学校にArduinoラボをつくる：キットのリスト、レイアウト、予算計画

学校のArduinoラボをつくるときは、購入リストを3つの層に分けましょう。グループキット（各テーブルに置くボード、ブレッドボード、ジャンパーワイヤー、基本的な部品）、共用備品（テスター、工具、予備部品ボックス、希望すればはんだ付けステーション）、インフラ（パソコン、USB接続、コンセント、テーブル、鍵のかかる収納）です。たとえば24人のクラス用につくる場合、3人ずつの8グループ、各グループにArduino Unoのキットを1つ、ラボ全体でESP32を4台とRaspberry Pi Picoを4台、予備のUnoを2台、テスターを5台、パソコンを8台そろえれば、しっかりしたスタートになります。予算はまず1つ目の層に使い、2年目にセンサーやモジュールのボックスで拡張します。ラボの1年目は購入の年で、2年目以降は運用の年です。だからこそ、番号付きのボックス、色分け、学期ごとの在庫点検は、部品そのものと同じくらい重要です。

この記事では、ラボの立ち上げと長期的な運用について説明します。生徒1人分の最初の購入リストはArduinoスターターキットの記事で、グループの役割、ヘルプの順番待ち、授業の始めのボックスの配り方は大人数のクラスでArduinoを教えるの記事で紹介しました。ここでは順に、キットの表、共用備品、テーブルとパソコンの配置、価格欄が空欄の予算テンプレート、2年目の拡張ボックス、棚の配置、消耗品の見積もり、安全のルール、年間カレンダー、資金集めのための書類一式を紹介します。価格は国や月によって変わるので載せていません。その代わりにすべての品目を数量付きで示すので、価格はご自身の仕入れ先の価格を記入してください。

3つの層：グループキット、共用備品、インフラ

ラボを層に分けると、3つの点で役に立ちます。1つ目は優先順位です。予算が限られている場合は、生徒が手で触れるものがすべて入っているグループキットを最初に買います。テスターや工具は少ない数から始められますし、インフラの大部分はすでに学校にあります。2つ目は責任です。グループキットはそのグループのボックスで、授業の終わりにグループが点検します。共用備品は先生が管理して貸し出し、インフラは学校の備品です。3つ目は寿命です。ボード、ブレッドボード、テスターは何年も使えますが、LED、抵抗、ジャンパーワイヤーは毎年補充が必要な消耗品です。予算テンプレートでは、この区別を「一回限り」と「毎年」の2つの種類で管理します。

8グループ、生徒24人：基本キットの表

この表は、生徒24人、3人ずつの8グループ、週1〜2回の授業を想定しています。合計の列は、8グループに必要な数に約20〜25%の予備を加えて切りのよい数にしたものです。ボードやブレッドボードのような丈夫な部品は予備を少なく、LEDやワイヤーのようになくしやすい部品は多めにしています。部品は適当に選んだわけではありません。リストにあるセンサーや出力部品のほとんどは、BlueGraysで回路図とコード付きで無料公開されているプロジェクトの少なくとも1つに対応しているので、追加で何も買わなくてもラボの最初の学期の授業が埋まります。グループの数が違う場合は、1グループあたりの列にグループ数を掛け、同じ割合の予備を加えてください。

ボードの組み合わせの大半をArduino Unoにする理由はシンプルです。5 Vで動作し、初心者向けのセンサーのほとんどを直接つなげられ、USB-Bソケットは頻繁な抜き差しにも耐え、教材の多くがこのボード向けに書かれているからです。BlueGraysにある200以上のプロジェクトのうち、約110がArduino、50がESP32、30がRaspberry Pi Pico向けです。ESP32はWi-FiやBluetoothが必要なIoT（モノのインターネット）の単元のために、PicoはMicroPythonでテキストベースのプログラミングに移るために購入します。この2つのボードはふつう年度の後半から使い始めるので、1年目はそれぞれ4台ずつで十分です。その単元では4グループがESP32かPicoで作業し、残りの4グループはUnoのプロジェクトを続け、翌週に入れ替わります。ボードの違いはArduinoとESP32の違いは？で比べられます。最初の授業はESP32の初回授業の計画とPicoとMicroPythonの授業計画にあります。

共用備品：テーブルではなく棚に置くもの

このリストで、はんだ付けステーションをあえて任意にしているのには理由があります。ブレッドボードとジャンパーワイヤーで組むプロジェクトには、はんだ付けが必要ありません。そのため、ラボの1年目ははんだ付けなしで過ごせます。はんだ付けが最初に必要になるのは、たいていピンヘッダーなしで売られているモジュールとPicoです。Picoをピンヘッダーはんだ付け済みで購入すれば、1年目はその必要がなくなります。常設の回路、展示、クラブ活動が始まったら、温度調節機能付きのステーション2台、換気、先生の監督のもとで、はんだ付けコーナーを設けます。詳しくははんだ付けのやり方のガイドにあります。一方、テスターは初日から必要です。断線したジャンパーワイヤー、切れた電池、違う列に差し込まれた足を見つけるいちばん早い方法だからです。最初の数週間は、生徒には導通（ブザー）テストと正しい電圧の測り方だけを教え、電流の測定はあとに回しましょう。やり方はテスターの使い方で説明しています。

インフラ：テーブル、電源、パソコン、収納

• テーブルの配置：グループ用のテーブルを8台用意し、各テーブルに椅子3脚とパソコン1台を置きます。テーブルは壁沿いにU字型に並べるか、2台ずつの島にします。先生の机はプロジェクターの横に置き、テーブルの間には楽に動き回れるよう少なくとも1メートルの通路を空けます。各テーブルの角には、ボックスと同じ番号を貼ります。
• 電源：テーブルごとに、スイッチ付きでアース付きの電源タップが1つあれば十分です。ケーブルは床を横切らせず、テーブルの裏かケーブルダクトに通し、電源タップどうしをつないでタコ足配線にしないでください。授業の終わりに電源タップのスイッチを切ることを、ラボを閉めるときの決まった手順に入れましょう。
• パソコン：グループ用に8台と先生用に1台です。Arduino IDEとThonnyのデスクトップ版はWindows、macOS、Linuxで動作します。ブラウザしか動かない端末は、この構成には向いていません。古くても安定して動くパソコンなら、この用途には十分です。
• USB接続：パソコンのポートが背面にある場合は、テーブルに固定した短いUSB延長ケーブルを使うと、ボードが宙ぶらりんになりません。ポートが足りない場合は、専用のACアダプターが付いたUSBハブ（セルフパワーのハブ）を使います。セルフパワーでないハブでは、サーボのように電流を多く使う部品をつないだときにボードがリセットされることがあります。
• 収納：鍵のかかる棚または棚のシステムを用意し、グループのボックス、テーマボックス、予備の在庫で段を分けます。電池とはんだごては、棚の中にある別の鍵付きの金属製の箱か仕切りに入れます。
• 表示：プロジェクターまたは電子黒板を使います。先生のパソコンではArduino IDEの文字サイズを大きくしましょう。後ろの列のグループがコードを読めるようにするほうが、黒板にコードを書き直すよりも時間がかかりません。

パソコンとソフトウェアの準備

1. すべてのパソコンにArduino IDEをインストールし、初回起動時にダウンロードされる追加のコンポーネントが終わるまで待ちます。手順はArduino IDEのインストール方法の記事にあります。
2. 互換ボードのUSBチップ（たいていはCH340）のドライバをインストールします。Windowsでは、この手順に管理者権限が必要です。ポートが表示されない場合は、Arduinoに書き込めないときの記事のチェックリストに沿って確認してください。
3. ボードマネージャからESP32のボードパッケージをインストールします（ESP32とは？で説明しています）。パッケージのサイズが大きいので、学校のネットワークが空いている授業の前にダウンロードしておきます。
4. Pico用にThonnyをインストールし、各PicoにMicroPythonのファームウェアを一度書き込みます（Raspberry Pi Picoとは？）。学期の始めにこれを済ませておけば、授業ではコードを書くだけになります。
5. その年のプロジェクトで使うライブラリ（たとえばDHTやI2C LCDのライブラリ）を前もってインストールします。ServoライブラリはArduino IDEに最初から入っています。
6. 各パソコンで、そのテーブルのボードに「Blink」のスケッチ例を書き込み、動作したらパソコンにテーブル番号を貼ります。
7. すべての手順を1ページの準備チェックリストにまとめます。パソコンが初期化されたときや大きなアップデートがあったときは、チェックリストを最初からもう一度実行します。

学校のネットワークとパソコンの制限は、学期が始まる前に解決しておきましょう。ほとんどの学校では、ソフトウェアやドライバをインストールする権限はICT担当者が持っています。少なくとも2週間前に準備チェックリストを送り、どのパソコンをどのユーザーアカウントで使うかを一緒に決めてください。USBストレージを禁止している学校もあります。MicroPythonのファームウェアを書き込む間、PicoはパソコンでUSBメモリのように見えるので、制限がある場合はこの手順をICT担当者と一緒に行ってください。ESP32のプロジェクトには別の問題もあります。無印ESP32は2.4 GHzのWi-Fiにしか接続できず、サンプルコードの多くはパスワードで保護されたシンプルなネットワークを想定しています。ユーザー名とパスワードでログインする企業向けのネットワークや、ブラウザでログインページが開くゲストネットワーク（キャプティブポータル）では、これらのサンプルはそのままでは動きません。ICT担当者の承認を得て、ラボ専用で授業中だけ電源を入れるシンプルな2.4 GHzのアクセスポイントを設置すれば、この問題は根本的に解決します。

予算テンプレート：価格はご自身の仕入れ先で記入

下の表は見積もりではなく、記入して使うテンプレートです。数量の列は上の表から取っています。単価と合計の列は、地元の仕入れ先からの見積もりをもとに記入してください。品目ごとに少なくとも2社から見積もりを取り、どれを選んだか、その理由は何かをメモしておきます。寄付や助成金に申し込むとき、このメモが申請書のいちばんの強みになります。一回限りの品目と毎年の品目は分けて合計します。1年目には両方の合計が必要で、2年目以降はほとんどが毎年の品目だけになります。最後に10〜15%の予備費を加えます。送料、壊れたボード、学期の途中での値上がりなどは、ここでまかないます。ボードは1つのモデルに、できれば仕入れ先も1社に絞っておくと、ドライバや予備部品の管理が何年にもわたってずっと楽になります。

2年目：センサーとモジュールの拡張ボックス

基本のキットが定着したら、グループのボックスそれぞれに新しいモジュールを加えるのではなく、テーマボックスをつくりましょう。テーマボックスには1つのテーマのモジュールを2〜8個ずつ入れ、プロジェクトに合わせて貸し出します。その週にディスプレイのプロジェクトをするグループは「ディスプレイ」ボックスから取り出し、授業の終わりにすべて戻します。こうすれば、あまり使わないモジュールを8個も買う必要がなく、グループのボックスも初日と同じくらいシンプルなままです。テーマボックスの内容物カードには、モジュール名の横にどのグループが何を持ち出したかを書く貸し出し表を付けておきます。どのモジュールを買うかを決めるときは、後で説明するBlueGraysの「マイ工房」のリストが役に立ちます。グループのボックス1つ分の中身を登録すると、どの不足部品を加えればいくつのプロジェクトが作れるようになるかがわかります。

棚とボックスのしくみ：番号、内容物カード、色分け

ラボにある持ち運べるものには、すべて名前と置き場所を決めましょう。グループのボックスはG1〜G8、ESP32のボックスはE1〜E4、PicoのボックスはP1〜P4、テーマボックスは名前で、予備ボックスはSと番号を付けます。各ボックスに入っているボード、USBケーブル、ブレッドボードにも同じ番号を付けます。棚には重さと使う頻度に合わせて入れていきます。グループのボックスは目の高さに左からG1〜G8の順に、テーマボックスはその上の段に、重い予備の在庫はいちばん下に、電池とはんだごては鍵のかかる別の仕切りに入れます。工具は壁の有孔ボードに掛け、1つずつ周りをマーカーでなぞっておきます。授業の終わりに空いている輪郭があれば、数えなくても足りない工具がわかります。各ボックスのふたの内側には、ラミネートした内容物カードを貼ります。部品名、数量、色、小さなイラストを載せ、さらに最後に点検した日付と足りない部品を書く欄も設けます。

• 青：Arduino Unoのグループのボックス（G1〜G8）とそのケーブル。
• 緑：ESP32のボックス（E1〜E4）。ふたに3.3 Vの注意書きを書く。
• 紫：Raspberry Pi Picoのボックス（P1〜P4）。MicroPythonがインストール済みであることをふたにメモする。
• 黄：テーマボックス。ふたの内側に貸し出し表がある。
• 赤：先生と一緒のときだけ使うもの。電池、はんだごて、電源装置、「電源」ボックス。
• 白：予備ボックスと消耗品の在庫。授業中は開けず、不足分の補充にだけ使う。

点検の手順は層ごとに進めます。グループのボックスは、毎回の授業の終わりにグループが点検します。この2分間の手順は大人数のクラスの記事で紹介しました。共用備品とテーマボックスは、週に1回、先生が点検します。工具ボードと内容物カードがあるので、5分以上かかることはありません。抵抗、LED、ワイヤーのような小さな消耗品は1つずつ数えないでください。袋や仕切りごとに「最低ライン」の線を引いておき、量が線を下回ったら注文リストに書き込みます。一方、ボード、センサー、モジュールは個数で数えます。HC-SR04を1つなくすのと、LEDを1つなくすのとでは意味が違うからです。学期の終わりには完全な棚卸しをして、ボードを1台ずつテストします。なくなった部品や壊れた部品は、罰を与えるのではなく記録しましょう。どの部品がどのボックスからどのくらいの頻度でなくなるかがわかれば、次に何を注文すべきか、どのルールがうまく機能していないかがわかります。

消耗品：1年でどのくらい使い切る？

消耗品とは、授業中に壊れたり、なくなったり、傷んだりする小さな部品のことです。下の数字は実測値ではなく、8グループ・週1回の授業をもとにした大まかな計画用の見積もりです。最初の学期の点検記録から自分のラボでの割合を出し、表を更新してください。部品がなくなる主な原因は3つあります。足を何度も曲げて折ってしまうこと、LEDを抵抗なしで、または逆向きにつないでしまうこと、小さな部品がテーブルの下に落ちることです。最初の2つは正しい配線の習慣で、3つ目は仕切り付きのボックスと授業の終わりのテーブル確認で減らせます。LEDと抵抗を色や値ごとに分けた袋で、大きなパックで買うと、単価が下がるうえに数えるのも楽になります。こぼれた抵抗を生徒が正しい仕切りに戻せるよう、カラーコードの帯から値を読む方法を教えましょう。この練習には無料の「カラーコード」ツールが役立ちます。

安全：5 Vの上限、はんだ付け、電池、応急手当

ラボの安全の基本ルールは、電源の上限です。1年目は、すべての回路をパソコンのUSBポート、つまり5 Vから給電します。この電圧は感電という点では低く、本当のリスクはショートしたときに熱くなる部品やワイヤー、はんだごてによるやけど、リチウム電池です。リレーで商用電源につないだ機器を切り替えるプロジェクトはラボでは行わず、リレーのプロジェクトでは低電圧の負荷だけを使います。はんだ付けをする場合は、こて先が300 °Cを超えること、こて台なしで置きっぱなしにしないこと、はんだの煙は窓を開けるか吸煙器で取り除くことを最初にはっきり伝えます。有鉛はんだを使う場合は、作業後に手を洗います。リチウムイオン電池や18650電池は、端子どうしが触れないようにして、鍵のかかる耐火性の箱に保管し、長く保管するときは半分くらいまで充電した状態にします。膨らんだ電池、つぶれた電池、熱を持った電池は使わずに電池の回収場所に持っていき、充電中は必ず目を離さないようにします（詳しくはTP4056充電モジュールの記事にあります）。軽いやけどの応急手当は、その部分を流れる冷たい水に約20分当てることです。救急箱と消火器の場所はドアの横に掲示し、どんな事故も学校の手順に従って報告します。下の8つのルールをA3のポスターにして、ドアの横に貼りましょう。

1. 回路を組むときや変更するときは、USBケーブルを抜いておく。
2. 電源はパソコンのUSBだけ。電池、ACアダプター、電源モジュールは先生の許可を得て使う。
3. 熱くなっている、においがする、煙が出ている部品を見つけたら、USBを抜いて手を挙げる。
4. テーブルの上に飲食物は置かない。かばんは入口の棚に置く。
5. 部品はすべて自分のボックスに戻す。ボックスの間で部品をやりとりしない。
6. はんだごて、電池、電源装置は、先生の机で先生と一緒のときだけ使う。
7. 部品の足を切るときは保護メガネをかけ、切り落とす側の端を指で押さえる。
8. 壊れた部品、なくした部品、傷んだ部品を隠さない。内容物カードに書いて先生に伝える。

年間の運用カレンダー

ラボの在庫管理とプロジェクトの計画にBlueGraysを使う

ラボの在庫は、BlueGraysのマイ工房で管理できます。部品はプレミアムの機能なので、先生ご自身のアカウントで行います。部品では部品を数量付きで追加し、カスタム名の欄に「330R」や「赤色LED」のような詳細を、メモに「Gボックス、棚2」のような場所の情報を書きます。数量が少なくなった部品には在庫少のラベルが表示されます。本当のメリットは計画にあります。部品の在庫は1つなので、ラボ全体の合計ではなくグループのボックス1つ分の中身を登録すると、作れるプロジェクトのリストに各グループがボックスの部品で作れるプロジェクトが表示されます。一方、部品が不足しているプロジェクトには「2個不足」のようなラベルで、どの部品を加えればどのプロジェクトが作れるようになるかが表示されるので、それをもとに2年目のテーマボックスを選べます。詳しくは手持ちの部品で作れるArduinoプロジェクトの記事にあります。生徒が自分の画面でプロジェクトを見ながら進めるときは、必要な部品のリストに数量が表示されるので、その授業のボックスをそれに合わせて準備できます。無料のプロジェクトの先に進むときは、教育者向けパッケージで生徒にプレミアムを配れます。1回の支払いで購入するコードで、カードは不要で、自動更新もされません。ラボ独自のプロジェクトを授業で使いたい場合は、学ぶ > フォーラム > 新規投稿からチュートリアルカテゴリーで共有します。回路の写真、「コードを追加」でコード、関連する既製のプロジェクトを加え、「共有」で投稿のリンクを生徒に送ります（手順は自分のプロジェクトで授業をするの記事にあります）。

寄付、スポンサー、助成金のための書類チェックリスト

• 1ページの概要：ラボの目的、何人の生徒とどの教科に役立つか、週に何時間使うか。
• 3つの層の必要品リスト：この記事のキット、備品、インフラの表を数量付きで。
• 記入済みの予算テンプレート：品目ごとに少なくとも2社の見積もり、選んだ見積もりとその理由、一回限りと毎年の合計を分けて。
• 部屋の情報：現在の部屋の写真、簡単な配置図、コンセントとパソコンの状況。
• 安全計画：ルールのポスター、電池とはんだ付けの道具の保管方法、応急手当と責任者。
• 運用計画：年間カレンダー、点検の手順、ラボを担当する先生の名前。
• 継続性：2年目以降の消耗品と交換の予算をどこからまかなうか。
• 測定できる目標：たとえば学期ごとに完成させるプロジェクトの数、年度末の展示会、クラブ活動。
• 学校の管理職の承認：学校の管理職からの支援の文書と、備品をどのように学校の備品台帳に登録するか。
• 報告の約束：いつ、どのような内容（写真、プロジェクトのリスト、在庫）で支援者に報告するか。

学校のラボは、一度つくって終わりではありません。1年目はキット、ボックス、ルールが定着し、2年目はテーマボックスで広がり、その後は点検の記録が、何がなくなり何が本当に使われているかを教えてくれます。最初のグループのボックスを用意したら、スマホにBlueGraysをインストールし、そのボックスの部品でどの無料プロジェクトが作れるかを確かめてみてください。最初の学期の授業リストをつくる手軽な方法です。