに関する講座を提供する事業である．この事業では，仕事帰りや休祝日のティータイムに手軽に参加でき，楽しみながら地元と暮らしに関する知識を増やす講座を必要としている．
そこで，本講座では，仕事帰りにものづくりを楽しみながら，いつもとは違う視点で大分を再認識することを目的とした．
本講座は，前述の事業より予算を獲得して実施することができたため，本来8,000円ほどの受講料を無料とすることができた．一方で，尐なくとも本講座の初回は，ホルトホール大分で実施しなければならなかったため，今回は3回ともホルトホール大分で実施することとした．
本講座は，無料ではあるが，前述のとおり開催場所がホルトホール大分であるため，大分駅周辺に職場や住居がない人には参加は難しいと予想でき，受講生数はあまり期待できないと考えていた．最終的に，定員は15名に対し，実際の受講生数は8名であった．
本講座は，3日間コースとして実施した．時間帯は，一般の方が尐しでも仕事帰りに受講しやすいように夕方から夜間とした．
まず，初日はArduinoやGPSの説明や活用事例を簡単に紹介し，その後基板製作を行った（図-13）．本講座の基板も基板加工機で製作していたので，受講生は，特に大きな問題もなく製作を行っており，予定していた時間内に終了することができた．
図-14は，2日目のプログラム作成の様子である．2日目
は，プログラム作成に必要な環境について説明してから作成に入った．まずは，テキストにあるサンプルプログラムを作成して動作確認をした．次にサンプルプログラムと穴埋め式にしたプログラムを編集することでプログラムの作成を行った．しかし，タイピングに慣れていない受講生もいたため，思った以上に時間がかかってしまい，予定していた時間内には終了できなかった．
3日目は，プログラム入力の効率を上げるために，あらかじめ穴埋め部分以外が入力済みのファイルを受講生に配布した．3つの機能を搭載したプログラムを作成することができなかった受講生もいた．そこで，全受講生に3つの機能を搭載したプログラムファイルを配布して，簡単な説明をして講座を終了した．
c) アンケート結果
本講座でも，講座終了後にアンケートを行った．図-15に満足度に関するアンケート結果を示す．このグラフをみると，全受講生が本講座に満足していることがわかる．この結果から，本講座も「ものづくりの楽しさ」，「科学技術のすばらしさ」を体験する講座として十分な成果を上げているといえる．

図-14 講座風景（プログラム作成）
このアンケートにも，「来年も大分高専の公開講座に参加したいと思いますか？」，「大分高専への興味が増しましたか？」という項目がある．この項目についても，全受講生が「参加したい」，「興味が増した」と回答していた．
本講座は，今年度は無料で実施することができたが，来年度以降は有料（8,000円程度）となる可能性が高い．この点についてもアンケートを行った．アンケート項目は，「来年から8,000円になるが，この金額について」，「今回の講座は8,000円の価値があるか」の2項目である．アンケートの

図-15 本講座の満足度
結果，50％の受講生が「高い」と回答していた．一方で，全受講生が「8,000円の価値がある」と回答していた．

４．おわりに
本研究では，平成 27 年度から，主に「GPS 時計製作教材の開発」，「教材を用いた，小中学生向け，一般向け公開講座の開講」の 2 点について考察・検討を行った．その結果，比較的容易に製作可能な教材を開発することができた．
特に，小中学生向けの公開講座は，プログラム開発の省略，― 61―

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Arduino 互換機の利用によって，受講料と難易度を下げることができた．
この結果をもとに，今年度は新たな「ものづくり体験講座」として，「GPS 時計を作ろう」，「大人のためのものづくり講座」という 2 件の公開講座を実施した．
「GPS時計を作ろう」では，定員と同じ15名の申し込みがあり，最終的に14名が受講した．受講生は，非常に楽しそうに製作を行っていた．完成したGPS時計が電波を受信すると，受講生は満足そうな笑顔を浮かべていた．アンケート結果からも，受講生が高い満足度を得られていることがわかった．さらに，本講座をとおして本校にも興味を持ってもらえたこともわかった．
今後は，この受講生数，満足度をキープするために，新バージョンのGPS時計を考案して，小中学生に魅力ある公開講座を提供できればと考えている．
「大人のためのものづくり講座」では，定員15名に対して8名の受講生数となった． 3日間の日程だった本講座は，1日目のGPS時計回路製作は非常にスムーズに進行でき，予定時間内に終わることができた．しかし，2日目以降のプログラム作成では，講師側の認識不足や準備不足で，決してスムーズな進行とはいえなかった．しかし，アンケー
トでは，受講生が100％の満足度を得ていることがわかった．
来年度以降，「大人のためのものづくり講座」は有料となる．アンケート結果によると，本講座は，8,000円の価値はあるが，8,000円の受講料自体は高く感じるということがわかった．そのため，今後は来年度以降の受講料について下げることができるのか，または別予算を獲得するのか等，検討する必要がある．
今回，「大人のためのものづくり講座」について，ホームページや新聞による広報を行ったが，申込数は多くなかった．今後は，SNS等の使用も視野に入れて広報を行なうべきではないかと考えている．
「大人のためのものづくり講座」の進行をスムーズにするためにも，資料やプログラムファイルの準備，講座の時間を増やす等の対策を考える必要がある．

謝辞：本研究は，JSPS科研費 15H00202の助成を受けたものです．また，講座の準備や実施において，設備を使用させてくださった電気電子工学科に感謝いたします．
参考文献
1) 高本孝頼（2014）『みんなのArduino入門』リックテレコム．
2) 佐田達典（2008）『GPS測量技術』オーム社．
3) 国立研究開発法人情報通信研究機構日本標準時グルー
プ，<http://jjy.nict.go.jp/index.html>（2016-09-21参照）― 62―(2016.9.30受付)