ESP32の授業計画：初回授業の準備チェックリストと40分の流れ

ESP32の授業計画を立てるときは、初回の授業の目標を1つに絞りましょう。授業が終わるまでに、全グループが自分のESP32にコードを書き込み、LEDを1つ点灯させることです。Wi-Fi、センサー、スマホからの操作は次回以降の授業で扱います。40分で足りるかどうかは、授業中に何をするかよりも、授業の前に何をしておくかで決まります。USBシリアル変換チップのドライバはインストールされているか、Arduino IDEにESP32のボードパッケージは入っているか、机の上のケーブルは本当にデータを通すか。この3つが準備できていれば最初の書き込みは5分で終わります。準備できていなければ、授業の半分が「ポートが見えない」で過ぎてしまいます。

この記事では、明日の授業にそのまま持っていけるセットを紹介します。1週間前、前日、授業当日の朝にコピーして使えるチェックリスト、材料表、1分刻みの40分の流れ、そのままコンパイルできるスケッチ2本、ESP32がArduino Unoと違う5つの点、授業でよく起きる8つのトラブルの1分でできる対処法、そしてまとめの質問です。ここでは24人のクラスで、生徒を3人ずつ8グループに分けると仮定します。以下の数字はすべてこの前提で出しています。授業時間が45分や50分なら、増えた時間は予備として使えます。ESP32にまだなじみがなければ、先にESP32とは？を読んでおいてください。

初回授業の目標：なぜLED1つだけなのか？

ESP32の初回授業には2つの選択肢があります。Wi-Fiを使った見栄えのするプロジェクトを実演するか、全員が自分の手で小さなものを動かすかです。学べることがはるかに多いのは後者です。LEDを1つ点灯させるには、生徒は一連の流れを最初から最後まで一度たどる必要があります。コードを開き、ボードとポートを選び、コンパイルし、書き込み、回路を組み、結果を確かめ、値を1つ変えてもう一度書き込む。この流れが一度うまくいけば、次回以降の授業では新しい部品を足していくだけです。この流れができる前にWi-Fiへ進むと、ネットワークのパスワード、ドライバ、ケーブルの問題が重なり、どれがエラーの原因なのかを見分けることがほぼ不可能になります。そのため、この計画では初回授業でネットワークを使いません。まずボードの内蔵LED、次にブレッドボード上の外付けLED1つ、早く終わったグループには両方を交互に点滅させる課題を用意します。

授業前の準備チェックリスト

準備は3つの時期に分けます。リストはコピーして印刷しても、学校のICT担当者と共有してもかまいません。ドライバやソフトのインストールのように管理者権限が必要な作業は、多くの学校でICT担当者を通すことになります。1週間前にすること：

• ボードの数を数え、型番を確認します。この計画は30ピンのESP32 DevKit（ESP32-WROOM-32モジュール搭載）向けに書いています。38ピンのボードでもコードは同じで、ピンの並びだけが違います。
• ボードのUSBポートの横にある小さなチップの刻印を読みます。CP2102、CH340、CH9102のどれでしょうか？必要なドライバはこれで決まります。
• 授業で使うパソコンにArduino IDE 2をインストールしておきます。学校のパソコンは、たいていインストールに管理者権限が必要なので、ICT担当者と日程を合わせましょう。
• Arduino IDEのボードマネージャからesp32 by Espressif Systemsパッケージをインストールします。数百メガバイトのダウンロードになるので、学校のネットワークで授業中にダウンロードしようとすると40分では足りないかもしれません。
• USBシリアル変換チップのドライバをインストールし、ボードを1台つないで「ツール」>「ポート」に新しいポートが表示されることを確認します。
• ケーブルをテストします。1本ずつボードへの書き込みを試し、充電専用ケーブルを取り除き、データ通信用ケーブルに色付きテープで印を付けます。
• ESP32をブレッドボードに挿し、両側に空いた穴が残るか確認します。残らない場合は、各グループにブレッドボードを2枚配ります。
• 学校のネットワークの制限を調べます。ESP32は2.4 GHzのWi-Fiにしか接続できず、ユーザー名とパスワードを求める企業向けのネットワークは扱いが難しくなります。初回授業ではWi-Fiを使いませんが、次回以降の授業のためにこの情報が必要です。

前日には、すべてのパソコンを授業で使える状態にしておきます。授業中に初めて行うセットアップ作業を1つも残さないことが目的です。授業当日の朝にも10分ほど時間を取りましょう。2つのリストを1か所にまとめました。

• 前日：すべてのパソコンでテスト書き込みをします。ボードをつなぎ、ESP32 Dev Moduleとポートを選び、内蔵LEDのスケッチを書き込んで、LEDが点滅することを確認します。最初のコンパイルは1分以上かかることがあります。この試しの書き込みで、その後のコンパイルも速くなります。
• 前日：Windowsでは、ポート番号（COM3、COM5など）を書いたラベルをパソコンの横に貼っておきます。同じボードを同じUSBポートに挿せば、たいてい同じ番号になります。
• 前日：グループごとの箱を用意します。ボード、ケーブル、ブレッドボード、LED 2個、220 Ωの抵抗2本、ジャンパーワイヤー4本です。予備のセットは教卓に置いておきます。
• 前日：2本のスケッチをすべてのパソコンのデスクトップに保存しておきます。インターネットが遅くなっても、生徒はそこからコードを開けます。
• 前日：プロジェクターに映したBlueGraysでESP32の内蔵LEDを点滅プロジェクトが開くことを確認します。
• 当日の朝：パソコンを起動してArduino IDEを開き、ボードの設定がESP32 Dev Moduleのままになっていることを確認します。
• 当日の朝：ホワイトボードにボードの簡単な図を描きます。USBポート、BOOT、EN、GND、3V3、GPIO5（ボード上の表記はD5）です。
• 当日の朝：ホワイトボードの隅に1行書いておきます。「Connecting...で止まったらBOOTを押し続ける」。
• 当日の朝：箱の中のLEDと抵抗の数を最後にもう一度数え、ケーブルを箱の上に置いておきます。

ドライバ、ボードパッケージ、BOOT：知っておきたい詳細

Arduino IDEのボードマネージャには、ESP32のパッケージが2つ表示されることがあります。授業で使うボードに合うのはEspressifのesp32パッケージです。「Arduino ESP32 Boards」という名前のパッケージは、Arduino純正のNano ESP32用です。インストール後、「ツール」>「ボード」>「esp32」からESP32 Dev Moduleを選びます。パッケージが一覧に表示されない場合は、「基本設定」の「追加のボードマネージャのURL」にEspressifのパッケージのURLを追加する必要があります。手順はESP32とは？にあります。ESP32のスケッチはUnoよりコンパイルに時間がかかり、LEDの点滅でも最初のコンパイルに1分以上かかることがあります。このことを最初に生徒に伝えておきましょう。そうしないと、進行状況バーが止まって見える間に「書き込み」を何度も押してしまいます。インストールするドライバは、ボードのUSBシリアル変換チップで決まります。

BOOTボタンはESP32のGPIO0ピンにつながっています。書き込みが始まるとき、ボードは書き込みモードに入る必要があります。ほとんどのDevKitは、USBシリアル変換チップからの2つの信号を使ってこれを自動で行います。ボードとケーブルの組み合わせによっては、この自動切り替えがうまくいかないことがあります。出力欄の「Connecting...」の点が延々と続き、最後に「Failed to connect to ESP32」（ESP32に接続できない）というエラーになります。対処法は、「Connecting...」が表示されたらすぐにBOOTを押し続け、「Writing at」で始まる進行状況の行が流れ始めたら離すことです。ENボタンはボードを再起動します。書き込みは終わったのにコードが動いていないように見えるときは、ENを1回押せば十分です。同じボードで何度も問題が起きる場合は、「ツール」メニューのUpload Speedを921600から115200に下げるとたいてい改善します。macOSでは、ポート名はたいていcu.usbserialまたはcu.SLAB_USBtoUARTで始まります。

材料リスト：グループごとと24人のクラス全体

24人の生徒を3人ずつに分けると8グループになり、予備を1セット加えて9セットを用意します。2人組にする場合は12グループと予備で13セットが必要になり、パソコンの台数もそれに合わせて増えます。はんだ付けが必要な部品はありません。各グループにLEDと抵抗を2つずつ入れる理由は単純です。初回授業では、LEDを逆向きに挿したり足を折ったりすることがとてもよくあり、グループを待たせたくないからです。

40分の授業の流れ

この流れは、BlueGraysの無料プロジェクト2つをもとにしています。まずESP32の内蔵LEDを点滅（回路なし、ボードとケーブルだけ）、次にESP32でLEDを点滅（GPIO5、220 Ωの抵抗、LED）です。どちらのプロジェクトも、部品リスト、回路図、コード、ブロック、コードを理解が無料で公開されています。各グループで3つの役割を割り当て、段階ごとに交代させましょう。キーボードを操作する人、回路を組む人、スマホやプロジェクターで回路図とコードを読む人です。こうすれば、40分間ただ見ているだけの生徒はいなくなります。

コード：内蔵LEDと外付けLED

次の2本のスケッチは、アプリのプロジェクトと同じピンと時間を使っていて、Arduino IDEでESP32 Dev Moduleを選んだ状態ならそのままコンパイルできます。1本目はボード上のLEDを1秒ごとに点滅させます。ほとんどのESP32 DevKitボードでは、この青いLEDはGPIO2につながっています。Arduino Unoでは内蔵LEDは13番ピンでした。Unoを使ったことのある生徒は、癖で13と入力してしまうことがあるので、違いを早めに伝えておきましょう。

1// ESP32 Dahili LED Yakma / ESP32 built-in LED blink
2// Çoğu ESP32 DevKit kartında dahili LED GPIO2'dedir / On most ESP32 DevKit boards the built-in LED is on GPIO2
3int BUILTIN_LED_PIN = 2;   // Kartına göre değişebilir / May differ on your board
4
5void setup() {
6  pinMode(BUILTIN_LED_PIN, OUTPUT);   // Pini çıkış yap / Set the pin as output
7}
8
9void loop() {
10  digitalWrite(BUILTIN_LED_PIN, HIGH);   // LED'i yak / Turn the LED on
11  delay(1000);                           // 1 saniye bekle / Wait 1 second
12  digitalWrite(BUILTIN_LED_PIN, LOW);    // LED'i söndür / Turn the LED off
13  delay(1000);                           // 1 saniye bekle / Wait 1 second
14}
15

2本目のスケッチの回路は次のとおりです。GPIO5から220 Ωの抵抗の一端へ、抵抗のもう一端からLEDの長い足（アノード）へ、LEDの短い足（カソード）からGNDへつなぎます。ESP32のピンは3.3 Vを出力します。赤色LEDで約2 V下がり、残りの1.3 Vが220 Ωにかかると、約6 mAの電流が流れます。LEDがはっきり見えるには十分で、ピンにも負担をかけません。別の色のLEDを使う場合は、LED抵抗計算ツールで抵抗値を確認してください。ミニ課題では、早く終わったグループが2本のスケッチを組み合わせます。setup()で両方のピンを出力に設定し、loop()で片方をHIGHにしている間はもう片方をLOWにします。

1// ESP32 ile LED Yakma: harici LED / ESP32 external LED blink
2// Bağlantı: GPIO5 -> 220 Ω direnç -> LED uzun bacak (+), kısa bacak (-) -> GND
3// Wiring: GPIO5 -> 220 ohm resistor -> LED long leg (+), short leg (-) -> GND
4const int LED_PIN = 5;   // Harici LED pini (kartta D5) / External LED pin (D5 on the board)
5
6void setup() {
7  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);   // Pini çıkış yap / Set the pin as output
8}
9
10void loop() {
11  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);   // Pin 3,3 V verir, LED yanar / Pin outputs 3.3 V, LED on
12  delay(500);                    // Yarım saniye bekle / Wait half a second
13  digitalWrite(LED_PIN, LOW);    // Pin 0 V verir, LED söner / Pin outputs 0 V, LED off
14  delay(500);                    // Yarım saniye bekle / Wait half a second
15}
16

ESP32がArduino Unoと違う5つの点

生徒の中には、以前Arduino Unoを使ったことがある人もいるでしょう。コードは同じArduino言語で書き、setup()とloop()もいつもの場所にありますが、ハードウェアは異なり、初回授業で起きるエラーの多くはこの違いから生まれます。以下の5つの点は、ボードを知る段階で数分あれば説明できます。もっと詳しい比較はArduinoとESP32の違いは？を参照してください。

授業でよく起きる8つのトラブルと1分でできる対処法

まとめの質問と2回目の授業の予告

1. コードの数字5は、ボード上のどのピンを指していますか？そのピンの横に「D5」と書かれているのはなぜだと思いますか？
2. delay(1000)の代わりにdelay(200)と書いたとき、LEDはどう変わりましたか？LEDは今、1秒間に何回点滅していますか？
3. LEDを逆向きに挿したとき、なぜ点灯しなかったのでしょうか？LEDのどちらの足を抵抗側につなぎますか？
4. ESP32のピンは何ボルトを出力しますか？LEDやモジュールを5Vピンに直接つないではいけないのはなぜですか？

答えを見れば、2回目の授業でどの考え方を復習すべきかがわかります。2つ目の質問に2.5回と答えた生徒は、タイミングを理解しています。2回目の授業では、同じ回路にボタンを追加します。ESP32でボタンによるLED制御（押している間だけ点灯）プロジェクトでは、ボタンを押している間だけLEDが点灯し、ESP32でボタンによるLED制御（トグル）では、押すたびに状態が切り替わります。どちらも無料で、ブロックもあります。生徒は初めて入力を読み取り、ifで判断をします。3回目か4回目の授業ではWi-Fiに進めます。その授業のために、ESP32がWi-Fiにつながらないときのステータスコード表を手元に用意しておきましょう。BlueGraysのWi-Fiを使うESP32プロジェクトはプレミアム対象です。生徒をこれらのプロジェクトに進ませたい場合、一人ひとりが別々にサブスクリプションを契約する代わりに、教育者向けパッケージのコードを配る仕組みをクラス向けプレミアムコードで説明しています。

BlueGraysを授業でどう使う？

• プロジェクトを探す：「見つける」 › 「プロジェクト」で絞り込みを使い、プラットフォームをESP32に、料金区分を無料にします。LED、ボタン、信号機、光センサー、距離センサーなど、初回の授業に向いたESP32プロジェクトはすべてロックなしで使えます。
• 必要な部品と回路図：部品リストは個数付きで用意されています。回路図は拡大してプロジェクターに映すことも、ギャラリーに保存で保存して印刷することもできます。
• ソースコード：コピーでコードをクリップボードにコピーできます。生徒がスマホでプロジェクトを開いた場合は、リンクをコピーでパソコンでコードを開くためのリンクが得られるので、誰も手でコードを入力する必要はありません。
• コードを理解：まずこのコードの働きの要約、次にステップごとの解説、困ったときはのセクション、自分で試すの課題が続きます。ミニ課題を早く終えたグループにとって、そのまま使える次のステップになります。
• ブロックで表示：無料のESP32プロジェクトにはすべてブロック表示があります。スイッチをオンにすると、コードが同じプログラムのブロックに置き換わり、タブがブロック解説になります。ブロックは読むためのもので、アプリで編集したりボードに書き込んだりはできません。ボードに送られるのは常に実際のコードです。
• 一緒に作りましょう：部品の準備、回路の組み立て、コードの書き込み、動作とテストの順に進むガイドモードです。画面が点灯したままになるので、スマホを机に置いたままグループでステップを追えます。最後に作りましたでプロジェクトを完了にします。

初回の授業はLED1つだけに見えるかもしれませんが、その40分で生徒はコンパイル、書き込み、ピン番号、3.3 Vの上限、デバッグを一通り経験し、その後のESP32の授業はすべてこの土台の上に積み上がります。プロジェクトページの各セクションについてはプロジェクトページの使い方ガイドで詳しく説明しています。授業の前に2つのプロジェクトを一度自分で作っておきたい場合は、BlueGraysアプリでESP32の内蔵LEDを点滅を開いてください。回路図、コード、ブロック、コードを理解がすべてそろっているので、予行演習は10分もかかりません。